“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(bào)頻傳。
作為國內(nèi)首條跨海高鐵，福廈高鐵設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)技術(shù)和裝備的支撐，尤其是先進(jìn)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(gè)海灣，以及多條高等級(jí)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(diǎn)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(jì)制造的世界首臺(tái)千噸級(jí)高鐵橋梁運(yùn)架一體機(jī)“昆侖號(hào)”首次亮相。
這個(gè)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(jì)院集團(tuán)有限公司“昆侖號(hào)”研發(fā)設(shè)計(jì)項(xiàng)目有關(guān)負(fù)責(zé)同志。
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架橋機(jī)中的“全能選手”
集提、運(yùn)、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。跨海大橋如一條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(shí)，為提高效率，工程團(tuán)隊(duì)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(hào)”，就出自鐵五院研發(fā)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之手。
“昆侖號(hào)”，世界首臺(tái)千噸級(jí)高鐵橋梁運(yùn)架一體機(jī)。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(huì)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(jī)。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(jī)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(shí)速將超過350公里，甚至達(dá)到400公里。為了減少高架橋箱梁段拼接縫的共振節(jié)點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)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(gè)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。”鐵五院總工程師、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(jì)的目標(biāo)下，箱梁標(biāo)準(zhǔn)必須實(shí)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(dá)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(jí)地增長。”鐵五院鋪架技術(shù)及裝備研發(fā)中心常務(wù)副主任、“昆侖號(hào)”研發(fā)設(shè)計(jì)項(xiàng)目技術(shù)主要負(fù)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(yùn)架一體機(jī)的研發(fā)。
“‘逢山鑿路、遇水架橋’的橫幅一直掛在科研團(tuán)隊(duì)集中辦公的房間。”萬鵬回憶。經(jīng)數(shù)年科研攻關(guān)，路橋隧頻繁轉(zhuǎn)換、運(yùn)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(hào)”順利誕生。鐵五院紀(jì)委開展專項(xiàng)督查，保證了課題有序推進(jìn)。
“以前，架設(shè)一座高架橋需要提梁機(jī)、運(yùn)梁車、門式起重機(jī)、架橋機(jī)等多臺(tái)重型裝備通力合作，一個(gè)環(huán)節(jié)配合不到位，都會(huì)卡住制運(yùn)架生產(chǎn)線。而‘昆侖號(hào)’的誕生，可以集提梁、運(yùn)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(hào)”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(jī)節(jié)省近一半的投入成本，被譽(yù)為架橋機(jī)里的“全能選手”。
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穿山過隧、跨江渡海
“昆侖號(hào)”結(jié)構(gòu)緊湊、形體修長，鋼材強(qiáng)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。”說起“昆侖號(hào)”的與眾不同，鐵五院副總工程師、“昆侖號(hào)”研發(fā)設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)總師梁志新侃侃而談。
然而，記者了解到，國內(nèi)供時(shí)速350公里高鐵列車通行的隧道橫截面是一個(gè)寬14.7米、高12.2米的圓弧形。在“昆侖號(hào)”之前，國內(nèi)能吊裝900噸箱梁段的架橋機(jī)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(yùn)過隧道，更別提在隧道內(nèi)架橋施工了。
新型架橋機(jī)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(gè)難題，又怎能實(shí)現(xiàn)在隧道中架橋呢？
“在現(xiàn)有架橋機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)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(shí)常常會(huì)遭遇大的溶洞和暗河，這就需要架橋機(jī)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(jī)如何解決這一矛盾？設(shè)計(jì)師們決定打破傳統(tǒng)架橋機(jī)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(yàn)證，新型架橋機(jī)“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。”萬鵬告訴記者。
如此結(jié)構(gòu)緊湊、體形修長的架橋機(jī)如何吊起重達(dá)1000噸的箱梁？“昆侖號(hào)”所使用的新型材料是關(guān)鍵。
“一身‘鋼筋鐵骨’，‘昆侖號(hào)’使用的鋼材強(qiáng)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(shí)，新型架橋機(jī)首先移動(dòng)到兩個(gè)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(jìn)行精準(zhǔn)對位。如果架橋機(jī)的強(qiáng)度不夠，就可能因?yàn)闊o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(gè)月的時(shí)間研發(fā)出了新型特種鋼材——GT785高強(qiáng)度合金鋼。
中鐵十一局集團(tuán)漢江重工有限公司裝備制造廠有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，在重量相近的情況下，“昆侖號(hào)”機(jī)身主材所使用的鋼板比傳統(tǒng)鋼板強(qiáng)度提升70%。與此同時(shí)，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(hào)”的施工質(zhì)量。
“傳統(tǒng)架橋機(jī)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(dòng)系統(tǒng)的幫助下向前行進(jìn)，還是無法方便快捷地通過隧道。”萬鵬介紹，為解決這一問題，他們給新型架橋機(jī)加裝了動(dòng)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(jìn)。
“1000噸重的箱梁相當(dāng)于200頭成年亞洲象，運(yùn)輸車載不下、起重機(jī)拉不起、火車也拖不動(dòng)，但‘昆侖號(hào)’卻可以輕易抱起來翻山越嶺，由梁場運(yùn)送至架梁工位精準(zhǔn)落梁。”萬鵬說。
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精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)糾偏
北斗定位系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)，“昆侖號(hào)”裝上了“大腦”和“神經(jīng)”系統(tǒng)
提著箱梁到達(dá)架設(shè)現(xiàn)場，前端的立柱在驅(qū)動(dòng)下到達(dá)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(jìn)42.5米，到達(dá)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(hào)”首次接受實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。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(dá)六級(jí)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(hào)”實(shí)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(hào)”的駕駛員。駕駛新型架橋機(jī)搭載重達(dá)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(hù)欄占用的寬度，可供“昆侖號(hào)”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(jī)就會(huì)撞上護(hù)欄，甚至沖進(jìn)大海。
不僅如此，看起來像一條直線的湄洲灣跨海大橋，實(shí)際上是順著海浪的方向規(guī)劃設(shè)計(jì)的，存在著彎道。這也就意味著“昆侖號(hào)”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(gè)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(jìn)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(hào)”裝上了“大腦”和“神經(jīng)”系統(tǒng)。
架橋機(jī)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(chǔ)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(jī)的工作狀態(tài)。與此同時(shí)，工程師們給“昆侖號(hào)”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(shí)間內(nèi)接收到控制系統(tǒng)發(fā)出的指令。”專家介紹。
為進(jìn)一步確保“昆侖號(hào)”在行駛和轉(zhuǎn)彎過程中的安全，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出一套自動(dòng)糾偏系統(tǒng)，可對輪組在行駛過程中的角度進(jìn)行自動(dòng)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(jī)安全行駛、靈活轉(zhuǎn)向。在智能控制系統(tǒng)的幫助下，“昆侖號(hào)”在狹窄橋面上行駛的最高時(shí)速可達(dá)到40公里。
除了輪組的自動(dòng)糾偏之外，工程師們還為吊裝設(shè)備加裝了自動(dòng)糾偏系統(tǒng)。
“長40米、重達(dá)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(jī)吊裝設(shè)備的4個(gè)吊點(diǎn)就會(huì)受力不均。如果偏差太大，箱梁段的重量可能會(huì)拉彎甚至折斷吊裝設(shè)備。”研發(fā)人員介紹，采用自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的吊裝設(shè)備，4個(gè)吊點(diǎn)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(shí)的30厘米偏差，最大限度保證了箱梁段在吊裝時(shí)的平衡和安全。
自動(dòng)避障系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)……一系列先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，助力中國工程建造技術(shù)實(shí)現(xiàn)升級(jí)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(yuǎn)方，中國高鐵正加速跨入一個(gè)新時(shí)代。