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福厦高铁泉州湾大桥成功合龙,中国高铁迈入跨海时代

2021 08/16 15:23
作者 灏舒
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福厦高铁泉州湾大桥成功合龙

8月的福建省泉州湾,海风阵阵。蔚蓝的大海之中,一座银白色的大桥自东北向西南蜿蜒。宽阔的桥面上,我国首条跨海高速铁路——福厦高铁进入了最后建设阶段。8月6日,随着最后一榀钢箱梁缓缓落下,我国首座跨海高铁桥——福(州)厦(门)高铁泉州湾跨海大桥主桥成功合龙,这意味着中国高铁从只在陆上行驶迈入了一个可以跨海行驶的新时代。

“越过高山、越过平原,跨过奔腾的黄河长江。”这是歌曲《歌唱祖国》中的一句歌词,用在中国高铁的发展上,似乎非常合适。据不完全统计,截至2020年底,我国高铁运营里程增加至3.79万公里,不管是高寒冻土的高原还是风大浪急的海湾,都未能阻止中国高铁的脚步。其中,高铁桥梁长度达1.8万公里,位居世界第一,甚至很多大型火车站都建在高架桥上。

高铁跨海,靠的是先进的桥梁建设技术。在众多桥梁中,铁路桥对路况要求极高,对造桥工艺有着更高要求。但中国桥却敢于向高难度挑战。此次合龙的福厦高铁泉州湾跨海大桥不仅是国内首座跨海高速铁路桥,也是世界上首座行车速度超过300公里/小时的大跨度跨海斜拉铁路桥,这座超级工程的背后,是一系列先进技术的支撑。

福厦高铁泉州湾大桥成功合龙

1、列车90秒飞驰过桥,刮8级大风也不限速

福厦高铁泉州湾跨海大桥的总设计师——中国铁建第四勘察设计院集团有限公司桥梁院(以下简称铁四院)总工程师严爱国和铁路桥打了半辈子交道,他设计的高铁桥,里程少说也有800公里。

回顾这一路的建桥过程,严爱国感触最深的,是这些年来国内大桥通行速度的快速提升。“高铁最大的特征是什么?是时速快。这种通行时速,是需要高铁桥的路面设施和条件来保障的。”

严爱国介绍,我国早期的铁路拱桥,时速只能跑160公里。而我国首座真正意义上的公铁两用跨海大桥平潭海峡公铁大桥,通行时速也只有200公里。但福厦高铁泉州湾跨海大桥的设计通行时速却达到了350公里。这种速度的提升,源于对桥梁结构、路面的工艺创新。

“跨海高铁大桥要保证大跨度,一般都采用斜拉桥,这种结构容易变形。同时,泉州湾位于沿海高风速带,海上多风,海风又会产生冲击,必须创新结构,保证路面刚度,否则桥梁会因风产生严重的横向晃动和涡振现象。”铁四院大桥设计负责人曾甲华介绍,高铁对桥梁刚度、后期线型稳定性要求很高,为此,设计团队在国内外铁路斜拉桥上首次采用了混凝土桥面板与槽形钢梁组成的钢混组合梁,钢梁自重轻、满足了大跨度桥梁建设对重量的要求;而混凝土则有效提升了桥梁的刚度。

此外,大桥主梁采用流线箱形结构并附加导流板、减振栏杆、拉索电涡流阻尼器等有效气动措施,减小了复杂风环境下的风致振动,避免了异常涡振的发生。这些设计,让列车可以在不设风屏障等防风措施的情况下,在8级大风中以时速350公里速度通过跨海大桥,在11级暴风下也不会封闭交通。

轨道是福厦高铁泉州湾跨海大桥通行时速高的另一个原因。坐过火车的人都见过,铁轨下面一般都是碎石道床,这种有砟轨道最高运营速度只有250公里。而无砟轨道是采用混凝土、沥青混合料等整体基础的轨道结构,时速更高。但是,相较于陆地,在大跨度的桥梁上铺设无砟轨道并通行高铁,对桥梁的结构刚度、徐变变形等要求极高。在如此大跨度的跨海大桥上铺设无砟轨道,国外没有先例。

中交二航局福厦铁路项目负责人刘福星介绍,泉州湾跨海大桥引桥采用双块式无砟轨道,而通航孔主桥在国内外斜拉桥上首次采用了聚氨酯固化道床结构“固定”道砟,让有砟轨道跑出无砟轨道的效果。正是这些措施,让福厦高铁泉州湾跨海大桥实现了高铁90秒过桥的“风驰电掣”。

2、7级大风中作业合龙精度偏差仅1毫米

跨海造桥,在世界上也是一项工程学难题。其中一个原因,是跨海往往比跨江、跨河的跨度更长。

严爱国说:“这些年我国高铁的发展速度惊人,上世纪90年代我刚工作的时候,设计的铁路桥梁跨度多为32米,最大也不超过100米,结构多是混凝土结构、少量钢结构,到如今各种结构形式的桥梁都有。高铁桥梁长度越来越长、跨度越来越大、结构越来越多样。”

工艺创新,是中国铁路桥长虹横贯背后的成功密码。

平潭海峡公铁大桥是目前世界上最长的跨海公铁大桥。大桥中最大跨度航道桥——元洪航道桥主跨达532米,两艘5万吨级船舶并排从桥下通过都没有问题。而此次福厦高铁泉州湾跨海大桥的主跨也达到了400米。

大跨度的桥怎么建成的?“就像拼积木一样,必须做到精细化。”据中交二航局福厦铁路项目总工翁方文介绍,作为福厦高铁全线的关键控制性工程,泉州湾跨海大桥主梁采用钢箱梁形式,分为77个节段,其中最重的梁段达365.18吨。在吊装时,为有效应对梁体吊装重量大、落位精度要求高、海上施工环境复杂等难题,团队对主梁采用了分节悬臂吊装,先边跨、后中跨合龙的总体施工工艺。其中中跨合龙采用了北侧吊装、南侧顶推的“主动”合龙方式。为了保证每一块都严丝合缝,翁方文和同事们开发应用了一套合龙施工智能监测控制系统,利用水准仪、倾角仪等智能设备对合龙口状态进行超前智能化监测,最终实现合龙口轴线偏差1mm,相对高差0.5mm的超高精度。

中国工程院院士项海帆表示,改革开放以来,我们不仅在大桥建设的工艺上不断取得新突破,在大桥建设的速度上也具有优势。我们用3年建成的大桥,国外至少要用5到7年甚至更长的时间。

这样高的效率,离不开中国工程师们设计研发的基建利器。比如,在此次福厦高铁的建设过程中亮相的世界首台千吨级架桥机——“昆仑号”千吨级运架一体机。

“昆仑号”厉害在哪里?在隧道作业时,传统的架桥机需要先拆装,穿过隧道再组装,但是“昆仑号”架桥机能够直接从隧道中穿过,节约出的时间可以多完成400米长的桥梁搭建。此外,“昆仑号”不惧海上的大风大浪,即便在7级大风中,机构依然保持稳定。此外,它还可以兼容不同长度的箱梁,能用机械臂将重达4个航空飞机的箱梁吊起,跨过桥墩之间的空隙,将箱梁快速而精准地放到需要的位置上。

在此前的平潭海峡公铁大桥建设过程中,面对有“建桥禁区”之称的“世界级风口”平潭海峡,建设方自主研发了世界上最先进的KTY5000型液压动力头钻机以及国内起重量最大、起升高度最高的双臂架起重船等重量级设备,成功解决了在恶劣复杂海洋环境条件下造桥的难题。

3、不刷漆也能百年抗腐,耐候钢技术走在国际前列

和普通桥梁相比,跨海大桥还面临着另一项考验,就是海风海水腐蚀。

高铁工程结构的抗腐蚀标准是百年抗腐。“在沿海地区高盐高湿的气候条件下,依靠在钢梁表面刷漆的传统防腐方式,很难达到这一标准。”翁方文介绍,为了保证大桥的寿命长久,福厦高铁泉州湾跨海大桥的索塔钢锚梁和支座采用了由国内自主研发的耐候钢新型材料,是全球首座采用免涂装耐候钢的大型跨海工程。

翁方文口中的耐候钢是世界超级钢技术前沿水平的系列钢种之一,通过往钢材里加入微量镍元素,让钢材自身生成致密稳定的钝化锈层,阻止海水中氯离子的渗透,实现了“以锈制锈”的长效防腐效果。据了解,泉州湾跨海大桥主桥共有60套钢锚梁,全部采用镍系耐海洋大气腐蚀钢。此外,相关团队还研制了与这种钢材配套的高强螺栓及焊接用料,顺利将钢材做成了大桥所需的钢锚梁。正是因为有了这样的钢锚梁,福厦高铁泉州湾跨海大桥不仅实现了免涂装,还无需设置除湿系统。

记者了解到,在川藏铁路的部分大跨度桥梁中,也用到了这种耐候钢,比如雅鲁藏布江特大桥。事实上,随着我国桥梁建设技术的发展,在建筑材料上不断涌现出各种质优高效的新材料,材料的国产化率也在不断提高。

2020年7月通车的千米级高铁斜拉桥——沪苏通长江公铁大桥在建设中,就用到了我国自主研发的高性能新材料——抗拉强度高达2000兆帕的锌铝镀层钢丝。整个大桥,共有72对斜拉索,全部用这种钢丝制成。每根钢丝的直径虽仅为7毫米,却能够承受80吨的拉力,达到国际先进水平。

由于沪苏通长江公铁大桥是这种材料的首次运用,考虑到这种高性能材料未来将广泛应用于桥梁行业,国家于2020年出台了《悬索桥吊索用钢丝绳》标准。参与标准起草的中铁大桥局有关负责人表示:“以前国外的标准远高于中国,我们在国外的项目大都按照欧标、美标等来施工验收。近年来,随着中国材料技术的不断突破,有些标准我们已走在世界前列了。这次国标发布实施,凸显了我国新材料的技术含金量,对进一步推动我国大跨径悬索桥建造技术进步,推动我国新材料和基建施工‘走出去’具有积极作用。”

石墨烯涂料、纳米涂料……这些“中国智造”的新材料近年来也越来越多应用在桥梁建设中。中国工程院院士、中科院宁波材料所科技委主任薛群基表示:“这些年我们在海洋材料的腐蚀防护技术上进行了非常好的研究,一个是发展了国际领先的新材料,比如纳米涂料在港珠澳大桥上使用了。我们所研究的含石墨烯的防腐蚀涂料,在国际上也是第一家。”

来源:中国纪检监察报

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