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，標志著我國沿海交通大動脈寧波至東莞國家高速公路實現(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，上層為甬莞高速，雙向六車道高速公路標準，設(shè)計時速100公里，下層為國道G228南金公路，雙向六車道一級公路標準，設(shè)計時速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、4標段，負責包括南塔、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?？?，受強臺風、強潮涌、深厚軟土影響以及受通航尺度大、航空限高嚴、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。
“作為施工方，我們堅持產(chǎn)研結(jié)合，形成強臺風區(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、安全風險高等難題，為后續(xù)同類型橋梁建設(shè)提供了經(jīng)驗借鑒。”中交二航局溫州甌江北口大橋項目負責人向自立表示。
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，承擔整座大橋的荷載。
南錨碇沉井平面尺寸相當于10個標準籃球場大小。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50萬噸，相當于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’是第一個難題。”
他邀請到二航局技術(shù)中心專家團隊，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)，增強地基承載力”的藥方。
由于沉井尺寸較大，相當于薄板容易因撓度過大而開裂，且地基承載力不均很易導致沉井傾斜。對此，項目團隊第一次下沉創(chuàng)新性采用“十字拉槽加全斷面小鍋底開挖”工法，同時安裝大量監(jiān)控元器件，結(jié)合信息化手段，實時監(jiān)控沉井姿態(tài)應力情況。
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。項目部大膽創(chuàng)新，自主研發(fā)了“水下快速取土裝置”，設(shè)計靈感源自四旋翼無人機，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，“水下快速吸泥取土裝置”顯得力不從心。向自立團隊開創(chuàng)性地將專用于樁基施工的大型鉆機轉(zhuǎn)用于沉井下沉取土，扛住了一切深水水壓。項目部共投入22臺鉆機配合移動臺車進行深水取土，并改進鉆頭改造，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裂縫的紀錄。
2020年4月12日，沉井共分四次接高和三次下沉，歷時兩年下沉完成。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控制在設(shè)計誤差范圍內(nèi)，創(chuàng)造了世界首例強潮河口深厚軟土超大沉井建造的奇跡。
智能機器人為千米級主纜“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，通過中塔適當變形來適應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主纜和塔頂索鞍抗滑移要求。
二航局北口大橋項目總工郝聶冰認為：“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毫米鍍鋅高強鋼絲組成，重約54噸，鋼絲抗拉極限強度為1860兆帕。每根主纜可吊起約1.5個“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)角的一個過渡受力點，均勻地把荷載傳遞到主塔上，北口大橋的三個主塔上均需設(shè)置。”郝聶冰表示。
要想固定住這樣長度的索股，二航局設(shè)計制造了世界首個深槽索鞍，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。這就是世界首個深槽索鞍！”項目團隊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器人，采用液壓頂桿作為機械手，將索股‘推’進索鞍，整個過程平穩(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)面臨臺風期主梁吊裝、復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)臺風高發(fā)期集中在7、8月，也正是鋼桁梁吊裝的時期，鋼梁未合龍前，如何克服臺風沖擊帶來的潛在威脅，這是我們面臨的一大挑戰(zhàn)！”
為了加快吊裝進度，適應超大超重的主梁結(jié)構(gòu)，二航局聯(lián)合專業(yè)纜載吊機廠家研發(fā)1000噸纜載吊機，滿足項目施工要求。吊機采用“分塊組拼+纜上總成”的方案進行安裝，其設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)簡單，同時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，同時為目前行業(yè)內(nèi)最先進的懸索橋主梁吊裝裝備。
“當開車經(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，即大橋主纜會和主跨跨中位置的32榀主梁交錯，形成“纜梁相交”區(qū)域。
“在上方無吊點支撐的地方，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)應用世界最大吊裝能力的千噸級纜載吊機基礎(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+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個端部無吊索鋼桁梁段。“上方?jīng)]有吊點，我們需要搭設(shè)50米高總重量約7000噸的臨時支架，安裝兩端的鋼桁梁！”張平認為：“施工時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)，當鋼梁需要提升時，鋼護筒支架和上方的滑移軌道會像“變形金剛”的機械手臂一樣，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目考察技術(shù)創(chuàng)新成果時評價：“你們產(chǎn)研結(jié)合做得很不錯，大橋施工中的技術(shù)創(chuàng)新成果已經(jīng)達到國際領(lǐng)先水平！”（陳嘉倫、杜才良）