中國橋迎來“智造時代”

文/陳嘉倫 韓驍峰 梁雨微

鹽港東立交一體化架橋機拼裝（圖片來源于深圳市交通公用設施建設中心東部建設部《鹽港東立交工程日報（8月11日）》）

由中交二航局（以下簡稱“二航局”）、中交一公局集團（以下簡稱“一公局”）參與施工的江蘇常泰長江大橋（以下簡稱“常泰長江大橋”）不僅是世界最大跨度斜拉橋，也是中國交通建設集團（以下簡稱“中國交建”）進軍公鐵兩用橋市場的“明星產品”。常泰長江大橋建成后，將推進“錫常泰”城市組團，以“高速公路、普通公路、鐵路”三種交通方式過江，在“錫常泰”城市組團建成高度分享的1小時通勤圈，為經濟融合發展提供強有力的交通支撐，為江蘇段八百里長江新添一道世界級的“風景線”。

2021年6 月，常泰長江大橋轉入主塔施工階段。沉井作為施工控制的基礎工程，起著關鍵性作用，常泰長江大橋底面沉井作為世界面積最大水中沉井，用鋼量達到2.3萬噸，超過3座埃菲爾鐵塔的用鋼量，總面積相當于13個籃球場，超過滬蘇通長江大橋主塔沉井。

如何破解世界最大水中沉井建設難題？建設者們將智慧融入其中，為大橋建設按下了“快捷鍵”。

由二航局和一公局參與施工的常泰長江大橋是江蘇省“十五射六縱十橫”高速公路網中如常高速公路的關鍵工程，也是世界最大跨度公鐵兩用斜拉橋。它是世界上首座集高速公路、城際鐵路、一級公路為一體的大橋，下游距江陰長江大橋約30.2公里，上游距泰州長江大橋約28.5公里，南北連接常州和泰州兩市，路線全長10.09公里，主橋為雙層公鐵兩用橋，公鐵合建段主航道橋采用主跨1176米鋼桁梁斜拉橋。作為中國交建打入公鐵兩用橋市場的“明星產品”，大橋建設中充分運用了智能化建造手段。

“智能化建造是‘智腦’代替‘人腦’的過程，從標準化、自動化，再到智能化，三步走實現智能建造的推廣和應用，這是企業推動它的內生動力。”常泰長江大橋技術總負責人羅承斌說。

公開數據顯示，目前國內一線建筑工人平均年齡已接近50歲，比2007年增長了10多歲。隨著人口紅利逐步消失，中國建筑業人工成本逐步走高。羅承斌說：“我們必須由被動需求變為主動需求，在協作隊伍老齡化提前到來，成本、安全風險倍增時，企業必須提前采取預防風險的手段。”

中國交建在全國重大項目中逐步將智能化建造提上日程。深中通道一體化造塔機、鋼筋部品工藝深入推進；鹽港東立交一體化架橋機工序集成；鳳凰路黃河大橋無人頂推成為示范；襄陽東西軸線河床智能整平提供借鑒……

對于常泰長江大橋5號沉井智能化施工，羅承斌打了一個形象的比方，采取“智腦”，實際上就是用電路的“并聯”替代基礎的“串聯”。沉井從一個工作面擴大到無數個工作面實施，且能實現同步施工、精確控制。智能監控系統、智能取土設備、智能節段梁預制系統作為智能建造的創新代表，充分體現了建設智慧。

五號墩第三層承臺混凝土澆筑（中國交建趙振宇攝）

智能取土顛覆傳統工藝

吳啟和是常泰長江大橋項目總工程師，曾主持研究泰州大橋“沉井定位與著床”技術。如今，他要向這座世界跨徑第一的公鐵兩用橋發起挑戰。面對這個底面尺寸橫橋向長95米，縱橋向寬57.8米，總高72米的世界最大水中沉井，吳啟和身上的擔子很重。

“從水中沉井基礎研發到投入使用，盡管技術不斷革新，但是沉井著床的精確性這一難題始終無法得到解決。”他看向窗外，仿佛回到了十余年前的施工現場。傳統水中沉井下沉主要依靠氣舉取土下沉，即通過在沉井上方設置吸泥管，向水下打入高壓氣體的方式，把泥土從沉井下方江水中倒逼出來，原理與醫院注射的滴管類似，最終依靠沉井自身重量下沉。

“氣舉取土下沉為主，配合抓斗、鉸刀等工具，十幾年前的泰州大橋的施工方法如今仍然適用。”然而，如何控制沉井水中下沉的精度，卻成為壓在吳啟和心口的“巨石”。

盡管前期進行過地質勘察，但井壁下方被水面覆蓋的地層仍無法被完全掌握。傳統水上沉井，工人需要操縱龍門吊將吸泥管移動到相應的沉井隔倉進行吸泥作業，吸泥是否到位完全依靠工人自主判斷。

吳啟和認為這樣的手段無法保證精度：“工人手持遙控器完成吸泥管移位等動作，并通過肉眼觀察排出泥漿的濃度判斷吸泥動作是否完成。”

由于井口覆蓋面積大，測量人員往往只能測出離井壁較近的標高。往往四周的標高到位了，中間部分卻無法保證，而且長時間吸同一片區域，極易形成“漏斗狀”的掌子面。如不慎在沉井井壁附近過度吸泥，還可能導致井內外土體壓力失衡、泥土反涌至井內的情況發生。吳啟和將目光投向“智能化、可視化、機械裝配化”，研發了一套集數據采集、監測、遠程控制于一身的集成管理系統，成為搬開這塊“巨石”的關鍵。

2019年8 月，在二航局技術中心和武港院技術團隊的大力支持下，智能建造方案開始逐步推進。那段時間，吳啟和很少休息，很多方案的修改和完善都是在動車上完成的。一下車，他又要消化新方案，給業主和相關專家解釋說明，爭取到他們對智能建造方案的支持。

功夫不負有心人。2020年，一項名為《用于沉井下沉施工的自動化氣舉取土集中控制系統和方法》的專利通過了審核，標志著該專利正式在常泰長江大橋投入使用。

2020年6月6 日，沉井第一次取土作業正式開始。不同于6號主墩沉井上的人頭攢動。二航局負責的5號墩沉井上只有寥寥數人。現場監控指揮室內，吳啟和緊盯著技術人員給沉井上部的15臺門式起重機發出指令，設備沿著鋪設的軌道緩緩移動，并將吸泥管吊至指定位置作業。

“龍門吊和吸泥管上加裝了高精度傳感器，通過集群系統來設定相關吸泥參數、吸泥管平面位置及高程信息。”吳啟和露出了自豪的微笑：“我們真正用系統指令替代了人腦，沉井還專門安裝了聲吶探測系統，結合吸泥管的監測數據，將整個沉井姿態用3D立體的畫面呈現在電腦上，方便技術人員進行判斷。”

智能化氣舉取土系統更大的一個貢獻是自動設定吸泥路徑。“整個吸泥路線從井孔中心向外走一個‘回’字形路線，吸完一處監測一處，真正實現了吸泥過程的可控。”吳啟和認為這是與十余年前最大的不同，“如果說以前吸泥點的選擇是游擊戰，那么現在就是殲滅戰，整個泥面平整得像刀削過一樣。通過機械化、智能化增效，人力資源投入減少了60%，取土效率反而提高了50%。”在5號墩沉井第二次取土下沉期間，通過使用氣舉取土集群控制系統，保證了沉井在中密粉砂層日均下沉60厘米以上，最大單日下沉量接近1.2米，實現沉井高效下沉。

2020年11月27 日，江蘇省水運工程施工工藝創新大賽上，常泰長江大橋智能化取土下沉工藝從229份參賽作品中脫穎而出，得到現場多位院士點贊。他們認為對于水中沉井施工，這是一種跨時代的進步。

智能監控系統決勝千里

“限位即將接近1/100，沉井最低處與最高處的高差接近70厘米，沉井偏移超過極限，塔吊已經嚴重歪斜。”常泰長江大橋工程部部長孫俊仍然記得第二次取土下沉過程中的驚險一幕。

測量工人正在測量沉井姿態（圖片來源于常州新北區委宣傳統戰部微信公眾號“愛新北”）

但他回憶時卻非常坦然：“我并不擔心會出問題，沉井的監控系統時刻運轉，一旦監控報警，沉井上的所有門機設備將會自動鎖死。”

孫俊曾參與五峰山長江大橋的建設，那里有當時世界上最大的陸地沉井。當時沉井內部也有專用的監測系統，主要是針對內側土體壓力的監測。相比于五峰山長江大橋沉井內部使用的監測系統，孫俊認為常泰長江大橋監測系統更加“聰明”，“前者能夠反映土體壓力，但數值還需人工計算，再轉換成具體的偏位情況。后者則是真正做到了數據的全流程處理。”

孫俊一邊說一邊點開手機，一款監控APP映入眼簾，不僅顯示常泰長江大橋沉井實時狀態，也清晰地顯示預警信息。“一旦沉井下沉超過預警值，監控平臺會直接發送短信提醒我們調位，省去了人工分析、計算的過程，整個管理流程變得簡單。”

為什么常泰長江大橋的監控系統如此“聰明”？大橋沉井智能監控系統開發負責人、二航局技術中心李浩給出了答案：“監控系統的智能輔助決策模塊經過大量數據訓練，從滬蘇通大橋豎轉、鄭萬鐵路平轉開始，監控準確率不斷提高，終于在常泰長江大橋實現了每小時自動計算，并給出合理的決策指令，真正實現了智能化監控。”

然而，想讓監測系統變得“聰明”談何容易。整體監控系統的搭建從常泰長江大橋沉井制造階段就已經開始。“船廠制造的沉井鋼殼里埋入了無數的土體壓力傳感器，側面植入了72套傳感器，沉井底部也密布了238套。”李浩說。

由于鋼殼是階梯狀，兩層接高，土體和沉井內部結構的壓力變化也是重點監測對象。“沉井底部刃腳像尖刀一般，在初沉的時候很容易進入土體，但要判斷沉井是不是到位，還得觀察中刃腳與隔墻連接部位的情況。因此我們在10組刃腳與隔墻連接部位也安裝了振弦式應變計，用來觀察底部結構的受力情況。”可以說，整個沉井本身就是被監控系統里三層、外三層地包裹起來的。

最難的是安裝階段。2019年的冬天來得格外早，李浩需帶領技術人員將傳感器安裝到準確位置。沉井本身是在船廠加工，43米高的鐵罐子，工人只能一次次徒手爬上爬下，攀附著冰冷的鐵壁，通過緊握井壁內極細的角鋼來緩步下挪，在最底部的傳感器安裝完畢后，再向上引線穿管，灌注好密封膠把來時的路再走一遍。

終于，團隊趕在沉井出塢前完成了安裝工作。“所有傳感器‘存活率’及數據有效性均達100%。”李浩團隊每個人都練就了一身“攀巖”的好本領，他說：“當‘蜘蛛俠’很累，但我們很快樂。”

智能化監控系統起到了良好的效果，最終下沉數據顯示，沉井的平面偏位在10厘米正負3厘米以內，垂直度達到1/2000，遠優于設計及現行規范要求。沉井著床離設計偏差僅一個網球大小，得到了業主和其他標段負責人的高度肯定。

智能節段梁預制開啟新征程

2021年3月11 日，經過兩次水上接高、三次井壁混凝土澆筑、四次取土下沉。5號墩沉井在長江水下入土下沉總深度50.5米，以平均每天下沉45厘米的速度，創粉質黏土層大型沉井下沉最快紀錄。

“你們年輕人搗鼓的東西，我搞不懂。”4月底，在一公局鎮江制梁廠內，技術員梁金龍初次接觸智慧平臺系統，感到有些困難。

初中畢業就進入施工行業的梁金龍已經工作了近30年，在預制梁的制造上，他擁有豐富的操作經驗，然而，眼前的智慧梁廠操作系統卻讓他犯了難。

鎮江制梁廠是一公局常泰長江大橋項目部的節段梁預制廠，主要負責大橋南引線節段梁的預制。大規模且多類型的節段梁生產，本身就存在因數據龐大導致交叉校驗困難、因標準化程度低導致施工困難、因設備維護繁重導致安全監管困難的“三難”問題。

“節段梁預制是一個比較復雜的工程，公路梁、鐵路梁和高速公路梁都要同時生產，總數超過3000榀，不光箱梁種類多、預制難度也大、精度要求還高。”在技術策劃會上，鎮江梁場廠負責人梁偉詳細介紹了節段梁預制面臨的困難。同時，不同類型的節段梁生產標準統一難、質量追責難、原材料溯源難等也是梁場預制面臨的問題。

為達到常泰長江大橋工程品質的極高要求，通過建設智能化平臺來簡化施工工序、降低管理難度的提議引起了項目總工呂牧的重視。一場追趕技術前沿的攻關戰就此開始。項目團隊夜以繼日地開發研究，反復核驗數據，終于打通了數據間接口不統一、數據量大的技術壁壘，實現了分散設備間的數據互聯互通。

通過智慧平臺，梁場實現了節段梁生產的訂單化管理，也就是將節段梁的預制計劃錄入、下單、配送、生產形成了完整閉環的流水線。

不僅如此，在新的智慧平臺上，操作員還可隨時監控臺座工作狀態和節段梁的生產進度，根據設定的施工計劃指導進度的安排。同時，梁廠生產的每一榀梁的原材品牌批次、試驗質檢記錄、操作人員和機械信息都記錄在案，確保每一榀粱的質量都可溯源，大大保證了節段梁質量，實現了預制梁全生命周期的跟蹤。

“我們現在干活輕松多了，手指在手機上輕輕一點，臺座有沒有工作、節段梁的進度都能看得清清楚楚，再也不用一直在廠里盯著了。”梁金龍興奮地說。如今操縱新平臺得心應手的他與剛開始接觸叫苦不迭時判若兩人。不僅如此，項目部還應用物聯網設備采集數據，使每榀梁的倉儲位置、每個存梁臺座的占用或閑置狀態也通過平臺系統顯示，大大縮短了存梁、找梁和提梁的時間。

如今，常泰長江大橋借助BIM、GIS、物聯網、云計算等數字化技術，推動大跨度橋梁智能建造技術在施工現場的實踐及運用，這場PK中，“智腦”已經逐步取代“人腦”，成為決策的重要手段，而中國橋梁制造業也正在經歷一場“智造”風暴。

從深中通道伶仃洋大橋、福廈鐵路泉州灣跨海大橋再到常泰長江大橋，中國交建已經駛入大智造時代發展的快車道，智能建造在企業內逐漸從“我能”變為“我要”！