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“巨无霸”架桥禁区架高桥

时间:2022/4/25    来源:中国纪检监察报    作者:佚名

 “巨无霸”架桥禁区架高桥

  安海湾跨海大桥合龙、湄洲湾跨海大桥顺利铺轨……连日来,福厦高铁捷报频传。

  作为国内首条跨海高铁,福厦高铁设计时速350公里,全长超277公里,是我国“八纵八横”高铁主通道沿海通道的组成部分,也是世界车速最高的跨海铁路。

  问鼎“世界之最”,背后离不开一系列先进技术和装备的支撑,尤其是先进的桥梁建造技术和装备。

  据介绍,福厦高铁先后跨越湄洲湾、泉州湾、安海湾三个海湾,以及多条高等级公路和既有铁路,正线新建桥梁84座,被业内称为“桥梁博物馆”。在福厦高铁重点控制性工程——湄洲湾跨海大桥建造施工中,由中国铁建研发设计制造的世界首台千吨级高铁桥梁运架一体机“昆仑号”首次亮相。

  这个被称为钢铁“巨无霸”、高铁基建“金刚钻”的架桥神器有何特别之处?它是如何解决高铁桥梁施工难题的?记者近日采访了中铁第五勘察设计院集团有限公司“昆仑号”研发设计项目有关负责同志。

  1

  架桥机中的“全能选手”

  集提、运、架于一体,可用于24米、32米、40米三种不同跨度的箱梁施工

  福建湄洲湾,碧波万顷。跨海大桥如一条巨龙横亘在海面之上。

  4月15日,总长14.7公里、海域施工长度10.8公里的湄洲湾跨海大桥顺利铺轨。这是我国首座跨海高铁矮塔斜拉桥,也是我国首条采用40米箱梁建设的跨海高铁大桥,标志着高铁建造技术的重大提升和突破。

  据介绍,在建造湄洲湾跨海大桥时,为提高效率,工程团队采用的是先建造塔柱,然后在桥墩之间架设长40米、重1000吨箱梁的方法施工,就像“搭积木”。

  而架设长40米、重千吨箱梁所使用的大家伙——“昆仑号”,就出自铁五院研发设计团队之手。

  “昆仑号”,世界首台千吨级高铁桥梁运架一体机。它的诞生源于高铁高架桥建设标准的发展。

  业内专家告诉记者,中国修建高速铁路一般都会建造高架桥,不仅可以降低复杂地形对高速铁路的制约,还可以减少对耕地的占用、对居民生活的影响,而且更加安全。

  架设高铁高架桥有着专门的装备,即架桥机。在湄洲湾跨海大桥之前,中国大部分高铁高架桥使用的都是长32米、重约900吨的箱梁。相对应的,架桥所使用的架桥机最大载重量只有900吨。

  然而,随着中国高铁不断提速,未来高铁时速将超过350公里,甚至达到400公里。为了减少高架桥箱梁段拼接缝的共振节点,工程设计师将高架桥的箱梁段长度从32米增长到40米,而这一长度也将成为未来中国高铁高架桥的建造标准之一。

  “湄洲湾跨海大桥使用40米箱梁段,每公里可减少6个桥墩,占地面积减少20%、投资降低15%,而且还可大大缩短建设周期、增加桥跨布置的灵活性。”铁五院总工程师、铺架技术及装备研发中心主任谌启发表示。

  在更快速、更低碳、更经济的目标下,箱梁标准必须实现从32米到40米及更大跨度的跨越。但长40米的箱梁段重达1000吨,相当于3架空客A380的重量。目前中国的铁路架桥装备没有能力吊装这么重的梁段。怎么办?

  研发新型架桥装备!

  “别看长度就增加8米,结构难度可是几何量级地增长。”铁五院铺架技术及装备研发中心常务副主任、“昆仑号”研发设计项目技术主要负责人万鹏告诉记者,2016年,“高速铁路大跨度简支箱梁建造关键技术研究”课题组成立,他们主攻的就是运架一体机的研发。

  “‘逢山凿路、遇水架桥’的横幅一直挂在科研团队集中办公的房间。”万鹏回忆。经数年科研攻关,路桥隧频繁转换、运梁过隧、大坡度小曲线等一系列关键技术难题被突破,“昆仑号”顺利诞生。铁五院纪委开展专项督查,保证了课题有序推进。

  “以前,架设一座高架桥需要提梁机、运梁车、门式起重机、架桥机等多台重型装备通力合作,一个环节配合不到位,都会卡住制运架生产线。而‘昆仑号’的诞生,可以集提梁、运梁、架梁等功能于一体,成为我国目前功能最全的高铁桥梁施工设备。”万鹏说。

  不仅如此,“昆仑号”还可以满足24米、32米、40米三种不同跨度的高铁箱梁施工作业,比传统架桥机节省近一半的投入成本,被誉为架桥机里的“全能选手”。

  2

  穿山过隧、跨江渡海

  “昆仑号”结构紧凑、形体修长,钢材强度大,能吊起千吨巨型箱梁

  “不仅可以海中架桥,还可以快速过隧,甚至能够在隧道中架桥。”说起“昆仑号”的与众不同,铁五院副总工程师、“昆仑号”研发设计项目设计总师梁志新侃侃而谈。

  然而,记者了解到,国内供时速350公里高铁列车通行的隧道横截面是一个宽14.7米、高12.2米的圆弧形。在“昆仑号”之前,国内能吊装900吨箱梁段的架桥机长69.4米、宽18.5米、高13.1米,如果想要通过隧道,必须拆卸后使用其他载重设备运过隧道,更别提在隧道内架桥施工了。

  新型架桥机的载重量更大,如果要想具备足够的吊装能力,就需要加宽加高。如此一来,过隧道都是个难题,又怎能实现在隧道中架桥呢?

  “在现有架桥机的基础上进行改进的方案根本行不通。”梁志新坦言,随着中国高铁网络逐渐向西南、西北等山岭众多的地区覆盖,施工工况越来越复杂,不仅要求架桥装备的载重量越来越大,而且还要能够穿山过隧、跨江渡海,在任何工况下都能架设高铁高架桥,“尤其是在西南喀斯特地貌地区,建造隧道时常常会遭遇大的溶洞和暗河,这就需要架桥机能够在隧道中架桥。”

  既要能够吊装更重的箱梁段,又要缩小尺寸。新型架桥机如何解决这一矛盾?设计师们决定打破传统架桥机的“门”字形或框架式结构,“另起炉灶”。

  经过不断修改与验证,新型架桥机“出炉”:由15000多件零部件焊接而成,长约116米,相当于4节高铁车厢;高约9.2米,相当于三层楼的高度;宽约7.9米。

  “外形像一辆修长的导弹车,前后两段车体,中间由一根长104米的巨型钢梁连接。”万鹏告诉记者。

  如此结构紧凑、体形修长的架桥机如何吊起重达1000吨的箱梁?“昆仑号”所使用的新型材料是关键。

  “一身‘钢筋铁骨’,‘昆仑号’使用的钢材强度非常大,每平方毫米能够承受超过78千克的重量。”据万鹏介绍,架设高架桥时,新型架桥机首先移动到两个桥墩之间,伸出支腿固定在桥塔上,然后吊起巨型箱梁,在半空中同已经建造好的桥梁进行精准对位。如果架桥机的强度不够,就可能因为无法承受箱梁的重量被拉弯,甚至发生倾翻事故。

  工程师们与钢厂合作,用6个月的时间研发出了新型特种钢材——GT785高强度合金钢。

  中铁十一局集团汉江重工有限公司装备制造厂有关负责人介绍,在重量相近的情况下,“昆仑号”机身主材所使用的钢板比传统钢板强度提升70%。与此同时,施工人员创新焊接工艺,探索出“焊前升温、焊中控温、焊后保温”的加工技术,保证了“昆仑号”的施工质量。

  “传统架桥机不具备连续自行能力,每架设完一段箱梁,需要施工人员铺设滑轨,在驱动系统的帮助下向前行进,还是无法方便快捷地通过隧道。”万鹏介绍,为解决这一问题,他们给新型架桥机加装了动力系统,在前后车体共加装了42对轮组,让它能够像汽车那样在驾驶员的操作下行进。

  “1000吨重的箱梁相当于200头成年亚洲象,运输车载不下、起重机拉不起、火车也拖不动,但‘昆仑号’却可以轻易抱起来翻山越岭,由梁场运送至架梁工位精准落梁。”万鹏说。

  3

  精准转向、自动纠偏

  北斗定位系统、智能控制系统,“昆仑号”装上了“大脑”和“神经”系统

  提着箱梁到达架设现场,前端的立柱在驱动下到达并稳稳支在前方桥墩上,起重构件举起千吨箱梁往前行进42.5米,到达落梁位置,稳稳落下……湄洲湾跨海大桥架设工程,是“昆仑号”首次接受实战检验。类似这样的施工流程,它重复了298次,平均误差在5毫米以内。

  全年有150天左右可达六级以上大风,一年之中有效施工天数不足200天……在被称为“造桥禁区”的湄洲湾,“昆仑号”实现如此精准的作业,离不开其智能控制系统。

  小向是“昆仑号”的驾驶员。驾驶新型架桥机搭载重达千吨的箱梁段到数千米之外的大海之上铺设高架桥,不是一件容易的事情。

  据介绍,湄洲湾跨海大桥宽12.6米,但是除去道路护栏占用的宽度,可供“昆仑号”行驶的空间仅有9米,而其左右轮胎之间的距离就有约8米。行驶过程中,只要轮子稍有偏转,架桥机就会撞上护栏,甚至冲进大海。

  不仅如此,看起来像一条直线的湄洲湾跨海大桥,实际上是顺着海浪的方向规划设计的,存在着弯道。这也就意味着“昆仑号”在行驶过程中需要转弯,给驾驶员带来了更大的挑战。

  对于车身长、轮组多的车辆,转弯是个大麻烦,必须精准控制每对轮组转弯的角度、速度。否则,就可能使车辆行进的方向发生偏移。如何控制每对轮组的转向?工程师们给“昆仑号”装上了“大脑”和“神经”系统。

  架桥机行驶和转弯的所有状态,以数据和指令的方式存储在“大脑”之中,驾驶员可以通过驾驶室显示屏上的数据,看到架桥机的工作状态。与此同时,工程师们给“昆仑号”加装了大量传感器,“就像人身体中的神经元,可以在最短时间内接收到控制系统发出的指令。”专家介绍。

  为进一步确保“昆仑号”在行驶和转弯过程中的安全,项目团队还研发出一套自动纠偏系统,可对轮组在行驶过程中的角度进行自动纠偏,这样一来大大简化了驾驶员的操作,驾驶员只需要发出简单的操作指令,就能控制架桥机安全行驶、灵活转向。在智能控制系统的帮助下,“昆仑号”在狭窄桥面上行驶的最高时速可达到40公里。

  除了轮组的自动纠偏之外,工程师们还为吊装设备加装了自动纠偏系统。

  “长40米、重达千吨的箱梁段在吊装过程中必须保持水平,如果在空中发生偏斜,架桥机吊装设备的4个吊点就会受力不均。如果偏差太大,箱梁段的重量可能会拉弯甚至折断吊装设备。”研发人员介绍,采用自动纠偏系统的吊装设备,4个吊点距离地面的高度偏差可保持在4厘米之内,相较于人工纠偏时的30厘米偏差,最大限度保证了箱梁段在吊装时的平衡和安全。

  自动避障系统、北斗定位系统、实时监测系统……一系列先进技术的应用,助力中国工程建造技术实现升级跨越,大大提高了湄洲湾跨海大桥的施工效率。

  一条新的交通要道正不断伸向远方,中国高铁正加速跨入一个新时代。

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