簡陽沱江特大橋設計圖。
長江沿岸鐵路集團四川公司供圖
信息化調度中心內，工作人員在進行虛擬拼裝。
朱柯宇攝
工人在橋面進行焊接作業。
張耀川攝
正在建設的簡陽沱江特大橋。
本報記者 王永戰攝
一條沱江，清水悠悠。橋面，錘聲連連，焊花四落；橋下，鋼柱林立，江水緩流。站在岸邊高坡遠望，一座巨“弓”初具雛形，安臥在橋墩之上。
這是成渝中線高鐵建設現場，眼前的巨“弓”便是簡陽沱江特大橋的雛形。成渝中線高鐵是長江沿江高鐵的重要組成部分，全線長292公里，建成后，將使成渝通行時間縮短至50分鐘。簡陽沱江特大橋是其中的關鍵控制性工程，主拱計算跨徑320米，邊拱計算跨徑72米，是一座無推力組合拱橋。
無推力組合拱橋如何設計？建設中有何難點，如何突破？近日，本報記者進行了探訪。
創新設計
基于泥巖、砂巖地質條件和通航需求，確定無推力組合拱橋設計方案
“弓”臂湛藍，“弓”弦平順。水面岸邊，兩座巨型橋墩供巨“弓”安臥。在簡陽沱江特大橋建設現場，數十米高的橋面上，藍色主拱緩緩向前延伸。工人手持焊槍，藍光閃耀，焊花綻放。
“這座拱橋的主拱橫跨320米,每幅拱肋由4根鋼管構成，管內灌注混凝土。”走上大橋，負責橋梁設計的中鐵二院高級工程師彭福兵娓娓道來，“主拱所有的水平力都由鋼箱系梁承擔，主拱對基礎不產生水平推力，并且大橋由鋼管混凝土主拱、鋼箱—混凝土邊拱、鋼箱系梁等組合而成，所以叫無推力組合拱橋。”
為何選擇無推力組合拱橋，又如何設計？彭福兵坦言，“方案設計大費周折。”
2020年，中鐵二院的設計團隊就開始圍繞成渝中線如何跨越沱江展開研究。團隊來到四川簡陽石鐘鎮的沱江岸邊觀察——河岸寬闊，足足有300米，河中水流緩慢，河兩岸低山丘陵遍布。
“經我們鉆探勘察發現，沱江兩岸地層以泥巖和砂巖為主，地基承載力較差。”彭福兵說，基于這樣的地質條件，常規的有推力拱橋方案便不宜采用。
同時，沱江未來有通航需求，又對橋梁主跨提出要求。“所以設計還要考慮盡量減少橋墩，減少對通航的影響。”彭福兵說。
2021年8月，新建成渝中線鐵路可行性研究報告批復，工程開工日漸臨近，橋梁設計也變得十分緊迫。怎么辦？設計室里，中鐵二院十多人的設計團隊整理地形資料和橋梁設計資料，展開頭腦風暴。彼時，擺在團隊面前有兩個選擇：嘗試無推力組合拱橋設計或采取斜拉橋的設計方式。
若采用斜拉橋設計，開挖量大，施工周期長，成本較高，但設計經驗相對豐富；采用無推力組合拱橋設計，開挖量少，施工周期短，成本較低，但設計經驗不足。“綜合權衡橋梁安全性、經濟性和施工可行性后，我們最終確定無推力組合拱橋的設計方案。”彭福兵說。
橋梁設計緊鑼密鼓地展開。設計團隊反復分析受力結構，確定橋墩位置，明確拱橋主跨長度；同時，制出800多張設計圖，從立面、斷面等不同角度展示橋梁結構。最終，一套可靠詳實的無推力組合拱橋設計方案逐漸成形。
數字建模
利用建筑信息模型，通過提前虛擬拼裝和實時監測調整，精準提升巨型主拱
橋上，藍色拱肋伸向天際。橋下，巨型支架密密麻麻。如何讓每一節拱肋向上生長？工程師們花了不少心思。
來到沱江特大橋的堆場，眼前，每節拱肋長達12米，由4根直徑1.1米的鋼管構成。在拱肋鋼管內，還將澆筑大量混凝土用以受力。未來，這些拱肋將被提升至大橋上，組成主拱。
“由于鋼管眾多，每一節拱肋在焊接時都會有焊縫，也可能存在尺寸誤差。若等拱肋送到橋上再解決誤差問題，就會大幅增加施工難度。”中鐵大橋局成渝中線站前五標段總工馬天亮說。
如何解決這一難題？施工團隊嘗試將建筑信息模型（BIM）和虛擬拼裝技術結合，提高組合拱拼裝和提升效率。
大屏幕上，虛擬的橋梁模型位于中央，兩側列著鋼管拱提升參數、應力監測、鋼管拱姿態等數據指標。
“模擬組合！”馬天亮一聲令下，工人點擊按鈕，一段拱肋進行虛擬拼裝。
“總工，虛擬拼裝結果顯示，鋼管拱姿態正常，符合提升前的精準拼接需求。”
如此情景，在施工現場時常上演。這種虛擬拼裝如何實現？原來，工人已利用數字采集設備進行掃描，將每一節拱肋數字化，然后將數據傳輸至系統內，便能進行虛擬拼裝。
長江沿岸鐵路集團四川公司科技創新帶頭人胡鵬說，施工團隊引入地理信息系統（GIS），將鐵路沿線施工資料數字化，實現了鐵路施工的數字孿生，建成了建筑信息模型系統。
消除提升前的潛在誤差，只是完成精準提升工作的第一步。
“施工中，我們要將跨度174米、重達2400噸的鋼結構大節段鋼拱一次性提升，怎么實現？”馬天亮賣了個關子。
原來，常規方式下，施工團隊要用千斤頂提升，提升時的各點位承受重量要進行人工計算，以保證提升時的平衡。現在，團隊把一套基于建筑信息模型系統的智能監測設備布設在各個提升點位上，提升時數據及時反饋，當點位出現相對高差并達到限值時，系統便能立刻調整各吊點的相對高差，實現提升過程中的穩定和精準。“現在，我們的高差控制精度已達到毫米級。”馬天亮說。
高效組合
引入智能化螺栓施擰和混凝土智能溫控技術，保障不同材料組合質量
橋面緩緩向前延伸，巨型組合拱旁，工人穿梭來往。站在沱江特大橋上，仔細看，已建成的拱肋靠一顆顆螺栓緊緊“攥”在一起。
一座鐵路大橋，擁有約7.2萬套高強度螺栓。螺栓雖小，作用巨大。
中午時分，橋面溫度高達50多攝氏度。工人們身著工服，汗水浸透了里衣。他們冒著高溫，揮動扳手，將一顆顆螺栓施擰到位。
如何讓每一顆螺栓精準施擰，保證主拱部件高效組合？施工隊伍為高強度螺栓配上了一個智能施擰系統。
組合拱上，不同位置的螺栓設定扭矩有所不同，智能化施擰系統為每一個螺栓都匹配了編號，并明確輸入了相應螺栓的設定扭矩。工人使用智能化扳手施擰螺栓后，通過傳感器感應，螺栓的施擰扭矩和施工時間就得以回傳系統。
“在我們的建筑信息模型系統上，每個螺栓的位置和擰緊狀態都能清晰展示。”馬天亮說，這樣就實現了對每個螺栓施擰狀態的全面掌控，避免漏擰、欠擰和超擰現象。
不僅要讓螺栓“攥”住不同主拱部件，也要讓鋼管與混凝土充分組合。材料不同，性能各異，怎么確保不同材料的高效組合？
馬天亮把手指向了施工項目部大屏幕上的智能溫控系統，混凝土溫度、流量等參數依次展示。“內部混凝土溫度過高，增加冷卻水管通水流量。”傳感器監測到混凝土溫度異常后，智能溫控系統自主啟動對冷卻水管通水時長和流量的調節。
“大體積混凝土澆筑進鋼管后，如果混凝土內外溫差過大，存在開裂風險，嚴重影響組合拱的質量。”馬天亮說，引入智能溫控系統后，工人在澆筑混凝土時，在鋼管內埋設了溫度傳感器和冷卻水管，傳感器實時采集混凝土參數，系統根據智能溫控算法，自動控制冷卻水管通水時長和流量，精準控制混凝土降溫速率。“這樣，冷卻過程實現智能化、無人化。”馬天亮說，目前已完成超5000立方米的混凝土智能溫控。
今年下半年，沱江特大橋即將合龍。當包含不同部件和材料的巨型組合拱精準提升、高效組合，這座中承式無推力組合拱橋將等待第一趟高鐵列車飛馳而過。
