锦绣西部,层峦叠嶂。我国西部地区山脉延绵起伏,山峰高耸入云,有的宛如巨人屹立于天地之间;有的深谷交错,河流蜿蜒。2016年7月16日,中交路建承建的贵黔高速公路控制性工程、世界山区最大跨度斜拉桥鸭池河特大桥通车运营;同年12月29日,历经五年时间建造的“世界第一高桥”北盘江大桥建成通车;2021年6月25日,二公局、振华重工承建的世界最大跨径飞燕式钢管混凝土系杆拱桥四川合江长江公路大桥建成通车;同年10月19日,二公局承建的贵黄高速公路关键工程——阳宝山特大桥建成通车……逢山开路,遇水架桥,十余年来,中交集团始终胸怀“国之大者”,以服务西部大开发战略为己任,充分发挥自身优势,在西部高山峡谷间搭建起一座又一座“山间飞虹”,为推动西部地区经济社会高质量发展贡献了中交力量。
“搭积木”整体吊装问鼎“世界之最”
乌江有两源,南源三岔河,北源六冲河。两源自化屋基汇流,二水合而为鸭池河。河水穿山东行,劈出峡谷天险。中交路建承建的贵黔高速土建八标全线控制性关键节点工程——鸭池河特大桥全长1466.5米,位于乌江源百里画廊,是典型的山区大跨径桥梁。该桥2016年7月16日建成通车,是当时世界跨径最大钢桁梁斜拉桥,创世界山区斜拉桥之最。
进场之初,这里湖水清澄、倒影沉碧的秀丽风景让建设者不禁感慨大自然的鬼斧神工,但同时,在两岸的险峻峰壁上开展工程建设也给项目团队带来巨大的挑战。时任项目技术负责人安邦介绍,由于大桥地处乌蒙山区,雨、雪、雾等恶劣天气年平均天数达到208天,同时山区突发大风天气频繁,山谷中瞬时风力可达11级,对安全管理和施工组织都提出严峻的考验。
在如此苛刻的施工条件下修建800米跨径的山区斜拉桥,面临的挑战是前所未有的,特别是对于索塔和中跨钢桁梁的施工。为此,项目部成立包括项目经理姜冰在内的技术科研攻关小组。
鸭池河特大桥索塔为变截面结构,钢筋骨架结构复杂,竖向主筋有3层,主筋根数超过600根。常规工艺需要将600多根主筋吊装至高空作业面进行逐根散绑,就像“扎篱笆”。该工艺高空作业时间长,安全风险高。为解决索塔钢筋高空安装的难题,攻关小组首次提出“索塔节段钢筋整体吊装施工技术”。
与常规工艺的“扎篱笆”相比,“索塔节段钢筋整体吊装施工技术”就像“搭积木”。先在地面将600多根主筋节段钢筋绑扎成整体,然后利用大吨位塔吊将节段钢筋整体提吊至塔上作业面安装。该原创技术自2014年4月立项,2014年10开始应用,科研团队多达97人,经过三阶段10多次的实体试验,最终取得成功。该技术使得项目高塔施工平均速度提升1倍,仅此技术的应用就使索塔工期节约了4个多月,工程的安全性和施工质量得到极大提高。
鸭池河特大桥处于深山峡谷中,峡谷沟深桥高且不通航;施工场地极为狭小,施工便道穿行在悬崖峭壁之间,坡陡弯急。如果说索塔吊装是“搭积木”,那么中跨钢桁梁合龙是否也能通过“搭积木”的方式实现呢?
为此,安邦多次带领科研攻关小组进行实地调研、勘探,发现桥位处只有一岸具备钢结构陆路运输、存放、拼装的条件,地形条件的限制导致斜拉桥常用的桥面吊机和悬臂散拼两种工艺均不适用于中跨钢桁梁的吊装。面对严苛的环境条件项目迫切需要一套运、吊一体化方案来解决钢桁梁的吊装问题。经科研小组多方研究,决定采用缆索吊机进行中跨钢桁梁的吊装施工。缆索吊技术可以利用运、吊结合的优势,实现单侧拼梁、中跨全范围钢梁节段纵向运输、垂直起吊对拼的目的。
大桥建设有了突破方向,但是对建设者来说也意味着将要面临另一个难题。原来,当时在800米跨径下设计吊重为350吨的缆索吊机尚无工程实例,而且国内外也没有缆索吊机应用于斜拉桥施工的先例。传统缆索吊需要高大、坚固的塔架,设计、施工难度大,同时其相对较弱的刚度也增加了起吊对位的难度。
不能改变环境,那就巧妙利用环境条件。安邦和项目团队决定将主桥结构塔作为缆索吊塔架。鸭池河特大桥缆索吊在索塔中横梁处外伸挑梁作为索鞍托架,永临结合,结构安全可靠,这样既解决了峡谷地区运梁、喂梁困难的问题,又实现了梁段拼装集中管理,使得钢梁施工组织灵活机动,同期类似规模的缆索吊其两岸塔架总用钢量达上万吨。
项目团队面对鸭池河特大桥苛刻的施工条件和复杂的结构体系,提出了全新的理念和思路,取得一系列的原创科技成果。大桥从开工到合龙,仅用了29个月时间,创造了桥梁建设奇迹。大桥以其良好的景观效果成为多彩贵州的标志性建筑。
创新顶推工艺“炼就”世界第一高桥
在乌蒙山脉深处,一座大桥跨越峡谷,将云贵两省紧紧连接在一起。这就是有着“世界第一高桥”之称的杭瑞高速北盘江大桥。大桥桥面距谷底垂直高度565.4米,居世界第一。
北盘江大桥坐落于典型的喀斯特地貌中,像一条“钢铁巨龙”连接高耸的山峰,横跨峡谷。在蜿蜒的群山中修桥,项目部首先考虑的是运输问题。“项目建设所需2.4万余吨钢材、18万立方米混凝土,如何运上山?首先想到的就是修便道。山高路险,3公里正线累计要修23公里便道。”二航局项目常务副经理喻文浩回忆说。在修便道过程中,每天需要从山脚走到山上的驻地,喻文浩走坏了3双鞋。
钢材、水泥可以化整为零分批次运输上山,但对项目用电至关重要的变压器重达1吨多,无法拆分。没有大型机械辅助,施工人员只能用最原始的撬棍人力将它运上山,然后又耗时3个多月架设起近百根电线杆。
前期工作准备就绪后,又一个难题摆在施工人员面前。贵州的喀斯特地貌有“无山不洞,无洞不奇”之说,也因此主塔桩基施工中溶洞频现。由于钻机无法施展,只能采用人工挖孔,大桥264根桩基,几乎每根桩基在挖孔中都遇到了溶洞。
而最难处理的是遇到溶洞渗漏流沙,要一边挖孔一边注浆固接,为了确保桩基安全,开挖由每一米缩减到每30公分进行一次锚固。桩基施工全部采用标准化配置,从选用机具到钢筋笼井圈制作,洞渣日出日清,现场施工井然有序。
北盘江大桥桥深墩高,大桥辅助墩高84米,承重能力强,但受弯受拉的能力有限。没有成熟的施工经验可以借鉴,在讨论边跨钢桁梁施工方案时,经过反复比对,项目部初步形成采用无临时墩的顶推施工方案,但设计也明确指出,墩顶水平力最大不超过150吨。在技术交流会上,时任项目总工程师张鸿提出了在钢桁梁中采用步履式顶推技术的理念。要实现钢桁梁顶推施工就必须确保顶推点始终位于钢桁梁节点位置,但钢桁梁两个节点之间的间距长达8米和12米,而当时顶推设备一个循环的顶推最大距离也不到半米。
经过“反复设想-讨论-否定-推倒重来”,项目团队提出节点自适应顶推施工工艺。这种新型顶推施工工艺,利用相对一侧布置的大型载荷转换装置、顶推设备及其附属的小型外部载荷转换装置就可以返回出发点,投入新一轮顶推,最终优质安全地完成了重达6600吨的边跨钢桁梁顶推施工。
采用钢桁梁顶推施工不仅破解了深山峡谷地区作业场地受限的不足,还使大桥临时钢结构使用量减少了30%以上,大大降低了工程安全风险,该技术斩获第十七届中国专利奖金奖。
一桥飞架,天堑变通途。2016年12月29日,历经五年时间建造的“世界第一高桥”——北盘江大桥建成通车。这一跨,让峡谷两岸40公里的路程缩短为1341.4米,2.5小时的行程缩短为5分钟以内,不仅方便了当地民众的出行,还让桥梁成为新的旅游打卡目的地。
鏖战五载连通“希望之桥”
2021年6月25日,历经5载奋战,由二公局、振华重工承建的世界最大跨径飞燕式钢管混凝土系杆拱桥——合江长江公路大桥正式通车。两岸群众纷纷走上桥面,以“踩桥”方式表达内心的喜悦和祝福。
合江位于四川盆地南缘、川渝黔结合部,因长江与赤水河交汇而得名。长江横亘其中,割裂了合江县城与对岸的白米镇,摆渡成为两岸40万群众依赖的往来通道。
合江长江大桥桥位规划航道等级为Ⅰ级,可通航3000吨级船舶,通航及泄洪要求严苛,且桥址南岸覆盖层厚,不宜采用推力拱桥,故而采用了自平衡的飞燕式拱结构体系设计方案。但该结构要求建设过程中需要始终保持飞燕拱桥的平衡体系,建设难度大幅攀升。
2019年初,合江大桥进入主拱施工阶段。大桥主拱拱肋共计40个节段,标准节段纵向水平长达26米,单节段最大吊重达170吨。在水流湍急的江面上,普通浮吊无法完成如此大重量的吊装作业。如何把这些节段在空中精确定位并完成吊装,考验着建设团队的智慧。
合江大桥没有现成的主塔可以作为吊装支柱,项目团队创新提出采用吊扣合一、斜拉扣挂体系,借助缆索吊装系统分节段吊装主拱既降低了施工成本,也增强了施工安全性。
主塔问题解决了,缆索布局及控制难题又摆在眼前。根据施工方案,主拱从底部开始对称吊装,拱肋节段之间采用先栓后焊的连接工艺,其安装精度需要通过调整缆索索力进行控制。拱肋节段之间精确匹配连接,拱肋接头加工、现场空中对接等工序综合精密度需达到毫米级,施工工艺要求很高。且随着吊装节段的增加,后期大桥主拱会如两只巨型飞燕,凌空悬挂在江面上,安全风险急剧增加。
“一切的压力都指向缆索控制。”二公局时任项目经理肖开军说。为此,项目集结“精兵强将”,就缆索吊集中控制展开研发攻坚。
经过不断探索试验,由二公局自主研发的缆索吊集中控制系统成功亮相。通过这套系统,操作人员只需在集中控制室内按下一个按键,便可轻松控制8台卷扬机的运转,启动跨径507米的缆索吊,吊装起100多吨的主拱肋,还可以通过显示屏实时观测每台设备的运行情况及主吊点所处位置、状态,实现全程动态同步精确控制。为应对安全挑战,建设团队还为缆索吊系统增加了视频监控及安全管理等功能,能够随时通过安全故障预警机制,对各项安全指标进行实时监测和紧急保护,实现参数超预警值自动紧急停机。
合江大桥的施工难度不仅仅在主拱肋吊装,如何拼接主拱节段也是不小的挑战。早在生产阶段,振华重工合江项目总工程师何继弘就多次召开技术研讨会,研讨主拱肋拼装方案。根据原计划,项目拟采取立体拼装法。“立体拼装需要将每个节段竖起来,部分节段高达14米,但宽度只有2.7米,危险系数比较高,而且拼装横向偏差还要控制在2毫米以内,这个难度实在太大了。”有人提出质疑。
“能不能采用安全系数更高的卧拼方式?”何继弘和项目组成员提出新方案,但超500米跨径的拱桥卧拼,国内并无先例可循。
项目团队随即展开模拟试验,数据显示,与立体拼装相比,卧拼产生的形状偏差仅为2毫米。“只要我们将卧拱截段切割到位,保证切割精度,卧拼方式完全可行。”何继弘充满信心。项目团队开始从切割工艺上下功夫,不断对切割机的切割指令进行精细微调,反复试验。在经历几十次失败、长达两个星期的调试后,项目团队终于将切割参数调整到合适数值,满足了精度要求。
钢管拱吊装完成了,要想让大桥“坚不可摧”,拱内灌注的混凝土需采用强度更大的C70混凝土。四川地区河砂稀少,项目因地制宜,采用当地玄武岩机制砂作为制造C70混凝土主要原料之一。为保证混凝土灌注顺利进行,项目部经过多次配合比优化最后决定加入微珠胶凝材料,“智造”出了既满足设计要求又方便施工的C70混凝土。“经过我们的‘改良’,玄武岩机制砂制作的混凝土可以满足边拱施工要求,但是主拱跨径更大、高度更高、混凝土泵送路程更远,并且必须保证一次性泵送成功,这又是一项重大挑战。”肖开军说。
项目团队开启全国寻料模式,终于在云南省水富市找到了合适的河砂,同时用一级粉煤灰替代了原来的胶凝材料。泵送试验中,采用顶升压注法施工,泵送分三级进行,两岸自拱脚至拱顶对称同步灌注。在施工团队的高效配合下,3次泵送试验均顺利告捷。
2019年8月29日凌晨4点,施工团队共完成了694立方米混凝土的灌注,建成了大桥的“钢筋铁骨”。
空中纺丝织就“云中之桥”
自贵阳向东驱车80余公里,独木河穿山而过,悬崖陡峭、峡谷幽深。二公局承建的阳宝山特大桥就在这里横跨峡谷,犹如云端描红,书写着中交人的奋斗故事。
阳宝山特大桥是贵(阳)黄(平)高速公路的控制性工程,也是贵州第一座六车道悬索桥,国内山区最宽的钢桁梁悬索桥。大桥全长1112米、主跨650米。2017年,二公局的建设者们追寻长征的脚步,驻扎在红军当年路过的新巴镇,开启了阳宝山特大桥的建设之路。
但刚一进场,险峻的地势就给大家带来了不小的挑战。贵州素有“地无三尺平,天无三日晴”的说法,项目所在地更是山高谷深,一年中大雾天数平均达到180天,仅有的一条924县道临崖修建,成为项目生产生活运输的“交通命脉”,道路曲曲折折、颠簸难行,物资运输成了大难题。
首先要解决的,就是主缆索股运输的问题。阳宝山特大桥共有两根主缆,一共包括72根通长索股和4根背索,总重量近4600吨。如果预制成索股,单股平均重量超过60吨,体积庞大,需要专用运输车辆,但当地恶劣的交通条件难以满足运输需求。如果开辟临时便道,也面临着费用高、运输风险加大的问题。
为解决这一难题,项目团队联合设计单位几经研究,多次召开专家论证、咨询会,最终确定了“空中纺线法”架设主缆的方案,利用牵引机械往复拽拉平行高强镀锌钢丝,像纺线一样在现场制作平行钢丝索股。采用这种施工工艺,只需将钢丝“化整为零”运输到施工现场,再“集零为整”编成主缆,项目的运输难度大大降低。
这是在国内首次采用“空中纺线法”架设主缆。“这项技术国内没有可供借鉴的经验,仅有的影像资料也是国外的,我们无法接触到关键核心部分的内容,无论是理论还是实操,都需要我们自己进一步摸索。”项目总工程师郭瑞说道。
从2017年主塔施工阶段开始,项目就启动了“空中纺线法”施工工艺的研发工作,组建了由设计单位、施工单位、监控单位、大桥关键构件生产制造单位组成的“产—学—研”于一体的课题组,邀请国内外顶级桥梁专家现场进行技术指导。
“我们自主研发了集放丝系统、牵引系统于一体的‘空中纺线法’施工集中控制系统,可以实时控制放丝系统、牵引系统工作状态,且使两种运行系统工作状态相互匹配,同时实时监控纺丝施工全过程。这个系统还具有自动记录、报警、预警功能,实现了纺丝施工自动化、智能化控制,保证了施工安全,减少了施工人员的投入,提高了工效。”郭瑞自豪地说道。
2020年5月,主缆试纺如期进行,技术专家、设备厂家、系统厂家、项目团队全部驻扎到施工现场,只要发现问题就立即着手解决。“最多时,现场驻扎的技术人员多达168人。”郭瑞回忆说。
2020年6月9日下午3时许,正在高速运行的卷扬机突然发出异响,机器部件摩擦的巨大声响让全体人员陡然紧张起来。“立即停止纺丝,停止纺丝!”负责现场指挥的项目副经理仝增毅立即下达指令。操作室里几个按钮相继亮起,以每分钟180米至240米的速度高速转动的左幅纺丝轮瞬间停了下来。
技术人员迅速到达现场,拆解设备外壳查找问题。经过仔细检查,发现是动力轴轻微变形。“当时纺丝效率已经提升到两天一股了,突发的故障给我们敲响了警钟,时时刻刻都不能放松。”郭瑞说。
项目立即召开专题会,深入查找问题原因。经过细致分析,发现问题在于现场作业节奏不稳、设备牵引速度过快,加之急刹急停引起冲击力过大导致动力轴变形。经反复调整,纺丝速度最终控制在安全合理范围内。
随着一个个问题的解决,纺丝效率不断提高,从刚开始的一个月只能“纺”3根索股,提升到一个月可以“纺”10多根,到8月份,实现了38小时完成两根索股的速度。
纺丝时,项目团队高度重视施工质量。质检方要求钢丝与钢丝间的高差控制标准为正负25毫米,但实际施工时,项目经理杨博要求将这一精度控制在正负2毫米。为确保这一精度,项目对起始基准丝调试完毕后,还要进行连续3天的监测,并在每一束索股纺丝完成后进行钢丝排序调整、紧束打包和线形调整。为防止出现错丝、鼓丝等质量问题,项目除了加强作业人员培训,还专门制作了主、散索鞍钢丝排列图,悬挂在显眼位置,以便随时查看,确保施工质量。
2020年9月14日,大桥最后一根索股纺丝完成,比预计工期提前半个月完工。经监控单位实测,制索精度达到了三万分之一、股内应力总偏差1.14%,均高于制索精度万分之一、股内应力总偏差4%的设计要求。
“阳宝山特大桥共2根主缆,主缆中心间距36米,由24128根钢丝组成,钢丝总长度约26200千米,可以绕地球半圈。”谈及主缆的这些数据,郭瑞倒背如流。
2022年5月31日,贵黄高速公路全线建成通车,成为贵阳东出长三角地区最便捷的高速通道。阳宝山特大桥飞跃峡谷,穿梭在云雾之中,成为畅通无阻的“云中之桥”。(中交集团)