工程师执意在悬索桥上建高铁，逼出两个世界之最

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作者| 须臾千秋，清华大学土木工程博士

高铁如何过大江？

在过去，几公里宽的长江就是一道天堑，无数英雄豪杰面对长江也只得折戟沉沙。不过如今，在先进工程技术的加持下，越来越多的大桥飞架南北，让天堑变成通途。

2016年开始建造的连淮扬镇五峰山公铁大桥，作为八车道高速公路和四线高铁过江的大运量综合铁路通道，就是长江上的第三座公铁两用大桥。

长江大桥有什么稀奇？我们都有了好几座了。您别说，这座五峰山公铁大桥还真是够“稀奇”，原因就在于，它是一座悬索桥。

（一）悬索桥上跑高铁，这还是头一遭

悬索桥是最经典的现代桥梁形式之一。

它是以通过索塔悬挂并锚固于两岸的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁。靠着缆索承力，悬索桥将桥面本身的重量和交通工具的荷载通过细细的吊索吊在“粗绳”上。这样。桥面的重力与交通的载荷就沿着这根吊索传到了两端高耸的索塔上，进而传给地面。

世上的悬索桥千千万，五峰山大桥又有什么稀奇？说白了，五峰山大桥与一般的桥梁最大不同就在于，这条悬索桥要跑高铁，这可是悬索桥的“大忌讳”。

（一条普通的公路悬索桥）

原来，悬索桥属于典型的柔性结构。虽然在我们看来，它与其它大桥一样，都是无比坚硬的。但从力学的角度来看，在上千米的尺度上，悬索桥是一种非常轻盈的结构，有很大的变形空间。

对于公路桥来说，这种柔性是一件好事，它会使得悬索桥在内、外力的作用下“宁弯不折”，即使遭遇地震、沉降等自然灾害也不易损坏；并且，对于只有几吨、几十吨重的汽车来说，它们所造成的悬索桥变形是微不足道的，不会影响通行。

（悬索桥受力变形夸张示意图。它的抗变形能力很强）

然而，一列高铁的重量百倍于汽车。当它通过时，相当于给大桥在短时间内施加了一个巨大的荷载，这时轻盈的悬索桥就有些吃不消了，通常会产生较大的变形。

（上面跑汽车，下面跑高铁）

可高铁的运行恰恰对变形还特别敏感：由于需要高速运行，高铁道路必须保持相当的刚度，任何一点小小的变形都可能会导致高铁的运行不稳甚至事故。因此，有些教材甚至直截了当地说“悬索桥不宜用作铁路桥梁”。

悬索桥和高铁“五行犯冲”，但工程师们又不得不选择它。这是为什么呢？

原来，五峰山大桥所路过的镇江段是长江的主航道，每天都要通过大量的万吨巨轮，桥梁必须要给船只腾出足够的航道出来。架空高，这正是悬索桥的强项，传统的拱桥想要满足这一点就不容易。

另一方面，这里地处长江的下游，两岸的宽度太大，而过大的跨度对于另一种现代桥梁形式——斜拉桥而言又是一项巨大的挑战，但长跨度却是悬索桥的强项。

因此，五峰山长江大桥的设计与修建难度极高，可工程师们还是必须迎难而上。

（五峰山大桥主桥长达1.4公里，这一长度的大桥很难有悬索桥以外的选择）

（二）支撑高铁的唯一办法：把柔软的大桥变“硬”

想要修能跑高铁的悬索桥，就要强行把柔软的悬索桥板给变“硬”。说的直观一点，就是把原来单薄的桥板给改成桁架。

（桁架悬索桥示意图）

这是一个什么样的原理呢？举个例子，我们对一张纸进行弯折，那么无论这张纸有多结实，即使是坚硬的牛皮纸，也会很容易地被捏成各种形状。

（纸壳板的结构）

然而，对于一个纸壳板而言，虽然它的结构只有三层质量并不好的纸，但由于中间的一层被规律地弯折了起来，整个纸壳板的硬度就被大大地增强了。这层被弯折的纸壳板就类似于大桥的桁架，它可以起到支撑桥面的作用，让原本柔软的桥面板变得非常坚硬。

（一处典型的桁架桥）

就这样，利用桁架+悬索，五峰山公铁大桥变不可能为可能，成为了世界首座高速铁路悬索桥。

（三）变“硬”的悬索桥重量增加好几倍，如何吊起？

桁架有多好，地球工程师都知道。既然如此，那高铁悬索大桥岂不是就没问题了吗？不不不，用了桁架之后，大桥的难度值更高了，其中最重要的，就是原本轻盈的悬索桥变重了许多。

悬索桥之所以能靠两根悬索拉起来，很大程度上就是因为它轻盈的桥身。用了桁架后，大桥的重量陡增了几倍，整座大桥用了106万方混凝土，8.5万吨钢筋，10万吨钢结构构件以及3.3万吨主缆钢丝，更别说每隔三五分钟还有一列八百多吨的高铁轰轰轰地疾驰而过，带来巨大的动荷载。

一座大桥的建筑材料用量比人家一个小区还多，这么重的大桥，怎么吊得起来？

拉大桥的悬索当然首先含糊不得。

国际上通用的主缆钢丝强度通常不超过1860兆帕，而五峰山大桥主缆采用的是最新研制的新型主缆钢丝，强度则超过了1960兆帕，各项性能也远优于普通主缆钢丝。大桥的主缆粗达1.3米，是全世界最粗的主缆，与之相配合的还有世界最大的紧缆机和缠丝机。

主缆的线型控制、吊装精度都位于世界前列，因此，主缆的强度是大可不必操心的。

（大桥的主缆）

（紧缆机）

悬索可以加粗，索塔可以加重。这些对于中国经验丰富的工程师来说都不是什么大问题。但是，悬索的两端是要通过锚碇埋在两岸的土体里的，这些锚碇如同大桥的“秤砣”，需要平衡整座大桥的重量。但这些锚碇始终受到的是向侧方向外拔的力，它的稳定要受到自重、地基稳定性等多方面的影响。

比较要命的是，长江两岸还多为疏松的软塑状淤泥，锚碇很难固定住。锚碇是悬索桥的重中之重，要是锚碇发生了松动，悬索掉了下来，那整个大桥就会完全失去支撑，直至垮塌。

为了增强锚碇的稳定性，工程师们采用沉井法对锚碇基础进行施工。所谓沉井法，是将井筒状的基础结构物预先放在基础设计的指定地点，在井内进行挖土，依靠井筒基础的自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后用混凝土封底，将井填满，这样，沉井就成为了所设计结构的基础。

采用沉井法对基础进行施工，埋置深度可以很大，这样使得基础的整体性强，稳定性好，能够承受较大的斜向拉力，技术上比较稳妥可靠，正适合于悬索桥锚碇的基础。

此外，沉井除了作为基础，还可以作为施工时的挡土和挡水结构物，下沉过程中无需单独设置这些支撑，简化了施工。

然而，沉井的施工难度也很大。在施工中，由于偶然的操作失误或者流沙等自然现象，很容易造成沉井倾斜或者下沉困难等情况。尤其是在长江边，锚碇区的位置曾经正是养鱼、养螃蟹的水塘，覆盖层上部软塑状、流塑状淤泥质粘土层厚达8.4米，使得沉井很容易发生突沉现象，引发安全质量问题。

（令工程师们头疼的淤泥质粘土）

为了处理这种危险的土质，工程师们先对水塘进行了抽水和清淤，将这里的水分排干；随后，将各个水塘分别作为吹填池，将地基中的土改造成有一定强度的适宜土体。在适宜的地方，还堆放了大量的混凝土垫块以消除沉井的不均匀沉降。

（四）用世界最大的沉井来稳定桥身：妥妥的

周围的土体改善了，锚碇本身的素质也很重要。

能够镇得住整条长达1.4公里的五峰山大桥，锚碇沉井想必不会轻吧？

何止不轻，事实上，五峰山大桥的北锚碇重达133万吨，是世界最大的陆地深沉井。

它总长100.7米、宽72.1米、高56米，面积如同足球场般大小。这只锚碇的重量，大约相当于2400万人体重的总和，这相当于是让全上海的人一同拉着，才支撑起整座大桥。

（五峰山大桥的锚碇，俨然是一个实心的大楼）

由于锚碇的尺寸实在太大，无法一次建设完成，工程中采用吸泥下沉、逐级接高的方式进行施工，最终将这样一座“实心的万达广场”沉到了地底下。

结语

通过桁架、沉井等设计，在柔软的悬索桥上跑高铁的难题被中国工程师们成功攻克，五峰山大桥预计将于2020年8月全线建成投入使用。

届时，从连云港到镇江只需一个半小时即可到达，江苏城市群的时空距离将大大缩小。一直以来交通不便的扬州也将进一步接轨苏南，融入上海一小时经济圈。

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　　编辑| 李沁，史文慧