“巨無霸”架橋禁區(qū)架高橋

　　安海灣跨海大橋合龍、湄洲灣跨海大橋順利鋪軌……連日來，福廈高鐵捷報頻傳。

　　作為國內(nèi)首條跨海高鐵，福廈高鐵設(shè)計時速350公里，全長超277公里，是我國“八縱八橫”高鐵主通道沿海通道的組成部分，也是世界車速最高的跨海鐵路。

　　問鼎“世界之最”，背后離不開一系列先進技術(shù)和裝備的支撐，尤其是先進的橋梁建造技術(shù)和裝備。

　　據(jù)介紹，福廈高鐵先后跨越湄洲灣、泉州灣、安海灣三個海灣，以及多條高等級公路和既有鐵路，正線新建橋梁84座，被業(yè)內(nèi)稱為“橋梁博物館”。在福廈高鐵重點控制性工程——湄洲灣跨海大橋建造施工中，由中國鐵建研發(fā)設(shè)計制造的世界首臺千噸級高鐵橋梁運架一體機“昆侖號”首次亮相。

　　這個被稱為鋼鐵“巨無霸”、高鐵基建“金剛鉆”的架橋神器有何特別之處？它是如何解決高鐵橋梁施工難題的？記者近日采訪了中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司“昆侖號”研發(fā)設(shè)計項目有關(guān)負責(zé)同志。

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　　架橋機中的“全能選手”

　　集提、運、架于一體，可用于24米、32米、40米三種不同跨度的箱梁施工

　　福建湄洲灣，碧波萬頃?？绾４髽蛉缫粭l巨龍橫亙在海面之上。

　　4月15日，總長14.7公里、海域施工長度10.8公里的湄洲灣跨海大橋順利鋪軌。這是我國首座跨海高鐵矮塔斜拉橋，也是我國首條采用40米箱梁建設(shè)的跨海高鐵大橋，標(biāo)志著高鐵建造技術(shù)的重大提升和突破。

　　據(jù)介紹，在建造湄洲灣跨海大橋時，為提高效率，工程團隊采用的是先建造塔柱，然后在橋墩之間架設(shè)長40米、重1000噸箱梁的方法施工，就像“搭積木”。

　　而架設(shè)長40米、重千噸箱梁所使用的大家伙——“昆侖號”，就出自鐵五院研發(fā)設(shè)計團隊之手。

　　“昆侖號”，世界首臺千噸級高鐵橋梁運架一體機。它的誕生源于高鐵高架橋建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。

　　業(yè)內(nèi)專家告訴記者，中國修建高速鐵路一般都會建造高架橋，不僅可以降低復(fù)雜地形對高速鐵路的制約，還可以減少對耕地的占用、對居民生活的影響，而且更加安全。

　　架設(shè)高鐵高架橋有著專門的裝備，即架橋機。在湄洲灣跨海大橋之前，中國大部分高鐵高架橋使用的都是長32米、重約900噸的箱梁。相對應(yīng)的，架橋所使用的架橋機最大載重量只有900噸。

　　然而，隨著中國高鐵不斷提速，未來高鐵時速將超過350公里，甚至達到400公里。為了減少高架橋箱梁段拼接縫的共振節(jié)點，工程設(shè)計師將高架橋的箱梁段長度從32米增長到40米，而這一長度也將成為未來中國高鐵高架橋的建造標(biāo)準(zhǔn)之一。

　　“湄洲灣跨海大橋使用40米箱梁段，每公里可減少6個橋墩，占地面積減少20%、投資降低15%，而且還可大大縮短建設(shè)周期、增加橋跨布置的靈活性?！辫F五院總工程師、鋪架技術(shù)及裝備研發(fā)中心主任諶啟發(fā)表示。

　　在更快速、更低碳、更經(jīng)濟的目標(biāo)下，箱梁標(biāo)準(zhǔn)必須實現(xiàn)從32米到40米及更大跨度的跨越。但長40米的箱梁段重達1000噸，相當(dāng)于3架空客A380的重量。目前中國的鐵路架橋裝備沒有能力吊裝這么重的梁段。怎么辦？

　　研發(fā)新型架橋裝備！

　　“別看長度就增加8米，結(jié)構(gòu)難度可是幾何量級地增長?！辫F五院鋪架技術(shù)及裝備研發(fā)中心常務(wù)副主任、“昆侖號”研發(fā)設(shè)計項目技術(shù)主要負責(zé)人萬鵬告訴記者，2016年，“高速鐵路大跨度簡支箱梁建造關(guān)鍵技術(shù)研究”課題組成立，他們主攻的就是運架一體機的研發(fā)。

　　“‘逢山鑿路、遇水架橋’的橫幅一直掛在科研團隊集中辦公的房間?！比f鵬回憶。經(jīng)數(shù)年科研攻關(guān)，路橋隧頻繁轉(zhuǎn)換、運梁過隧、大坡度小曲線等一系列關(guān)鍵技術(shù)難題被突破，“昆侖號”順利誕生。鐵五院紀(jì)委開展專項督查，保證了課題有序推進。

　　“以前，架設(shè)一座高架橋需要提梁機、運梁車、門式起重機、架橋機等多臺重型裝備通力合作，一個環(huán)節(jié)配合不到位，都會卡住制運架生產(chǎn)線。而‘昆侖號’的誕生，可以集提梁、運梁、架梁等功能于一體，成為我國目前功能最全的高鐵橋梁施工設(shè)備。”萬鵬說。

　　不僅如此，“昆侖號”還可以滿足24米、32米、40米三種不同跨度的高鐵箱梁施工作業(yè)，比傳統(tǒng)架橋機節(jié)省近一半的投入成本，被譽為架橋機里的“全能選手”。

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　　穿山過隧、跨江渡海

　　“昆侖號”結(jié)構(gòu)緊湊、形體修長，鋼材強度大，能吊起千噸巨型箱梁

　　“不僅可以海中架橋，還可以快速過隧，甚至能夠在隧道中架橋?！闭f起“昆侖號”的與眾不同，鐵五院副總工程師、“昆侖號”研發(fā)設(shè)計項目設(shè)計總師梁志新侃侃而談。

　　然而，記者了解到，國內(nèi)供時速350公里高鐵列車通行的隧道橫截面是一個寬14.7米、高12.2米的圓弧形。在“昆侖號”之前，國內(nèi)能吊裝900噸箱梁段的架橋機長69.4米、寬18.5米、高13.1米，如果想要通過隧道，必須拆卸后使用其他載重設(shè)備運過隧道，更別提在隧道內(nèi)架橋施工了。

　　新型架橋機的載重量更大，如果要想具備足夠的吊裝能力，就需要加寬加高。如此一來，過隧道都是個難題，又怎能實現(xiàn)在隧道中架橋呢？

　　“在現(xiàn)有架橋機的基礎(chǔ)上進行改進的方案根本行不通。”梁志新坦言，隨著中國高鐵網(wǎng)絡(luò)逐漸向西南、西北等山嶺眾多的地區(qū)覆蓋，施工工況越來越復(fù)雜，不僅要求架橋裝備的載重量越來越大，而且還要能夠穿山過隧、跨江渡海，在任何工況下都能架設(shè)高鐵高架橋，“尤其是在西南喀斯特地貌地區(qū)，建造隧道時常常會遭遇大的溶洞和暗河，這就需要架橋機能夠在隧道中架橋。”

　　既要能夠吊裝更重的箱梁段，又要縮小尺寸。新型架橋機如何解決這一矛盾？設(shè)計師們決定打破傳統(tǒng)架橋機的“門”字形或框架式結(jié)構(gòu)，“另起爐灶”。

　　經(jīng)過不斷修改與驗證，新型架橋機“出爐”：由15000多件零部件焊接而成，長約116米，相當(dāng)于4節(jié)高鐵車廂；高約9.2米，相當(dāng)于三層樓的高度；寬約7.9米。

　　“外形像一輛修長的導(dǎo)彈車，前后兩段車體，中間由一根長104米的巨型鋼梁連接?！比f鵬告訴記者。

　　如此結(jié)構(gòu)緊湊、體形修長的架橋機如何吊起重達1000噸的箱梁？“昆侖號”所使用的新型材料是關(guān)鍵。

　　“一身‘鋼筋鐵骨’，‘昆侖號’使用的鋼材強度非常大，每平方毫米能夠承受超過78千克的重量。”據(jù)萬鵬介紹，架設(shè)高架橋時，新型架橋機首先移動到兩個橋墩之間，伸出支腿固定在橋塔上，然后吊起巨型箱梁，在半空中同已經(jīng)建造好的橋梁進行精準(zhǔn)對位。如果架橋機的強度不夠，就可能因為無法承受箱梁的重量被拉彎，甚至發(fā)生傾翻事故。

　　工程師們與鋼廠合作，用6個月的時間研發(fā)出了新型特種鋼材——GT785高強度合金鋼。

　　中鐵十一局集團漢江重工有限公司裝備制造廠有關(guān)負責(zé)人介紹，在重量相近的情況下，“昆侖號”機身主材所使用的鋼板比傳統(tǒng)鋼板強度提升70%。與此同時，施工人員創(chuàng)新焊接工藝，探索出“焊前升溫、焊中控溫、焊后保溫”的加工技術(shù)，保證了“昆侖號”的施工質(zhì)量。

　　“傳統(tǒng)架橋機不具備連續(xù)自行能力，每架設(shè)完一段箱梁，需要施工人員鋪設(shè)滑軌，在驅(qū)動系統(tǒng)的幫助下向前行進，還是無法方便快捷地通過隧道?！比f鵬介紹，為解決這一問題，他們給新型架橋機加裝了動力系統(tǒng)，在前后車體共加裝了42對輪組，讓它能夠像汽車那樣在駕駛員的操作下行進。

　　“1000噸重的箱梁相當(dāng)于200頭成年亞洲象，運輸車載不下、起重機拉不起、火車也拖不動，但‘昆侖號’卻可以輕易抱起來翻山越嶺，由梁場運送至架梁工位精準(zhǔn)落梁?！比f鵬說。

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　　精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向、自動糾偏

　　北斗定位系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)，“昆侖號”裝上了“大腦”和“神經(jīng)”系統(tǒng)

　　提著箱梁到達架設(shè)現(xiàn)場，前端的立柱在驅(qū)動下到達并穩(wěn)穩(wěn)支在前方橋墩上，起重構(gòu)件舉起千噸箱梁往前行進42.5米，到達落梁位置，穩(wěn)穩(wěn)落下……湄洲灣跨海大橋架設(shè)工程，是“昆侖號”首次接受實戰(zhàn)檢驗。類似這樣的施工流程，它重復(fù)了298次，平均誤差在5毫米以內(nèi)。

　　全年有150天左右可達六級以上大風(fēng)，一年之中有效施工天數(shù)不足200天……在被稱為“造橋禁區(qū)”的湄洲灣，“昆侖號”實現(xiàn)如此精準(zhǔn)的作業(yè)，離不開其智能控制系統(tǒng)。

　　小向是“昆侖號”的駕駛員。駕駛新型架橋機搭載重達千噸的箱梁段到數(shù)千米之外的大海之上鋪設(shè)高架橋，不是一件容易的事情。

　　據(jù)介紹，湄洲灣跨海大橋?qū)?2.6米，但是除去道路護欄占用的寬度，可供“昆侖號”行駛的空間僅有9米，而其左右輪胎之間的距離就有約8米。行駛過程中，只要輪子稍有偏轉(zhuǎn)，架橋機就會撞上護欄，甚至沖進大海。

　　不僅如此，看起來像一條直線的湄洲灣跨海大橋，實際上是順著海浪的方向規(guī)劃設(shè)計的，存在著彎道。這也就意味著“昆侖號”在行駛過程中需要轉(zhuǎn)彎，給駕駛員帶來了更大的挑戰(zhàn)。

　　對于車身長、輪組多的車輛，轉(zhuǎn)彎是個大麻煩，必須精準(zhǔn)控制每對輪組轉(zhuǎn)彎的角度、速度。否則，就可能使車輛行進的方向發(fā)生偏移。如何控制每對輪組的轉(zhuǎn)向？工程師們給“昆侖號”裝上了“大腦”和“神經(jīng)”系統(tǒng)。

　　架橋機行駛和轉(zhuǎn)彎的所有狀態(tài)，以數(shù)據(jù)和指令的方式存儲在“大腦”之中，駕駛員可以通過駕駛室顯示屏上的數(shù)據(jù)，看到架橋機的工作狀態(tài)。與此同時，工程師們給“昆侖號”加裝了大量傳感器，“就像人身體中的神經(jīng)元，可以在最短時間內(nèi)接收到控制系統(tǒng)發(fā)出的指令?！睂＜医榻B。

　　為進一步確保“昆侖號”在行駛和轉(zhuǎn)彎過程中的安全，項目團隊還研發(fā)出一套自動糾偏系統(tǒng)，可對輪組在行駛過程中的角度進行自動糾偏，這樣一來大大簡化了駕駛員的操作，駕駛員只需要發(fā)出簡單的操作指令，就能控制架橋機安全行駛、靈活轉(zhuǎn)向。在智能控制系統(tǒng)的幫助下，“昆侖號”在狹窄橋面上行駛的最高時速可達到40公里。

　　除了輪組的自動糾偏之外，工程師們還為吊裝設(shè)備加裝了自動糾偏系統(tǒng)。

　　“長40米、重達千噸的箱梁段在吊裝過程中必須保持水平，如果在空中發(fā)生偏斜，架橋機吊裝設(shè)備的4個吊點就會受力不均。如果偏差太大，箱梁段的重量可能會拉彎甚至折斷吊裝設(shè)備?！毖邪l(fā)人員介紹，采用自動糾偏系統(tǒng)的吊裝設(shè)備，4個吊點距離地面的高度偏差可保持在4厘米之內(nèi)，相較于人工糾偏時的30厘米偏差，最大限度保證了箱梁段在吊裝時的平衡和安全。

　　自動避障系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)、實時監(jiān)測系統(tǒng)……一系列先進技術(shù)的應(yīng)用，助力中國工程建造技術(shù)實現(xiàn)升級跨越，大大提高了湄洲灣跨海大橋的施工效率。

　　一條新的交通要道正不斷伸向遠方，中國高鐵正加速跨入一個新時代。