跨海大橋建造攻略

撰文/馬曉惠

跨海大橋建造攻略

撰文/馬曉惠

要在茫茫大海上建一座跨海大橋并不是一件容易的事兒，從最初的橋梁設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)的具體施工，無(wú)不凝聚著設(shè)計(jì)者和建造者的心血。由于跨海大橋的跨度一般都比較長(zhǎng)，因此對(duì)技術(shù)的要求很高，在它們身上往往體現(xiàn)出當(dāng)時(shí)最頂尖的橋梁技術(shù)。

斜拉橋和懸索橋是現(xiàn)代跨海大橋設(shè)計(jì)的不二選擇

如果按照形式和構(gòu)造來(lái)分的話，橋主要可分為梁式橋、拱式橋、桁架橋、斜拉橋和懸索橋。雖然跨海大橋中也曾出現(xiàn)過(guò)像悉尼港灣大橋這樣的拱式橋，但是隨著跨海大橋越來(lái)越深入海洋，跨度更大、更省料的斜拉橋和懸索橋逐漸取代其他橋型，成為現(xiàn)代跨海大橋的不二選擇。

斜拉橋在古代就已經(jīng)有了，但由于斜拉索的受力很難計(jì)算也很難控制，因此備受冷落。直到電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，它才一躍成為近5 0年來(lái)發(fā)展最快的一種橋型。與傳統(tǒng)的多孔梁橋相比，斜拉橋的每一根斜拉索都代表著一個(gè)橋墩的（彈性）支點(diǎn)，從而增大了橋梁的跨度。也是因此，它更適合對(duì)橋梁跨度有更高要求的跨海大橋。

懸索橋的特點(diǎn)是能造得很高，大船能從橋洞中通過(guò)。這對(duì)于海上運(yùn)輸來(lái)說(shuō)尤為重要。此外，在建造懸索橋時(shí)不需在橋中心建立臨時(shí)性的橋墩，因此這種橋型更適合在水流湍急的深水區(qū)施工。由于它的塔架幾乎不受側(cè)向的力，能做得更為纖細(xì)，非常省料。

不過(guò)，纖細(xì)的塔架在讓?xiě)宜鳂虻慕ㄔO(shè)變得更為經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，也降低了它對(duì)于大風(fēng)的抵御能力。對(duì)于懸索橋來(lái)說(shuō)，因?yàn)榇箫L(fēng)而臨時(shí)中斷交通并不是什么稀罕事兒。此外，懸索橋的塔架對(duì)地面施加的力非常大，要是地面本身不夠堅(jiān)硬的話，建造地基的成本會(huì)非常高，因此并不適于灘涂或軟泥較多的海域。

斜拉撟，又稱“斜張撟”，是由主梁、斜向拉緊主梁的鋼纜索以及支承纜索的索塔等部分組成的橋梁。根據(jù)鋼纜與主塔的連接不同，主要分為平行連接型和放射性連接型兩類。香港汲水門(mén)大橋就曾經(jīng)是全球最長(zhǎng)的行車(chē)鐵路兩用斜拉橋。

懸索橋，又稱“吊橋”，從外形看跟斜拉橋有點(diǎn)相似，不過(guò)它的主要承力部分是位于橋兩端的2根塔架，借由這2根塔架間的懸索拉住橋面。為了保障塔架本身所受到的力是垂直向下的，塔架的另一面也會(huì)有懸索。這些懸索會(huì)連接到深埋在橋兩端的錨錠上，以確保懸索橋的穩(wěn)固。舊金山金門(mén)大橋就是典型的懸索橋。

如果只考慮橋梁跨度的話，懸索橋的跨度比斜拉橋更大，但它的堅(jiān)固性不如斜拉橋，不適合作重型鐵路橋梁。因此我們沒(méi)法說(shuō)這兩者誰(shuí)更優(yōu)秀一些，只能說(shuō)它們各有千秋，得根據(jù)具體的情況加以選擇。日本明石海峽大橋選擇懸索橋，杭州灣跨海大橋選擇斜拉橋，都是因地制宜的結(jié)果。

隨著造橋技術(shù)的進(jìn)步，越造越長(zhǎng)的跨海大橋也開(kāi)始流行起混搭風(fēng)了，鼎鼎大名的瀨戶大橋就是由2座斜拉橋、3座懸索橋和3座桁架橋組合而成的。

樁基工程是現(xiàn)代跨海大橋長(zhǎng)命百歲的根基

所謂“萬(wàn)丈高樓平地起”，斜拉橋也罷，懸索橋也罷，想要長(zhǎng)命百歲的關(guān)鍵在于樁基工程。而要做好樁基工程，除了整體設(shè)計(jì)必須合理之外，還在于橋梁的整體防腐技術(shù)。

跨海大橋建設(shè)中普遍采用混凝土預(yù)制樁，施工時(shí)則主要采用沉井法，即將預(yù)制好的沉井浮到樁位后，打通底板進(jìn)水，等其沉到海底后再進(jìn)行鉆孔灌注砼成樁。但那些水流湍急、風(fēng)浪很高的海域，不具備現(xiàn)場(chǎng)澆筑的條件，只能放棄混凝土預(yù)制樁改采用鋼管樁?？绾４髽蚬こ趟褂玫匿摴軜叮际窃诠S內(nèi)整體加工一次成型的。在鋼板被卷成鋼管之后，每根管子還必須進(jìn)行內(nèi)外兩次弧焊。焊完了還不算完，由于鋼鐵容易被腐蝕，這些鋼管樁在出廠前還得解決腐蝕問(wèn)題。

1909年建造中的曼哈頓大橋（懸索橋）

上圖：引橋的建設(shè)

右圖：索塔的建設(shè)

在現(xiàn)代跨海大橋中超過(guò)90%是鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，海水對(duì)鋼鐵的腐蝕是一個(gè)不得不面對(duì)的難題。傳統(tǒng)的做法是在鋼管樁的結(jié)構(gòu)厚度之外，再給鋼管樁增加5~6厘米的富余厚度，以此來(lái)應(yīng)對(duì)海水的腐蝕。這種做法雖然能保障大橋的使用期限，但也導(dǎo)致了建設(shè)成本的大幅度提高。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，給鋼管樁穿“防護(hù)衣”的方式因其既經(jīng)濟(jì)又好用，逐漸成為跨海大橋建設(shè)中的主流。

在杭州灣跨海大橋工程中，設(shè)計(jì)者為鋼管樁設(shè)計(jì)了高達(dá)3層的防護(hù)。第1層防護(hù)：在鋼管樁1.9厘米的結(jié)構(gòu)厚度基礎(chǔ)上增加了3毫米的富余厚度。以海水每年腐蝕0.1毫米的速度估算，這額外增加的3毫米富余厚度可應(yīng)付30年。第2層防護(hù)：在被海水浸沒(méi)的鋼管樁里面澆入鋼筋混凝土，這樣即便外面的鋼管樁被腐蝕了，里面的鋼筋混凝土仍可繼續(xù)發(fā)揮樁的作用。第3層防護(hù)：在鋼管樁的外面涂上了防腐蝕的涂料，同時(shí)對(duì)涂層進(jìn)行陰極保護(hù)。有了這3層防護(hù)，鋼管樁就像穿上了一套價(jià)廉物美的防護(hù)衣，不但能抵御海水的侵蝕，還直接節(jié)約了4.5億元資金。

別以為只要做好鋼管樁與外部鋼結(jié)構(gòu)的防腐工作就萬(wàn)事大吉了，包裹在混凝土中的鋼筋也有防腐的問(wèn)題。由于混凝土通常是多孔的，海水能從混凝土的孔隙中鉆進(jìn)去侵蝕鋼筋。咸水使鋼材生銹膨脹，從內(nèi)部不斷地?cái)D壓混凝土。就像種子發(fā)芽似的，當(dāng)內(nèi)部壓力增加到一定程度時(shí)，混凝土就會(huì)出現(xiàn)碎裂。

看到這里，或許你會(huì)說(shuō)“哎呦喂，趕緊給鋼筋也涂上防腐蝕的涂層呀！”這不是說(shuō)不可以，只是由于鋼筋的數(shù)量太多，全部涂上防腐劑涂層的代價(jià)太昂貴，只能對(duì)腐蝕嚴(yán)重的部位和特殊構(gòu)件采用這種防腐措施。因此最經(jīng)濟(jì)的做法還是從源頭解決問(wèn)題，即從一開(kāi)始就確保鋼筋不會(huì)與咸水接觸。此外，跨海大橋建設(shè)中所使用的混凝土必須是經(jīng)過(guò)改良的，具有比普通混凝土更堅(jiān)固、氣孔更少的特性，從而最大可能地杜絕海水與鋼筋的直接接觸，務(wù)求確保跨海大橋能達(dá)到設(shè)計(jì)的使用年限。

先進(jìn)的建造工具是現(xiàn)代跨海大橋得以建成的保證

在建造悉尼海港大橋時(shí)，還沒(méi)有什么高科技的技術(shù)，完全是工人拿著錘子一個(gè)釘子一個(gè)釘子敲出來(lái)的。不過(guò)到了現(xiàn)代，這種全靠人力的做法已經(jīng)行不通了?，F(xiàn)代的跨海大橋建設(shè)已成了技術(shù)的比拼，將古人所說(shuō)的“工欲善其事，必先利其器”發(fā)揮得淋漓盡致。

由于跨海大橋延伸到海里，因此打樁時(shí)得用上專門(mén)的打樁船。具有世界先進(jìn)水平的多功能全旋轉(zhuǎn)打樁船，不僅能做到360度全角度打樁，還配裝有GPS定位系統(tǒng)，能將誤差控制到最小。在現(xiàn)代跨海大橋建設(shè)中箱梁基本是預(yù)制的。因此當(dāng)箱梁造好后，須由專門(mén)的施工船完成運(yùn)送和架設(shè)任務(wù)。這種架梁起重船不但起重能力強(qiáng)，還能抵抗波浪，特別適合在海中作業(yè)。在海中架梁不像陸地上那么簡(jiǎn)單，得充分發(fā)揮“守株待兔”的精神。當(dāng)施工船載著箱梁抵達(dá)預(yù)定施工海域后，不能盲動(dòng)，得等到架設(shè)的最佳潮位才能動(dòng)手。要是海面情況不如預(yù)期，就有可能無(wú)功而返。

別以為海上架梁不容易，灘涂上架梁就容易了。由于灘涂不受力，在施工時(shí)得先搭施工棧橋。不過(guò)施工棧橋雖然讓施工變得便捷了，卻有一個(gè)致命的缺陷，即相對(duì)于巨型混凝土箱梁來(lái)說(shuō)，施工棧橋的承重力不夠大，沒(méi)法承擔(dān)將箱梁運(yùn)進(jìn)灘涂的任務(wù)。這時(shí)候就只能采用“梁上架梁”的施工辦法，即利用已經(jīng)架好的箱梁，用架梁機(jī)把新箱梁運(yùn)送到前端，逐步推進(jìn)架設(shè)。氣勢(shì)宏偉的跨海大橋，就是這么沿著灘涂一點(diǎn)點(diǎn)、一節(jié)節(jié)地向海里推進(jìn)的。