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跨越杭州湾

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总长36公里的杭州湾跨海大桥在建成后将成为世界第一长的跨海大桥。在其建造过程中,打桥桩、架设箱梁和梁上运梁等高难度施工在世界桥梁建造史上前所未遇

7月13日下午三点,刚刚下令让近百艘施工船舶返回施工,指挥部副指挥吕忠达就又接到了关于预防今年第4号台风“碧丽斯”的通知,这意味着杭州湾跨海大桥的建设得再度停工数日。就在三天前,为了躲避3号台风“艾云尼”,杭州湾跨海大桥工程的上百艘施工船舶不得不航行10多个小时到舟山港或宁波港避风,如今一部分刚刚领命返工的施工船又得再度折回避风。

“整个7月份至少有一半的时间是在防台。” 位于浙江省和上海市之间的杭州湾是宽达一百余公里的强潮海湾,受频繁的潮汐及各种台风季风影响,吕忠达和他的施工团队每年的有效施工时间只有180天。从2003年11月14日中港二航局打下第一根桩至今,大桥已经经历了20余次台风袭击,每次台风带来的损失不仅仅是上千万的费用,更重要的是对工期的延误。

这也正是在立项之前,让杭州湾跨海大桥项目几近“难产”的原因。杭州湾的台风、急流、大浪、大潮、富淤、深冲、沼气等自然灾害给最初的设计带来了极大困难,更给之后的施工带来了破坏性影响。

然而让主管技术和生产的吕忠达欣慰的是,目前刚刚过去了50%的工期,整个项目部就已完成了65%的工作量。“如果一切顺利,明年6月底大桥即可全线合龙,奥运会前夕即可建成通车。”吕忠达对《建造师》说,脸上始终带着自信的微笑。

跨海时代

随着造桥技术不断被改良与创新,形式多样的桥梁已经遍布内陆,河流、湖泊、深渊乃至大江,都已经被具有通行功能的桥梁一一跨越。但面对隔断大陆的海洋,人们却始终怀着敬畏之心。1492年,哥伦布带船队从法国出海,拉开了人类大航海时代的序幕,在此后漫长的岁月里,跨海的交流就全靠一艘艘船舶维系,直至飞机的发明。

更大的转折也已经出现。2005年,中国首座外海跨海大桥东海大桥建成通车,引领中国迈进了跨海时代。紧随其后,横跨中国东部杭州湾的杭州湾跨海大桥也将在2008年建成。

一切始于文明。或许,这拉开了一道新的帷幕:人类将用桥梁这种更为亲和的通行方式,跨越海洋。

杭州湾跨海大桥北起嘉兴海盐郑家埭,南止宁波慈溪水路湾,总长36公里,建成之后将成为世界第一长的跨海大桥。这一工程建设规模巨大,全桥混凝土总量达245万立方米,相当于再造7.4个央视主楼;用钢80余万吨,可建7座鸟巢;总投资118亿元,可连续打通4个秦岭终南山公路隧道。

杭州湾还拥有极其复杂的区域性水文气候综合效应。庞大的施工规模与恶劣的施工环境带来的是高施工难度。在世界建桥史中“设计决定施工”的惯例难以为继的情况下,大桥建设者选择了“施工决定设计”, 参照可实行的施工方案来制定设计思路。大桥指挥部在国内首次采用了以施工单位为主,邀请设计单位组成联合体进行方案竞赛的模式。

杭州湾跨海大桥南岸的浅滩地表以下50-60米的区域里,零星分布着寿命1万年以上的浅层沼气。针对施工时海底不断冒出的浅层沼气所带来的井喷和燃烧等风险,指挥部组织的专题研究小组在深入研究后,决定在海底约5米厚的沙土层最高点打孔来控制放气。

大桥南岸滩涂区长达10公里。针对这里大体积船不能行、车不能走的情况,指挥部决定花费1.68亿元建造世界上最轻便、规模最大的栈桥,变海上施工为陆地施工。

桥位区海水最大流速超过5米/秒,海水最大局部冲刷深度超过15米,湾内最大潮差超过7米,针对随之而来的施工困难,指挥部采取了尽量缩减海上施工时间的思路和工厂化、大型化、机械化的“三化”设计施工原则,大范围实施预制法,在陆地上预制好桩基、桥墩和箱梁。

杭州湾软土层厚度超过30米,下方岩石层又深达160多米,为了确保大桥的安全牢固性,又避免高成本和高技术风险,大桥采用了打摩擦桩的方案,也就是利用泥土的包围摩擦来固定桩身桥体。

大桥的设计使用寿命是100年,但这却可能受到海水的高腐蚀性的威胁。大桥专家在一般混凝土材料中掺入大量的抗腐蚀材料,并为腐蚀严重的部位和特殊构件设计采用了环氧涂层钢筋、外加电流阴极防护系统等诸多专用防腐措施。

“科技和创新成就了世界第一长桥。”面对逐个破解的工程难题,吕忠达深感自豪。杭州湾大桥指挥部组织开展的科研及咨询专题中,有6项列入了国家交通部科研攻关计划,两年来共上报科技创新50项,其中获国家发明专利3项。

深海打桩

杭州湾中央的深海区水流湍急,不具备现场浇筑的条件,而如果采用海工作业的普遍桩型—混凝土预制桩,就要做到管径1.5至1.6米,长度近百米,重量超百吨,不仅预制、拼接难度大,并且在流急浪高的杭州湾极易造成失稳,而国内目前也尚无这样的打桩设备。另外,在前期的地质勘探过程中发现,十米厚的“铁板沙”将阻拦桩基穿透,有可能出现混凝土预制桩被打裂仍不能到位而影响工程质量的情况。专家组决定在深海区舍弃混凝土预制桩而采用钢管桩。

杭州湾跨海大桥所需要的钢管桩基本都在80米上下,最长的一根钢管桩达到88米,1.6米直径的钢管桩比平常吃饭的圆桌还大。为了制作这些庞然大物,科技人员在无数次研究、试验后,采用了军人打裹腿式一圈一圈往上卷的整桩螺旋焊卷工艺,解决了这一难题。

此前国内工程中,钢管桩的应用都是先分段制造,再到海上现场接桩。然而杭州湾海域特定的作业环境决定了不可能实现在海上现场接桩,必须在陆地上一次完成整体加工。2002年底,负责深海区V标段工程的中港二航局率先投资1.7亿元,结合国内与日本制造技术,打造了具有世界先进水平的“海力”号多功能全旋转打桩船。“海力”号不仅能做到360度全角度打桩,99万欧元进口的液压锤也威力巨大,1天最多能打下15根钢管桩。

“‘海力’号上有全球GPS定位系统,把钢管桩等设备安装好之后,只需人在操作室里进行电脑操作,就像航空母舰发射导弹一样精确便捷。”中港二航局的项目副经理秦体达对《建造师》说,“如果当初不投巨资打造这个‘金刚钻’,我们肯定揽不来这个‘瓷器活儿’。”

2003年11月14日下午1时30分,随着一阵阵轰鸣声,杭州湾跨海大桥工程建设的第一根桩在北岸桥址南6公里处的海面打下。40分钟后,这根管径1.5米、长73米、重65吨的钢管桩仿若定海神针般直插海底。

浅海打桩

跟深海区不同,两岸的浅滩区设计采用钻孔灌注桩基础。为了防止施工下钻时淤泥反复淤积,需要先下直径3.1米、长52米的钢护筒,钢护筒打入土质较硬的地质层上后形成一个稳定的水下钻孔工作面,然后直径20多公分、长100米的钻杆带动钻头向下钻进,起钻后下钢筋笼,最后浇筑混凝土。

在直径10米的范围内,需要5根直径2.5米的钻孔桩才能组成一个桥墩,而受到桥桩长度和水流推力影响,钻杆在钻进过程中极易偏位。“钻孔稍有偏差,扩大上来后就可能导致桩之间出现交错打架现象。”大桥项目的六合同监理办—中国公路工程咨询总公司的监理工程师陈德告诉记者。为了保证钻杆摆动不影响垂直浇筑桩,施工单位采取了减压钻进的方法。作为大桥项目的驻地监理公司,除了在成桩过程中要随时检测保证钻杆垂直,还要在成桩之后用超声波检测两个桩之间的距离来判定是否出现偏差,务求将工耗降至最低。

前所未遇的打桩难度使得施工队之一的中铁四局在动工之初仅仅打一个桩就要花费10至15天。在施工高峰期,南岸有多达34台钻机同时工作—中铁四局16台,中铁二局6台,中铁十九局12台。

为了保证钻机能够稳定作业,中铁四局在南岸滩涂区建了9.78公里的超长栈桥,为钻机、车辆和吊机等施工设备提供了最轻便的施工平台。而施工队伍熟悉了打桩工作之后,每3到4天就能钻成一个孔,之后用1天下钢筋笼、1天浇筑混凝土,做好一个桩的时间比最初减少了三分之二。

大桥的桥墩、承台顺着栈桥一点点、一节节地从海里“生长”出来,凌波耸立,坚如磐石。

架设箱梁

杭州湾跨海大桥的引桥部分上部结构全部采用大重量、长跨度的钢筋混凝土箱梁(滩涂区为1430吨的50米跨度箱梁,深水区为2200吨的70米跨度箱梁)。用在引桥上部结构里先简支后连续的预应力混凝土70米箱梁共计540片,分布在南、北、中引桥及南、北航道桥高墩区。在海盐预制场制成后由专用运架一体船吊运至桥位进行架设,再通过浇注湿接头、预应力张拉,由简支状态转换为连续状态。

世界桥梁史上,由于桥梁预应力筋受到锈蚀而影响桥梁质量的案例比比皆是。为了确保杭州湾跨海大桥在大海中屹立百年,负责箱梁标段的中铁大桥局在70米箱梁制造时运用了塑料波纹管真空辅助压浆技术,极大提高了孔道浆体的强度和密实度,从而确保了预应力体系的耐久性。

大体积混凝土容易产生裂缝也是桥梁施工中的世界性难题。中铁大桥局经过上千次试验和比选,优选出了不同气温下混凝土的最佳配合比。科研人员还发现,在混凝土早期温度增长过程中,如果采取初张拉,给其施加一定压应力,可以补偿由于早期混凝土弹模及抗拉强度不足。经过反复计算和多次试验,工程技术人员终于找到了最佳早期张拉的时机,首次将早期张拉运用于大型预应力混凝土箱梁制造中,有效控制了早期裂缝的出现。

虽然制造技术疑难解决了,但巨型箱梁预制厂的选址也让指挥部伤透了脑筋:理想地域要有足够大的面积生产预制梁,要配建航运码头实现出海运输,还要离施工海域不能太远。项目组花费半年多时间最终选中了海盐县城附近海塘大堤外侧的280亩空地作为工厂的落脚点。但这里的地理条件仍不尽如人意,为此,项目部在预制厂和施工现场之间搭建了一条740多米的纵移轨道和一条170多米长的出海栈桥,又斥资5000多万元在轨道末端建造临时码头,方便箱梁的运送。

中铁大桥局专门为工程定制了“小天鹅”号架梁船来完成从临时码头到施工现场的箱梁运送和架设。能抵抗8级及相应波浪力的“小天鹅”号专用架梁起重船的起重能力为2500吨,足以满足吊装2200吨重的70米箱梁的承重需要。但考虑到“小天鹅”号在航道桥高墩区难以满足架设高度需要,2005年底,大桥局又投资1.5亿元自发研制了起重能力亚洲第一、世界第二的“天一号”架梁船,负责高墩位处的箱梁架设。

2005年6月1日上午,“小天鹅”吊起第一片70米箱梁缓缓驶离临时码头,拉开了杭州湾跨海大桥上部结构全面施工的序幕。中午时分,“小天鹅”抵达预定施工海域,等待架设的最佳潮位。下午6点20分,雷阵雨过后天空放晴,“小天鹅”起重船两只巨大的“手臂”举着2200吨重的箱梁缓缓下放,35分钟之后,首片70米箱梁准确无误地安放在墩顶。“就在那时,天空两侧突然挂出两道彩虹,”中铁大桥局的常务项目副经理赵剑发兴奋地回忆起那个神话般的场面,“彩虹与第一片梁相映成趣,引起一片欢呼。”

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