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平潭海峡公铁大桥:穿越风暴海域的先驱者 发布日期:2022-04-21 19:53    点击次数:173

出品|网易新闻

导语:平潭海峡公铁大桥起于长乐,终于平潭,全长16.323千米,将人屿岛、长屿岛、小练岛、大练岛串联到一起。桥址所在处风大、浪高、水深、流急,被人们视为“建桥禁区”。

2013年11月动工建设,2020年10月、12月,公路段、铁路段分别通车运营,结束了平潭岛不通铁路的历史,也拿下了世界最长跨海峡公铁大桥的纪录。

平潭海峡公铁大桥 图源:新华社

平潭海峡公铁大桥

平潭海峡公铁大桥是福建省福州市境内跨海通道,位于海坛海峡北口。大桥线路北起松下收费站,上跨元洪航道、鼓屿门水道、大小练岛水道,南至苏澳收费站。线路全长16.323千米,总投资额为147亿人民币。

大桥上层设计为时速100公里的六车道高速公路,下层设计为时速200公里的双线I级铁路,是我国第一座既能跑汽车,又能跑火车的跨海大桥,也是目前世界最长跨海公路铁路两用大桥。

在平潭海峡穿越“风暴海域”

平潭海峡是世界三大风暴海域之一,风大、浪高、水深、流急。这里每年6级以上大风超过300天,7级以上大风超过200天,掀起最大浪高近10米。猛烈的波流力是长江等内河桥梁的10倍以上,建造难度和风险极大。中铁大桥局的建设者们就在这被称为“建桥禁区”的风口浪尖上开始打桩、架桥。

平潭海峡大桥体量之大创下跨海大桥之最:大桥共用钢材85.3万吨,相当于两座港珠澳大桥的体量。与世界其他跨海峡桥梁相比,平潭海峡大桥建设条件更加恶劣复杂,施工难度更大,安全风险更高。

大桥所处地理位置一览 图源:吉林一号光谱01星

大风是修建平潭海峡大桥面临的最大挑战。几年来,项目共经历过30多次台风,2015年的13号超强台风“苏迪罗”风力达到14级。小练岛上的施工人员清楚地记得,狂风袭来时,大浪滔天,吊机、房子全部被吹垮,办公住宿用的移动板房平移了30多米。

大桥施工建造要与台风抢时间,项目部创新性提出“化海上施工为半陆地施工,化强风为弱风”,量身打造了13架2000吨全封闭海上造桥机,在海上营造出一个高达百米的空中长廊造桥作业间,可以遮风挡雨,增加施工安全性。

斜拉索摆式杠杆阻尼器

在台风、海啸、地震等自然灾害来临时,塔梁阻尼器能最大限度吸收和消耗冲击载荷对大桥结构的冲击能量,大大缓解自然灾害对大桥结构的冲击和破坏。由于平潭海峡公铁大桥特殊的地理环境,斜拉索振动更为密集,此次安装的斜拉索摆式杠杆阻尼器以更低的安装高度实现更好的减振效果,对于斜拉索面内、面外振动均具有良好的控制效果。

大国重器助力填补技术空白

在任何工程项目上,先进的装备从来都是重头兵。为攻克大桥建设难关,中铁大桥局创新了移动造桥机整体吊装安装技术、抗风防台技术,形成了一套在海上经常大风环境中造桥机施工技术。

大桥航道桥桩基础采用直径4.9米、4.4米钻孔桩,是迄今为止世界上桩径最大的桥梁工程桩。主墩围堰在施工期间承受2000多吨的波浪力,是目前国内基础施工围堰承受波流力最大的施工结构。

大桥XD28围堰浇筑现场 图源:中铁大桥局

除此之外,还研制了国内浮吊主钩最高吊高110米、副钩吊高130米,吊重3600吨的大型浮吊,用于整孔架设简支钢梁和斜拉桥钢桁梁整节段架设,研发了1100吨架梁吊机,单台吊机起重量达到国内之最。

大桥主塔墩承台施工现场

为降低海上施工安全风险,中铁大桥局历时3年、耗资数亿打造了“大桥海鸥号”自航双臂架变幅式起重船,其起重能力达3600吨,主钩起升高度达110米——相当于39层楼高。这是国内起重量最大、起升高度最高的双臂架起重船,堪称海上桥梁施工的巨无霸和超级大力士。2018年1月22日,它将吊重3400吨、相当于2260辆小汽车重量的钢桁梁稳稳架设到墩顶,刷新了世界桥梁整孔钢桁梁架设的最重纪录。

具有超强臂力的“大桥海鸥”号

信息之眼:风、浪监测及预报技术

项目建设以来,中铁大桥局根据现场作业需求,在桥梁沿线布置了5台风速仪、2台波浪仪、1台海流计,对桥址处风环境、波浪要素、海流实时监测,同时利用云计算中心制作展示网页,实时发布各种监测数据。多年的实践证明,这些监测及预测数据为施工人员选择天窗时间提供了重要依据。

桥址处的风、浪要素预报全过程结构图

桥址所处海洋环境作用的基本特点是强度大、变化幅度大、变化速度快,具有很显著的不确定性。环境作用的不确定性和耦合性给大桥施工带来前所未有的难题。而桥址附近无海洋监测站,所以只能自行建设风、浪监测系统。

桥址处局部场地特征明显,海洋预报台预报的环境数据与现场实测数据存在较大差异,难于指导施工调度。针对此问题,提出预测桥址处风、浪特征值的方法。首先在积累桥址处的风、浪要素实测数据的基础上,通过机器学习建立桥址处风、浪要素与外海海洋预报台预报数据之间的关系;然后利用外海预报数据,预测桥址处一段时间内的风、浪要素。

近年来,GNSS连续运行参考站系统(简称CORS)技术逐渐被应用到跨海桥梁工程建设中。相对于区域CORS、城市CORS 来说,工程CORS的服务范围小、独立性强,能精准传输工程产生的各类数据,并以可视化的形式展示出来。

平潭海峡公铁大桥GNSS连续运行参考站系统采用基于 VRS 的 Trimble Pivot 平台作为系统核心处理及管理软件。系统采用双服务器热备份策略搭建系统构架,通过基于域名系统的网络负载均衡技术,将两台服务器以对称的方式组成一个服务器集合,以提高系统的稳定性和可用性。

平潭海峡公铁两用大桥网络通信的总体结构

海上的钢铁巨龙:主要施工关键技术

大桥的3座通航孔桥采用大直径钻孔桩基础,钻孔桩直径大、数量多、工程量大,为保证大直径钻孔桩顺利施工,在钻孔工艺、护筒插打等方面采取了多项关键技术。

复杂海域和地质条件下的4.9m钢护筒埋设技术。钢护筒在工厂一次性加工完成,现场不再接长,保证了其在深水区顺利着床;采用多层导向装置,克服了波流影响,实现了4.9钢护筒在强波流力、深水海域的精确定位、准确下放以及插打过程中的垂直度。

围堰施工防浪技术。围堰在施工期间受到的波浪力为21000kN,约为内河同等规模围堰受力的10倍。围堰在施工过程中,受波浪力和水流力影响,下放和定位难度大。为了解决波浪力和水流力所引起的围堰下放精度难以控制的问题,设置了顶、中、底3层水平限位装置。为了弱化波浪对围堰侧板的冲击力,在围堰侧板上均匀开设消波孔,拍打在围堰侧板的波浪经过消波孔后离散。

围堰水平导向限位装置

大风环境桥塔施工技术。为保证桥塔爬模在7级风以下爬升、8级风以下正常施工,9级风以上停止施工并保证结构安全,台风工况下能够确保爬模不损坏,模架体外侧采用全封闭冲孔钢板网防风结构。爬模模板架体采用固定支架,并对爬模整体进行加强设计。

为了改善大风工况下桥塔的悬臂受力,使桥塔两肢横桥向变形协调,在上横梁支架下方约5m位置设置1道桁架式横撑。桥塔横撑均采用拉压式横撑,拉压式横撑与桥塔形成门式刚架,以减小中塔柱根部截面弯矩,达到改善桥塔受力的目的。与普通横撑相比,桁架式横撑可减小中塔柱根部截面弯矩约20%,可有效改善桥塔抗风能力,确保桥塔施工各阶段受力及裂缝宽度满足要求。

空间桁架式横撑结构布置

结语:

平潭海峡公铁大桥是中国第一座真正意义上的公铁两用跨海大桥,是连接福州城区和平潭综合实验区的快速通道,远期规划可延长到台湾,对促进两岸经贸合作和文化交流等具有重要意义;大桥建成后,从武汉坐动车至平潭最快6个多小时,节省10多个小时。它不仅仅是一项超级工程,更是中国建造桥梁的又一个“第一”,也将实现平潭铁路零的突破。

参考文献:

[1]平潭海峡公铁大桥 世界最长跨海峡公铁大桥[J].科学大观园,2021(15):8-9.

[2]Sinraptor.海上钢铁巨龙 一图看懂平潭海峡公铁大桥[J].小哥白尼(趣味科学),2021(06):44-45.

[3]姚华.平潭海峡公铁大桥大小练岛水道桥施工技术[J].桥梁建设,2020,50(01):7-12.

[4]刘自明.平潭海峡公铁大桥施工关键技术[J].桥梁建设,2019,49(05):1-8.

[5]崔丽.中国首座跨海公铁两用桥——平潭大桥飞架风暴海域[J].就业与保障,2019(20):10-11.