在「建橋禁區」如何修建「中國最難大橋」？

出品| 網易新聞學院

作者| 須臾千秋，清華大學土木系建築材料專業博士

　　眾所周知，中國已多年穩坐世界橋樑界的第一把交椅，從世界最高的尼珠河大橋，到世界最長的斜拉橋蘇通大橋，再到世界最長的跨海大橋港珠澳大橋，隨便哪一座橋，都是全球橋樑工程史上的一座豐碑。但要說起修建難度最高，前面這些大橋都要給它讓路，那就是目前在建的平潭海峽公鐵兩用大橋。

　　（平潭海峽公鐵兩用大橋建成效果圖）

　　這座海峽大橋從長樂市松下鎮起始，穿越平潭海峽，途經幾座小島，終到平潭島，是中國首座跨海峽公鐵兩用大橋。它全長不過16.3公里，與長達55公里的港珠澳大橋、全長32.5公里的東海大橋相比不算什麼，那為什麼說它「最難」呢？

在最壞的地方，修最好的橋

　　平潭海峽，與百慕大、好望角並稱為「世界三大風口海域」，被稱為「建橋禁區」。在這裡，每年6級以上大風超過300天，7級以上大風超過200天，到了夏季，動輒會有12級的颱風掃過。大風一方面可能直接造成橋樑的硬性破壞，另一方面會造成橋樑的振動，經年累月的大風還會造成橋樑的疲勞破壞。

　　平潭海峽的地理環境十分獨特。外面本來不高的波濤會被狹窄的海峽迅速聚攏放大，到大橋附近，最大浪高竟會達到9.69米。在這樣的大浪經年累月的撞擊下，大橋的耐久性會遭受重大考驗。在這樣的大浪里，光是躺在船上都要暈船，更別提施工了，因此對工程師來說，通常要盡量避免在這樣的地方修建建築物，尤其是精密的橋樑。

　　平潭海峽特殊的地理環境造成此地風高浪急，修建大橋的難度極高。

　　如果光是公路橋樑，難度也還算好，公路橋樑的載重輕、汽車行駛速度較慢，對於橋樑的承載能力、剛度的要求都不太高。然而考慮到高鐵未來可能要跨過台灣海峽、與對岸的台北市互聯互通，平潭海峽上修建鐵路勢在必行，這意味著作為一架公鐵兩用橋，平潭大橋的上面要跑比汽車重幾百倍的高鐵。

　　（平潭海峽公鐵兩用大橋施工現場）

　　與均勻分布在橋面上的汽車不同，高鐵的迅速通過會在短時間內向大橋上的一個點施加強烈的壓力和振動。這要求大橋既要「堅固」，不會被沉重的高鐵壓壞；又要「堅硬」，不會因為振動太劇烈而危害高鐵的行車安全。

　　在最惡劣的環境里，要修建規格最高的橋樑，怪不得是中國最難！

搏擊風浪，從施工的第一天開始

　　要在風暴和海浪中屹立百年，對大橋來說固然是重大的考驗，但最難的時候是在大橋建成之前。此時大橋尚未成形，獨立的部件還很脆弱，而施工人員要在這種惡劣的環境中工作，難度和危險性可想而知。

　　工程師們對大橋的施工安全進行了評估，總結了96個典型的危險源。從海上運輸，到橋墩的施工，再到斜拉索的張拉，個個都是「風險極高」。

　　（平潭海峽公鐵兩用大橋夜景）

　　如此疾風大浪，在船上光是活著都很困難，更別提施工了。為了克服風浪，在大橋施工之前，施工人員在大橋橋址旁邊先用鋼管樁和桁架修建了一座全長7.5公里的棧橋。這座棧橋可在風力較小（小於9級）時通行，工人和一些工程機械可以以這座棧橋為基礎進行施工，不必在船上忍受風浪。

　　由於是施工作業的平台，棧橋的設計使用年限只有6年，在大橋修築完成後即可拆除。這種在正式的工程之前先修築一個相對簡陋但實用的施工平台輔助施工的做法，在大型工程中十分常用，可以降低施工的難度，提高安全性。

　　（平潭海峽公鐵兩用大橋的棧橋）

　　在這樣的環境中施工，風險是必然存在的，工程師們不能因噎廢食。針對惡劣環境下施工的96個潛在危險源，工程師們專門使用了數學的分析方法，正確評估風險的程度以及風險之間的相互關係，有的放矢地管控風險，既最高效地抑制了風險，避免事故的發生，又不延誤工程，保障了質量。

在堅硬如鐵的花崗岩上立足

　　對於跨海大橋而言，對抗風浪的核心是要有牢固的基礎。一旦基礎被風浪破壞，不僅直接相關的上部結構會被破壞，更可能牽連前後的部分發生連鎖破壞。

　　通常，工程師們更希望看到有緻密的土層與堅實的底層，如圖中所示，樁基礎直接坐在堅硬地層上。工程師們通常遇到的問題是基礎太過軟弱，如上海灘、珠江三角洲等地，這樣基礎容易倒塌，需要將樁打得更深。

　　（理想的樁基礎示意圖）

　　平潭海峽的地質條件則完全是走向了另一個極端：福建沿海的海底環境大都是裸露的岩層，而且是最為堅硬的花崗岩，基礎根本無處安放。花崗岩的硬度與普通建築用鋼相當，只能用鑽力最強的十字形強行將岩層鑽開。即便這樣，鑽孔的深度也很難達到工程要求。

　　（海底岩面的鋼管樁）

　　因此，工程師們想出了新的方法：用樁基的數量來彌補深度。工程師們根據海底岩面的地形匹配了鋼管樁，以四根為一組，打進岩石中並以混凝土和鋼筋籠進行聯結。這樣，鋼管樁就能夠與岩層比較牢固地結合為一體。然後，再以這四根樁為共同基礎，搭建施工平台，進而建設橋墩。這種「深水裸岩區埋植式海上平台」為國內首創。

一個部件1000噸，為建大橋先建大船

　　與「薄薄一層」的單一公路橋不同，公鐵兩用橋通常是上下兩層。上層跑汽車，下層跑火車，上下層之間通過鋼桁架連接，從力學的角度講，這是一種很堅固的結構，它可以使得上下層的橋板之間協同受力，並使得大橋具有很強的剛度，進而能夠對抗平潭海峽的狂風驟雨。

　　此外，大橋的通航段也被設計成了剛度很大、不易受風雨的影響斜拉橋結構。另外，還可以通過調節斜拉索的表面紋理，降低斜拉索表面的振動，進而達到抗風的目的。因此，雖然平潭海峽的天氣很差，但中國工程師們畢竟經驗豐富，能夠讓正常使用狀態下的大橋應付得過來。

　　（吊裝中的鋼桁架）

　　難度主要集中在施工上。惡劣的天氣使得傳統的在工地安裝桁架的施工方式無法實施，必須要事先在工廠將整個鋼桁架組裝好，再在現場進行一體化安裝。

　　在工廠里，溫度、濕度等環境因素可以保持恆定，工人師傅們可以進行更加細緻的焊接和組裝，有助於控制誤差，使得桁架的強度更高、耐久性更好。在工廠還可以在鋼桁架表面進行細緻的防腐處理，如塗覆防鏽塗料、表面鈍化等，從而使得其在現場更能抵禦腐蝕性的海浪。因此，大橋工程就是計劃將如圖所示的兩個橋墩間的一整孔桁架在工廠造好，然後整體運往現場安裝。

　　然而，這樣的一孔桁架重達1350噸，與中國海軍的056型護衛艦重量相當。要多大的起重船能將這樣一艘「戰艦」吊裝到幾十米高的橋墩上呢？那就用更大的船來吊！

　　為了這一目標，中鐵大橋局歷時3年，耗資3.4億專門打造了「大橋海鷗號」起重船。這艘起重船的起重能力達到了3600噸，起重高度達110米，在這個巨無霸面前，什麼9米高的巨浪也不過就是小菜一碟。

　　（「大橋海鷗號」起重船）

結語：

　　在五千多名工程人員的共同努力下，時至目前，平潭海峽公鐵兩用工程最難的水下施工已經被攻克，鋼桁架梁的吊裝工作正在逐步開展。預計到2019年初，這座「中國最難大橋」就會建成通車，高鐵疾馳過洶湧的海浪，註定是一道亮麗的風景。

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　　編輯| 李祖希