5月27日，由在鄂央企中交二航局參建的世界首座三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋——溫州甌江北口大橋（以下簡稱“北口大橋”）順利通車，標(biāo)志著我國沿海交通大動脈寧波至東莞國家高速公路實(shí)現(xiàn)全部貫通。
北口大橋工程全長7913米。其中跨越甌江的主橋長2090米，采用“兩橋合建”設(shè)計(jì)，上層為甬莞高速，雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速100公里，下層為國道G228南金公路，雙向六車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速80公里，大橋可提供每天10.7萬輛車的通行能力。其中，中交二航局承建土建3標(biāo)、4標(biāo)段，負(fù)責(zé)包括南塔、南錨碇、南引橋以及主橋上部結(jié)構(gòu)主纜、吊索、鋼桁梁等施工內(nèi)容。
考慮大橋位于甌江入?？?，受強(qiáng)臺風(fēng)、強(qiáng)潮涌、深厚軟土影響以及受通航尺度大、航空限高嚴(yán)、周邊環(huán)境等諸多因素制約，大橋創(chuàng)造性地在國內(nèi)首次選擇“三塔四跨”懸索橋、混凝土結(jié)構(gòu)做中塔、淤泥土質(zhì)中用沉井做基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。
“作為施工方，我們堅(jiān)持產(chǎn)研結(jié)合，形成強(qiáng)臺風(fēng)區(qū)三塔四跨懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工與控制成套技術(shù)、強(qiáng)潮河口陸域沉井施工成套技術(shù)等成果，克服了工期緊、安全風(fēng)險(xiǎn)高等難題，為后續(xù)同類型橋梁建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。”中交二航局溫州甌江北口大橋項(xiàng)目負(fù)責(zé)人向自立表示。
淤泥層中壓“秤砣”，打造世界級沉井
甌江北口大橋南錨碇沉井是世界首次在強(qiáng)潮河口深厚軟土地層中修建超大型沉井基礎(chǔ)。錨碇是懸索橋的重要構(gòu)成部分，沉井則是錨碇的基礎(chǔ)形式之一，它深埋于地下，沉井之上坐落著錨體，錨體錨固著大橋主纜，承擔(dān)整座大橋的荷載。
南錨碇沉井平面尺寸相當(dāng)于10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場大小。沉井使用混凝土約23萬立方米，混凝土用量足以建造三座世界著名的上海深坑洲際酒店，沉井總重量達(dá)50萬噸，相當(dāng)于8艘大型航母重量之和。
這樣的沉井尺寸，向自立職業(yè)生涯還是第一次遭遇。“40多米厚的淤泥層地質(zhì)條件，如何讓重量巨大的沉井在軟如奶油的淤泥中‘穩(wěn)得住’是第一個(gè)難題。”
他邀請到二航局技術(shù)中心專家團(tuán)隊(duì)，研究多種地基處理方式，開出了“國內(nèi)最長36米砂樁置換的方式改變地質(zhì)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)地基承載力”的藥方。
由于沉井尺寸較大，相當(dāng)于薄板容易因撓度過大而開裂，且地基承載力不均很易導(dǎo)致沉井傾斜。對此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)第一次下沉創(chuàng)新性采用“十字拉槽加全斷面小鍋底開挖”工法，同時(shí)安裝大量監(jiān)控元器件，結(jié)合信息化手段，實(shí)時(shí)監(jiān)控沉井姿態(tài)應(yīng)力情況。
第二次下沉采用不排水下沉，遇到黏土淤泥層，就像“橡皮糖”，粘性大，附著性強(qiáng)。項(xiàng)目部大膽創(chuàng)新，自主研發(fā)了“水下快速取土裝置”，設(shè)計(jì)靈感源自四旋翼無人機(jī)，通過安裝四組鉸刀，對土體切削形成塊狀土質(zhì)，再通過空氣吸泥泵吸出，有效解決了黏土淤泥層取土難題。
隨著第三次下沉推進(jìn)，“水下快速吸泥取土裝置”顯得力不從心。向自立團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地將專用于樁基施工的大型鉆機(jī)轉(zhuǎn)用于沉井下沉取土，扛住了一切深水水壓。項(xiàng)目部共投入22臺鉆機(jī)配合移動臺車進(jìn)行深水取土，并改進(jìn)鉆頭改造，有效解決了取土難題。隨著排泥管道源源不斷吐出泥土，沉井順利終沉到位，并且創(chuàng)下超大型沉井0裂縫的紀(jì)錄。
2020年4月12日，沉井共分四次接高和三次下沉，歷時(shí)兩年下沉完成。沉井前后三次一共沉入地下61.5米，四角高差和平面偏位精準(zhǔn)控制在設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)，創(chuàng)造了世界首例強(qiáng)潮河口深厚軟土超大沉井建造的奇跡。
智能機(jī)器人為千米級主纜“梳頭”
由于特殊的橋型，北口大橋的上部結(jié)構(gòu)堪稱世界級難題。
三塔或多塔懸索橋均須面臨中塔處主纜抗滑移難題。近年來，國內(nèi)設(shè)計(jì)修建了3座世界知名的大跨度三塔公路懸索橋：泰州公路大橋、馬鞍山長江公路大橋和武漢鸚鵡洲長江大橋。它們的中塔索鞍為滿足抗滑移要求，均采用鋼塔或鋼混結(jié)合塔，以降低中塔縱向剛度，通過中塔適當(dāng)變形來適應(yīng)主纜和塔頂索鞍抗滑移的安全系數(shù)要求。
溫州甌江北口大橋考慮所處海洋環(huán)境腐蝕性強(qiáng)等因素采用了混凝土結(jié)構(gòu)中塔。由于混凝土塔剛度大，無法通過塔的變形來適應(yīng)主纜和塔頂索鞍抗滑移要求。
二航局北口大橋項(xiàng)目總工郝聶冰認(rèn)為：“在不改變橋梁主塔結(jié)構(gòu)的情況下，我們必須通過新工藝、新設(shè)備來完成該項(xiàng)工作。”
甌江北口大橋兩根主纜中心水平間距41.8米，每根主纜由169根索股組成，長2300米，單根索股由127絲直徑5.4毫米鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，重約54噸，鋼絲抗拉極限強(qiáng)度為1860兆帕。每根主纜可吊起約1.5個(gè)“遼寧號”航母，兩根主纜鋼絲總長度加起來能夠繞地球2圈！
“索鞍的作用是放置主纜索股，作為主纜轉(zhuǎn)角的一個(gè)過渡受力點(diǎn)，均勻地把荷載傳遞到主塔上，北口大橋的三個(gè)主塔上均需設(shè)置。”郝聶冰表示。
要想固定住這樣長度的索股，二航局設(shè)計(jì)制造了世界首個(gè)深槽索鞍，并放置在要求最高的中塔之上。“索鞍從外形上看，就像一把‘梳子’，其隔板之間的縫隙用來放置主纜索股。大橋的中塔索鞍，其隔板從普通索鞍的20至30厘米增加到了90厘米。這就是世界首個(gè)深槽索鞍！”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過充分利用豎向摩擦板，提高索鞍與索股間的摩擦力從而克服主纜滑移問題。
更大的深度，代表著更高的難度！“以前隔板20厘米，靠工人一錘一錘砸的常規(guī)方式已經(jīng)淘汰！”郝聶冰認(rèn)為：“采用人工砸入的方式，容易引起散絲、跳絲、鼓絲等情況，且無法準(zhǔn)確、快速放入深度接近1米的索鞍豎向隔板內(nèi)。”
面對90厘米的極限入鞍挑戰(zhàn)，二航局探索智能工裝技術(shù)，研發(fā)出國內(nèi)首臺智能化深槽入鞍機(jī)器人，采用液壓頂桿作為機(jī)械手，將索股‘推’進(jìn)索鞍，整個(gè)過程平穩(wěn)可控，相比傳統(tǒng)人工入鞍方式效率提升30%。
萬噸鋼梁懸江上，二航人直面懸空吊梁挑戰(zhàn)
溫州甌江北口大橋主梁共有110榀鋼桁梁組合而成，最大吊裝節(jié)段重1200噸，全橋鋼桁梁總重約7.7萬噸。
北口大橋建設(shè)面臨臺風(fēng)期主梁吊裝、復(fù)雜地形情況下大噸位主梁吊裝、工期特別緊張等難題。對于二航局北口大橋項(xiàng)目副經(jīng)理張平來說，這次架梁難度不亞于登天：“溫州地區(qū)臺風(fēng)高發(fā)期集中在7、8月，也正是鋼桁梁吊裝的時(shí)期，鋼梁未合龍前，如何克服臺風(fēng)沖擊帶來的潛在威脅，這是我們面臨的一大挑戰(zhàn)！”
為了加快吊裝進(jìn)度，適應(yīng)超大超重的主梁結(jié)構(gòu)，二航局聯(lián)合專業(yè)纜載吊機(jī)廠家研發(fā)1000噸纜載吊機(jī)，滿足項(xiàng)目施工要求。吊機(jī)采用“分塊組拼+纜上總成”的方案進(jìn)行安裝，其設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)具備大傾角蕩移功能，是中交二航局自主研發(fā)的懸索橋安裝設(shè)備，同時(shí)為目前行業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的懸索橋主梁吊裝裝備。
“當(dāng)開車經(jīng)過大橋，深入云端的主纜在一段行駛距離后，會鉆入橋面之下，大橋好像懸浮在空中一樣！”張平表示，這也是甌江北口大橋的另一大吊裝難點(diǎn)，即大橋主纜會和主跨跨中位置的32榀主梁交錯(cuò)，形成“纜梁相交”區(qū)域。
“在上方無吊點(diǎn)支撐的地方，吊裝百噸重的箱梁，是國內(nèi)未曾嘗試過的挑戰(zhàn)！”張平表示。
中交二航局聯(lián)合建設(shè)相關(guān)方在研發(fā)應(yīng)用世界最大吊裝能力的千噸級纜載吊機(jī)基礎(chǔ)上，研發(fā)出國內(nèi)最大分體式提升設(shè)備，提出采用“1000噸纜載吊機(jī)+1400噸分體式提升設(shè)備”接力吊裝的創(chuàng)新方案，安裝纜梁相交區(qū)梁段，有效提高主梁吊裝效率精度，為今后國內(nèi)同類型橋梁施工提供新的思路。“先用纜載吊機(jī)提，再用固定在主纜上的分體式提升設(shè)備抬。一前一后將近千噸重的鋼梁‘舉’到高空進(jìn)行對接！”
同樣的情況還出現(xiàn)在大橋南北岸主橋邊跨和引橋相接處，各有2個(gè)端部無吊索鋼桁梁段。“上方?jīng)]有吊點(diǎn)，我們需要搭設(shè)50米高總重量約7000噸的臨時(shí)支架，安裝兩端的鋼桁梁！”張平認(rèn)為：“施工時(shí)先將鋼桁梁存放于支架旁，待吊裝部分梁段滿足受力要求后提升至活動支架并滑移至指定位置。”
主梁高12.5米，平移后會與臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)的中間橫梁起沖突。為了解決難題，二航局技術(shù)中心創(chuàng)造性地將支架的上層鋼管和軌道部分變成了可拆卸結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋼梁需要提升時(shí)，鋼護(hù)筒支架和上方的滑移軌道會像“變形金剛”的機(jī)械手臂一樣，張開“懷抱”；等鋼梁提升到位后，支架又會重新收縮，以“閉合”的形式，化身為鋼梁存放平臺。“開合式支架很好地解決了梁段提升限制的問題，也屬于國內(nèi)首次使用！”
2020年6月，中國公路建設(shè)行業(yè)協(xié)會的專家到二航局甌江北口大橋項(xiàng)目考察技術(shù)創(chuàng)新成果時(shí)評價(jià)：“你們產(chǎn)研結(jié)合做得很不錯(cuò)，大橋施工中的技術(shù)創(chuàng)新成果已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平！”（陳嘉倫、杜才良）