在毫厘間“搭積木”

　　常泰長江大橋主航道橋施工現(xiàn)場。

　　常泰長江大橋泰州側(cè)鋼桁拱橋施工現(xiàn)場。陳瑤 攝

　　主塔沉井基礎(chǔ)內(nèi)井孔蓋板安裝作業(yè)。

　　施工人員下放鋼筋籠。

　　“鋼—混”混合結(jié)構(gòu)空間鉆石型主塔施工作業(yè)。 圖為常泰長江大橋建設(shè)指揮部提供

　　3月15日一早，陽光才透過云層灑下幾道亮光，江面云屯霧集，常泰長江大橋宛若一條鋼鐵巨龍，若隱若現(xiàn)。當(dāng)記者以為這條巨龍還未“蘇醒”時(shí)，遠(yuǎn)處已經(jīng)傳來陣陣機(jī)械轟鳴。

　　常泰長江大橋位于泰州大橋與江陰大橋之間，連接江蘇常州與泰州，是長江上首座集高速公路、城際鐵路、普通公路于一體的過江通道。

　　“常泰長江大橋于2019年10月正式開工建設(shè)，計(jì)劃2025年上半年建成通車。”江蘇省交通工程建設(shè)局常泰長江大橋建設(shè)指揮部現(xiàn)場指揮長李鎮(zhèn)向記者介紹，“作為長江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通走廊的重要項(xiàng)目，大橋建成后將對推進(jìn)‘一帶一路’交匯點(diǎn)建設(shè)、更好服務(wù)長三角一體化發(fā)展和長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略，完善區(qū)域路網(wǎng)布局，促進(jìn)揚(yáng)子江城市群協(xié)調(diào)發(fā)展等具有重要意義。”

　　修建這樣一條過江通道面臨哪些難題，設(shè)計(jì)者和建設(shè)者們又是如何攻堅(jiān)克難的？記者就此來到大橋建設(shè)現(xiàn)場實(shí)地采訪。

　　1 “超級工程”刷新多項(xiàng)世界紀(jì)錄

　　常泰長江大橋監(jiān)控指揮中心臨江而建，距離大橋的直線距離不足百米。站在二層的露臺，記者最直觀的感受就是大橋“這么近又那么遠(yuǎn)”。

　　“常泰長江大橋全長10.03公里，其中公鐵合建段長5299.2米，由一座主跨1208米的鋼桁梁斜拉橋、兩座主跨388米的鋼桁拱橋和一座3×124米的連續(xù)鋼桁梁橋組成。”中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司常泰長江大橋設(shè)計(jì)代表周子明告訴記者，大橋刷新了在建最大跨度斜拉橋、最大跨度公鐵兩用鋼桁拱橋以及最大連續(xù)長度鋼桁梁的世界紀(jì)錄，“如此設(shè)計(jì)是要在滿足通航需求的同時(shí)，最大限度降低項(xiàng)目施工對周圍環(huán)境的影響。”

　　常泰長江大橋地處長江下游，這里既是長江大保護(hù)的重要區(qū)域，也是航運(yùn)交通要道，往來航船如織，深水航道寬度達(dá)900米。“為了保障通航安全，橋梁主跨要一跨跨過通航水域才行。結(jié)合對水文環(huán)境和通航能力的影響，最終選擇了斜拉橋作為跨越通航水域的橋型方案。”周子明說。

　　橋型選擇不是常泰長江大橋設(shè)計(jì)者唯一一次“自我加壓”。修建一座橋需要占用一定岸線資源，如果建多個橋梁就需要更多的岸線資源，這對長江兩岸保護(hù)和開發(fā)的影響可想而知。為了節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，設(shè)計(jì)者繼續(xù)“上難度”，把高速公路、城際鐵路、普通公路三種路型集中在這一座橋上：上層橋面為雙向六車道高速公路，下層橋面分別布置兩線城際鐵路和四車道普通公路，使其成為規(guī)模最大的多功能荷載非對稱布置橋梁。

　　公路與鐵路的恒載差異大，如果處理不好荷載不平衡問題，橋梁主梁就會發(fā)生橫偏變形，造成橋面一邊高一邊低，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，威脅行車安全。周子明說，為了解決荷載非對稱的問題，一方面在設(shè)計(jì)上做“減法”，嘗試采用輕型化鐵路橋面系結(jié)構(gòu)，減輕鐵路側(cè)重量；另一方面，通過增大上游側(cè)斜拉索索力，使得上下游橋面高度保持一致。

　　2 “四項(xiàng)首創(chuàng)技術(shù)”破解橋梁建設(shè)難題

　　采訪期間記者看到，為實(shí)現(xiàn)年中跨中合龍的目標(biāo)，常泰長江大橋各建設(shè)單位正在有序推進(jìn)主航道橋鋼梁架設(shè)和斜拉索安裝等作業(yè)。目前，大橋的恢宏身姿已初步顯現(xiàn)，“鉆石型”主塔聳立于長江之中，蔚為壯觀。

　　“兩座主塔的高度均為350米，分為上、中、下塔柱三部分，是目前世界最高斜拉橋橋塔，也是整個橋梁的核心工程。”周子明告訴記者，“鋼—混”混合結(jié)構(gòu)空間鉆石型橋塔和“鋼箱—核芯混凝土”組合索塔錨固結(jié)構(gòu)，是在設(shè)計(jì)初期針對最大限度滿足使用需求所帶來的挑戰(zhàn)提出的兩項(xiàng)首創(chuàng)技術(shù)。

　　一般而言，斜拉橋多采用平面橋塔設(shè)計(jì)方案，而常泰長江大橋主塔的中、下塔柱則設(shè)計(jì)成了四塔肢、正八邊形截面的形式。“主塔自身豎向壓力和由斜拉索傳遞而來的‘壓力’將由塔肢傳遞至橋塔底部基礎(chǔ)。因此，主塔截面越大，受力越穩(wěn)?？梢坏┙孛娉鎏囟ǔ叨扔謺龃蠡炷灵_裂風(fēng)險(xiǎn)，影響橋塔乃至橋梁安全。”周子明解釋，通過縮小單個塔肢截面尺寸，在保證主塔承載能力的基礎(chǔ)上，降低塔肢在施工期和運(yùn)營期的開裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了鋼梁整體剛度和行車舒適性，美化主塔空間立體造型。

　　從外觀上看，主塔上塔柱和下塔柱都做了收窄設(shè)計(jì)，作用卻各不相同。記者了解到，下塔柱使用混凝土材質(zhì)，結(jié)構(gòu)內(nèi)收是兼顧了減小塔肢底部基礎(chǔ)總面積和美觀因素。上塔柱收窄后似“一柱擎天”，作用是為斜拉索提供固定支撐力，同時(shí)為承受住壓力和彎矩的雙重考驗(yàn)，首創(chuàng)了“鋼箱—核芯混凝土”組合索塔錨固結(jié)構(gòu)。

　　“鋼箱—核芯混凝土”組合索塔錨固結(jié)構(gòu)利用的是鋼和混凝土兩種不同材料的力學(xué)性能差異。從周子明向記者展示的一張截面圖可以清楚看到，上塔柱的設(shè)計(jì)是一個中空、由鋼材質(zhì)包裹形成的八邊形鋼箱，中間嵌著矩形混凝土芯。“從材料角度而言，混凝土抗壓性能良好，但抵抗彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力能力較弱，而鋼結(jié)構(gòu)抗拉、壓性能均較好。我們充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，將混凝土布置在上塔柱中性軸附近、鋼結(jié)構(gòu)布置在遠(yuǎn)離中性軸的外圍，這種結(jié)構(gòu)構(gòu)造可充分利用鋼與混凝土兩種不同材料的力學(xué)性能差異，實(shí)現(xiàn)索塔錨固體系局部受力和整體受力的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，大大提升橋梁整體景觀效果。”

　　如果把兩座主塔比作雙臂，撐起大橋的高度和跨度。那么底部的沉井就是雙腳，讓橋塔得以穩(wěn)穩(wěn)地立于水中。

　　常泰長江大橋主航道橋橋塔基礎(chǔ)沉井主要采用鋼沉井結(jié)構(gòu)，沉井底面尺寸橫橋向長95米，縱橋向?qū)?7.8米，面積相當(dāng)于13個籃球場大小，總高72米，足有24層樓高，用鋼量達(dá)到1.8萬噸，是目前世界在建最大水中鋼沉井基礎(chǔ)。

　　“沉井既要承擔(dān)主跨超千米的橋梁荷載，又要承擔(dān)自身重量，若采用上下同寬的常規(guī)沉井基礎(chǔ)，則沉井底口需下沉至水下92米才能保證結(jié)構(gòu)安全，這無疑加大了下沉施工的風(fēng)險(xiǎn)。”周子明說，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出的第三項(xiàng)首創(chuàng)技術(shù)——減沖刷減自重臺階型沉井基礎(chǔ)就能解決這一問題。通過“上小下大”的結(jié)構(gòu)讓沉井“降高減重”，減輕自身重量的同時(shí)又有效限制水流對沉井周邊河床土體的沖蝕，減少沖刷深度，將沉井底標(biāo)高提至水下65米。

　　記者了解到，在常泰長江大橋順利合龍后，第四項(xiàng)首創(chuàng)技術(shù)——溫度自適應(yīng)塔梁縱向約束體系也將在工程中應(yīng)用。該體系將用數(shù)根碳纖維復(fù)合材料拉索連接主梁跨中與主塔下橫梁，從而建立塔梁之間的約束，同時(shí)利用碳纖維復(fù)合材料的溫度特性，使得該體系能夠自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)體系升降溫的變形，不增加結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力，同時(shí)改變了縱向荷載的傳力路徑，相比半漂浮體系，可有效降低主塔內(nèi)力和梁端位移30%以上，提高了梁端伸縮裝置的耐久性。

　　3 匠心“智”造確保毫米級精度

　　對于設(shè)計(jì)者、建設(shè)者來說，常泰長江大橋無疑是個超級工程，不僅因?yàn)樗?ldquo;多個之最”“四個首創(chuàng)”，更在于各環(huán)節(jié)參與者對精度的追求與把控。

　　如何在復(fù)雜的水文環(huán)境下建起偌大一座橋？“就像搭積木一樣，把不同類型的桿件逐個、逐層拼接。”接受采訪時(shí)，中鐵寶橋常泰長江大橋CT-A5標(biāo)項(xiàng)目副經(jīng)理朱斌強(qiáng)答道。

　　看似簡單的操作，實(shí)則需要嚴(yán)格把控精度。

　　主航道橋兩側(cè)鋼桁拱橋的拼裝，需要分步進(jìn)行。談起弧形拱肋的施工合龍，朱斌強(qiáng)印象深刻。“拱肋與橋面設(shè)置了800多根不同長度、不同類型的桿件，桿桿相連，一絲偏差都會影響下一步拼裝。為此，我們每拼接一段，就要對整個梁的長度、軸線角度進(jìn)行測控，以確保達(dá)到毫米級合龍精度。”

　　記者發(fā)現(xiàn)，隨著人工智能與制造業(yè)的深度融合，在現(xiàn)代化、智能化裝備的輔助下，對工程質(zhì)量更精細(xì)化的追求體現(xiàn)在不同細(xì)節(jié)中。

　　目前，智能化技術(shù)已經(jīng)成功運(yùn)用至預(yù)制構(gòu)件流水線生產(chǎn)、桿件制造、總拼、涂裝、檢測等各環(huán)節(jié)。中交二航局常泰長江大橋CT-A3標(biāo)項(xiàng)目副總工厲勇輝以索塔鋼筋搭建為例介紹道，以往主要靠人工作業(yè)把鋼筋一根根綁起來，質(zhì)量監(jiān)控和安裝精度的把控都是難點(diǎn)。“如今，我們通過部品鋼筋智能建造技術(shù)，形成集裝配化設(shè)計(jì)、自動化下料、工廠化制作、快速化安裝、智能化控制于一體的部品鋼筋智能制造自動化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)鋼筋部品成型精度毫米級控制，加強(qiáng)源頭把控、流程監(jiān)督，提高了橋塔鋼筋施工質(zhì)量，保障了工程品質(zhì)。”

　　對于超大型沉井，將其平穩(wěn)下沉是一個巨大的挑戰(zhàn)。常泰長江大橋橋址處以黏土與砂土為主，沉井下沉區(qū)域分布著不同厚度的硬塑粉質(zhì)黏土。“這類地層土質(zhì)硬、黏性強(qiáng)，給水下施工取土增加不少難度。”常泰長江大橋監(jiān)控中心負(fù)責(zé)人蔣凡介紹，要保證沉井“姿態(tài)”平穩(wěn)、可視可控，建設(shè)團(tuán)隊(duì)淘汰了以往人工測量泥面高程的傳統(tǒng)工藝，取而代之的是在沉井主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝300多個監(jiān)控元器件，利用智能傳感器自動采集沉井姿態(tài)和結(jié)構(gòu)受力數(shù)據(jù)。同時(shí)，還研發(fā)了適用于粉質(zhì)黏土層的電動雙頭鉸刀、氣水混合沖射破土設(shè)備、水下機(jī)械臂取土機(jī)器人等專用裝備，實(shí)現(xiàn)取土深度的精確控制及沿預(yù)設(shè)路徑自動化取土行走作業(yè)。

　　為了實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁施工情況，建設(shè)團(tuán)隊(duì)還建立了基于BIM的數(shù)字孿生施工場景，可以實(shí)時(shí)跟進(jìn)施工進(jìn)展，全方位對施工控制數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)警，并根據(jù)算法提供下一步最優(yōu)的解決方案，來控制現(xiàn)場的精度。

　　后方有人工智能加持，前方有大國重器護(hù)航。在常泰長江大橋的建設(shè)工地上，代表中國高度的12000噸·米和15000噸·米塔式起重機(jī)守護(hù)并見證了橋塔從無到有。據(jù)了解，塔式起重機(jī)最大起重量600噸，最大起升高度400米，相當(dāng)于可以一次將300輛小轎車起吊至130層樓的高度。其內(nèi)部搭載的智控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)塔機(jī)極限過程的數(shù)字化安全管控。配備的多面多缸同步頂升，能夠?qū)㈨斏`差控制在毫米級。（本報(bào)記者 陳瑤 自江蘇報(bào)道）