探訪世界最大跨度上承式鋼管混凝土拱橋——德余高速烏江大橋

近日，貴州省遵義市鳳岡縣，銅仁市思南縣、石阡縣三地交界處，由中交一公局第四工程有限公司承建的德江至余慶高速公路重點控制性工程——烏江大橋順利建成通車。

建成通車的德余高速烏江大橋。貴州省交通運輸廳 供圖

烏江，貴州省內(nèi)第一大河，長江上游南岸最大支流。烏江河谷深幽，兩岸高山險峻。近日，貴州省遵義市鳳岡縣，銅仁市思南縣、石阡縣三地交界處，由中交一公局第四工程有限公司承建的德江至余慶高速公路重點控制性工程——烏江大橋順利建成通車。藍天白云下，青山綠水間，紅色大橋宛若長虹臥波，跨越烏江兩岸。

德余高速烏江大橋全長1834米，鋼結(jié)構(gòu)的紅色主橋跨度504米，為目前世界最大跨度上承式鋼管混凝土拱橋。這座擁有“鋼脊梁”的大橋，涉及1.3萬多噸鋼結(jié)構(gòu)。烏江大橋的建設(shè)者們在結(jié)構(gòu)體系、施工控制、高新材料方面進行了大量創(chuàng)新，探索形成了“新型結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算原理研究、制造線形控制、智能調(diào)控安裝”成套技術(shù)，有力推進了拱橋設(shè)計理論發(fā)展、拱橋快速建造技術(shù)革新，引領(lǐng)山區(qū)橋梁建設(shè)向更高水平發(fā)展。

讓我們走近這座代表目前同類型橋梁建造世界頂級水平的大橋，探尋它的創(chuàng)新密碼。

全球首個“全栓接”，22萬顆高強度螺栓連接上萬噸鋼結(jié)構(gòu)

在德余高速烏江大橋的1.3萬多噸鋼結(jié)構(gòu)中，作為拱橋主拱圈骨架的拱肋節(jié)段共有60個，重量最大的達157噸。如何保證在高空精準拼接、精確安裝，是個巨大難題。

項目部進行了關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，在國內(nèi)首創(chuàng)運用拱、柱、梁全固結(jié)無支座整體式受力體系，實行“全栓接”，即全橋主拱、立柱和橋面梁等鋼結(jié)構(gòu)全部通過高強度螺栓進行連接。

德余高速公路烏江大橋因此成為目前世界上唯一一座運用全栓接技術(shù)工藝建設(shè)的橋梁，結(jié)構(gòu)新、精度高，施工難度居世界同類型橋梁前列。

在全栓接裝配式體系下，大橋所使用的鋼結(jié)構(gòu)，需要在重慶加工后，經(jīng)水路運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，再在江邊的拼裝廠內(nèi)進行反復調(diào)校，才能進行高空拼接。

集中的工廠化生產(chǎn)、高效的大構(gòu)件材料水上運輸、現(xiàn)場安裝的施工方式，有力提高了拱橋加工質(zhì)量、提升了施工質(zhì)效。

“整座橋的鋼結(jié)構(gòu)都以高強度螺栓進行連接，這對精度提出了極高要求，容許最大誤差僅有3毫米，技術(shù)難度非常大?！钡掠喔咚贋踅髽蝽椖控撠熑送踔窘鸾榻B，大橋拱肋、風撐之間全部采用高強度螺栓連接，這意味著全橋22萬顆螺栓孔的位置不能有絲毫錯位。

德余高速烏江大橋主拱圈吊裝中。貴州省交通運輸廳 供圖

2022年4月10日，大橋最重拱肋節(jié)段和風撐結(jié)構(gòu)進入施工階段。怎樣打好這場毫米級別的“精度戰(zhàn)”，完成鋼結(jié)構(gòu)之間的精準對接？項目建設(shè)團隊創(chuàng)新提出“廠內(nèi)臥拼+現(xiàn)場立拼”雙拼工藝及原形復位安裝控制方法。

在拱肋立拼階段，面對無同類型項目借鑒、無針對性規(guī)范標準指導的艱難條件，項目團隊融合各參建方控制標準及要求，固化36道標準施工程序、22項工序報驗、17項關(guān)鍵控制指標，實現(xiàn)拱肋無應(yīng)力線形毫米級精度制造。據(jù)介紹，經(jīng)過雙拼工藝的精準調(diào)節(jié)，大橋的相對高差、軸線偏差控制在5毫米以內(nèi)，橫橋向控制在3毫米以內(nèi)。

拱肋風撐連接裝配化、拱上立柱連接裝配化、橋面梁連接裝配化、UHPC（超高性能混凝土）橋面板裝配化……在全栓接裝配式體系下，風撐安裝連接僅需1天便能完成，相較于傳統(tǒng)焊接體系，效率提高了一倍。同時，可實現(xiàn)拱肋、風撐同步安裝，增加拱肋懸臂拼裝的穩(wěn)定性，降低安全風險。

“拱肋吊裝效率也大大提高，從原計劃的兩天一節(jié)，提高到一天一節(jié)。”貴州中交德余公司總經(jīng)理代周超說，在拱肋吊裝前，固化拱肋裝船、船舶定位、纜索吊檢查、扣背索牽引等各項輔助工作的順利開展，加快了現(xiàn)場吊裝進度，為主拱的順利合龍打下了堅實基礎(chǔ)。

全方位精準控制，以毫米級精度拼接“鋼脊梁”

德余高速烏江大橋地處山區(qū)峽谷，群山環(huán)抱、江面高空陣風肆虐，風向、風速多變。

大橋的拱肋合龍前，最大懸臂長達237米。在復雜的風場等外部條件下，其線形控制及穩(wěn)定控制都很困難，大橋精準合龍面臨巨大挑戰(zhàn)和壓力。

德余高速烏江大橋建設(shè)過程中，始終有“火眼金睛”時刻緊盯，這就是高精度測量設(shè)備的運用。

項目團隊創(chuàng)新應(yīng)用了徠卡TS60全自動測量機器人，研發(fā)了首節(jié)段多點約束精調(diào)支架及拱肋安裝三維姿態(tài)精調(diào)技術(shù)，在拱肋弦管上布設(shè)三維姿態(tài)監(jiān)測棱鏡，對拱肋的三維姿態(tài)、拱肋線形、橫向偏位等進行全天候自動監(jiān)測。同時，采用數(shù)字預拼裝技術(shù)對三維姿態(tài)進行自動分析，對控制點目標坐標進行精調(diào)，并運用全自動單點掃描機器人，實時監(jiān)測、動態(tài)調(diào)整三維姿態(tài)。這為拱肋的高精度安裝、定位提供了寶貴的數(shù)據(jù)支撐。

項目團隊采用三維激光掃描儀給拱肋進行深度“體檢”，覆蓋50萬個掃描點，建立起高精模型構(gòu)件，用以直觀、快速地檢查出鋼結(jié)構(gòu)件在制造、安裝中存在的誤差。

施工人員正在德余高速烏江大橋主拱上作業(yè)。貴州省交通運輸廳 供圖

項目團隊還首創(chuàng)全栓接鋼管混凝土拱橋數(shù)字化預拼裝成套技術(shù)，在拱肋立拼完成后，現(xiàn)場掃描實際鋼結(jié)構(gòu)加工線形數(shù)據(jù)，利用獨有的算法及處理方式，將安裝模型、加工模型、理論模型進行高精度匹配組合分析，提前預判后續(xù)加工、安裝可能遇到的問題。在制造線形控制、拱肋吊裝首節(jié)段姿態(tài)精調(diào)、主拱封鉸及合龍時機確定、鋼梁制造誤差檢驗、立柱制造及安裝位形確定等過程中，項目團隊均采用了這一技術(shù)，攻克多項關(guān)鍵技術(shù)難題。

針對拱肋在吊裝中可能遇到的問題，施工團隊提出施工全過程最優(yōu)控制理論，研發(fā)應(yīng)用全天候智能云監(jiān)測技術(shù)，對纜索系統(tǒng)、扣掛系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、塔架結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及變形規(guī)律，進行全天候監(jiān)測，對風險進行分級預警。研發(fā)應(yīng)用快速自動連續(xù)預警、智能張拉設(shè)備，提高了索力精度，加強了同步性控制，實現(xiàn)拱肋合龍線形與目標線形自動吻合，保證大橋順利合龍。

此外，項目團隊還提出了立柱及橋面梁高空安裝精準控制及調(diào)整成套技術(shù)，建立了栓接結(jié)構(gòu)誤差發(fā)散模型，提出主梁自適應(yīng)安裝的制造線形計算方法，解決了大跨度栓接拱橋拱上結(jié)構(gòu)精準安裝與控制難題。

一項項技術(shù)創(chuàng)新與突破，保障了每一塊鋼結(jié)構(gòu)在空中完美組合，以毫米級的高精度，高效率鑄成大橋強健的“脊梁”。

數(shù)智化建造，讓施工更加安全高效

德余高速烏江大橋的施工現(xiàn)場，是貴州典型的喀斯特地貌，場地狹小，施工規(guī)劃、實施都很困難。

烏江滔滔奔流，在江面上150米的高空作業(yè)施工，如何保障安全？“數(shù)智化”能先行消除各項安全隱患和風險。

項目負責人介紹，他們進場前期便展開了BIM（建筑信息模型）+信息化的技術(shù)應(yīng)用。通過無人機傾斜攝影、場地三維規(guī)劃、主橋方案三維模擬、方案的空間模擬優(yōu)化等，建成關(guān)于工程初始環(huán)境的數(shù)字化模型，實現(xiàn)臨建方案合理、臨建成本可控。施工過程中，項目部運用中交一公局集團BIM應(yīng)用管理系統(tǒng)進行管理，應(yīng)用模塊涵蓋工序報驗、質(zhì)量管理、安全管理，BIM可視化應(yīng)用交底等。在平面圖紙上無法發(fā)現(xiàn)的空間問題，在電子屏幕上暴露無遺。通過工藝模擬，項目部在施工中順利規(guī)避了安全風險。

德余高速烏江大橋構(gòu)件運輸船經(jīng)過思林船閘。貴州省交通運輸廳 供圖

“項目開通了5G定制化網(wǎng)絡(luò)，施工現(xiàn)場實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋?！蓖踔窘鸾榻B，項目部將BIM、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3D打印、AR技術(shù)、無人機+720云全景等先進信息技術(shù)與生產(chǎn)相融合，以“科技引領(lǐng)”為主題，在大橋附近建造了“烏江大橋智慧建造館”。依托這個“智慧指揮部”，項目部推動實現(xiàn)項目安全質(zhì)量管理信息化、場地布置合理化、進度調(diào)整動態(tài)化、工序交底可視化、監(jiān)控測量實時化，助力將項目打造成品牌工程。

在具體施工環(huán)節(jié)，他們通過AR技術(shù)，利用BIM+AR施工助手移動端APP，將BIM模型在真實環(huán)境中進行厘米級定位，1:1疊加在施工工地與項目現(xiàn)場。通過這樣的操作，可以檢查預埋件及其他隱蔽工程是否準確施工操作，從而解決因傳統(tǒng)施工過程中容易漏做預埋件帶來的后期返工問題，同時為施工環(huán)節(jié)和驗收環(huán)節(jié)提供可視化的參考和指導，有效減少施工錯誤、降低返工成本、提升施工效率。

在德余高速烏江大橋主橋的施工中，采用了纜索吊+斜拉扣掛施工工藝，涉及的臨時結(jié)構(gòu)較多，安全風險較高。針對這一情況，施工單位聯(lián)合監(jiān)控單位，結(jié)合后期運營需求，研發(fā)出斜拉扣掛監(jiān)測系統(tǒng)，對扣背索索力、扣塔偏位、扣塔應(yīng)力、后錨滑移、拱肋應(yīng)力等進行監(jiān)測，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控數(shù)據(jù)化。相應(yīng)建立分級預警機制，設(shè)置不同預警等級閾值，實時掌握設(shè)備狀態(tài)，有針對性地發(fā)出預警，降低安全風險。這在應(yīng)對山區(qū)峽谷極端天氣，保障主橋安全、高效施工中發(fā)揮了極其重要的作用。

“數(shù)智化建造，打造世界頂級橋梁。”在這樣的思路下，德余高速烏江大橋堅持高精度、嚴要求建設(shè)，為同類型橋梁建造提供了可推廣借鑒的技術(shù)經(jīng)驗。它的順利建成通車，將進一步提高區(qū)域交通通行能力和服務(wù)水平，對促進沿線產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、資源開發(fā)利用、旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。