我國特大型橋梁的技術(shù)創(chuàng)新

穆祥純

（北京市市政工程設(shè)計研究院有限公司，北京市 100082）

我國特大型橋梁的技術(shù)創(chuàng)新

穆祥純

（北京市市政工程設(shè)計研究院有限公司，北京市 100082）

系統(tǒng)地介紹了進入21世紀(jì)以來我國相繼建成的6座特大型橋梁工程的技術(shù)創(chuàng)新情況。通過對典型橋梁工程技術(shù)創(chuàng)新的逐一剖析，力圖為國內(nèi)同行們提供有借鑒意義的資料和相關(guān)啟示，以期推動我國向世界橋梁強國的目標(biāo)邁進。

特大型橋梁；技術(shù)創(chuàng)新；典型橋梁

0　引言

近三十多年來,隨著我國綜合國力的增強，我國現(xiàn)代橋梁建設(shè)也取得了長足發(fā)展，遵循“解放思想、自主建設(shè)、博采眾長、自主創(chuàng)新”的建橋理念,走過了從依賴外援到自主創(chuàng)新的歷程。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國橋梁建設(shè)領(lǐng)域從材料、機械到設(shè)備工藝得到了空前發(fā)展，已躋身于世界橋梁建設(shè)大國的行列,取得了令世人矚目的成就。

我國特大型橋梁的建造主要以懸索橋、斜拉橋及拱橋為主，現(xiàn)代特大型橋梁以懸索橋和斜拉橋為代表。20世紀(jì)80年代末，我國突破性地建成了南浦大橋和楊浦大橋，這標(biāo)志著我國在現(xiàn)代橋梁的建造上已達到世界級水平，奠定了我國橋梁建設(shè)飛躍發(fā)展的基礎(chǔ)。拱橋作為我國獨特的傳統(tǒng)代表性橋梁，其設(shè)計也充滿著藝術(shù)的魅力，譬如上海盧浦大橋。

1999年江蘇江陰長江大橋建成并投入使用，它是我國第一座超1 000 m的懸索橋;2009年重慶朝天門大橋建成通車，其主跨長達552 m，成為世界第一大拱橋；2008年建成啟用的杭州灣大橋是我國最長、世界第三長的跨海大橋。這些足以表明我國的橋梁建設(shè)水平已達到了相當(dāng)?shù)母叨取?/p>

隨著近期云南龍山大橋、港珠澳大橋的建成，我國特大型橋梁工程又譜寫了新的篇章。但同時我們也應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，我們也存在著諸多問題，譬如為了趕進度、趕工期或者單純追求國內(nèi)第一和世界第一，搞所謂的形象工程，確實存在著設(shè)計考慮不周，設(shè)計創(chuàng)造極限化（主要是盲目追求跨徑上的突破）的問題，而其設(shè)計的橋梁沒有特色和創(chuàng)意。因此應(yīng)高度關(guān)注橋梁建設(shè)的經(jīng)濟性、創(chuàng)新性和耐久性，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和處理這三者之間的辯證關(guān)系。

1　典型橋梁工程的技術(shù)創(chuàng)新

1.1浙江杭州灣大橋

杭州灣跨海大橋（見圖1）是一座橫跨中國杭州灣的跨海大橋，北起浙江省嘉興市海鹽鄭家埭，南至寧波市慈溪水路灣。杭州灣跨海大橋是繼上海浦東東海大橋之后又一座跨海跨江大橋，從寧波到上海均可經(jīng)過此橋。該橋全長36 km，于2003 年11月14日開工，2008年5月1日通車，僅次于青島膠州灣大橋，成為世界第二的跨海大橋。

圖1　杭州灣跨海大橋

該大橋設(shè)北、南兩個航道，其中北航道橋為主跨448 m的鉆石形雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，通航標(biāo)準(zhǔn)35 000 t；南航道橋為主跨318 m的A形獨塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，通航標(biāo)準(zhǔn)3 000 t。其余引橋采用30～80 m不等的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。據(jù)核定，大橋共需要鋼材76.7萬t，水泥129.1萬t，石油瀝青1.16萬t，木材1.91萬m3，混凝土240萬m3，各類樁基7 000余根，為國內(nèi)特大型橋梁之最。南灘涂50 m×16 m箱梁采用整孔預(yù)制，大型平板車梁上運梁的工藝開創(chuàng)了國內(nèi)外重型梁運架的新紀(jì)錄。

杭州灣跨海大橋的主要創(chuàng)新點：

一是大橋全長36 km，其長度在2012年世界上在建和已建的跨海大橋中位居第二，僅次于青島海灣大橋（36.48 km）。

二是杭州灣跨海大橋地處強腐蝕海洋環(huán)境，為確保大橋壽命，在國內(nèi)第一次明確提出了設(shè)計使用壽命不小于100 a的耐久性要求。

三是杭州灣跨海大橋50 m箱梁“梁上運架設(shè)”技術(shù)，架設(shè)運輸重量從900 t提高到1 430 t，刷新了2012年世界上同類技術(shù)、同類地形地貌橋梁建設(shè)“梁上運架設(shè)”的新紀(jì)錄。

四是大橋深海區(qū)上部結(jié)構(gòu)采用70 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁整體預(yù)制和海上運架技術(shù)，為解決大型混凝土箱梁早期開裂的工程難題，開創(chuàng)性地提出并實施了“二次張拉技術(shù)”，徹底解決了這一工程“頑疾”。

五是大橋鋼管樁的最大直徑為1.6 m，單樁最大長度89 m，最大重量74 t，為國內(nèi)外大直徑超長整樁螺旋橋梁鋼管樁之最。

六是大橋南岸10 km灘涂底下蘊藏著大量的淺層沼氣，對施工安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在灘涂區(qū)的鉆孔灌注樁施工中，開創(chuàng)性地采用有控制放氣的安全施工工藝。

七是杭州灣跨海大橋的奠基碑是中國第一座青銅奠基碑，其高100 cm，厚25 cm，重500 kg，由鑄、鍛、刻等多種工藝制作而成，是傳統(tǒng)藝術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)融合的結(jié)晶[1]。

1.2上海東海大橋

東海大橋工程（見圖2）是上海國際航運中心洋山深水港區(qū)一期工程的重要配套工程，為洋山深水港區(qū)集裝箱陸路集疏運和供水、供電、通訊等需求提供服務(wù)。東海大橋全線可分為約2.3 km的陸上段，海堤至大烏龜島之間約25.5 km的海上段，大烏龜至小洋山島之間約3.5 km的港橋連接段，總長約為31 km。設(shè)計車速80 km/h。東海大橋主航道橋為主跨420 m五跨連續(xù)的雙塔中央索面斜拉橋.主梁為在大跨徑斜拉橋上首次采用的鋼-混箱形結(jié)合梁。

圖2　上海東海大橋

東海大橋工程2002年6月26日正式開工建設(shè)，歷經(jīng)35個月的艱苦施工，于2005年5月25日實現(xiàn)結(jié)構(gòu)貫通。大橋?qū)?1.5 m，分上、下行雙幅橋面，雙向6車道，設(shè)計時速80 km/h。大橋全線按高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計基準(zhǔn)期為100 a。大橋的最大主航通孔離海面凈高達40 m，相當(dāng)于10層樓高，可滿足萬噸級貨輪的通航要求。

上海東海大橋主要的創(chuàng)新之處[2]：

一是159 m高的兩座大跨度海上斜拉橋主塔在國內(nèi)屬最高；

二是位于顆珠山島和大烏龜島之間的深海大堤綿延1.22 km，也是國內(nèi)的突破和創(chuàng)新；

三是建設(shè)速度,在風(fēng)高浪急的外海，運用高效、科學(xué)的施工技術(shù)，僅用3年實現(xiàn)大橋貫通。

四是東海大橋工程的開工建設(shè),標(biāo)志著我國橋梁建設(shè)真正從江河跨向海洋,進入了一個全新的未知領(lǐng)域,體現(xiàn)了中國橋梁建設(shè)者的膽略和水平。

五是在設(shè)計施工的技術(shù)方案上進行了創(chuàng)新，即在施工所用的成套設(shè)備上進行了諸多創(chuàng)新。

六是在海上施工安全措施上進行了20多項科研試驗,獲得了40多項技術(shù)專利成果,部分已經(jīng)在國內(nèi)其他跨海大橋工程中得以推廣應(yīng)用。

1.3上海長江大橋

上海長江大橋（見圖3）是一座位于長興島與崇明島之間的長江大橋。大橋南部起于隧道長興島登陸點，沿地面橫穿長興島，北至崇明島陳家鎮(zhèn)，全長16.65 km，其中道路6.68 km，橋梁9.97 km。大橋設(shè)計為雙向6車道，初步設(shè)計橋面兩側(cè)加寬緊急帶預(yù)留給軌道交通線路，大橋也是崇明越江通道（即上海長江隧橋）南隧北橋的重要組成部分，大橋建成于2009年10月底。

圖3　上海長江大橋

上海長江大橋的創(chuàng)新技術(shù)主要展現(xiàn)在：

一是主航道橋主跨730 m世界最大跨度的公軌兩用斜拉橋，采用了新型分離式鋼箱梁；主跨730 m的斜拉橋是目前世界上最大跨度的公軌合建橋梁。通過研究，不僅為解決公軌合建大跨度斜拉橋的關(guān)鍵技術(shù)提供了基礎(chǔ)理論和技術(shù)支撐，而且對突破超過千米級斜拉橋的技術(shù)控制、發(fā)展具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的橋梁核心技術(shù)具有重要意義。同時，豐富發(fā)展了我國橋梁設(shè)計理論與方法，填補了相關(guān)設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)空白。

二是主航道橋兩側(cè)高墩區(qū)各有700 m橋梁采用主跨105 m的大跨度連續(xù)組合箱梁橋，在國內(nèi)屬于首次大規(guī)模應(yīng)用，采用的整孔預(yù)制吊裝方案也屬于新的工程實踐。

三是制定了大跨度橋梁和各類長聯(lián)橋梁列車行車安全和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。10余項專題研究中的3項，經(jīng)過鑒定達到了國際先進水平，部分達到國際領(lǐng)先水平。

四是公軌合建橋梁技術(shù)。通過大量研究分析，提出了公軌合建橋梁的設(shè)計方法與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，形成了新理論與新方法，突破了公軌合建橋梁關(guān)鍵技術(shù)，形成了系列新技術(shù)。

五是大跨度連續(xù)組合箱梁橋技術(shù)。我國面向未來的橋梁建設(shè)需要解決橋梁結(jié)構(gòu)可靠性與耐久性等方面的挑戰(zhàn)。經(jīng)比選，上海長江大橋采用了主跨105 m等高度鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁，兩聯(lián)總長1 400 m。其研究成果為實現(xiàn)百米級組合結(jié)構(gòu)橋梁造價低于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)達到國際先進水平提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

六是全預(yù)制拼裝橋梁技術(shù)。為了適應(yīng)長江大橋自然條件與建設(shè)條件，橋梁的上下部結(jié)構(gòu)大量采用了鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)采用預(yù)制拼裝，對于實現(xiàn)高質(zhì)量、快速施工和降低造價具有重要意義。通過研究，提出了預(yù)制、養(yǎng)護、運輸、安裝工藝要求，解決了預(yù)制構(gòu)件的連接構(gòu)造在可靠性、安全性、耐久性等方面的技術(shù)難點，在國內(nèi)同類橋梁建設(shè)中起到了科技示范作用。

七是防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)。針對橋梁基礎(chǔ)防船撞、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、結(jié)構(gòu)抗震、結(jié)構(gòu)耐久性和橋梁健康監(jiān)測等方面開展了一系列研究，全面提升了重大橋梁工程的防災(zāi)減災(zāi)能力，保證了生命線工程的安全和健康運營，具有重要的工程實用價值和社會意義。

1.4港珠澳大橋

港珠澳大橋（見圖4）是一座連接香港、珠海和澳門的巨大橋梁，對促進香港、澳門和珠江三角洲西岸地區(qū)經(jīng)濟進一步發(fā)展具重要的戰(zhàn)略意義。港珠澳大橋全長為49.968 km，主體工程“海中橋隧”長35.578 km，設(shè)計時速為100 km/h。港珠澳大橋主體建造工程于2009年12月15日開工建設(shè)，一期計劃于2017年年底完成，大橋投資超1 000億元，約需8年建成。2016年3月30日隨著最后一片重達1 950 t鋼箱梁的成功吊裝，港珠澳大橋主體工程非通航孔橋箱梁吊裝全部完成。

圖4　港珠澳大橋

港珠澳大橋全長55 km，是在建的世界上最長的跨海大橋。港珠澳大橋主體工程包括約23 km的橋梁、東西人工島和6.7 km的海底隧道。其中主體工程“海中橋隧”長達35.578 km，相當(dāng)于9座深圳灣公路大橋，造價超過720億元，建成后將成為世界最長的跨海大橋[3]。

港珠澳大橋的主要創(chuàng)新點展現(xiàn)在：

一是這座大橋?qū)⒊蔀槭澜缱铋L的跨海大橋。

二是作為中國建設(shè)史上里程最長、投資最多、施工難度最大的跨海橋梁項目，其建成對香港、澳門、珠海三地經(jīng)濟社會一體化意義深遠。

三是大橋在建設(shè)中破解了一系列的世界性橋梁難題，為今后建造新的典型橋梁工程積累了十分難得建橋經(jīng)驗。

四是針對外海厚軟基大回淤超長沉管隧道設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)進行研究，形成了“外海厚軟基大回淤超長沉管隧道基礎(chǔ)沉降控制技術(shù)研究”、“多點非一致地震激勵下超長沉管隧道設(shè)計方法與振動臺試驗?zāi)M技術(shù)研究”和“沉管隧道節(jié)段接頭構(gòu)造型式研究及高水壓120年設(shè)計使用壽命止水帶研發(fā)”等成果。

1.5江蘇潤揚大橋

潤揚長江大橋（見圖5）位于江蘇省鎮(zhèn)江、揚州兩市西側(cè)，是當(dāng)時國內(nèi)工程規(guī)模最大、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)最高、投資最大、技術(shù)最復(fù)雜、技術(shù)含量最高的現(xiàn)代化特大型橋梁工程，是中國第一座剛?cè)嵯酀慕M合型橋梁，大橋建成于2005年4月。

該橋主跨徑1 385 m，比江陰長江大橋長105 m。大橋建設(shè)創(chuàng)造了多項國內(nèi)第一，綜合體現(xiàn)了時下國內(nèi)公路橋梁建設(shè)的最高水平。潤揚長江大橋的國內(nèi)第一有：大橋南汊懸索橋主跨1 490 m，為中國第一世界第三大跨徑懸索橋（2009年被浙江舟山西堠門大橋超越，其主跨1 650 m）；懸索橋主塔高227.21 m，為國內(nèi)第一高塔；懸索橋主纜長2 600 m，為國內(nèi)第一長纜；大橋鋼箱梁總重34 000 t，為國內(nèi)第一重；鋼橋面鋪裝面積達71 400 m2，為國內(nèi)第一大面積鋼橋面鋪裝；懸索橋錨碇錨體澆鑄混凝土近6萬m3，為國內(nèi)第一大錨碇。

圖5　江蘇潤揚大橋

潤揚長江大橋的主要創(chuàng)新之處是[4]：

一是其第一大跨徑。潤揚長江公路大橋南汊主橋為主跨徑長1 490 m的懸索橋,比目前國內(nèi)第二、世界第五的江陰大橋主跨還要長105 m。

二是其第一特大錨錠。潤揚橋北錨錠要承受6.8萬t的主纜拉力（超過80萬人的總體重）,錨定由近6萬方混凝土澆筑而成,其規(guī)模之大,為國內(nèi)第一，世界罕見,被譽為“神州第一錨”。

三是其第一特大深基坑。為了給“神州第一錨”巨大的錨體安個“家”,必須開挖世界罕見的特大深基坑,這個深度相當(dāng)于建一座17層樓高的地下城堡。

四是其第一高塔。潤揚大橋南汊懸索橋索塔高達215.5 m,相當(dāng)于73層樓的高度,是目前國內(nèi)橋梁中最高的索塔。

五是其第一長纜。懸索橋主纜纏絲采用的是國內(nèi)首次使用的“S”型鋼絲,所用纏絲總長度近3 200 km,相當(dāng)于3倍北京至上海的距離,兩根主纜每根長2 600 m,為國內(nèi)第一長纜。

六是其第一重鋼箱梁。潤揚大橋鋼箱梁段總長為1 485.23 m,總重量為21 000 t,最大吊裝重量達506 t,是目前國內(nèi)最重的一節(jié)鋼箱梁。

七是第一大面積鋼橋面鋪裝。鋪裝總面積達70 800萬m2,近10個標(biāo)準(zhǔn)足球場大小,所用環(huán)氧瀝青近萬噸。

八是其可作為第一座剛?cè)嵯酀慕M合型橋梁。

1.6湖南矮寨大橋

矮寨特大懸索橋（見圖6）位于湖南湘西矮寨鎮(zhèn)境內(nèi)，距吉首市區(qū)約20 km。該橋跨越矮寨大峽谷，是吉茶高速公路上一座跨越深谷的特大懸索橋。由于橋址風(fēng)環(huán)境復(fù)雜，橋型新穎，是中國國家高速公路網(wǎng)主干線包茂高速公路吉首至茶峒段的關(guān)鍵工程。工程計劃投入7.2億元，占吉茶高速公路計劃總投資的15%，于2007年10月開工建設(shè)。2012 年3月底，創(chuàng)4項世界第一的湖南矮寨特大懸索橋正式通車。

圖6　湖南矮寨大橋

湖南矮寨大橋創(chuàng)了多個世界第一：一是大橋主跨1 176 m，跨峽谷懸索橋創(chuàng)世界第一；二是首次采用塔、梁完全分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，創(chuàng)世界第一；三是首次采用“軌索滑移法”架設(shè)鋼桁梁，創(chuàng)世界第一；四是首次采用巖錨吊索結(jié)構(gòu)，并用碳纖維作為預(yù)應(yīng)力筋材，創(chuàng)世界第一[5]。

這座大橋的主要創(chuàng)新之處為：

一是避開了不良地質(zhì)的影響。現(xiàn)場調(diào)查、遙感解譯和地質(zhì)勘探均表明，如果采用排碧特長隧道方案，那么其施工和運營期間極有可能引起隧道內(nèi)大規(guī)模高水頭涌水（或突泥）、隧道頂?shù)乇硭纯萁叩拳h(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，而懸索橋的方案避開了這些不良地質(zhì)的影響，選擇了巖性變化較小、路塹邊坡穩(wěn)定性較好的地段，地質(zhì)穩(wěn)定，無活動斷層，有利于特大橋修建。

二是極大地改善公路的安全性能。由于特長隧道方案所處位置特殊的水文、地質(zhì)條件，其施工安全、運營安全存在極大的隱患；相對而言，懸索橋方案對各種安全隱患的可預(yù)測性、易搶救性和可修復(fù)性均優(yōu)于特長隧道方案。隧道內(nèi)部不設(shè)置硬路肩，也無法設(shè)置爬坡車道，安全性也打了折扣。

三是減小了對自然環(huán)境的影響。若采用排碧特長隧道方案，其施工將產(chǎn)生多達180萬m3的廢方，沿線高山峽谷，棄渣困難，其需大量占用耕地，在峽谷中大量棄方還可能誘發(fā)新的地質(zhì)災(zāi)害；明線方案棄渣量小，且廢渣場地可靠，對自然環(huán)境影響極小。

四是增強了公路的景觀。若采用特長隧道方案在一個狹長的峽谷內(nèi)反復(fù)穿越峒河和湘川公路，對峒河風(fēng)光帶破壞較大；矮寨懸索橋與獨特的自然景觀相得益彰，為矮寨的旅游盤山公路增添了新的人文景觀；懸索橋方案從風(fēng)景區(qū)旁通過，充分結(jié)合地形設(shè)置了多處觀景平臺，增加了公路景觀。

五是提高了社會服務(wù)能力。特長隧道方案技術(shù)指標(biāo)低，局部無法滿足80 km/h的設(shè)計速度要求，安全隱患多，服務(wù)水平低；懸索橋方案平縱面指標(biāo)均衡，與地形條件結(jié)合協(xié)調(diào)，行車相對較舒適；懸索橋方案在排碧臺地增設(shè)矮寨互通，有力帶動周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的經(jīng)濟發(fā)展。

六是降低了全壽命周期成本。懸索橋方案較特長隧道方案每年可節(jié)約運營成本約1億元，同時每年節(jié)約管理養(yǎng)護費約5 000萬元；特長隧道方案沿國道展線，施工工期對國道正常運行和地方群眾出行干擾大；懸索橋方案路線長度縮短約11 km，節(jié)約了工程投資，提高了運行效益。更值一提的是，一橋飛架矮寨公路奇觀，顯示出磅礴的氣勢，并與獨特的自然景觀相輝映，為矮寨的旅游盤山公路增添新的人文景觀，進一部提升矮寨的旅游價值。

2　結(jié)　語

黨中央為我們描繪了實現(xiàn)“兩個百年”的宏偉藍圖。21世紀(jì)下一個時期，祖國各地將建造更加輝煌、令人矚目的世界級橋梁工程。應(yīng)認(rèn)真總結(jié)以往建橋的經(jīng)驗和教訓(xùn)，從特大型橋梁作為生命線工程最重要組成部分的高度來認(rèn)識，充分認(rèn)識橋梁工程的安全性、創(chuàng)新性和耐久性的極端重要性。

要繼續(xù)加強與國際同行的交流，積極關(guān)注國際上該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，及時了解和搜集國外的最新科研成果，促進國內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流，大力促進我國城市橋梁防災(zāi)減災(zāi)方面的技術(shù)進步，推動我國城市橋梁建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，大力促進我國橋梁工程的技術(shù)進步，早日成為世界橋梁強國。

[1]穆祥純.基于創(chuàng)新理念的城市橋梁及市政建設(shè)[M].北京:人民交通出版社，2012.

[2]穆祥純.中外城市橋梁[M].北京:人民交通出版社，2015.

[3]穆祥純.古今中外城市[M].北京:人民交通出版社，2016.

[4]穆祥純.世界上奇妙的橋梁[M].北京:建筑工業(yè)出版社，2016年6月，第211頁

[5]中國土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程分會.全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集[M].北京:人民交通出版社，2011.

U44

B

1009-7716（2016）10-0035-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.012

2016-05-17

穆祥純（1955-），男，北京市人，教授級高級工程師，原北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司副總經(jīng)理，享受國務(wù)院政府特殊津貼專家，長期從事橋梁設(shè)計、城市交通研究及技術(shù)管理工作。