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(diǎn)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(yùn)輸廳 供圖

烏江，貴州省內(nèi)第一大河，長(zhǎng)江上游南岸最大支流。烏江河谷深幽，兩岸高山險(xiǎn)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(diǎn)控制性工程——烏江大橋順利建成通車。藍(lán)天白云下，青山綠水間，紅色大橋宛若長(zhǎng)虹臥波，跨越烏江兩岸。

德余高速烏江大橋全長(zhǎng)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?cè)诮Y(jié)構(gòu)體系、施工控制、高新材料方面進(jìn)行了大量創(chuàng)新，探索形成了“新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)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(jìn)了拱橋設(shè)計(jì)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(jí)水平的大橋，探尋它的創(chuàng)新密碼。

全球首個(gè)“全栓接”，22萬顆高強(qiáng)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(gè)，重量最大的達(dá)157噸。如何保證在高空精準(zhǔn)拼接、精確安裝，是個(gè)巨大難題。

項(xiàng)目部進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)運(yùn)用拱、柱、梁全固結(jié)無支座整體式受力體系，實(shí)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(qiáng)度螺栓進(jìn)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(yùn)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(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，再在江邊的拼裝廠內(nèi)進(jìn)行反復(fù)調(diào)校，才能進(jìn)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(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，這對(duì)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?xiàng)目負(fù)責(zé)人王志金介紹，大橋拱肋、風(fēng)撐之間全部采用高強(qiáng)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(cuò)位。

德余高速烏江大橋主拱圈吊裝中。貴州省交通運(yùn)輸廳 供圖

2022年4月10日，大橋最重拱肋節(jié)段和風(fēng)撐結(jié)構(gòu)進(jìn)入施工階段。怎樣打好這場(chǎng)毫米級(jí)別的“精度戰(zhàn)”，完成鋼結(jié)構(gòu)之間的精準(zhǔn)對(duì)接？項(xiàng)目建設(shè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出“廠內(nèi)臥拼+現(xiàn)場(chǎng)立拼”雙拼工藝及原形復(fù)位安裝控制方法。

在拱肋立拼階段，面對(duì)無同類型項(xiàng)目借鑒、無針對(duì)性規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)的艱難條件，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)融合各參建方控制標(biāo)準(zhǔn)及要求，固化36道標(biāo)準(zhǔn)施工程序、22項(xiàng)工序報(bào)驗(yàn)、17項(xiàng)關(guān)鍵控制指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)拱肋無應(yīng)力線形毫米級(jí)精度制造。據(jù)介紹，經(jīng)過雙拼工藝的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，大橋的相對(duì)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(fēng)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(fēng)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(shí)，可實(shí)現(xiàn)拱肋、風(fēng)撐同步安裝，增加拱肋懸臂拼裝的穩(wěn)定性，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

“拱肋吊裝效率也大大提高，從原計(jì)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(xiàng)輔助工作的順利開展，加快了現(xiàn)場(chǎng)吊裝進(jìn)度，為主拱的順利合龍打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

全方位精準(zhǔn)控制，以毫米級(jí)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(fēng)肆虐，風(fēng)向、風(fēng)速多變。

大橋的拱肋合龍前，最大懸臂長(zhǎng)達(dá)237米。在復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)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(zhǔn)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(shí)刻緊盯，這就是高精度測(cè)量設(shè)備的運(yùn)用。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新應(yīng)用了徠卡TS60全自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人，研發(fā)了首節(jié)段多點(diǎn)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(cè)棱鏡，對(duì)拱肋的三維姿態(tài)、拱肋線形、橫向偏位等進(jìn)行全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，采用數(shù)字預(yù)拼裝技術(shù)對(duì)三維姿態(tài)進(jìn)行自動(dòng)分析，對(duì)控制點(diǎn)目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行精調(diào)，并運(yùn)用全自動(dòng)單點(diǎn)掃描機(jī)器人，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用三維激光掃描儀給拱肋進(jìn)行深度“體檢”，覆蓋50萬個(gè)掃描點(diǎn)，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(yùn)輸廳 供圖

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還首創(chuàng)全栓接鋼管混凝土拱橋數(shù)字化預(yù)拼裝成套技術(shù)，在拱肋立拼完成后，現(xiàn)場(chǎng)掃描實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)加工線形數(shù)據(jù)，利用獨(dú)有的算法及處理方式，將安裝模型、加工模型、理論模型進(jìn)行高精度匹配組合分析，提前預(yù)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(shí)機(jī)確定、鋼梁制造誤差檢驗(yàn)、立柱制造及安裝位形確定等過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)均采用了這一技術(shù)，攻克多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題。

針對(duì)拱肋在吊裝中可能遇到的問題，施工團(tuán)隊(duì)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(cè)技術(shù)，對(duì)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(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)預(yù)警。研發(fā)應(yīng)用快速自動(dòng)連續(xù)預(yù)警、智能張拉設(shè)備，提高了索力精度，加強(qiáng)了同步性控制，實(shí)現(xiàn)拱肋合龍線形與目標(biāo)線形自動(dòng)吻合，保證大橋順利合龍。

此外，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還提出了立柱及橋面梁高空安裝精準(zhǔn)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(jì)算方法，解決了大跨度栓接拱橋拱上結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)安裝與控制難題。

一項(xiàng)項(xiàng)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(jí)的高精度，高效率鑄成大橋強(qiáng)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(chǎng)，是貴州典型的喀斯特地貌，場(chǎng)地狹小，施工規(guī)劃、實(shí)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(xiàng)安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人介紹，他們進(jìn)場(chǎng)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(jī)傾斜攝影、場(chǎng)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(shí)現(xiàn)臨建方案合理、臨建成本可控。施工過程中，項(xiàng)目部運(yùn)用中交一公局集團(tuán)BIM應(yīng)用管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，應(yīng)用模塊涵蓋工序報(bào)驗(yàn)、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(xiàng)目部在施工中順利規(guī)避了安全風(fēng)險(xiǎn)。

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

“項(xiàng)目開通了5G定制化網(wǎng)絡(luò)，施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋?！蓖踔窘鸾榻B，項(xiàng)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(jī)+720云全景等先進(jìn)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(gè)“智慧指揮部”，項(xiàng)目部推動(dòng)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目安全質(zhì)量管理信息化、場(chǎng)地布置合理化、進(jìn)度調(diào)整動(dòng)態(tài)化、工序交底可視化、監(jiān)控測(cè)量實(shí)時(shí)化，助力將項(xiàng)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(dòng)端APP，將BIM模型在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行厘米級(jí)定位，1:1疊加在施工工地與項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)。通過這樣的操作，可以檢查預(yù)埋件及其他隱蔽工程是否準(zhǔn)確施工操作，從而解決因傳統(tǒng)施工過程中容易漏做預(yù)埋件帶來的后期返工問題，同時(shí)為施工環(huán)節(jié)和驗(yàn)收環(huán)節(jié)提供可視化的參考和指導(dǎo)，有效減少施工錯(cuò)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(shí)結(jié)構(gòu)較多，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。針對(duì)這一情況，施工單位聯(lián)合監(jiān)控單位，結(jié)合后期運(yùn)營(yíng)需求，研發(fā)出斜拉扣掛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)化。相應(yīng)建立分級(jí)預(yù)警機(jī)制，設(shè)置不同預(yù)警等級(jí)閾值，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備狀態(tài)，有針對(duì)性地發(fā)出預(yù)警，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。這在應(yīng)對(duì)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(jí)橋梁?！痹谶@樣的思路下，德余高速烏江大橋堅(jiān)持高精度、嚴(yán)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(yàn)。它的順利建成通車，將進(jìn)一步提高區(qū)域交通通行能力和服務(wù)水平，對(duì)促進(jìn)沿線產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、資源開發(fā)利用、旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。