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(jiǎn)稱(chēng)“北口大橋”）順利通車(chē)，標志著(zhù)我國沿海交通大動(dòng)脈寧波至東莞國家高速公路實(shí)現全部貫通。
北口大橋工程全長(cháng)7913米。其中跨越甌江的主橋長(cháng)2090米，采用“兩橋合建”設計，上層為甬莞高速，雙向六車(chē)道高速公路標準，設計時(shí)速100公里，下層為國道G228南金公路，雙向六車(chē)道一級公路標準，設計時(shí)速80公里，大橋可提供每天10.7萬(wàn)輛車(chē)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構主纜、吊索、鋼桁梁等施工內容。
考慮大橋位于甌江入海口，受強臺風(fēng)、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 )造性地在國內首次選擇“三塔四跨”懸索橋、混凝土結構做中塔、淤泥土質(zhì)中用沉井做基礎的設計。
“作為施工方，我們堅持產(chǎn)研結合，形成強臺風(fēng)區三塔四跨懸索橋上部結構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(fēng)險高等難題，為后續同類(lèi)型橋梁建設提供了經(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。錨碇是懸索橋的重要構成部分，沉井則是錨碇的基礎形式之一，它深埋于地下，沉井之上坐落著(zhù)錨體，錨體錨固著(zhù)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(gè)標準籃球場(chǎng)大小。沉井使用混凝土約23萬(wàn)立方米，混凝土用量足以建造三座世界著(zhù)名的上海深坑洲際酒店，沉井總重量達50萬(wàn)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‘穩得住’是第一個(gè)難題。”
他邀請到二航局技術(shù)中心專(zhuān)家團隊，研究多種地基處理方式，開(kāi)出了“國內最長(cháng)36米砂樁置換的方式改變地質(zhì)結構，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(guò)大而開(kāi)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(kāi)挖”工法，同時(shí)安裝大量監控元器件，結合信息化手段，實(shí)時(shí)監控沉井姿態(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(zhù)性強。項目部大膽創(chuàng )新，自主研發(fā)了“水下快速取土裝置”，設計靈感源自四旋翼無(wú)人機，通過(guò)安裝四組鉸刀，對土體切削形成塊狀土質(zhì)，再通過(guò)空氣吸泥泵吸出，有效解決了黏土淤泥層取土難題。
隨著(zhù)第三次下沉推進(jìn)，“水下快速吸泥取土裝置”顯得力不從心。向自立團隊開(kāi)創(chuàng )性地將專(zhuān)用于樁基施工的大型鉆機轉用于沉井下沉取土，扛住了一切深水水壓。項目部共投入22臺鉆機配合移動(dòng)臺車(chē)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(zhù)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(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控制在設計誤差范圍內，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，北口大橋的上部結構堪稱(chēng)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(lái)，國內設計修建了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(cháng)江公路大橋和武漢鸚鵡洲長(cháng)江大橋。它們的中塔索鞍為滿(mǎn)足抗滑移要求，均采用鋼塔或鋼混結合塔，以降低中塔縱向剛度，通過(guò)中塔適當變形來(lái)適應主纜和塔頂索鞍抗滑移的安全系數要求。
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構中塔。由于混凝土塔剛度大，無(wú)法通過(guò)塔的變形來(lái)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構的情況下，我們必須通過(guò)新工藝、新設備來(lái)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(cháng)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(gè)“遼寧號”航母，兩根主纜鋼絲總長(cháng)度加起來(lái)能夠繞地球2圈！
“索鞍的作用是放置主纜索股，作為主纜轉角的一個(gè)過(guò)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)主塔上均需設置。”郝聶冰表示。
要想固定住這樣長(cháng)度的索股，二航局設計制造了世界首個(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(lái)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！”項目團隊通過(guò)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(wèn)題。
更大的深度，代表著(zhù)更高的難度！“以前隔板20厘米，靠工人一錘一錘砸的常規方式已經(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(wú)法準確、快速放入深度接近1米的索鞍豎向隔板內。”
面對90厘米的極限入鞍挑戰，二航局探索智能工裝技術(shù)，研發(fā)出國內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(jìn)索鞍，整個(gè)過(guò)程平穩可控，相比傳統人工入鞍方式效率提升30%。
萬(wàn)噸鋼梁懸江上，二航人直面懸空吊梁挑戰
溫州甌江北口大橋主梁共有110榀鋼桁梁組合而成，最大吊裝節段重1200噸，全橋鋼桁梁總重約7.7萬(wàn)噸。
北口大橋建設面臨臺風(fēng)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(lái)說(shuō)，這次架梁難度不亞于登天：“溫州地區臺風(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(lái)的潛在威脅，這是我們面臨的一大挑戰！”
為了加快吊裝進(jìn)度，適應超大超重的主梁結構，二航局聯(lián)合專(zhuān)業(yè)纜載吊機廠(chǎng)家研發(fā)1000噸纜載吊機，滿(mǎn)足項目施工要求。吊機采用“分塊組拼+纜上總成”的方案進(jìn)行安裝，其設計新穎，結構簡(jiǎn)單，同時(shí)具備大傾角蕩移功能，是中交二航局自主研發(fā)的懸索橋安裝設備，同時(shí)為目前行業(yè)內最先進(jìn)的懸索橋主梁吊裝裝備。
“當開(kāi)車(chē)經(jīng)過(guò)大橋，深入云端的主纜在一段行駛距離后，會(huì )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(huì )和主跨跨中位置的32榀主梁交錯，形成“纜梁相交”區域。
“在上方無(wú)吊點(diǎn)支撐的地方，吊裝百?lài)嵵氐南淞海菄鴥任丛鴩L試過(guò)的挑戰！”張平表示。
中交二航局聯(lián)合建設相關(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上，研發(fā)出國內最大分體式提升設備，提出采用“1000噸纜載吊機+1400噸分體式提升設備”接力吊裝的創(chuàng )新方案，安裝纜梁相交區梁段，有效提高主梁吊裝效率精度，為今后國內同類(lèi)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！”
同樣的情況還出現在大橋南北岸主橋邊跨和引橋相接處，各有2個(gè)端部無(wú)吊索鋼桁梁段。“上方?jīng)]有吊點(diǎn)，我們需要搭設50米高總重量約7000噸的臨時(shí)支架，安裝兩端的鋼桁梁！”張平認為：“施工時(shí)先將鋼桁梁存放于支架旁，待吊裝部分梁段滿(mǎn)足受力要求后提升至活動(dòng)支架并滑移至指定位置。”
主梁高12.5米，平移后會(huì )與臨時(shí)支架結構的中間橫梁起沖突。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構，當鋼梁需要提升時(shí)，鋼護筒支架和上方的滑移軌道會(huì )像“變形金剛”的機械手臂一樣，張開(kāi)“懷抱”；等鋼梁提升到位后，支架又會(huì )重新收縮，以“閉合”的形式，化身為鋼梁存放平臺。“開(kāi)合式支架很好地解決了梁段提升限制的問(wèn)題，也屬于國內首次使用！”
2020年6月，中國公路建設行業(yè)協(xié)會(huì )的專(zhuān)家到二航局甌江北口大橋項目考察技術(shù)創(chuàng )新成果時(shí)評價(jià)：“你們產(chǎn)研結合做得很不錯，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）