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高山深峡谷,天堑变通途(一)——记湖南矮寨特大悬索桥

已有 2911 次阅读 2019-5-25 22:03 |系统分类:科普集锦

高山深峡谷,天堑变通途(一)

——记包茂高速(G65)湖南矮寨特大悬索桥

陈仁全

 

篇首语:这两年因工作方向调整,常在祖国西南山区漫步,途中路过一些感觉很高、很壮观的桥,如湖南矮寨大桥、湖北四渡河大桥、贵州北盘江大桥、贵州坝凌河大桥、云南普立大桥等,它们有一个共同点——矗立在高山峡谷中。其重要意义不言而喻,改善西南少数民族地区交通,缓解区域经济不均衡发展矛盾。山区特大桥建设,凝聚了社会各界的关心和支持,是民族地区发展的福祉,更是无数工程师与工人的汗水结晶。矮寨特大悬索桥几次路过,不仅留下很深的印象,而且发现同行车辆普遍有所减慢,都试图细看下这座震撼的大桥。但这样做终究难以有近距离切身的感受,为此今年假期专门到大桥景区仔细看了看,感受到了工程的总体震撼,也知道了一点背后的细节故事。

 

工程简介

矮寨特大悬索桥位于湖南省湘西州吉首市矮寨镇境内,距吉首市区约20公里,是包(头)茂(名)高速(G65)控制性工程。200710月开工建设,20123月建成通车。矮寨特大悬索桥为钢桁加劲梁单跨悬索桥,桥梁两端直接与隧道相连,采用双向4车道高速公路标准,设计车速80km/h,设计汽车荷载为公路-1级,桥面设计风速34.9m/s。地震动峰值加速度0.05g,地震动反应谱特征周期为0.35s。桥宽27m,路基宽24.5m,桥身全长约1073.65m,主跨为1176m

矮寨特大悬索桥曾号称创造了四项世界第一(摘自景区介绍):

1)大桥主跨1176,跨峡谷悬索桥,创世界第一;

2)首次采用塔、梁完全分离的结构设计方案,创世界第一;

3)首次采用“轨索滑移法”架设钢桁梁,创世界第一;

4)首次采用岩锚吊索结构,并用碳纤维作为预应力筋材,创世界第一。

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0.1  桥型总体布置图(湖南交规院,2006

(图中左侧为吉首岸,右侧为茶峒岸)

 

 (一)高山峡谷,气象多变

工程位于云贵高原与沅麻盆地交界处,峡谷悬崖地貌,地形起伏大,相对高差达500m。茶峒岸山顶最高标高736.9m,吉首岸山顶最高标高649.92m,峡谷底部最低处地面标高为236.1m,谷底宽约60m,峡谷总体呈“U”字型。峡谷底峒河水自东向西流,历史最高水位236.78m,最大洪水一般出现在34月份。

大桥沿北西向横跨该峡谷,两岸主塔均位于悬崖体上部。吉首岸主塔位于悬崖上部山坳处,地形起伏相对较小,地面标高594.40~610.11m,塔基前方26m处为一半园形的悬崖,悬崖高50~61m,悬崖顶部往上为陡坡,坡度约32度,悬崖底部往下坡度更陡,达46度;茶峒岸主塔位于悬崖顶部斜坡上,地面标高645.0~665.0m,塔基边缘距悬崖顶边最近约75m,该范围内坡度约31度。悬崖高约60m,悬崖体下部为巨大的岩堆,209国道座落在该岩堆上。受限于场地地形地貌,桥梁总体方案布置与施工都极具挑战性。

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1.1 现状地形地貌2019.05.03摄)

(图中近侧为茶峒岸,远侧为吉首岸)

工程所在地区属亚热带季风性湿润气候,平均气温16.6,年平均降雨量1400mm,无霜期长,历年平均为282天。最冷月月平均气温2.8°C、最热月月平均气温25.4°C、极端最低气温-10.0°C、极端最高气温38.0°C;地区年平均冰冻天数为13天;地区年平均雾日为45天;吉首NNE10分钟平均风速13.3m/s、茶峒NW向瞬间风速25m/s、花垣NW向瞬间风速31.9m/s

桥梁跨越深山峡谷,顺峡谷方向的风对桥梁结构设计尤为重要。考虑到工程的重要性,为桥梁结构设计提供科学的参考,湖南大学风工程试验研究中心为此制作了缩尺比为1500,以桥跨中心为圆心,直径2000m的大比例地形模型进行风洞试验;而对影响来流的不足的地方采用补偿模型模拟。试验结果表明:桥面高度处最大风速不在跨中而在吉首岸四分点处,风速沿桥跨方向的分布受两侧山体具体形状的影响;随高度增加,风速增加越明显。显然,这为结构设计带来复杂的考究。通过试验和规范修正,本工程100年重现期不考虑风向的设计风速为34.9m/s。桥颤振检验风速偏安全取51.5m/s。有了这些试验数据,结合设计规范要求,不断优化桥梁选型和细化构件设计才有了今天矮寨大桥的模样。

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1.1 风洞试验与试验实测数据(陈政清, 2008

(左:热线风速仪测试风剖面;右:跨中各风偏角风剖面)

 

(二)不良地质,难上加难

工程勘察设计和施工阶段,采用了多种勘察试验手段力图查明桥址区工程地质条件。布置了2 条长100 余米勘探平硐,平硐内对风化卸荷带划分和工程岩体分级;开展了现场岩体变形、强度试验;钻孔间电磁波CT扫描、孔内电视摄像、瞬变电磁和地震法探测岩溶发育规律;地质雷达对索塔及锚锭基坑周边岩体进行了岩溶缺陷探测。

场地发育地层自上而下:第四系粘土、块石,寒武系上统灰岩,中统白云岩、灰岩和泥质白云岩,下统灰岩、砂质页岩。桥位区岩石坚硬,层面平缓,呈中厚层状,部分薄层状,岩体中主要有2组陡倾角节理。坡面一定范围内发育溶蚀卸荷裂缝,岩体中还存在溶蚀缺陷。这些不利因素不仅削弱了岩体强度,还降低了岩体完整性,对桥台边坡及桥梁的整体稳定带来安全隐患。总体上,场地存在的不良地质为岩堆、危岩和岩溶,岩堆和危岩体对工程影响较小,而岩溶对工程影响较大。

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2.1 工程地质纵断面图(据湖南交规院)

(绿色为块石;粉红色、橙色为灰岩;暗绿色为页岩;红色粗线为断层)

岩堆:茶峒岸主塔下方209国道迂回座落在该岩堆上,仅局部产生了失稳,但由于悬索桥索塔荷载巨大,该岩堆不能作为本桥塔基的持力层,因此,将茶峒岸的索塔和锚碇设置在岩堆后缘悬崖上部,至此岩堆对工程基本无影响。

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2.2 茶峒岸岩堆

(左:图左侧岩堆全景;右:桥下方岩堆欠稳定现状)

危岩:茶峒岸以中厚层夹薄层状灰岩为主,岩层产状稳定,为163°∠9°,局部洞段裂隙较发育,将岩体切割成次块状结构。裂隙面一般平直稍粗,多数为钙质胶结的硬性结构面,平均线密度为1.3/m,延伸较长但多小于10 m。坡体0~8 m溶蚀风化严重,8~16 m为强风化卸荷带,16~26 m为弱风化卸荷带。施工开挖后,在桥台边坡发现在桥台边坡发现多个小型溶洞,若干条平行坡面和垂直坡面的溶蚀裂缝,边坡岩体被切割成相对独立的大块体。最终设计采用预应力锚索框架梁进行边坡加固,施工后实测边坡水平位移变形最大6mm左右。

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2.3 茶峒岸危岩

(左:施工开挖中;右:投入运营后)

吉首岸桥台边坡前方及左侧为悬崖,直立段高度达46~63 m。岩体中除了2 组陡倾角节理裂隙及缓倾层面外,在桥台及塔基附近揭露出16条溶蚀状卸荷裂缝,在坡顶有延伸至悬崖底部趋势。部分溶蚀严重并伴有落水洞和溶洞存在,对悬崖边坡形成深度切割,从而形成危岩体。通过数值模拟计算,发现失稳块体主要在距坡面和坡顶约10m范围内。采用锚杆对近水平岩层进行支护加固,锚杆长度12~15m,平均间距为3.5m,倾角35°,施工后实测边坡水平位移变形最大约10mm

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2.4 吉首岸危岩

(左:施工开挖中;右:投入运营后)

岩溶:茶峒岸索塔位置确定从平面上避开了3条溶蚀裂隙和1个大落水洞。虽然其中一条裂隙离塔基较近,但对塔基的稳定性影响有限,且其主要表现为溶蚀裂缝,上下延伸倾角较陡,溶蚀裂缝在垂直方向上发育的宽度较小,岩体具有一定的垂直承载能力,对溶洞进行灌浆即可。茶峒岸锚碇处的溶蚀也表现从上至下减弱的趋势。地表溶蚀发育,但2030m以下溶蚀不明显。地表溶沟非常发育,部分溶沟往下延伸为溶蚀裂隙,溶蚀裂隙主要沿两组裂隙发育。根据隧道锚开挖揭示的围岩状况,延长隧道锚碇锚固段的埋置深度,或对隧道锚区域进行灌浆处理。

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2.5 茶峒岸隧道锚

(左:施工开挖中;右:投入运营后)

吉首岸索塔,发育溶蚀裂隙和1处落水洞。地面以下20~30m深度处,没有溶沟,溶蚀裂隙数量有限,部分溶蚀裂隙也将延伸至下方公路隧道内,对下方公路隧道有一定的影响,加强索塔下公路隧道支护。落水洞进行清表、清孔后进行混凝土回填,混凝土回填量约100m3

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2.6 吉首岸索塔地基岩溶发育(据湖南路桥集团)

(三)施工挑战,史无前例

矮寨大桥跨越宽约千米的德夯大峡谷,为典型山区峡谷桥梁,其施工过程中面临着诸多难题。(1)地形险要:桥面到峡谷底高差达355,两岸索塔位置距悬崖边缘仅70100米。导致施工作业平台狭窄,施工作业安全风险极高,部分常规工艺难以实施。(2)地质复杂:索塔处存在岩堆、岩溶、裂隙和危岩体等不良地质现象。仅在吉首岸索塔基坑附近就发现大小溶洞18个,其中最大的溶洞体积近万立方米。增加了施工过程中的不确定性,严重制约施工进度和质量控制。(3)气象多变:峡谷多雾,风速不稳,瞬间最大风速达到31.9每秒,严重影响施工测量和主缆架设。(4)吊装难:主缆及钢桁梁在300400米高空架设,单件吊装最大重量达120吨,起重运输难度大;作业面下方有多条道路,车水马龙,人来人往,吊装不得有高空坠物。(5)运输难:土建工程材料运量大,仅钢材、水泥、砂石等材料运输总量就达18万吨,施工便道和既有国道通行指标较低,气象多变,夏季暴雨,冬季积雪,时常堵车,都增加了运输难度。

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3.1 先导索架设

(左:飞艇高空牵引先导索;右:已投入运营的主缆)

通过技术创新,世界上首次采用“轨索滑移法”加劲梁架设新工艺,解决了山区悬索桥加劲梁架设难题;研发了“CFRP(碳纤维增强塑料)—RPC(活性粉末混凝土)”高性能岩锚体系施工技术,解决了大吨位碳纤维索锚固难题和岩锚体系耐久性问题;开发了悬索桥无压重临时铰合拢施工技术,避免了常规方法装卸配重、体系转换所占用的关键工期,实现了钢桁加劲梁的无应力对接。

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3.2 茶峒岸岩锚体系

(左:茶峒岸C00和C01岩锚;右:C00岩锚投入运营后)

桥面梁的架设尤为有挑战,矮寨大桥主跨大,两岸悬崖峭立,施工场地狭小,钢桁加劲梁运输条件困难,常规方法均有很大的局限性。采用轨索滑移法利用悬索桥的永久结构—主缆和吊索作为承重及传力结构,在吊索下端安装若干根水平钢丝绳作为索轨,将钢桁梁节段沿索轨从岸侧水平滑移至跨中完成安装,由跨中逐段向两岸延伸,直至全部加劲梁贯通。该工法操作简单,安全可靠,仅两台卷扬机就能完成牵引。充分利用主缆、吊索、轨索组成空间索网体系,具有较好的整体刚度,不仅减少钢桁加劲梁施工阶段内力,充分保证施工过程的抗风稳定性,解决了峡谷风场复杂的难题。主梁架设速度达到15m/d,速度快,比传统方法提高数倍,上千米的加劲梁架设仅用了两个半月。

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3.3 轨索滑移架设法施工

(左:轨索滑移法施工实景;右:轨索滑移法运梁细节)

 

(四)波澜起伏,苗寨依旧

2012331,历时5年的矮寨大桥正式竣工,桥上的群众与各界代表人潮涌动。矮寨老盘山公路209国道修筑在陡峭山崖上,在短距离克服巨大高差,6公里内形成13道急弯,不堵车的情况下,车辆盘旋而上至少需要30分钟。碰上天气不好或堵车,一两小时也时常有。矮寨特大桥通车后,走高速1分钟便可完成30分钟盘山公路。矮寨特大桥通车也意味着全长800余公里的渝湘高速公路全线贯通,对于湘西、渝东地区的少数民族而言,矮寨特大桥是一条安全快捷的通道,也是一座通向世界的桥。

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4.1 矮寨特大桥通车仪式

在于工程技术层面,2018年1月8日,《山区大跨度悬索桥(矮寨大桥)设计与施工技术创新及应用》荣获2017年度国家科学技术进步二等奖。至此,宣告矮寨大桥在我国工程技术领域收获了很高的认可。

竣工7年后的今天,走进矮寨大桥下方苗寨时,看到有年轻人在河里捕鱼,有人在水田里赶鸭子,还几个小孩坐在廊桥里嘻嘻哈哈。感受到的是一如既往的平静,并没有当年报道的会有“翻天覆地”变化。不过这也挺好,不能因为交通改善,就破坏了民族传统,民族需要发展,也需要保护。

纵使悬崖上方工地曾经热火朝天,如今悬崖下方的苗寨依旧平静。

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4.2 矮寨大桥下方苗寨

(左:大桥与苗寨同在;右:今日苗寨依旧平静)

结束语:

时光如白驹过隙,单从跨度上讲,矮寨特大桥在国内排名也就第10~20名,无法与世界前十相提并论,例如日本明石海峡大桥,主跨1991,建成于1998年,甚至部分技术在今天也不再非凡,且抛开工程建设的腐败和投资剧增的争议,矮寨特大桥总体上仍是当今我国山区桥梁代表作。凝聚了众多桥梁工程师与劳动者的智慧和勤奋,枯燥、漫长和危险都没有阻挡他们前进的步伐,在工程建设漫漫征途中数十年如一日奉献,坚持不懈!

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5.1 施工现场技术人员与工人

(左:测量控制基准索股线形;右:钢桁加劲梁高空拼装)

桥梁是交通设施,是建筑艺术,是工程技术进步的写照,是文明发展的象征,也是综合国力的体现(改自刘龄嘉,2017)。高山深峡谷,天堑变通途。矮寨特大桥,今生不虚行。

  

文末说明:

1、矮寨特大桥勘测设计由湖南省交通规划勘察设计院负责,长科院、西南交大、湖大、长沙理工等单位参与科研,施工由湖南路桥建设集团实施。

2、文中部分文字资料来源于长江科学院张奇华、湖南大学土木学院陈政清、湖南省交通规划勘察设计院廖建宏、湖南路桥建设集团有限责任公司方联民、矮寨大桥建设指挥部陈国平等人论文;文中部分图片摘自网络和湖南路桥建设集团公司。文中未能一一注明,特此致谢。



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2 杨悦奉 尤明庆

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