福建平潭海峽,是與百慕大、好望角齊名的世界三大風(fēng)口海域,被稱為“建橋禁區(qū)”。

8月22日,隨著起重船將重達(dá)1350噸的鋼桁梁放置到墩頂,平潭海峽公鐵兩用跨海大橋首片鋼桁梁架設(shè)成功,我國首座跨海公鐵兩用大橋再次進(jìn)入公眾的視野,成為關(guān)注的焦點。

平潭海峽公鐵兩用大橋于2013年11月開建,項目具有工程量巨大、有效作業(yè)時間短、工期緊等特點,被稱作“施工難度最大”的橋。

平潭海峽公鐵兩用跨海大橋建設(shè)到底難在哪里?我國的大橋科技工作者用了哪些黑科技完成了“不可能的任務(wù)”?

看環(huán)境復(fù)雜海域條件驚詫七位院士

在建的海峽公鐵兩用跨海大橋是福平鐵路的關(guān)鍵性控制工程,起于福州長樂市松下鎮(zhèn),經(jīng)過人嶼島、長嶼島等4座島,從蘇澳鎮(zhèn)上平潭島。大橋全長16.34公里,是世界上最長、跨度最大的跨海峽公鐵兩用大橋,下層設(shè)計為時速200公里的雙線一級鐵路,上層設(shè)計為時速100公里的高速公路。

中鐵大橋局福(州)平(潭)鐵路項目常務(wù)副經(jīng)理張紅心介紹,這座大橋的所在地處于武夷山脈與臺灣海峽之間,正處在一個喇叭口。這里看似風(fēng)平浪靜,但突然一個浪涌上來,會將鋼纜都扯斷。福建省每年六成海上事故發(fā)生在這片海域。近3年來,這里每年都會遇上臺風(fēng),2015年至今已發(fā)生18場臺風(fēng)。

在大橋施工期間,王景全、鄭皆連等七位中國工程院院士帶著重點咨詢項目《海洋橋梁工程技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究》到訪平潭大橋。院士們大為感嘆,其所處的獨特海峽環(huán)境,無論是地質(zhì)條件的復(fù)雜程度,還是大風(fēng)、強(qiáng)浪、強(qiáng)涌、急流等海況的惡劣程度,均遠(yuǎn)超已建成的東海大橋、杭州灣大橋、青島海灣大橋及在建的港珠澳大橋,尤其是波流力的影響,是常規(guī)長江等內(nèi)河橋梁的10倍以上。

中鐵大橋局董事長,平潭海峽公鐵兩用橋項目經(jīng)理劉自明說:“大橋的建設(shè),標(biāo)志著我國鐵路橋梁開始由內(nèi)陸江河邁向海洋!”

為攻克復(fù)雜海域海峽大橋建設(shè)技術(shù)難關(guān),中鐵大橋局成立了以中國工程院院士為首的技術(shù)專家組,統(tǒng)一組織協(xié)調(diào)指導(dǎo)大橋技術(shù)攻關(guān)和方案落實,并聯(lián)合鐵路總公司組織了“跨復(fù)雜海域公鐵兩用大橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究”“惡劣海洋環(huán)境下大型橋梁工程建造技術(shù)研究”“平潭海峽公鐵兩用大橋修建關(guān)鍵技術(shù)研究”等多項科研課題。

建橋墩海底“小板凳”擴(kuò)展成施工平臺

大橋穿越的島嶼兩側(cè)海床幾乎全是堅硬的巖石,建立棧橋及鉆孔平臺極其困難。

橋址處風(fēng)大、水深、浪高、暗礁多,施工條件惡劣。中鐵大橋局四標(biāo)段二分部承擔(dān)的北東口水道橋B39—B58段,是全橋最難啃的硬骨頭。

2014年3月24日,中鐵大橋局項目部選擇了具有代表性的無覆蓋層且海床為花崗巖的B49號墩進(jìn)行試樁,這是第一次進(jìn)行基礎(chǔ)施工的探索。

中鐵大橋局副總工程師、平潭海峽公鐵兩用大橋項目部總工程師張立超記憶猶新:“當(dāng)時是夜里4點多,經(jīng)過努力第一根樁看起來站穩(wěn)了,可天亮?xí)r發(fā)現(xiàn),立好的樁又不見了。”原來,由于海底花崗巖的強(qiáng)度像鋼鐵一樣堅硬,當(dāng)鋼管樁樁頭打進(jìn)巖床1米深左右時,被擠壓致嚴(yán)重變形。

“一根筷子立不住,那做成4條腿的板凳呢?”新的方案在經(jīng)過專家論證后,張立超所在的技術(shù)攻關(guān)小組開始了沒日沒夜的測算、畫圖、修改、復(fù)核。

時間一晃就是幾個月。新的辦法是,根據(jù)海底巖面地形定制4根長短不一的鋼管樁,用打樁船將鋼管樁放到預(yù)定位置,快速聯(lián)結(jié),形成一個臨時“板凳”。接著,下放預(yù)制的圓柱形鋼筋籠,并灌注混凝土,讓鋼管樁“黏”在海底巖石上。以此“小板凳”為起始小平臺,再向外擴(kuò)展為7人足球場大小的施工平臺。樁基施工的瓶頸自此打通了。

這項海底裸巖上的“搭板凳”技術(shù)被稱為“深水裸巖區(qū)埋植式海上平臺”,為國內(nèi)首創(chuàng),既加快了建橋速度,又降低了橋梁建設(shè)成本。

如今,一個個橋墩已矗立在海面上,最難的水下施工難題已被征服。大橋局項目黨工委書記趙進(jìn)文統(tǒng)計,全橋共169個墩,目前已完成137個橋墩。

架橋梁大力士起重船完成整孔架設(shè)

夏有臺風(fēng),冬有季風(fēng),一年刮6級以上大風(fēng)的日子達(dá)到330天。

“鑒于橋址區(qū)域惡劣的建設(shè)環(huán)境,建造鋼桁梁橋、采用傳統(tǒng)的散件安裝方式已不能滿足要求。”中鐵大橋局平潭海峽公鐵兩用大橋項目部副總工程師王東輝說,為降低施工安全風(fēng)險、提高施工工效,工廠化、大型化、整孔架設(shè)安裝成為必然選擇。

但如何將重達(dá)1350噸,重量相當(dāng)于337頭大象的鋼桁梁在這種惡劣環(huán)境下吊裝,成為施工中巨大的挑戰(zhàn)。

針對這一難題和通航的考慮,中鐵大橋局歷時3年、耗資3.4億專門為此橋打造了架梁“神器”——“大橋海鷗號”。這是一艘自航雙臂架變幅式起重船,起重能力達(dá)3600噸——相當(dāng)于900頭成年大象的體重,主鉤起升高度達(dá)110米——相當(dāng)于39層樓高,是國內(nèi)起重量最大、起升高度最高的雙臂架起重船。

其起重機(jī)采用變幅式雙臂架結(jié)構(gòu),能更好地滿足橋梁吊裝施工的特點,減小橋梁吊裝吊具結(jié)構(gòu),從而提高橋梁吊裝的有效高度。

平潭海峽公鐵兩用跨海大橋全橋34孔80米、8孔88米鋼桁梁均為工廠整孔全焊制造、海上運(yùn)輸、整孔架設(shè)。“此次鋼桁梁整孔吊裝在國內(nèi)尚屬首例,施工工藝難度極大。”張紅心介紹,采用起重船整孔吊裝架設(shè),是國內(nèi)鋼桁梁斜拉橋主梁架設(shè)技術(shù)的又一突破,實現(xiàn)了鋼桁梁橋梁架設(shè)施工由單片架設(shè)到整節(jié)間架設(shè)再到整孔架設(shè)的一個飛躍。

目前正值施工高峰,大約有5000多人在16公里長的作業(yè)線上全線鋪開。海上還搭建起59000平方米的鋼平臺,相當(dāng)于8個足球場大小,平臺上有辦公區(qū)、生活區(qū)、鋼筋加工廠、海水淡化廠,600多人在平臺上生產(chǎn)生活。

七位院士在他們的研究報告中指出:“平潭海峽公鐵兩用大橋,是我國在跨海峽大型公鐵兩用橋梁建設(shè)的首次探索,作為國內(nèi)首座跨海峽公鐵兩用大橋,對我國海洋橋梁技術(shù)發(fā)展具有極其重要的意義。”(本報記者 劉志偉 謝開飛)