成渝中线高铁项目团队突破无推力组合拱桥设计施工难点——
智能拼装，建设跨江巨“弓”（工匠绝活·我在重大工程一线）
《人民日报》记者 王永战
简阳沱江特大桥设计图。长江沿岸铁路集团四川公司供图
信息化调度中心内，工作人员在进行虚拟拼装。朱柯宇摄
工人在桥面进行焊接作业。张耀川摄
正在建设的简阳沱江特大桥。记者 王永战摄
一条沱江，清水悠悠。桥面，锤声连连，焊花四落；桥下，钢柱林立，江水缓流。站在岸边高坡远望，一座巨“弓”初具雏形，安卧在桥墩之上。
这是成渝中线高铁建设现场，眼前的巨“弓”便是简阳沱江特大桥的雏形。成渝中线高铁是长江沿江高铁的重要组成部分，全线长292公里，建成后，将使成渝通行时间缩短至50分钟。简阳沱江特大桥是其中的关键控制性工程，主拱计算跨径320米，边拱计算跨径72米，是一座无推力组合拱桥。
无推力组合拱桥如何设计？建设中有何难点，如何突破？近日，本报记者进行了探访。
创新设计
基于泥岩、砂岩地质条件和通航需求，确定无推力组合拱桥设计方案
“弓”臂湛蓝，“弓”弦平顺。水面岸边，两座巨型桥墩供巨“弓”安卧。在简阳沱江特大桥建设现场，数十米高的桥面上，蓝色主拱缓缓向前延伸。工人手持焊枪，蓝光闪耀，焊花绽放。
“这座拱桥的主拱横跨320米,每幅拱肋由4根钢管构成，管内灌注混凝土。”走上大桥，负责桥梁设计的中铁二院高级工程师彭福兵娓娓道来，“主拱所有的水平力都由钢箱系梁承担，主拱对基础不产生水平推力，并且大桥由钢管混凝土主拱、钢箱—混凝土边拱、钢箱系梁等组合而成，所以叫无推力组合拱桥。”
为何选择无推力组合拱桥，又如何设计？彭福兵坦言，“方案设计大费周折。”
2020年，中铁二院的设计团队就开始围绕成渝中线如何跨越沱江展开研究。团队来到四川简阳石钟镇的沱江岸边观察——河岸宽阔，足足有300米，河中水流缓慢，河两岸低山丘陵遍布。
“经我们钻探勘察发现，沱江两岸地层以泥岩和砂岩为主，地基承载力较差。”彭福兵说，基于这样的地质条件，常规的有推力拱桥方案便不宜采用。
同时，沱江未来有通航需求，又对桥梁主跨提出要求。“所以设计还要考虑尽量减少桥墩，减少对通航的影响。”彭福兵说。
2021年8月，新建成渝中线铁路可行性研究报告批复，工程开工日渐临近，桥梁设计也变得十分紧迫。怎么办？设计室里，中铁二院十多人的设计团队整理地形资料和桥梁设计资料，展开头脑风暴。彼时，摆在团队面前有两个选择：尝试无推力组合拱桥设计或采取斜拉桥的设计方式。
若采用斜拉桥设计，开挖量大，施工周期长，成本较高，但设计经验相对丰富；采用无推力组合拱桥设计，开挖量少，施工周期短，成本较低，但设计经验不足。“综合权衡桥梁安全性、经济性和施工可行性后，我们最终确定无推力组合拱桥的设计方案。”彭福兵说。
桥梁设计紧锣密鼓地展开。设计团队反复分析受力结构，确定桥墩位置，明确拱桥主跨长度；同时，制出800多张设计图，从立面、断面等不同角度展示桥梁结构。最终，一套可靠详实的无推力组合拱桥设计方案逐渐成形。
数字建模
利用建筑信息模型，通过提前虚拟拼装和实时监测调整，精准提升巨型主拱
桥上，蓝色拱肋伸向天际。桥下，巨型支架密密麻麻。如何让每一节拱肋向上生长？工程师们花了不少心思。
来到沱江特大桥的堆场，眼前，每节拱肋长达12米，由4根直径1.1米的钢管构成。在拱肋钢管内，还将浇筑大量混凝土用以受力。未来，这些拱肋将被提升至大桥上，组成主拱。
“由于钢管众多，每一节拱肋在焊接时都会有焊缝，也可能存在尺寸误差。若等拱肋送到桥上再解决误差问题，就会大幅增加施工难度。”中铁大桥局成渝中线站前五标段总工马天亮说。
如何解决这一难题？施工团队尝试将建筑信息模型（BIM）和虚拟拼装技术结合，提高组合拱拼装和提升效率。
大屏幕上，虚拟的桥梁模型位于中央，两侧列着钢管拱提升参数、应力监测、钢管拱姿态等数据指标。
“模拟组合！”马天亮一声令下，工人点击按钮，一段拱肋进行虚拟拼装。
“总工，虚拟拼装结果显示，钢管拱姿态正常，符合提升前的精准拼接需求。”
如此情景，在施工现场时常上演。这种虚拟拼装如何实现？原来，工人已利用数字采集设备进行扫描，将每一节拱肋数字化，然后将数据传输至系统内，便能进行虚拟拼装。
长江沿岸铁路集团四川公司科技创新带头人胡鹏说，施工团队引入地理信息系统（GIS），将铁路沿线施工资料数字化，实现了铁路施工的数字孪生，建成了建筑信息模型系统。
消除提升前的潜在误差，只是完成精准提升工作的第一步。
“施工中，我们要将跨度174米、重达2400吨的钢结构大节段钢拱一次性提升，怎么实现？”马天亮卖了个关子。
原来，常规方式下，施工团队要用千斤顶提升，提升时的各点位承受重量要进行人工计算，以保证提升时的平衡。现在，团队把一套基于建筑信息模型系统的智能监测设备布设在各个提升点位上，提升时数据及时反馈，当点位出现相对高差并达到限值时，系统便能立刻调整各吊点的相对高差，实现提升过程中的稳定和精准。“现在，我们的高差控制精度已达到毫米级。”马天亮说。
高效组合
引入智能化螺栓施拧和混凝土智能温控技术，保障不同材料组合质量
桥面缓缓向前延伸，巨型组合拱旁，工人穿梭来往。站在沱江特大桥上，仔细看，已建成的拱肋靠一颗颗螺栓紧紧“攥”在一起。
一座铁路大桥，拥有约7.2万套高强度螺栓。螺栓虽小，作用巨大。
中午时分，桥面温度高达50多摄氏度。工人们身着工服，汗水浸透了里衣。他们冒着高温，挥动扳手，将一颗颗螺栓施拧到位。
如何让每一颗螺栓精准施拧，保证主拱部件高效组合？施工队伍为高强度螺栓配上了一个智能施拧系统。
组合拱上，不同位置的螺栓设定扭矩有所不同，智能化施拧系统为每一个螺栓都匹配了编号，并明确输入了相应螺栓的设定扭矩。工人使用智能化扳手施拧螺栓后，通过传感器感应，螺栓的施拧扭矩和施工时间就得以回传系统。
“在我们的建筑信息模型系统上，每个螺栓的位置和拧紧状态都能清晰展示。”马天亮说，这样就实现了对每个螺栓施拧状态的全面掌控，避免漏拧、欠拧和超拧现象。
不仅要让螺栓“攥”住不同主拱部件，也要让钢管与混凝土充分组合。材料不同，性能各异，怎么确保不同材料的高效组合？
马天亮把手指向了施工项目部大屏幕上的智能温控系统，混凝土温度、流量等参数依次展示。“内部混凝土温度过高，增加冷却水管通水流量。”传感器监测到混凝土温度异常后，智能温控系统自主启动对冷却水管通水时长和流量的调节。
“大体积混凝土浇筑进钢管后，如果混凝土内外温差过大，存在开裂风险，严重影响组合拱的质量。”马天亮说，引入智能温控系统后，工人在浇筑混凝土时，在钢管内埋设了温度传感器和冷却水管，传感器实时采集混凝土参数，系统根据智能温控算法，自动控制冷却水管通水时长和流量，精准控制混凝土降温速率。“这样，冷却过程实现智能化、无人化。”马天亮说，目前已完成超5000立方米的混凝土智能温控。
今年下半年，沱江特大桥即将合龙。当包含不同部件和材料的巨型组合拱精准提升、高效组合，这座中承式无推力组合拱桥将等待第一趟高铁列车飞驰而过。
原载于《人民日报》（2025年05月08日 第06版）
