又一个世界首例!贵州这座桥的施工难度超乎你想象

又一个世界首例!贵州这座桥的施工难度超乎你想象

前端技术

04-28 10:59

出品 | 网易新闻

  作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  贵州省素有“地无三尺平、天无三日晴、人无三分银”之称,在这里修建高铁绝非易事。

  

  (贵州省自然景观)

  贵州是典型的喀斯特地貌,具有溶蚀力的水对可溶性岩石(大多为石灰岩)进行溶蚀作用,不仅使得地表崎岖不堪,而且严重破坏了岩层的整体性,形成了大量的溶洞、天坑。

  在这种地貌下修建高铁,不仅意味着极其大量的桥梁和隧道,而且对施工技术的要求也极高,通常必须进行提前地质勘察,绕过空腔地段,再对地基进行妥善处理,增加强度,排除地下水的影响之后才能进行建设。

  夜郎河特大桥就是在这样恶劣的地质条件下修建的,它是渝贵铁路的三大控制性工程之一,是全线难度最高的工程。

  

  (渝贵铁路)

  (一)桥和地面相对高差330米,大型机具要运到施工处很难

  所谓“控制性工程”,就像木桶中最短的那根木板,它最难修,只要它修不好,别的地方全修好了也通不了车。

  夜郎河特大桥就是这样一个工程,它全长1120.8米,最大跨度只有370米,与现如今动辄单跨超过1000米的悬索桥相比差距甚远,但却要花费42个月的时间才能建成。这是为什么呢?

  

  (夜郎河特大桥与它下面的辅助公路)

  夜郎河特大桥与常见的大跨度现代桥梁,也就是斜拉桥、悬索桥不同,它是一座受力结构很传统的拱桥,准确地说,是世界首例“贯入式大体积嵌岩拱座基础大桥”。

  从本质上讲,它是将大桥本身与通行列车的荷载通过支架传递给下方的桥拱,再利用弯曲的桥拱将比较复杂的弯矩转换为比较单纯的压力传递给两侧的山体。这是一种十分巧妙的受力转换手段,凝聚着上千年前古人的智慧。

  现代拱桥最大的好处,就是不必像悬索桥和斜拉桥那样设置高耸的索塔,这些索塔动辄要上百米高,修建起来极其昂贵,而且对地基的强度要求极高。

  夜郎河大桥的基址处根本没有足够的空间来布置索塔,山中变幻不定的“妖风”更是容易对悬索桥型的安全造成影响。因此,夜郎河特大桥的形式最终确定为了拱桥。

  

  这座大桥为什么要修上这么久?主要是两个原因。

  首先就是因为夜郎河大桥桥址处的交通不便,桥位处地面相对高差约330米,地势较陡,植被茂盛,既有的渝黔线铁路在桥下经过,桥下夜郎河也不通航,无法起到运输作用。

  这样一来,大型施工机具只能到达桥位谷底附近,但却无法到达桥位两端的施工地点。

  因此,要将施工机械和补给运送到施工位置,就要从山脚下的新习公路引两条盘山公路上到大桥的施工位置。

  

  便道线路大都处于岩土顺层,容易发生山体滑坡,便道所在的山坡地质为砂岩,下方是桐梓县新习公路,稍有不慎,石头就会滚落到路面,对行人、车辆造成伤害。

  为了减少对岩体的扰动,尽量不放炮,施工就得使用破碎锤一点一点地凿,再加上地形狭小,没有弃渣场,弃渣必须外运,致使进度缓慢,每天只能推进十几米,2.5公里的便道用了半年时间才修通。

  项目部还在公路上方设置了被动防护网和搭设排架临时防护,并对施工区段的公路两端设置警戒,为了保证道路畅通和物资供应顺畅,项目部还对便道全部硬化,并在急弯处设置防撞墩和凸面反光镜,在地势较为平坦的地方设置避车台,这些都是工程量。

  (二)桥址基岩遇水易软化开挖暴露易风化,桥拱基础施工也难

  另一个更重要的锅,就要让贵州的喀斯特地貌来背了。

  夜郎河大桥所处的位置地形较陡,区域内地质环境恶劣复杂,基岩性质为砂岩夹泥岩和泥岩夹砂岩,遇水易软化,开挖暴露后易风化,对大桥的支撑能力不足。

  此外,桥拱基础所在的斜坡为顺向坡,稳定性很差,如果采用传统的大面积开挖法,边坡的开挖量将达到18万立方米,很容易发生滑坡破坏。

  

  (夜郎河大桥主桥布置)

  鉴于地基稳定考虑,工程采用了“贯入式嵌岩基础”,在岩体中掏出四个深洞,使大桥的四个拱脚稳稳地坐进岩层内,确保主拱基础的稳定性。

  这样一来,基础挖方量降低到了5.2万立方米,不仅保证了安全,而且减轻了施工对自然环境的破坏。

  不过,如何高质量完成拱座,成为项目部面前的一道新难题。

  拱座的深度达47米,与地面成55度的夹角,而且需要绑扎1632.4吨钢筋,浇筑51987.6方混凝土。这种断面大、深度大、斜度大,致使开挖难度大、岀渣困难的拱桥基础是一种全新的设计,属世界首例,没有成熟的施工经验可以借鉴,这就意味着项目部要摸索着施工。

  

  (倾斜深基坑开挖现场)

  按照传统思路进行施工,需要先开挖中导洞,再开挖侧壁导洞,并由挖掘机进行接力运出渣土。

  然而,中导洞最宽处只有4.5米,空间狭小,机械无法操作,而且需要在实施过程中降坡,由于拱座基础深达42米,坡降到30米后就已经到了极限,无法再继续施工,这种传统思路根本行不通。

  为此,项目部技术人员又开始技术攻关,优化方案,结合现场地质、地形等实际情况,对拱座基础开挖创造性地采用了全断面开挖,台阶法施工工艺,洞口安装改造的40吨龙门和自制出料斗配合岀渣,很好地解决了在地势陡峭的情况下,大断面、大深度、大斜度拱座基础开挖的难题,提高了施工效率。

  

  (施工中的嵌岩基础)

  (三)大桥骨架安装启用国内吊重最大的缆索吊机,吊重达200

  夜郎河双线特大桥属于客货共线桥梁,其承载力要比普通客运专线桥梁高40%左右。

  设计采用钢管劲性骨架结构,不仅有效增大桥梁的跨度,提升线路跨越夜郎河峡谷的能力,还能增加铁路选线的自由度,节约投资。

  所谓劲性骨架,是指在大桥混凝土构筑物中添加钢管、型材组合结构以提高大桥施工过程受力性能。夜郎河双线特大桥劲性骨架共约5500吨,总分20个吊装节段,单节最长25米,节段最重175吨,施工工艺为钢管拱单节段整体从谷底吊装平台吊到205米的高空,进行节段拼装和定位。

  

  (缆索吊塔架的拼装施工)

  要想完成骨架安装,就必须靠大型缆索吊机来完成。

  项目部结合工程实际经过反复计算,设计了适用于夜郎河特大桥的缆索吊机,该吊机采用直径800毫米的钢管作为塔架立柱,每节长8米,每层有8根,塔架共11层,加上连接件贵阳岸塔架总高度达101米,重庆岸塔架高97米。

  承重主索由9根62毫米的钢丝绳构成,牵引索为3根32毫米的钢绳,3根32毫米的钢绳为起重索。该缆索吊跨度548米,吊重达200吨,是目前国内吊重最大的缆索吊机。

  

  结语

  2018年1月25日,夜郎河大桥所属的渝贵铁路正式投入运营,重庆至贵阳的铁路旅行时间由10小时缩减到了2小时,它不仅方便了人们的旅行,更为春运新增了一条大能力运输通道,进一步提高和释放四川、重庆境内劳务输出地区的运输能力。

  川渝南下务工、广深北上归家的春运路将更加方便、快捷,贵州春运一票难求的情况彻底改变。


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