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    秦順全:建設跨海長橋的挑戰

    來源: 時間:2023年06月04日 瀏覽次數: 【字體: 打印
      秦順全,中國工程院院士,1987年獲西南交通大學工學碩士學位,教授級高級工程師,長期從事大型橋梁的設計、施工技術研究與管理工作,曾任中鐵大橋院董事長。
      2004年享受國務院特殊津貼,2006年被評為全國杰出專業技術人才,歷任第十、十一屆全國人大代表,第十二、十三屆全國人大常委;現任全國政協常委、九三學社中央常委、九三學社湖北省主委、湖北省政協副主席、中國中鐵首席科學家。

    秦順全院士在接受采訪  人民鐵道報記者李范軒  攝

      在陸域的大江大河上、高山峽谷間建造橋梁來實現通達,目前已經問題不大。但地球表面上陸地只占約29%,約71%是海洋。浩瀚的海洋將陸地割裂開來,是主要的地緣障礙。走向海洋,是橋梁工程技術的未來發展方向。
      遠海交通以水運為主,近海交通起初一般采用輪渡。隨著現代交通科技的發展,輪渡交通暴露出一些不足,如港口建設不均衡、通航易受海況影響、航線兩端與公路和鐵路等陸地交通銜接的效率低等。跨海大橋是替代輪渡交通的一種較為理想也常被采用的方案。
      我國的三大海峽都有公路和鐵路交通的需求。其中,渤海海峽連接山東半島和遼東半島,兩地直線距離約105千米。海峽中有大小島嶼共15個。海峽東部的老鐵山水道寬約41千米,水深50~60米,最大水深83米。臺灣海峽東西寬約200千米,從東北到西南長約440千米(最狹處僅130~135千米)。臺灣海峽平均水深約60米,最大水深88米。瓊州海峽位于海南省海南島和廣東省雷州半島之間,最窄處寬約19.4千米,中間沒有島嶼可資利用。瓊州海峽平均水深約44米,中部為潮流深槽,最大水深約114米。
      建設三大海峽的跨海通道,有橋梁和隧道兩個工具可用。比較而言,橋梁方案更有文化融通象征,并且在綜合經濟性能、交通通過能力、遭受破壞后的可維修性等方面具有優勢,因此備受期待。不過,跨越三大海峽的建橋需求給橋梁工程技術提出了巨大挑戰。
    建橋規模很大
      第一個挑戰是建橋規模很大。我國已建成的跨海長橋中,舟山連島工程金塘大橋長26.5千米,上海東海大橋長32.5千米,杭州灣大橋長36千米,青島海灣大橋長41.58千米,港珠澳大橋長55千米(其中正橋長29.6千米)。港珠澳大橋也是世界范圍內最長的跨海工程,國外跨海大橋最長的是37.3千米長的日本瀨戶大橋。
      一方面,待建的渤海海峽和臺灣海峽通道長度均超過100千米,建設規模從55千米到100千米是一個很大的跨越。另一方面,三大海峽都比較深,水面以下的工程量占比更高。除此之外,三大海峽的交通需求都包括公路和鐵路,需要建造公鐵兩用大橋,這又使工程的規模增長了約50%。
      工程規模大,意味著投資很大,還意味著施工風險、工程管理復雜程度都很高。
    橋梁深水基礎
      第二個挑戰,是在水深80~100米深海建造橋梁基礎。深水橋梁基礎是橋梁工程中難度最大、風險最高的項目之一。這也是工程技術層面面臨的主要挑戰。
      深水區域的橋梁基礎,國外早期主要采用氣壓沉箱,20世紀30年代沉井逐漸成為優先考慮的基礎類型,70年代后,各國都有各自偏愛的類型,形成了獨特的技術風格。我國在50年代修建武漢長江大橋時,首創管樁基礎,之后大力推廣混凝土管樁和混凝土樁基礎。60年代我國修建南京長江大橋時,發展了重型沉井、深水浮運鋼筋混凝土沉井和鋼沉井;修建成昆線時,又開始大規模地發展鉆孔樁基礎。70年代修建九江長江大橋時,首創了雙壁鋼箱圍堰鉆孔樁基礎。80年代修建茅嶺江鐵路大橋時,采用了套箱圍堰。至90年代,我國深水基礎的施工和技術水平已進入世界先進行列。
      我國已建的跨海長橋主要位于長江、珠江和錢塘江等大江大河的入海口區域。這些海域的水深大多不足20米。我國在大江大河中修建的橋梁,基礎最大水深在40米左右。考慮水面漲落和河床沖刷因素,最大施工水深約有70米。
      世界范圍內,橋梁基礎的水深紀錄是65米,是由法國建筑商2004年在希臘科林斯海灣建造里翁-安蒂里翁大橋時創造的。該橋基礎為直徑90米、高9~13.5米的沉箱,置于3米厚的沙礫墊層上,其上是直徑從38米過渡到27米的圓臺形橋墩。沙礫墊層之下的土體,用200根直徑2米的鋼管以7~8米的間距進行加固。沙礫墊層包括厚50厘米的底部反濾砂層、厚2米的卵石中間層和上部厚50厘米的碎石層。施工時,仿照石油工業中普遍應用的鉆井平臺,特別建造了一艘專用駁船,并在駁船上裝配了可以進行65米以下海床挖掘、埋設鋼管樁、鋪設和找平沙礫層等作業的專用設備。
      建筑基礎有淺平基和深基礎兩種基本類型。而橋梁工程通常都采用深基礎,如樁基礎、沉井基礎等。里翁-安蒂里翁大橋的基礎形式突破了這一常規,它是淺平基在深海條件下的創新運用。它通過插打鋼管樁來提高地基承載力;通過鋪設反濾沙礫墊層,實現基礎找平、隔離地震作用和降低沖刷;通過扁平的大尺寸設置沉箱,來隔離沿橋墩前側俯沖和繞橋墩兩側及后方翻漩的海流,有效防護地基,并將橋墩荷載分散傳遞到地基上。
      里翁-安蒂里翁大橋上部結構是跨度560米斜拉橋,橋塔頂至海面高度為160米,基礎需要傳遞的結構自重、風力等荷載還不太大,基礎設計的控制因素是地震響應,采用這種基礎是合理的。我國三大海峽通道工程中,通航孔橋的跨度為1400~2000米,海面以上的橋塔高度超過350米,橋址區域的地震反應譜重力加速度比里翁-安蒂里翁大橋要小,水更深,洋流和風浪更大。這種情況下,控制因素很可能不再是地震響應,而是波浪、風力或船撞等其他因素,因此,里翁-安蒂里翁大橋的這種基礎形式在我國三大海峽通航孔橋中就未必合理了。不過,里翁-安蒂里翁大橋的這種深海設置基礎,對我國三大海峽橋的非通航孔橋還是具有重要借鑒價值的。
      我們在深水基礎技術方面還需要繼續創新。

    2.我國首座、世界最長跨海公鐵兩用大橋——平潭海峽公鐵大橋

    我國首座、世界最長跨海公鐵兩用大橋——平潭海峽公鐵大橋

    海上大跨度橋梁
      第三個挑戰,是海上大跨度橋梁的合理結構形式。
      我國三大海峽航道寬度要求橋梁跨度為1400~2000米。懸索橋跨越能力大,建造時首先想到的自然是懸索橋。世界上已經建成的懸索橋中跨度最大的是日本的明石海峽大橋,跨度達1991米;在我國,是武漢的楊泗港長江大橋,跨度1700米。但是懸索橋需要龐大的錨碇來固定主纜,已經建成的懸索橋的錨碇大都布置在岸上,錨碇布置在水域的只有丹麥的大貝爾特跨海大橋(Great Belt Bridge),也是在淺水區。在深海上建造懸索橋面臨的問題是兩端的錨碇要把主纜的水平力傳遞到80~100米深的海底,成本會很高。這個水平力大約會大于9×105千牛。
      斜拉橋是另一個可能的結構體系,它一般沒有錨碇。我國的斜拉橋中跨度最大的是蘇通長江公路大橋,達1088米,是公路橋;跨度1092米的滬通長江大橋,是公鐵兩用大橋。斜拉橋的問題是跨越能力還不夠大。
      在提高跨越能力方面,提升材料性能具有重要意義。大跨度橋梁所承受的荷載,80%~90%是其自身的重量,只有10%~20%是橋上車輛、風浪等其他因素的作用。從這個角度看,減輕結構的重量是增大跨度的重要途徑。其中,材料強度是一個重要指標。我國的橋梁結構鋼,其屈服強度從新中國成立初期的235兆帕提升到了現在的690兆帕,進步很大。一些新材料如碳纖維索,極限強度與鋼材相近,但密度只有鋼材的1/6,具有優勢。這些新材料如何運用到未來的大跨徑海上橋梁工程中去,相關試驗研究工作也正在進行。
      近年來,我國橋梁工程上部結構的技術發展很快。正在設計中的還有跨度1176米的斜拉橋,以及跨度1200米以上的斜拉-懸索協作體系橋等。相信不用多久,就可以建造跨度1400~2000 米的自錨式公鐵兩用橋梁。
    工程設備
      第四個挑戰是工程設備。
      首先是浮吊。海上建橋環境比陸地惡劣許多,需要在橋址附近的陸域預制大型橋梁構件,用浮運和船運等方法把預制構件運到橋位,然后用浮吊提升預制構件,架設到位。浮運架設是一個復雜的過程,浮吊的起重能力通常是浮運架設工法實施效率的控制因素。1998年建成的丹麥大貝爾特跨海大橋,建設過程中研制了起重能力6000噸的浮吊。該浮吊后經改造,起重能力提升到8500噸,用于建造跨越諾森伯蘭海峽的加拿大聯邦大橋(Confederation Bridge)。我國也研制了橋梁工程專用浮吊,具備從碼頭取梁、吊梁航行至橋位、將梁架設至墩頂等功能,整體技術水平居世界前列,但是最大起重能力只有3600噸。這主要是由于這些浮吊都是為建造淺海區橋梁而專門設計制造的,適用于跨度60~90米的淺水區橋梁。深海區域建橋,下部結構費用很高,規模最為龐大的非通航孔橋梁的經濟跨徑可能都在500米以上。從工程經濟性的角度看,研制起重能力更大的浮吊是必不可少的前提條件。
      其次是深水橋梁基礎施工所需的成套設備。深海橋梁基礎施工困難主要有兩個方面的原因。一方面,海底的情況因看不清而不可知,特別是處理異常情況的風險有時會很高。用于觀察的技術設備主要依靠光學和電磁波技術。深海施工場地的海水渾濁,光線昏暗,光學儀器很難成像。另一方面,常規電磁波在海水中衰減很快,雷達等電磁成像設備的探測能力也有限,無法探測到那么深的海底。國外已有運用激光等極高頻電磁技術的海底成像設備,但由于技術封鎖等原因,暫時還無法用于我國橋梁施工。我國深水橋梁施工過程中為了探測水下實際情況,通常是派遣潛水員下水探查。而人工潛水的極限深度只有約60米,因此,還是需要研制海底成像設備。可喜的是,近年來我國水下無人機技術發展很快,這方面的技術問題有望得到解決。
      在海底施工作業必須要有機械設備,目前我國深水設置基礎成套施工設備的能力還不足。這些設備包括覆蓋層地基的加固和挖掘設備,以及巖石地基的爆破、掘削和磨平設備。我國在修建大連星海灣大橋和蕪湖長江公鐵二橋時,已嘗試采用了設置基礎并取得成功,已初步具備50米以內深水挖掘、墊層拋石和整平的技術能力。未來還需要開發研究水深大于60米的集鉆孔爆破、大噸位挖掘整平、水下探測等多功能于一體的智能化設備。
      最后是海上長橋的施工監測設備。橋梁在施工過程中,需要實施嚴密監測,以獲得各部件的位置和內力的實際情況。測得這些數據以后,通過理論分析判斷出施工偏差,然后在下一工序中采取合適的對策給予糾正,如此才能保證橋梁在建成后的內力和線形符合要求。高質量的施工監測可以有效降低橋梁施工風險。為了減少干擾信息,在陸域建橋時,這些監測都是在受外界影響極小的情況下進行的。而海上長橋在建設過程中,風平浪靜的時間很少,監測會很困難。因此,我們還要研發一些適合海洋環境的高精度橋梁施工監測設備。 
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