重載鐵路橋 航運大通道，洞庭湖大橋建設突破了哪些難題？

出品| 網易新聞

作者| 鐵流

　　2017年3月，蒙西華中鐵路洞庭湖大橋4號主塔墩成功封頂，中國國內首條跨越內湖泊的重載鐵路橋樑就此全部完成主塔墩施工。洞庭湖大橋全長10.44公里，建成通車後，它將成為國內首條跨越內湖泊的重載鐵路橋樑。

（一）受三峽工程影響？複雜地質條件成橋樑設計施工的夢魘

　　洞庭湖是中國第一大淡水湖，湖泊面積接近5000平方公里。歷史上洞庭湖的面積曾經達到6000平方公里，後來一度縮小到4000平方公里。再後來由於三峽工程建成，長江於洞庭湖的關係改變、流量變化、原有沖淤平衡被打破。為實現四水與三峽錯峰調水同時保護環境、提高農業灌溉率開展了許多次洞庭整治工程使洞庭的面積逐漸擴大到現有水平。

　　這些條件給農漁業、旅遊業、水利和環境以正面的影響，但是卻絕對是橋樑設計施工的夢魘。地層支離破碎，地基沖刷複雜、容易變形，河面水情複雜……

洞庭湖湖面演變圖史

「噩夢一」：跨度1480米，建橋如何先過河？

　　洞庭湖上建橋往往首先想到的就是盡量一跨過河。比如正在建設的大岳高速洞庭湖大橋一開始設想過2008米的世界第一超大跨度，還想追趕日本的世界第一懸索橋——明石海峽大橋的跨度。而最終選定的1480米，這在鋼桁梁懸索橋達到了國內第一，可見洞庭湖的地質條件有多惡劣。

「噩夢二」：斷裂帶上建大橋，地基不穩怎麼辦？

　　中鐵路洞庭湖大橋橋址區就處於大斷裂帶上，橋墩位處土質鬆軟，高程（沿鉛垂線方向到絕對基面的距離）24—26米間為粉質粘土層，高程1—24米之間為淤泥質粉質粘土層，高程負3米以下依次為強風化板岩、弱風化板岩、破碎板岩、弱風化板岩、微風化板岩。岩層受擠壓作用破碎呈網狀，完整性差，角礫夾泥層分布不均勻。

　　橋墩的根基不穩，且橋墩鑽孔施工也容易發生漏漿、塌孔、斜鑽等狀況。

「噩夢三」：涌水事故控制不住，所有一切都白搭

　　對施工安全危害最大的是涌水事故，如果涌水發生，並得不到控制，不僅意味著數以億計的費用付之東流，損失最有利的橋位，而且還將對環境和工程進度造成難以想像的重大影響。施工過程中必須及時鑽渣取樣，實時掌握土層變化，形成鑽孔記錄表，並與地質資料進行核對。當鑽進過程中孔內出現漏漿時，就加大泥漿比重，停止鑽進，待漏漿處理好後方可繼續鑽進。

（二）究竟，橋墩是怎麼架進水底的？

　　「了不起的中國製造」欄目《中國高鐵那麼牛 多虧了這頭架橋「巨獸」》文章，曾經介紹了「架橋巨獸」——鐵路架橋機是怎麼將梁片架到橋墩上的，好奇網友問，橋墩是怎麼架進淤泥里的？這就涉及到一個專業術語——圍堰。

「圍堰」為何物？

　　圍堰是指在水利工程建設中，為建造永久性水利設施，修建的臨時性圍護結構。它能夠防止水和土進入建築物的修建位置，以便在圍堰內排水，開挖基坑，修築建築物。除作為正式建築物的一部分外，圍堰一般在用完後拆除。

圍堰定位不精準，橋墩就會塌！

　　圍堰的第一步先得找好位置，如果圍堰的定位誤差如果超出允許的範圍，就會對橋樑的建造造成比較嚴重的後果。如果是古代石拱橋的話，墩移動幾厘米就可能引起垮塌。

　　所以，圍堰首先需要精準定位，圍堰錨碇系統形成以後，需要多次精確調整圍堰的平面位置和垂直度圍堰垂直度滿足不大於1/50，平面位置偏差小於15厘米。

「護臂」鋼護桶下放，北斗衛星派上了用場

　　鋼護桶下水

　　完成定位後，就要完成鋼護桶的拖曳和下放工作。「鋼護筒」又是什麼？說白了，它就是護臂——在進行人工挖孔樁的過程中，由於土質不穩定，施工鋼筋混凝土護壁存在較大難度，所以採用鋼質的護壁對孔樁進行保護，其實就是根據孔樁的大小用鐵皮箍成的一個圓形的兩頭都是空的桶。

　　這個「桶」在工廠加工之後，用拖船水運到橋墩的位置，然後完成鋼護筒的對接並安裝導向架，再進行焊接和下放。

　　圍堰的拖放要選擇天氣良好，風速不大，浪高比較小的有利條件，這樣可以減少顛簸方便施工。在整個過程中，拖船和圍堰各處控制點安裝衛星定位裝置並組網，中國現在的拖放系統結合北斗衛星定位已經可以把實時的距離移動減少到厘米級。經過實地測量，所有墩位的誤差都低於10厘米。

清基和抄墊+混凝土澆築，淤泥里打造「平地」

　　用「桶」圍起來之後，還要進行清基和抄墊，清除圍堰內的浮泥或者岩面殘留物，澆築混凝土。

　　由於圍堰是在水中的，圍堰的外形和重量將決定圍堰水下部分的輪廓和截面積，進而決定其水中的動力特性。經過優化設計可以減小圍堰在流水中受到的衝擊方便施工。那麼如何清除圍堰內浮泥或岩面殘留物呢？施工單位採用移動式吸泥機進行吸泥處理，使基底與封底混凝土之間不得產生有害夾層。

　　封底混凝土強度達到設計要求前，鋼圍堰不得受到衝擊、干擾和承受額外荷載，以免影響混凝土強度增長，確保混凝土的強度、整體性和水密性。

（三）重載鐵路橋+航運大通道，洞庭湖大橋的「雙重身份」

　　洞庭湖大橋可不止一座橋那麼簡單，它是蒙華鐵路的重點控制性工程，而蒙華鐵路是在建的中國最大規模運煤專線，北起內蒙古浩勒報吉、南至江西吉安，全長1814.5公里，跨越七省，規劃設計輸送能力為2億噸/年，是「北煤南運」新的國家戰略運輸通道。

　　作為運煤專線，洞庭湖大橋的承載軸重是普通鐵路的1.2倍，普通鐵路承載軸重是25噸，重載鐵路一般是27噸，而洞庭湖大橋則必須能承載30噸。軸重雖然大，同時中國重載列車的特點是也比較快，這意味列車與橋的動力相互作用會加劇，軸重產生的載荷組合將遠遠大於30噸。

　　此外，洞庭湖大橋主橋位於國內最為繁忙的城陵磯港口，每天有700餘艘船隻往來穿行，而且橋址處於錨地，船隻停放密集，要想大橋不會對當地繁忙的航運造成太多影響，就要求大橋的梁高滿足通航要求。

　　洞庭湖大橋橋墩施工中

桁架式主梁維修費用高，且易誘發脫軌事故

　　斜拉橋橋的主梁有桁架式和鋼箱式兩種，桁架指的是由直桿組成的平面或空間結構，桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，從而能充分利用材料的強度，在跨度較大時可比實腹梁節省材料，減輕自重和增大剛度。桁架式主梁具有材料強度能充分應用，減少材料耗量和結構自重，適合大跨度建築等優點。

　　不過，採用桁架式主梁的橋樑變形不容易控制，而且橋的耐久度也不夠好，相對來說容易壞，維修費用比較高。像洞庭湖大橋這樣的運煤大通道，如果採用桁架式主梁，不僅會造成保養和維護費用偏高的問題，還會因為桁架式主梁的橋樑變形不容易控制，易誘發列車脫軌事故。

鋼箱式主梁梁高影響通航

　　鋼箱式主梁的抗扭剛度大，整體剛度也比較大，穩定性、耐久度，可維護性都優於桁架梁，缺點就是梁高比較高——梁高指的是梁底到梁頂的距離，就是梁截面的高度。

　　由於梁高比較高這就會影響航運的通航能力。而且由於鋼箱式主梁自重大，跨徑短——跨徑兩個橋墩中心間的距離，採用鋼箱式主梁的斜拉橋跨徑很難超過800米。這就使鋼箱式主梁不適合大跨度橋樑。

鋼箱鋼桁疊合主梁——斜拉橋世界首次應用

　　兩種主梁都不滿足需求，所以國內施工團隊探索嘗試，將鋼箱式主梁和桁架式主梁結合起來，在斜拉橋首次採用鋼箱鋼桁疊合主梁形式，在世界上首次實現於斜拉橋上採用先架設、合龍鋼箱梁，然後安裝合龍鋼桁梁的施工方案。

　　鋼箱鋼桁疊合主梁兼具了兩者的優點，既能滿足載重鐵路的技術指標，又不影響通航。不過，既然是首次使用，在主梁施工和架設上也必須採取相配套的新方法。

　　施工單位採用先箱後桁的施工法，這種施工方法架設工序多，對橋樑構建製造和安裝的精度要求非常高。在鋼箱梁製造和安裝的過程中，誤差要求控制在2mm以內，否則就會影響到之後鋼桁梁的順利安裝。而且在整個主梁安裝和架設過程中，要完成92個節間的鋼桁梁、約1.5萬顆高強螺栓與鋼箱樑上的節點板相連，不能出現絲毫差池。

三個斜拉橋塔——三角形最穩定

　　重載鐵路橋對穩定性有非常高的要求，因而施工單位採用三個斜拉橋塔。斜拉橋一般有一個塔或者兩個塔。這些橋塔的作用都是承受載荷，並提供一定的橫向剛度幫助橋樑抗風。洞庭湖大橋的三斜拉橋塔方案有不僅助於減小橋樑跨中的彎矩——彎矩可以理解為抗扭曲能力，使橋樑不容易發生變形，提升了穩定性，還有助於儘可能提高橋面的豎向承載能力。

結語

　　目前，洞庭湖大橋主橋已合龍，在今年年底全橋完工。按照施工標準，洞庭湖大橋能抗100年一遇的洪水，能抗烈度7度地震，能承載1萬噸重量，能滿足重載列車120公里的運行時速。洞庭湖大橋完工後，將成為「北煤南運」新的運輸通道。

洞庭湖大橋北跨合龍現場

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