中國首座跨斷裂帶大橋主塔封頂，為了抗震它都用了哪些黑科技？

出品| 網易新聞

作者| 須臾千秋，清華大學土木工程博士

　　所謂橋樑，本身就是跨越江河湖海、峽穀道路，以讓車輛行人能夠通過的建築物，不管跨越什麼，對於我們「基建狂魔」中國人來說通通不在話下，但唯獨有一種東西，即使對於中國而言，跨越起來也有相當的難度，那就是斷裂帶。

　　海南鋪前大橋，就是中國第一座跨越地質斷裂帶的大型橋樑。它的出現，打破了中國橋樑建築史上的四項紀錄，難度之高令全世界的同行矚目。

　　跨越一個斷裂帶，怎麼就能讓大橋變得如此「高大上」？這就要從斷裂帶的特徵開始說起。

（一）橋樑跨越斷裂帶，究竟難在哪裡？

　　鋪前大橋位於海南島東北，是連接海口和文昌兩市的跨海大橋。它全長5.597公里，其中跨海大橋長約3.8公里，兩岸接線長約1.9公里，全線採用雙向六車道一級公路標準建設。

　　鋪前大橋所要跨越的鋪前——清瀾斷裂帶包含三條地質斷層，其中一條是一個全新世活動斷層，這裡是1605年瓊山7.5級大地震的震中所在地，至今始終保持著活躍。

　　斷裂帶是地殼斷塊差異運動的接合帶，斷層兩側的岩石之間會發生相對位移，因此，為了大橋穩固性考慮，工程師們在選線時都會努力避開斷層。但鋪前大橋所處的位置與斷裂帶完全重合，一段全長581米的引橋中兩個橋墩必須直接跨越活動斷層。

　　這就意味著，斷層地質活動幾乎必定會使這兩座橋墩間的距離、高度差發生變化。這種變化往往還不是緩慢發生的，而是要伴隨著劇烈的斷層地震。鋪前大橋所在的位置地震動峰值加速度為全國最高，因此大橋的抗震設防烈度也達到了全國最高的九級，對跨越斷層的橋樑段還要進行專門的抗震設計。

　　鋪前大橋處的地震模式是近斷層地震動，它強烈依賴於斷層的破裂機制，包含明顯的破裂方向性效應和地面的永久位移。

　　相比起一般地震，近斷層地震會產生明顯的速度脈衝顯著的豎向地震動，破裂方向性效應以及上下盤效應。它會使得上面的橋樑結構產生較大的內力、速度和位移衝擊，造成「撕裂作用」，引起結構破壞甚至連續倒塌。

　　這種近斷層地震動最大的危害就是速度脈衝，它就像一個拳頭一樣砸在大橋上，瞬間帶來大量的能量。在大橋設計時，這意味著大橋整體的抗震能力必須成倍提高。

　　除此之外，在跨越地震帶的位置，大橋的剛度還必須被額外加強，這樣才能起到足夠的抵抗瞬時速度脈衝的作用。

（二）如何讓大橋在斷裂帶上保持穩定？

　　要想在斷裂帶上修建大橋，首先要準確地勘探海底斷層。

　　在海域中探尋斷層在工程中少有先例，很難通過既有的勘探技術進行勘探。為此，鋪前大橋項目開展了專項研究，結合項目特點，採用海域淺層地震勘探與鑽孔相互驗證，用多道與單道縱波反射法相結合，發現了岩層中的斷點，進而逐步計算、逼近，最終確定斷裂帶的形狀和性質。

　　將斷裂帶研究透之後，再結合斷裂帶的性質，有針對性地進行大橋的設計。鋪前大橋採用了半漂浮與阻尼器相結合的抗震體系，可以有效地消解並吸收地震力。

　　所謂半漂浮體系，指的是橋樑的梁與塔、墩之間並不剛性聯結，而是通過滑動支座聯結。在地震時，全斜拉橋可以縱向擺動，避免結構共振，達到抗震消能的目的。

　　另一方面，為了防止地震力作用下主梁的位移過大，還在這些支座處設置了阻尼器來吸收地震的能量。這些阻尼器同時還可以起到抗風的作用，對維護大橋的穩定性起到至關重要的作用。

　　地震力隨結構的重量增大而增大，因此，大橋的主梁採用的是自重較輕的鋼箱梁以儘可能減小地震作用下主梁對橋塔的慣性力，同時採用連續結構體系，以提高大橋的整體穩定性，但在跨斷裂帶的部分，大橋的設計與其它部位不同。

　　跨斷裂帶部分的橋體採用的是簡支鋼箱梁結構，梁段之間相互不連接。在大震作用下，斷層之間發生錯動，這樣即使局部的橋段發生破壞，也不會影響大橋的整體穩定性，並方便震後的維修。

（三）既要抗震又要抗風，鋪前大橋如何設計？

　　除了抗震，鋪前大橋所處的海南島北部還是著名的強颱風多發區，每年夏天颱風的襲擾猶如家常便飯。因此，鋪前大橋採用了斜拉橋的結構模式。

　　相比起柔性的懸索橋，斜拉橋不容易隨著大風發生共振，進而發生結構擺動過大甚至垮塌。斜拉橋的斜拉索可以將剛性的鋼箱梁橋面板緊緊拉住，在風力作用下不會發生太大的響應。

　　大橋專門開展了鋪前大橋抗風性能和行車風環境專題研究，優化了主梁的斷面布置，並通過設置橫向阻尼器抗風支座、設置風屏障等方式，極大地提高了大橋的抗風能力和震顫穩定性，讓大橋的設計基準風速達到全國最高的49.5m/s，能抗17級颱風。

　　鋪前大橋擁有海南全省最高的斜拉索塔，它高達151.8米，塔身採用箱形變截面，從上到下依次加粗，塔底設32根4.3/4.0m大直徑鋼管複合樁，索塔整體呈「文」字型結構。

　　索塔是斜拉橋建設的重中之重，全橋的重量都通過斜拉索傳遞到索塔之上。考慮到防風和抗震的需求，鋪前大橋的索塔必須極其穩固。

　　為了修建索塔的樁基礎，施工部門專門搭設了鑽孔平台進行鑽孔樁施工，鑽孔樁需要深入水下基岩，而岩石強度高、樁徑大，因此採用液壓迴旋鑽機氣舉反循環工藝成孔，之後採用門式起重機安裝鋼筋籠，導管法澆築預先在岸上拌好的水下混凝土。

　　氣舉反循環鑽進是一種特殊的施工工藝，它以壓縮空氣注入鑽桿內孔至一定深度，再與沖洗液混合形成低密度的氣一液混合液，使鑽桿內外液體密度產生差異。

　　這一壓力差造成沖洗液反向循環的鑽進，同時將廢渣帶出。孔深增大後，再相應地增加供氣量和供氣壓力，讓鑽桿內獲得理想的反向上升速度，從而得到很好的鑽進效率。

　　採用這種類似於「空氣炮」一樣的鑽進方法，可以將鑽進效率提高80%，並最大限度地提高鑽孔樁的質量。

　　值得一提的是，為修建鑽孔樁而搭設的施工平台本身也需要靠樁基來支撐，這些附屬於施工平台的樁該如何施工呢？事實上，施工平台採用的是小巧而輕便的鋼管複合樁，這些樁是通過打樁船與液壓振動錘來直接進行整根的一次性沉放的。

　　這種先搭建施工平台，再進行主體結構施工的由易到難的施工模式在大型工程中十分常見，它看似增加了施工工序，拖延工期，實則磨刀不誤砍柴工，大大增加了總的施工效率。

　　除了樁基外，索塔的承台施工也是一大技術難點。承台的體積達4000立方米，加之強度很高，質地較脆，極易由於溫度變化而產生裂縫。因此，施工單位在混凝土的澆築體內，預先埋設了冷卻管，在混凝土硬化過程中通水冷卻，並布設感測器實時監控混凝土的溫度，防止冷卻水與混凝土溫差過大造成溫差裂縫。

結語

　　除了結構上的世界紀錄外，鋪前大橋在項目管理模式、信息化水平等方面也都創下了全國的先例，它將作為成功的工程案例被載入史冊。

　　到2018年底大橋建成後，往返海口和文昌鋪前的車程將從90分鐘左右縮減為30多分鐘，這將極大地帶動鋪前地區的旅遊發展，也有利於文昌藉助更加便利的交通優勢，更好地融入瓊北旅遊圈。

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編輯| 史文慧