8月的福建省泉州灣，海風(fēng)陣陣。蔚藍(lán)的大海之中，一座銀白色的大橋自東北向西南蜿蜒。寬闊的橋面上，我國(guó)首條跨海高速鐵路——福廈高鐵進(jìn)入了最后建設(shè)階段。8月6日，隨著最后一榀鋼箱梁緩緩落下，我國(guó)首座跨海高鐵橋——福(州)廈(門(mén))高鐵泉州灣跨海大橋主橋成功合龍，這意味著中國(guó)高鐵從只在陸上行駛邁入了一個(gè)可以跨海行駛的新時(shí)代。
“越過(guò)高山、越過(guò)平原，跨過(guò)奔騰的黃河長(zhǎng)江。”這是歌曲《歌唱祖國(guó)》中的一句歌詞，用在中國(guó)高鐵的發(fā)展上，似乎非常合適。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程增加至3.79萬(wàn)公里，不管是高寒凍土的高原還是風(fēng)大浪急的海灣，都未能阻止中國(guó)高鐵的腳步。其中，高鐵橋梁長(zhǎng)度達(dá)1.8萬(wàn)公里，位居世界第一，甚至很多大型火車(chē)站都建在高架橋上。
高鐵跨海，靠的是先進(jìn)的橋梁建設(shè)技術(shù)。在眾多橋梁中，鐵路橋?qū)β窙r要求極高，對(duì)造橋工藝有著更高要求。但中國(guó)橋卻敢于向高難度挑戰(zhàn)。此次合龍的福廈高鐵泉州灣跨海大橋不僅是國(guó)內(nèi)首座跨海高速鐵路橋，也是世界上首座行車(chē)速度超過(guò)300公里/小時(shí)的大跨度跨海斜拉鐵路橋，這座超級(jí)工程的背后，是一系列先進(jìn)技術(shù)的支撐。
1 列車(chē)90秒飛馳過(guò)橋 刮8級(jí)大風(fēng)也不限速
福廈高鐵泉州灣跨海大橋的總設(shè)計(jì)師——中國(guó)鐵建第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁院(以下簡(jiǎn)稱鐵四院)總工程師嚴(yán)愛(ài)國(guó)和鐵路橋打了半輩子交道，他設(shè)計(jì)的高鐵橋，里程少說(shuō)也有800公里。
回顧這一路的建橋過(guò)程，嚴(yán)愛(ài)國(guó)感觸最深的，是這些年來(lái)國(guó)內(nèi)大橋通行速度的快速提升。“高鐵最大的特征是什么?是時(shí)速快。這種通行時(shí)速，是需要高鐵橋的路面設(shè)施和條件來(lái)保障的。”
嚴(yán)愛(ài)國(guó)介紹，我國(guó)早期的鐵路拱橋，時(shí)速只能跑160公里。而我國(guó)首座真正意義上的公鐵兩用跨海大橋平潭海峽公鐵大橋，通行時(shí)速也只有200公里。但福廈高鐵泉州灣跨海大橋的設(shè)計(jì)通行時(shí)速卻達(dá)到了350公里。這種速度的提升，源于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)、路面的工藝創(chuàng)新。
“跨海高鐵大橋要保證大跨度，一般都采用斜拉橋，這種結(jié)構(gòu)容易變形。同時(shí)，泉州灣位于沿海高風(fēng)速帶，海上多風(fēng)，海風(fēng)又會(huì)產(chǎn)生沖擊，必須創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，保證路面剛度，否則橋梁會(huì)因風(fēng)產(chǎn)生嚴(yán)重的橫向晃動(dòng)和渦振現(xiàn)象。”鐵四院大橋設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人曾甲華介紹，高鐵對(duì)橋梁剛度、后期線型穩(wěn)定性要求很高，為此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)外鐵路斜拉橋上首次采用了混凝土橋面板與槽形鋼梁組成的鋼混組合梁，鋼梁自重輕、滿足了大跨度橋梁建設(shè)對(duì)重量的要求;而混凝土則有效提升了橋梁的剛度。
此外，大橋主梁采用流線箱形結(jié)構(gòu)并附加導(dǎo)流板、減振欄桿、拉索電渦流阻尼器等有效氣動(dòng)措施，減小了復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)致振動(dòng)，避免了異常渦振的發(fā)生。這些設(shè)計(jì)，讓列車(chē)可以在不設(shè)風(fēng)屏障等防風(fēng)措施的情況下，在8級(jí)大風(fēng)中以時(shí)速350公里速度通過(guò)跨海大橋，在11級(jí)暴風(fēng)下也不會(huì)封閉交通。
軌道是福廈高鐵泉州灣跨海大橋通行時(shí)速高的另一個(gè)原因。坐過(guò)火車(chē)的人都見(jiàn)過(guò)，鐵軌下面一般都是碎石道床，這種有砟軌道最高運(yùn)營(yíng)速度只有250公里。而無(wú)砟軌道是采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎(chǔ)的軌道結(jié)構(gòu)，時(shí)速更高。但是，相較于陸地，在大跨度的橋梁上鋪設(shè)無(wú)砟軌道并通行高鐵，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)剛度、徐變變形等要求極高。在如此大跨度的跨海大橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道，國(guó)外沒(méi)有先例。
中交二航局福廈鐵路項(xiàng)目負(fù)責(zé)人劉福星介紹，泉州灣跨海大橋引橋采用雙塊式無(wú)砟軌道，而通航孔主橋在國(guó)內(nèi)外斜拉橋上首次采用了聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)“固定”道砟，讓有砟軌道跑出無(wú)砟軌道的效果。正是這些措施，讓福廈高鐵泉州灣跨海大橋?qū)崿F(xiàn)了高鐵90秒過(guò)橋的“風(fēng)馳電掣”。
2 7級(jí)大風(fēng)中作業(yè) 合龍精度偏差僅1毫米
跨海造橋，在世界上也是一項(xiàng)工程學(xué)難題。其中一個(gè)原因，是跨海往往比跨江、跨河的跨度更長(zhǎng)。
嚴(yán)愛(ài)國(guó)說(shuō)：“這些年我國(guó)高鐵的發(fā)展速度驚人，上世紀(jì)90年代我剛工作的時(shí)候，設(shè)計(jì)的鐵路橋梁跨度多為32米，最大也不超過(guò)100米，結(jié)構(gòu)多是混凝土結(jié)構(gòu)、少量鋼結(jié)構(gòu)，到如今各種結(jié)構(gòu)形式的橋梁都有。高鐵橋梁長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)、跨度越來(lái)越大、結(jié)構(gòu)越來(lái)越多樣。”
工藝創(chuàng)新，是中國(guó)鐵路橋長(zhǎng)虹橫貫背后的成功密碼。
平潭海峽公鐵大橋是目前世界上最長(zhǎng)的跨海公鐵大橋。大橋中最大跨度航道橋——元洪航道橋主跨達(dá)532米，兩艘5萬(wàn)噸級(jí)船舶并排從橋下通過(guò)都沒(méi)有問(wèn)題。而此次福廈高鐵泉州灣跨海大橋的主跨也達(dá)到了400米。
大跨度的橋怎么建成的?“就像拼積木一樣，必須做到精細(xì)化。”據(jù)中交二航局福廈鐵路項(xiàng)目總工翁方文介紹，作為福廈高鐵全線的關(guān)鍵控制性工程，泉州灣跨海大橋主梁采用鋼箱梁形式，分為77個(gè)節(jié)段，其中最重的梁段達(dá)365.18噸。在吊裝時(shí)，為有效應(yīng)對(duì)梁體吊裝重量大、落位精度要求高、海上施工環(huán)境復(fù)雜等難題，團(tuán)隊(duì)對(duì)主梁采用了分節(jié)懸臂吊裝，先邊跨、后中跨合龍的總體施工工藝。其中中跨合龍采用了北側(cè)吊裝、南側(cè)頂推的“主動(dòng)”合龍方式。為了保證每一塊都嚴(yán)絲合縫，翁方文和同事們開(kāi)發(fā)應(yīng)用了一套合龍施工智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，利用水準(zhǔn)儀、傾角儀等智能設(shè)備對(duì)合龍口狀態(tài)進(jìn)行超前智能化監(jiān)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)合龍口軸線偏差1mm，相對(duì)高差0.5mm的超高精度。
中國(guó)工程院院士項(xiàng)海帆表示，改革開(kāi)放以來(lái)，我們不僅在大橋建設(shè)的工藝上不斷取得新突破，在大橋建設(shè)的速度上也具有優(yōu)勢(shì)。我們用3年建成的大橋，國(guó)外至少要用5到7年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。
這樣高的效率，離不開(kāi)中國(guó)工程師們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)的基建利器。比如，在此次福廈高鐵的建設(shè)過(guò)程中亮相的世界首臺(tái)千噸級(jí)架橋機(jī)——“昆侖號(hào)”千噸級(jí)運(yùn)架一體機(jī)。
“昆侖號(hào)”厲害在哪里?在隧道作業(yè)時(shí)，傳統(tǒng)的架橋機(jī)需要先拆裝，穿過(guò)隧道再組裝，但是“昆侖號(hào)”架橋機(jī)能夠直接從隧道中穿過(guò)，節(jié)約出的時(shí)間可以多完成400米長(zhǎng)的橋梁搭建。此外，“昆侖號(hào)”不懼海上的大風(fēng)大浪，即便在7級(jí)大風(fēng)中，機(jī)構(gòu)依然保持穩(wěn)定。此外，它還可以兼容不同長(zhǎng)度的箱梁，能用機(jī)械臂將重達(dá)4個(gè)航空飛機(jī)的箱梁吊起，跨過(guò)橋墩之間的空隙，將箱梁快速而精準(zhǔn)地放到需要的位置上。
在此前的平潭海峽公鐵大橋建設(shè)過(guò)程中，面對(duì)有“建橋禁區(qū)”之稱的“世界級(jí)風(fēng)口”平潭海峽，建設(shè)方自主研發(fā)了世界上最先進(jìn)的KTY5000型液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)以及國(guó)內(nèi)起重量最大、起升高度最高的雙臂架起重船等重量級(jí)設(shè)備，成功解決了在惡劣復(fù)雜海洋環(huán)境條件下造橋的難題。
3 不刷漆也能百年抗腐 耐候鋼技術(shù)走在國(guó)際前列
和普通橋梁相比，跨海大橋還面臨著另一項(xiàng)考驗(yàn)，就是海風(fēng)海水腐蝕。
高鐵工程結(jié)構(gòu)的抗腐蝕標(biāo)準(zhǔn)是百年抗腐。“在沿海地區(qū)高鹽高濕的氣候條件下，依靠在鋼梁表面刷漆的傳統(tǒng)防腐方式，很難達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。”翁方文介紹，為了保證大橋的壽命長(zhǎng)久，福廈高鐵泉州灣跨海大橋的索塔鋼錨梁和支座采用了由國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的耐候鋼新型材料，是全球首座采用免涂裝耐候鋼的大型跨海工程。
翁方文口中的耐候鋼是世界超級(jí)鋼技術(shù)前沿水平的系列鋼種之一，通過(guò)往鋼材里加入微量鎳元素，讓鋼材自身生成致密穩(wěn)定的鈍化銹層，阻止海水中氯離子的滲透，實(shí)現(xiàn)了“以銹制銹”的長(zhǎng)效防腐效果。據(jù)了解，泉州灣跨海大橋主橋共有60套鋼錨梁，全部采用鎳系耐海洋大氣腐蝕鋼。此外，相關(guān)團(tuán)隊(duì)還研制了與這種鋼材配套的高強(qiáng)螺栓及焊接用料，順利將鋼材做成了大橋所需的鋼錨梁。正是因?yàn)橛辛诉@樣的鋼錨梁，福廈高鐵泉州灣跨海大橋不僅實(shí)現(xiàn)了免涂裝，還無(wú)需設(shè)置除濕系統(tǒng)。
記者了解到，在川藏鐵路的部分大跨度橋梁中，也用到了這種耐候鋼，比如雅魯藏布江特大橋。事實(shí)上，隨著我國(guó)橋梁建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，在建筑材料上不斷涌現(xiàn)出各種質(zhì)優(yōu)高效的新材料，材料的國(guó)產(chǎn)化率也在不斷提高。
2020年7月通車(chē)的千米級(jí)高鐵斜拉橋——滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋在建設(shè)中，就用到了我國(guó)自主研發(fā)的高性能新材料——抗拉強(qiáng)度高達(dá)2000兆帕的鋅鋁鍍層鋼絲。整個(gè)大橋，共有72對(duì)斜拉索，全部用這種鋼絲制成。每根鋼絲的直徑雖僅為7毫米，卻能夠承受80噸的拉力，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
由于滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋是這種材料的首次運(yùn)用，考慮到這種高性能材料未來(lái)將廣泛應(yīng)用于橋梁行業(yè)，國(guó)家于2020年出臺(tái)了《懸索橋吊索用鋼絲繩》標(biāo)準(zhǔn)。參與標(biāo)準(zhǔn)起草的中鐵大橋局有關(guān)負(fù)責(zé)人表示：“以前國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于中國(guó)，我們?cè)趪?guó)外的項(xiàng)目大都按照歐標(biāo)、美標(biāo)等來(lái)施工驗(yàn)收。近年來(lái)，隨著中國(guó)材料技術(shù)的不斷突破，有些標(biāo)準(zhǔn)我們已走在世界前列了。這次國(guó)標(biāo)發(fā)布實(shí)施，凸顯了我國(guó)新材料的技術(shù)含金量，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)大跨徑懸索橋建造技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)我國(guó)新材料和基建施工‘走出去’具有積極作用。”
石墨烯涂料、納米涂料……這些“中國(guó)智造”的新材料近年來(lái)也越來(lái)越多應(yīng)用在橋梁建設(shè)中。中國(guó)工程院院士、中科院寧波材料所科技委主任薛群基表示：“這些年我們?cè)诤Ｑ蟛牧系母g防護(hù)技術(shù)上進(jìn)行了非常好的研究，一個(gè)是發(fā)展了國(guó)際領(lǐng)先的新材料，比如納米涂料在港珠澳大橋上使用了。我們所研究的含石墨烯的防腐蝕涂料，在國(guó)際上也是第一家。”(記者 王雅婧)
關(guān)鍵詞： 福廈高鐵 創(chuàng)新技術(shù) 世界 跨海
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