2000米級懸索橋的若干施工技術(shù)問題與建議

文|長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室 張永濤 楊建平 彭成明 張耀

近年來，國內(nèi)外在建和規(guī)劃的多座懸索橋均實現(xiàn)了2000米的跨度，這對更高索塔、超長主纜、長大節(jié)段主梁等提出了更高要求。2000米級懸索橋建設(shè)的關(guān)鍵問題是主纜和主梁的架設(shè)效率、質(zhì)量和安全。其中，貓道設(shè)計，需重點解決承重索、貓道寬度和結(jié)構(gòu)、作業(yè)空間、人員施工舒適性等問題；主纜架設(shè)，主要通過機構(gòu)優(yōu)化、智能化措施，提升索股牽引和線形調(diào)整效率及質(zhì)量；主梁吊裝設(shè)備，需主要解決提升能力、行走速度、同步性控制等問題。總體而言，自動化和智能化是提高工效、提升質(zhì)量、保障安全的主要解決途徑，大跨貓道結(jié)構(gòu)、主梁施工期風(fēng)致振動及安全評估是核心問題，未來，新材料、新工藝、新設(shè)備的應(yīng)用有望推動懸索橋跨度進一步發(fā)展。

國內(nèi)外懸索橋的建設(shè)現(xiàn)狀

在懸索橋的四次大規(guī)模建設(shè)熱潮推動下，其對應(yīng)的施工技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。

主纜施工方面，以空中紡絲法（AS）和預(yù)制平行鋼絲索股法（PPWS）兩種工法為主。其中在國外，美國和歐洲等國家廣泛應(yīng)用AS法，代表性工程有首座真正意義上的懸索橋威廉姆斯堡橋、金門大橋和丹麥大貝爾特東橋（The Great Belt）。日本多采用PPWS法，代表性工程有日本本四聯(lián)絡(luò)橋上的多座懸索橋和明石海峽大橋。在國內(nèi)，我國借鑒日本以“雙（單）線往復(fù)式-門架系統(tǒng)”的PPWS法為主，實現(xiàn)了五峰山長江大橋直徑1.3米的主纜索股架設(shè)紀錄，而AS法在我國香港青馬大橋和貴州陽寶山大橋也有應(yīng)用。

主梁施工技術(shù)方面，國外以纜載吊機架設(shè)法為主，少數(shù)項目采用了浮吊架設(shè)法和橋面吊機架設(shè)法，僅法國沙瓦農(nóng)橋（Chavanon）采用了蕩移頂推法。國內(nèi)方面除沿用國外已有架設(shè)方法外，又創(chuàng)新了多種工法，如湖南矮寨大橋采用了軌索移梁技術(shù)、華麗金沙江大橋采用了1400米級纜索吊裝技術(shù)、湖北巴東水布埡清江特大橋采用了纜載吊機帶梁行走架設(shè)法、重慶鵝公巖軌道專用橋采用了“先斜拉后懸索”主梁架設(shè)工藝等。

目前，土耳其在建恰納卡萊1915大橋（1915 Canakkale）主跨突破2000米（2023米），是首座2000米級的懸索橋，預(yù)計2023年建成通車。與此同時，我國近期規(guī)劃的多座懸索橋（張皋過江通道2300米、獅子洋過江通道2180米）也實現(xiàn)了2000米級的突破。

對于2000米級懸索橋上部結(jié)構(gòu)需重點研究的技術(shù)問題共三點：首先，超長貓道的設(shè)計與施工，貓道跨度大，對貓道設(shè)計提出了高要求；貓道材料多，對貓道架設(shè)速度提出了高要求。其次，超長主纜的架設(shè)，索股數(shù)量多、長度長，對牽引速度和施工質(zhì)量都提出了新要求。最后，加勁梁數(shù)量、重量大大增多，對吊裝設(shè)備性能提出了更高要求。

現(xiàn)代懸索橋大規(guī)模建設(shè)的四次熱潮

第一次熱潮，美國從1903年主跨488米威廉姆斯堡橋（Williamsburg），到1937年主跨1280米的金門大橋（Golden Gate），平均每年跨度增長23.3米。

第二次熱潮，歐洲從1959年主跨608米的法國坦卡維爾橋（Tancarville），到1981年主跨1410米的英國亨伯爾橋（Humber），平均每年跨度增長36.5米。

第三次熱潮，日本從1962年主跨367米的福岡若戶橋（Wakato Ohashi），到1998年主跨1991米的明石海峽大橋（Akashi Kaikyo），平均每年跨度增長45.1米。

近年來，我國正處于第四次懸索橋建設(shè)熱潮中，從1994年主跨452米的汕頭海灣大橋，到2019年通車，主跨1700米的楊泗港長江大橋，平均每年跨度增長高達49.9米。

對比四次建設(shè)熱潮可以看出，單從建造速度方面，我國懸索橋是處于領(lǐng)先地位，但從四個階段的發(fā)展趨勢來看，懸索橋跨徑的增長比例卻在減緩（57%、23%、10%）。若我國能在2026年完成主跨2300米的張皋過江通道建設(shè)，將打破這一趨勢，屆時，我國懸索橋平均每年跨度增長將達到57.8米，跨度增長比例可達28%。

2000 米級懸索橋貓道主纜施工關(guān)鍵技術(shù)

部分已建懸索橋貓道斷面寬度

貓道設(shè)計與架設(shè)技術(shù)

貓道關(guān)鍵參數(shù)選擇

2000米級懸索橋的貓道，在滿足安全的前提下，技術(shù)層面更應(yīng)關(guān)注使用性和舒適性。

貓道承重索應(yīng)選擇高強高彈模材料。在貓道承重索類型選擇方面，我國已建懸索橋貓道承重索多采用多股鋼絲繩，此類鋼絲繩彈性模量（1.1至1.2×105兆帕）相對較小，在荷載作用下貓道豎向變形位移較大，且跨徑越大這種現(xiàn)象越明顯。2000米級懸索橋貓道若采用此種鋼絲繩，在主纜牽引階段，貓道跨中豎向位移可達2米以上，將影響正常施工。而國外大跨徑懸索橋在貓道承重索的選擇上更多樣，如丹麥大貝爾特東橋和韓國光陽大橋（Gwangyang）貓道承重索采用鋼絞線、日本明石海峽大橋貓道承重索采用強度為2000兆帕的鍍鋅鋼絲、在建的恰納卡萊1915大橋也采用了特殊的繩索，但性能未知。因此，未來在我國2000米級懸索橋建設(shè)中，貓道承重索除常規(guī)材料外，還應(yīng)研究應(yīng)用高強、高彈模材料。

貓道寬度宜大于5米。在貓道寬度選擇上，目前我國懸索橋多取4米左右，而舟山西堠門大橋由于設(shè)計基準風(fēng)速達到了每秒41米，貓道寬度取為4.6米，明石海峽大橋貓道更是達到了5.5米的寬度。為什么這兩座大橋的貓道設(shè)計這么寬？一方面，滿足工人作業(yè)空間、牽引系統(tǒng)通過性，以及在橫風(fēng)作業(yè)下主纜與貓道的相對位移要求；另一方面，更寬的貓道寬跨比增加，更能提升懸索橋的抗風(fēng)性能。2000米級懸索橋貓道對風(fēng)荷載作用更敏感，主纜直徑也更大，因此貓道寬度宜大于5米。

貓道面層與主纜中心距離宜大于1.7米。隨著主纜直徑的增大，主纜中心距貓道面層的高度不斷增大。2000米級懸索橋主纜直徑在1.2米左右，若按經(jīng)驗仍取貓道中心到貓道面層為1.5米，將使現(xiàn)有緊纜機和纏絲機設(shè)備通過性受限，影響緊纜和纏絲工效。為此，2000米級懸索橋貓道面層與主纜中心距應(yīng)取更大值。這也將帶來施工人員調(diào)索需要“踩凳子”的問題，對此，可通過加強跨中處貓道防護來降低測量風(fēng)險。

已建懸索橋主纜中心距貓道面層的垂直距離

土耳其恰納卡萊大橋貓道承重索

表1 部分已建懸索橋主跨橫向通道平均間距

貓道全斷面下滑架設(shè)法示意

貓道更應(yīng)關(guān)注人員施工的舒適性。現(xiàn)有研究表明，橫向通道數(shù)量的增多并不能大幅度提升貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性。通過調(diào)研已建懸索橋主跨橫向通道間距發(fā)現(xiàn)，橫向通道間距多在150米至180米之間，也側(cè)向證明了橫向通道間距在150米左右，貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性可基本得到滿足。對于2000米級懸索橋超長貓道，中跨施工人員需花費1.5小時至2小時才能走完，加上貓道在脈動風(fēng)作用下的長期振動，人員很容易產(chǎn)生疲勞感和不適感，進而降低人員施工效率、增加安全風(fēng)險。故2000米級懸索橋在貓道抗風(fēng)性能滿足的前提下，更應(yīng)研究更合理的抑振措施，提高人員施工的舒適性。

貓道快速架設(shè)技術(shù)

2000米級懸索橋貓道長度的增加，雖然直觀上施工難度并無明顯加強，但會影響貓道架設(shè)總工期。按照目前國內(nèi)貓道施工速度，2000米級懸索橋貓道施工工期預(yù)計在3個月左右，工期相對較長。因此，未來應(yīng)研究2000米級懸索橋貓道快速施工技術(shù)。

筆者提出一種貓道全斷面下滑架設(shè)新技術(shù)，即首先在架設(shè)貓道承重索時，將門架承重索架設(shè)到位。然后按照一定單元長度，采用傳統(tǒng)下滑法在架設(shè)貓道面層、木方、橫梁和橫向通道的基礎(chǔ)上，同時將貓道扶手立柱、側(cè)網(wǎng)、托滾安裝到位，貓道兩側(cè)扶手立柱間，采用繩索臨時連接。接著貓道門架也同步掛設(shè)到門架承重索上，與貓道橫梁連接。最后，整個斷面下放，實現(xiàn)貓道全斷面下滑快速架設(shè)。該方法將傳統(tǒng)貓道架設(shè)的多道工序整合到一個工序中，一次性架設(shè)貓道系統(tǒng)的整個斷面，一定程度上提高貓道的架設(shè)工效。

此外，在貓道架設(shè)期間，由于未形成整體結(jié)構(gòu)，其抗風(fēng)穩(wěn)定性差，特別是在貓道承重索架設(shè)期間，因為風(fēng)吹，承重索可能會纏繞在一起，影響施工進度。因此，未來2000米級懸索橋除研究貓道快速施工技術(shù)外，還應(yīng)充分考慮貓道施工期間的防護措施，保證貓道架設(shè)期間的安全，如設(shè)置臨時抗風(fēng)纜等。

PPWS 法主纜施工技術(shù)

索股快速牽引技術(shù)研究

2000米級懸索橋主纜長度將達到4000米級別，單根主纜索股數(shù)量達到300根左右。索股長度的增加，還增大了牽引力。按目前懸索橋每分鐘牽引速度20米至25米分析，2000米級懸索橋的一根索股，從上盤到錨頭牽引，再到對岸錨碇，需用時約3.4小時，其中牽引耗時占整個時長的77%。因此，2000米級懸索橋提高主纜牽引速度是保證主纜施工工效的關(guān)鍵。

牽引力方面，以6毫米直徑127絲的索股規(guī)格計算，2000米級懸索橋牽引力可達35噸，而現(xiàn)在的懸索橋使用的牽引卷揚機多在25噸或30噸，已不能滿足牽引施工要求。因此，要實現(xiàn)2000米級懸索橋主纜索股快速牽引，研發(fā)大噸位、高速、高性能的卷揚機是首先要解決的技術(shù)問題。

某2000米級懸索橋一根索股牽引用時分析

此外，單純地提升牽引速度還會帶來一系列問題：牽引索更易從導(dǎo)輪組上脫空；拽拉器對導(dǎo)輪和門架沖擊大；施工人員跟不上牽引速度；索股扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象加?。焕p包帶破損加劇等。因此，2000米級懸索橋要實現(xiàn)主纜索股的快速牽引，本質(zhì)上要改造提升整個索股的牽引系統(tǒng)。

索股高差智能化測量技術(shù)研究

現(xiàn)實狀態(tài)下，影響主纜索股調(diào)索的因素非常多，如大風(fēng)、大霧、大雨等惡劣天氣，以及因氣候造成的索股溫差、索塔溫度、索塔偏位等實際問題。就2000米級懸索橋而言，經(jīng)計算，在同樣的風(fēng)速條件下，其索股橫向位移遠大于常規(guī)懸索橋。當索股橫向擺動較大時，施工人員無法用“C”形卡尺測量待調(diào)索股與基準索股的高差，作業(yè)的窗口期比較短，影響調(diào)索速度。因此，對于2000米級懸索橋主纜調(diào)索，應(yīng)研究將機器視覺動態(tài)識別技術(shù)或3D激光掃描技術(shù)等，引入到索股相對高差測量中，替代人工“C”形尺測量，實現(xiàn)大風(fēng)環(huán)境下索股高差智能化測量。

緊纜機、纏絲機研發(fā)

緊纜、纏絲作業(yè)是保證懸索橋主纜施工質(zhì)量的關(guān)鍵工序。緊纜機是在人工預(yù)緊纜后，將主纜擠緊、擠圓的專業(yè)施工設(shè)備。國內(nèi)現(xiàn)有最大型緊纜機可緊主纜直徑約1.3米。未來隨著懸索橋主纜直徑的增大，對緊纜機的緊固能力、設(shè)備尺寸、通過性等都提出了更高要求。因此，未來應(yīng)研究更大噸位、更小尺寸、更高性能的緊纜設(shè)備，滿足2000米級懸索橋的建設(shè)需求。

懸索橋單根索股在不同風(fēng)荷載作用下的橫向位移

纏絲是主纜防護工作的關(guān)鍵內(nèi)容。主纜直徑的增大對纏絲材料性能提出了較高的要求。因此，還需研發(fā)更高強度的鋼絲，滿足2000米級懸索橋大直徑主纜的纏絲需求。此外，對于某些小凈距雙主纜的懸索橋若采用組合式索夾，纏絲機還需從常規(guī)的下部開合變?yōu)閭?cè)向開合，以滿足索夾位置處的通過性。

未來應(yīng)注重智能化緊纜機、纏絲機研發(fā)，實現(xiàn)“一鍵式”緊纜和“無人值守”纏絲。

主梁架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

總體架設(shè)工藝與關(guān)鍵技術(shù)問題

目前國內(nèi)外大跨懸索橋，無論是鋼箱梁、鋼桁梁或組合梁，常用的架設(shè)方法主要有跨纜吊機架設(shè)法、纜索吊機架設(shè)法、橋面吊機架設(shè)法。

橋面吊機架設(shè)法源于日本明石海峽大橋，主梁采用全回轉(zhuǎn)吊機散件拼裝，架設(shè)順序為從索塔至跨中，主梁之間采用大段鉸接方式，懸拼過程需采用臨時吊索輔助桿件安裝，工藝復(fù)雜、工效較低、施工控制難度大。該工法僅在國內(nèi)壩陵河大橋應(yīng)用過，在2000米級懸索橋的應(yīng)用優(yōu)勢不明顯。

纜索吊機架設(shè)法在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，應(yīng)用最大跨徑為1386米的華麗高速金安金沙江大橋，額定吊重220噸。該工法顯著特點是工效高、工藝簡單、縱向和豎向運輸方便，特別適用于山區(qū)等交通不便利地區(qū)的主梁架設(shè)。但對于2000米級懸索橋，纜索吊系統(tǒng)規(guī)模龐大、吊裝能力受限，不具備工程應(yīng)用可能。

跨纜吊機架設(shè)法在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速，楊泗港長江大橋和五峰山長江大橋采用雙機抬吊，額定吊重達900噸；在建溫州北口大橋采用單機吊裝，額定吊重1000噸，為目前世界最大吊重纜載吊機?？缋|吊機架設(shè)法的不足是只能在滿足通航條件的區(qū)域使用，需研發(fā)能帶載行走的專用設(shè)備，實現(xiàn)全區(qū)域吊裝。

對于2000米級懸索橋，目前多個規(guī)劃項目均采用長大節(jié)段（20米至30米）主梁設(shè)計。

纜載吊機研發(fā)

單側(cè)單纜纜載吊機

2000米級懸索橋的吊重和纜載吊機規(guī)格都需進一步提高，關(guān)鍵技術(shù)問題除了結(jié)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化外，還需重點提升設(shè)備集成化、智能化程度。

單側(cè)雙纜分體式纜載吊機示意圖

纜載吊機主橫梁的主要優(yōu)化方向是模塊化和適應(yīng)性。主橫梁采用分段設(shè)計，段與段之間采用銷接，其他連接采用高強螺栓栓接，到現(xiàn)場后拼接而成，實現(xiàn)模塊化組裝；適用性體現(xiàn)在主纜間距及吊點位置變化時，只需適當改造承重梁或中間桁架即可。此外，滾輪式行走機構(gòu)，還需適應(yīng)不同主纜直徑，并順利跨越主纜上的障礙物。

集成化主要體現(xiàn)在行走及定位吊裝功能的機構(gòu)集成，以及功能實現(xiàn)的控制系統(tǒng)集成。一體化液壓泵站、控制室及液壓提升、行走設(shè)備均布置于主纜之間的纜機主梁上；通過分布式計算機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，主控臺根據(jù)各種傳感器采集到的位置信號、壓力信號，按照一定的控制程序和算法，決定油缸的動作順序，完成集群千斤頂?shù)膮f(xié)調(diào)工作和同步控制。

智能化主要體現(xiàn)在基于傳感器實時數(shù)據(jù)的智能控制，自動模式下纜載吊機一鍵開啟或停止操作。同時，配置具備云功能的硬件單元，設(shè)備通過通訊元件自動連接Internet，結(jié)合云功能硬件的云平臺（設(shè)備云）和云服務(wù)平臺（服務(wù)云），實現(xiàn)遠程運維、數(shù)據(jù)信息展示、大數(shù)據(jù)管理等功能。

單側(cè)雙纜纜載吊機

四主纜懸索橋在國外主要有喬治華盛頓大橋（George Washington）、維拉扎諾大橋（Verrazzano）等，這兩座橋單側(cè)兩根主纜并排布置，中心距約2.74米。近期規(guī)劃在建的獅子洋過江通道和燕磯長江大橋（主跨1860米）也都采用了單側(cè)雙主纜（中心距3米），全橋四主纜的設(shè)計方案。并排雙主纜懸索橋主纜吊裝設(shè)備要求，在上述單纜纜載吊機基礎(chǔ)上，增加其行走支撐機構(gòu)，保證其同時騎跨在4根主纜上。另一方面，根據(jù)提升系統(tǒng)從主纜內(nèi)側(cè)、主纜中間、主纜兩側(cè)下鉤的方式，可研發(fā)多種適用于并置雙纜懸索橋主梁吊裝的纜載吊機。此外，并排雙主纜相比于單主纜，纜載吊機提升系統(tǒng)可兩點支撐于主纜上，自穩(wěn)性比較好。因此，應(yīng)研究取消橫梁的分體式纜載吊機，在并排雙主纜上的應(yīng)用。