數百米高峽谷建千米長橋 用飛艇「飛針引線」連接湘渝的懸索橋如何建成？

出品| 網易新聞

作者| 須臾千秋

小編前言

要將懸索從一端送到對岸，架設過程猶如「穿針引線」，要採用遙控氦氣飛艇施放先導索。大橋所處山體極其陡峭，設計採用了橋隧相連、塔梁分離結構，布置十分緊湊。峽谷風速極高，大橋被設計成雙層，將橋面設置成剛度較大的鋼桁架形式，進而抵抗大風的擾動。

在南方修建高速公路從來都不會一帆風順。這裡山峰林立，地勢陡峭，一段100公里的高速公路中有30公里不是在穿隧道，就是在過大橋。

而南方人口稠密，修好一條高速公路往往能夠極大地帶動經濟發展，為幾千萬人的生活提供便利。

在一條綿延上千公里的高速公路上，往往有幾個施工難度非常高、不確定性很大的節點工程，控制著整條高速公路系統的總工期，它修不好，整條路就沒有意義，這樣的工程叫做「控制性工程」。

在連接重慶與湖南一億多人口的渝湘高速公路上，矮寨特大懸索橋就是這樣一個控制性工程。我們現在能夠吹著口哨開著車，僅花八個小時就從重慶開到長沙，一定要感謝這座大橋的順利通車。

矮寨特大懸索橋位於湖南省吉首市矮寨鎮境內，於2012年3月建成通車。它是一座雙層四車道高速公路、觀光通道兩用橋樑，橫跨德夯大峽谷，主跨長達1176米，是世界最長的跨峽谷懸索橋。

大橋的橋面設計標高與谷底高差達335米左右，山谷兩側懸崖距離在900米到1300米之間變化，地形地質條件複雜，施工難度之大聞名全國。

（一）山中修大橋，懸索如何架設？

懸索橋是最經典的現代橋樑形式之一。

它是以通過索塔懸掛並錨固於兩岸的纜索作為上部結構主要承重構件的橋樑。它靠這懸索根「粗繩」承力，將橋面本身的重量和交通工具的荷載通過細細的吊索吊在懸索上。這樣，橋面的重力與交通的載荷就沿著這根吊索傳到了兩端高聳的索塔中，進而傳給地面。

懸索結構是一種受力非常科學的結構形式。鋼材製成的懸索非常適宜承擔拉力，它可以使用最小的自重承載最大的交通荷載，並且橋面板受到的彎矩很小，基本不受跨距的限制。

因此，現今的大跨徑橋樑多採用懸索橋的形式。

懸索橋雖好，可是該如何將懸索的一端送到對岸呢？這真是一個觸及靈魂的問題：要是懸索能夠輕易地運送到大橋的另一端，我們也就沒有必要修建大橋了嘛！

通常的懸索橋施工，施工隊會先把一根較輕較細的先導索想辦法送到對岸，固定好，再通過這條先導索，把粗重的懸索順著這條先導索輸送過去。

對於跨江河的大橋，通常使用船隻橫跨江河，將先導索牽引到對岸。

但矮寨特大橋是一個跨山谷大橋，中間沒有河流可供通行，即使是一根一毫米的線頭也過不去。因此，可以考慮的只有空中牽引架設法。

空中牽引通常使用直升機進行架設。然而，湘西的大峽谷氣候多變，不僅十天九霧，而且風速極大，瞬間最大風速達31.9米每秒，嚴重影響直升機的安全運行。

工程師們最終決定，採用無人駕駛的遙控氦氣飛艇施放先導索。這種方法具有施工風險小、拋繩落點準確、高效、環保的優點。

不過，氦氣飛艇的載重能力非常小，只能引導一根1毫米粗的鋼絲線過去，單靠它是不可能經得住直徑1米粗的鋼懸索主纜的。

施工隊採用了非常巧妙的辦法，步步為營，將鋼絲繩逐級放大：先用這跟1毫米的細線吊一根6毫米的鋼絲過去，再用6毫米的鋼絲吊9毫米的，接著再吊16毫米、22毫米……最終將直徑85厘米、分成169股的主纜架設成功。

（二）山谷中的施工空間小，索塔橋樑分開建造

懸索橋的懸索是要搭在橋兩端高聳的索塔上的，整座大橋和上面車輛的重力最終都由這兩座高塔承擔。在一般的懸索橋設計中，橋塔與橋樑相互聯結以提高橋樑的穩定性。

但由於矮寨特大橋所處的山體極其陡峭，設計採用了橋隧相連的形式，布置十分緊湊，這使得矮寨特大橋索塔位置距離懸崖邊緣僅有不到100米，下面即是數百米高的谷底。

如果採用傳統的塔梁聯結法施工，需要開挖大量的山體。不僅佔用工期，而且還有潛在的破壞地質穩定性的可能，造成安全隱患。

因此，工程部採用了塔梁完全分離結構，並縮短鋼桁橋樑的長度，不僅保障了安全，而且節約了工期和造價。

然而，採用塔梁分離式結構會使得鋼桁梁長度小於主塔中心距，主纜存在無吊索區，出現吊索卸載應力為零的情況，進而使得鋼桁梁轉角位移大，鋼桁梁的上、下弦應力超標。

結構設計中有一個常識，就是往往不怕均勻分布的大荷載，而最害怕荷載忽大忽小，應力分布不均，這可能會使結構在最薄弱的地方發生斷裂。

為了應對這一問題，大橋的設計採用了增加豎向錨固拉索方案，在橋面板缺失的部分設置豎向錨固拉索，通過錨固於岩石上的預應力岩錨的拉力代替橋板的重力，將懸索內部的拉力維持恆定。

這是在懸索橋的建設中首次使用大型岩錨吊索。大橋的吉首一側設置了1對岩錨吊索，茶峒一側則設置了2對。岩錨吊索作為應力調節器，讓大橋的主梁始終保持受力平衡的狀態。

為了對岩錨底座進行錨固，工程還首次採用了碳纖維預應力索，將岩錨吊索所受的拉力傳至地面岩體上。常規岩錨索預應力筋材通常採用鋼絞線，而矮寨大橋經研究試驗後，採用了高性能的碳纖維作為預應力筋材。

與傳統鋼絞線相比，碳纖維材料重量更輕、強度更高，尤其具有耐腐蝕的特點。在地下水活動頻繁的岩層中，碳纖維預應力索的壽命可以比鋼絞線長三倍以上，在橋樑的全壽命周期中提供充分的安全保障。

矮寨大橋的緊湊布置還使得大橋的索塔、錨碇和臨近的隧道之間會相互影響，這也可能造成局部的應力集中，進而對山體產生破壞。

在施工階段，隧道開挖、掘進、錨碇與索塔的建設都會對山體的應力產生影響。不過，設計者運用了FLAC-3D岩土工程分析軟體建立岩體的本構模型，對山體的整體穩定性進行了分析計算，並採用了必要的加固措施和巧妙的設計改變了區域內的應力分布，保證了山體的穩定和橋樑結構安全。

（三）大橋如何對抗峽谷中的大風？

矮寨大橋所處的峽谷風速極高，這對於柔性的懸索橋來說是非常不利的。

在一千多米的尺度上，懸索橋是一種非常輕盈的結構，有很大的變形空間。這種柔性有時是件好事，可以使得懸索橋在內、外力的作用下「寧彎不折」，即使遭遇地震、沉降等自然災害也不易損壞；但在強風作用下，就很容易發生搖擺、振動，進而危害橋樑安全。

矮寨大橋之所以設計成雙層，也是為了將橋面設置成剛度較大的鋼桁架形式，進而抵抗大風的擾動。

大橋還在橋板中間設置了許多的加勁梁以保證橋面板的剛度。加勁梁的架設採用軌索移梁法，利用大橋的懸索作為軌道，在其下端安裝臨時吊鞍與水平軌索，再將水平軌索張緊作為加勁梁的運梁軌道，實現由跨中向兩端拼裝大橋的鋼桁加勁梁，施工效率很高的同時，大橋的安全與施工精度也得到了保障。

此外，為了確保大橋的抗風穩定性和安全性，湖南大學風工程試驗中心專門圍繞該橋的抗風設計問題，製作了1:245的全橋氣彈模型，做了系統的計算分析以及風洞試驗研究，全面檢驗了矮寨大橋的抗風性能，確保大橋完全滿足抗風設計要求。

作為加強，橋面系的上下還分別布置了縱向抗風穩定板。上穩定板與兩道內側防撞欄結合，下穩定板則與主橫桁架相連。風洞試驗結果表明，穩定板的設置提高了矮寨大橋的氣動穩定性能，使得各攻角均滿足了顫振檢驗風速的要求。

考慮到山區風環境極其複雜，橋上還專門建立了遠程控制的新型懸索弔掛式風環境觀測系統。長期觀測資料將充實和修正現有風環境研究結果，不僅可以服務於矮寨大橋工程，而且也給其它山區大橋的抗風設計提供依據，一舉多得。

結語

矮寨特大橋的貫通，將內蒙古的包頭與廣東的茂名連在一起，打通了中國的一大南北通道。大橋本身也在跨徑和施工方案上做出了多個世界級創新，成為了世界懸索橋建設史上的一座里程碑。

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