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[国内桥梁] 铁路史上的工程奇迹——成昆铁路桥梁的发展史 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2017-4-17 11:26:12 |显示全部楼层 |          |
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       半个世纪以前,在我国西南地区的崇山峻岭之间,我国铁路建设大军克服千难万险,修建了一条极不平凡的铁路——成昆铁路(成都到昆明)。它是在我国国民经济基础和工程技术力量还较薄弱的情况下,自然条件最复杂、条件最艰苦的地区和环境中修建的。它的建成,除了重大的政治和经济意义之外,对于我国铁路建设,以及铁路桥梁的发展有着深远影响。
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时代背景

回溯上世纪60年代,我国西南地区掀起了一场规模空前的建设高潮。1964年8月,出于对国际形势的分析及战略的考虑,中央决定将一部分对国家经济及国防建设有重大影响的电子、能源、航空、军工等相关工业相继内迁至西南、西北等战略纵深地区。这场“工业大搬迁”以“大三线建设”之名(“一线”是指沿海地区,“二线”是指中部地区,“三线”是指长城以南、广东韶关以北、京广铁路以西、甘肃乌鞘岭以东的广大地区。其中四川、云南、贵州及湘西、鄂西为“西南三线”。) 三线建设的最重要项目是两个基地及一条铁路干线(“两基一线”)——以重庆为中心的常规兵器工业基地和以攀枝花为中心的钢铁工业基地,以及修建成昆铁路干线。被载入史册。

成昆铁路是一条有特殊意义的工程。除了特殊年代所赋予的重大战略意义外,它的前期勘察工作历时之长、工作规模之大,在我国铁路建设史上绝无仅有。

新中国成立后,成昆铁路的建设被提上议事日程。从1952 年下半年前期勘察工作开始,铁道部及地质部先后调集了5000 多名工程地质勘测人员,完成了1.48万平方千米的地质测绘, 钻探量达21.27万米,经过多次商讨,最终确定了线路。线路确定后,又经过两年的努力,勘测比较线路1.1万千米,制定大小比选方案300多个,基本绘制出线路蓝图。当时的勘测设计规模,在中国铁路史上可谓空前绝后。

成昆铁路是铁路史上罕见的最复杂艰巨的铁路工程之一。铁路全长1090.9千米,北起四川成都,南达云南昆明。为了克服山岳河谷地带高差,线路必须利用螺旋形、圆形、灯泡形展线。原因其一是所穿越地区的地质、水文、地形地貌等自然条件极为复杂严酷;其二是受当时我国铁路施工技术水平的局限。在铁路选线时,为避免修建长大隧道而不得不使线路左拐右弯:同一条线路,除2次跨越大渡河、1次跨越金沙江外,13次跨越牛日河,8次跨越安宁河,47次跨越龙川江,16次跨越旧庄河。全线除成都和昆明外,共设车站122个,其中有42个车站不得不设在桥上或隧道内。全线共修建桥梁991座,总延长92.7公里,占线路总长度的8.5%;隧道共427座,总延长341公里,占线路总长度的31.5%;桥梁、隧道总延长达433.7公里,占线路总长度的40%;在桥隧密集地段,桥隧长度竟占线路长度的80% 以上,构成了蔚为壮观的“空中铁路”和“地下铁路”。成昆铁路桥梁、隧道总延长超过北京至山海关的距离。全线土石方9687万立方米;挡土墙和路基加固工程163.4万立方米。


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铁路史上的里程碑

成昆铁路由中铁第二设计院负责勘测设计。施工队伍以铁道兵五个师、两个独立团和铁道部第二工程局为主力, 并有铁道部第四工程局、铁道部大桥工程局、通信信号公司和成都、昆明铁路局一线工人以及沿线民工总共30万人参加工程。1966年进入施工高潮,施工人员达到36万人。

1964年9月,成立了西南铁路工程建设总指挥部(以下简称“西工指”),由中共中央西南局第一书记李井泉任总指挥,铁道部及铁道兵主要领导吕正操、刘建章、郭维城、彭敏等人担任副总指挥,彭敏兼总工程师。百岁吕正操将军在回顾他传奇的一生时曾说:“我一辈子,就是打日本,管铁路,打网球三件事。”而主持修建成昆铁路正是他“管铁路”的辉煌一页。

面临如此复杂艰巨的任务,我国原有的铁路设计施工水平远远满足不了需求。为加快成昆铁路施工,同时也为了把握难得的机遇,结合严酷的施工环境,全面提高我国铁路建造水平,吕正操与“西工指”总工程师彭敏等共同决策,主持制定了《西南铁路设计革命三十条》,提出我国铁路要大胆创新,不能跟着外国人屁股后面走。在“西工指”内设立技术委员会,委员中有金恒敦、程庆国等多名技术专家。1965年9月“西工指”在成都召开西南铁路建设新技术会议,确定在牵引动力、通信信号、线路上部建筑、桥隧土石方各项工程快速施工等4方面,采用各种新技术、新设备、新工艺、新结构、新材料和新的施工方法, 以改变中国铁路施工技术和技术装备的落后面貌。在“西工指”的指挥和统一部署下,针对成昆线施工的需要并考虑我国铁路的可持续发展,先后成立了几十个铁路技术攻关组。在技术委员会的领导下,分项研究、试验、设计、制造、检验、安装和使用各种新技术、新材料。每个攻关组从国内设计、施工、科研、工厂、教学单位抽调专家教授及中青年骨干组成,其中相当部分人员是刚毕业不久的大学生。经过这1200多名科研人员和工程技术人员直接参加的新技术战斗组与全体筑路大军的努力奋斗,取得了突破性进展。成昆铁路突破“筑路禁区”建成通车,有18项新技术、新工艺达到或超过当时的国际先进水平,使中国的铁路修建水平上了一个新台阶,成为中国铁路建设的一座重要里程碑。这批科研人员和工程技术人员经过西南三线的锻炼,后来都成为了我国铁路建设事业的中坚力量。


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铆接钢梁向栓焊钢梁的跨越

栓焊钢梁新技术研究战斗组,是成昆铁路各战斗组中成立最早、规模最大的一个。

栓焊钢梁是上世纪50年代末出现的一种新型钢桥。当时国外只有少数国家开始使用。它的原理,是根据结构和运输起重能力,将桥梁分成一个个部件,在工厂将桥梁的各个部件用焊接制成后,运到工地,用高强度螺栓连接成整体。栓焊钢桥代替铆接钢桥,能节约材料,改善工人的劳动条件,提高工作效率,改善节点的传力分布,便于新型结构的发展。

1965年春,铁道部科学研究院金恒敦研究员等人向铁道部做出报告,建议在成昆线选择合适工点,作为建造栓焊钢桥的试验工程。报告送交铁道部科技司宁致远司长。建议得到吕正操部长及彭敏局长等部领导的高度重视。吕正操亲自参加两次会议的讨论,在充分听取各方面意见后,决定在云南禄丰迎水村兴建栓焊钢桥试验工程。为确保研究的成功,1965年5月由铁道部与国家科委联合组成“七事一贯制”(七事一贯制是指:科研、设计、制造、施工、材料、成桥试验以及维修)的栓焊钢梁新技术研究战斗组。战斗组由铁道部科学研究院、西南研究所、专业设计院、第一设计院、第二设计院、第四设计院、大桥工程局、第二工程局、山海关桥梁厂、宝鸡桥梁厂、兰州铁道学院、原铁道兵一师、五师、七师、八师、十师、铁道兵科学研究院、清华大学、中国科学院声学研究所、一机部焊接研究所等21家单位共抽调90余名技术人员组成。组长为铁科院潘际炎研究员,副组长兼党支部书记为专业设计院彭璧鼎。

经过一年时间,战斗组制定了成昆线第一孔栓焊钢梁的设计、制造、施工规定,完成了成昆线第一孔栓焊钢梁设计、结构模型试验、结构疲劳试验、桥梁用钢的可焊性及焊接工艺试验、探伤标准试验等,进行了铆接车间用于焊接的改造和结构焊接工艺设计。同时研究了摩擦型高强度螺栓连接和制定螺栓制造验收标准以及施拧工艺。我国首座跨度112米刚性梁柔性拱栓焊钢桥于1966年春节开工制造,仅花费不到一年时间,于1966年底在迎水村工地建成(见图1)。


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图1 迎水村大桥


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根据不同的地形地势及工地条件要求,自1965~1970 年,成昆线共建成13种不同结构形式栓焊钢桥43座,共103 孔,用钢料1.2万吨,高强度螺栓近100万套。跨度分别为32米、40米、48米、64米、80米、112米等,桥式均为桁梁,有上承式的,也有下承式的。有明桥面及道砟桥面。特别值得一提的是,对带道砟的正交异性钢桥面板的受力行为和耐磨防腐蚀涂层也进行了理论和试验研究,这是十分难能可贵的。其中有代表性的是跨度112米的4座刚性梁柔性拱桥,即迎水村大桥、拉旧大桥、铜模甸二号桥和安宁河桥,达到了当时国际先进水平。


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图2 安宁河大桥

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大桥栓焊梁杆件大部分由山海关桥梁厂、少部分由宝鸡桥梁厂制造。栓焊钢桥比铆接钢桥节约钢材12%-15%, 加快了制造施工速度,改善了工人劳动条件,更便于新型结构的发展,对提前建成成昆线起了一定作用。栓焊梁杆件在数千里之外的山海关桥梁厂制造,运到成昆线工地。为了便于用国产解放牌卡车装运杆件,通过崎岖的山区便道运抵桥位,全部桥梁杆件的最大重量控制在4吨左右,长度不超过12米。

成昆铁路栓焊梁战斗组的联合攻关取得的成就,不仅加快了成昆铁路的施工进度,而且实现了我国铁路钢桥由铆接钢梁向栓焊钢梁的跨越。


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开创预应力混凝土梁的先河

1965年,铁道科学研究院程庆国研究员针对成昆线地质地形极端复杂、工程艰巨、工期紧迫的特点,提出发展串联梁和悬臂施工大跨径桥梁,以加快铺轨进度的建议。成立了预应力混凝土桥梁战斗组,由程庆国担任组长。研制开发串联式预应力混凝土梁(简称串联梁)、悬臂拼装及悬臂灌筑施工大跨径桥梁。战斗组克服了各种技术困难、物资障碍、洪水灾害等的影响,在短短两年多时间内完成了串联梁、大跨度桥梁新结构,悬臂拼装、悬臂灌筑等新技术项目的工艺试验,并在多个工点的工程施工中取得成功。

串联式预应力混凝土梁(简称串联梁)是将简支梁梁片分段在工地预制,先用汽车运到桥址,再用吊车将梁段起吊至预定的位置,并将相邻梁段临时用胶黏结拼串连接,而后用拉索穿越梁段张拉成梁,在支架上串联或用简易架桥机及其他方法预架就位而成。先后在科甲大桥、西昌海河大桥取得成功。成昆铁路中段桥隧相连,工期紧迫,将部分桥梁采用串联梁的措施,实现铺轨前的架梁, 对争取早日全线通车,具有重要意义。继成昆铁路之后, 在湘黔线、津浦复线子牙河桥、九江长江大桥引桥、南昆线等工程中,均推广使用了串联结构。

采用悬臂施工法修建桥梁可以免除繁重的脚手架工程,保证施工期间的桥下净空。为了扩大预应力混凝土桥梁在我国铁路上的应用范围,争取在中大跨度桥梁中采用混凝土结构代替钢结构,同时也为了实现铺轨前预架桥梁,加快铁路修建速度。旧庄河—号桥是铁路首次采用悬臂拼装方法修建的大跨度预应力混凝土桥梁,孔径48米。桥梁结构和施工工艺突破了当时工厂造梁孔跨不超过32米的局限,为发展大跨度预应力桥梁提供了实践经验。

而首次采用悬臂灌筑法修建的大跨度预应力混凝土桥梁,是在孙水河五号桥完成的。

旧庄河一号桥悬拼速度达到每昼夜一对块件(长4.8 米),孙水河五号桥的悬灌速度曾达5天一个周期。就主跨跨度和悬拼、悬灌速度而论,这两座桥分别达到了当时同类型铁路桥梁的国际先进水平。

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图3 旧庄河一号桥

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图4 孙水河五号桥


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成昆铁路建设是我国铁路桥梁建设的一个里程碑。其栓焊钢桥及预应力桥梁技术的开发,为我国铁路桥梁的发展打下了坚实的基础。成昆铁路于1986年获国家科技进步特等奖,潘际炎、程庆国均名列获奖人名单之中。

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攻坚克难的“战斗组”

除了以上两个战斗组外,与桥梁有关的新技术战斗组还有——

钻孔桩战斗组:成昆之前的桥梁基础类型多为扩大基础。针对成昆沿线多为砂夹卵石的特点,战斗组受河南“火煎锥”技术的启发,研制冲钻结合的钻孔桩技术取得成功。最早是在一平浪、黑井桥研制开发试用后,在成昆线上广泛使用。钻孔桩基础用冲击钻孔机造孔,解决了大漂石基础施工难题,速度快,质量稳定,桥基效果良好。基本取代了过去传统的打入桩。

架桥机战斗组:混凝土梁工厂化后,沿铺轨推进式架设则成为控制工期的重要因素。之前采用的苏式130双悬臂架桥机存在后平衡重过大、曲线适应性差、对路基要求高、架梁效率低、安全性差等问题,完全不能满足成昆建设工期的要求。武汉工程机械研究所王成任组长,卓国治、郝荣泰等三人担任副组长的架桥机战斗组,研制的新型130型架桥机摆脱了悬臂和平衡重的干扰,大臂可纵向移动,增设前支点后悬臂变为简支,全液压操作。解决了桥隧相连地段架梁困难问题。

如今国内几乎所有架桥机都离不开这一经典机型。

轻型桥墩战斗组:两大课题是拼装式桥墩和空心高墩。战斗组分别由杨永诚、沈大元、伍竞飞、许成业、张锻等来自科研、设计、施工、教学单位人员组成。桥墩轻型化是对于长期困扰桥梁界的“肥梁胖柱”问题的重大突破。通过理论分析、光弹模型试验和高墩动力行为研究, 成功地解决了无横隔板空心墩和空心墩顶帽的设计与施工技术难题。为了减少圬工,加快施工进度,采用预应力箱形空心桥墩、大型混凝土砌块空心拼装墩等,修建张家村、和平村大桥,以及牛日河二号、三号桥采用上述新技术。全长882.65米的铁马大桥使用柔性桥墩。

拱桥战斗组:负责人杨定九、严庆宣、王承礼。由第二设计院、第二工程局组成,长沙铁道学院实习队参加。中国是石拱桥的故乡,石拱桥就地取材,低成本造价及耐久性好的特点,与混凝土材料相比,有其优势。宝成铁路松树坡大桥采用石拱桥创造跨度38米的纪录,被成昆铁路一线天石拱桥打破(54米),至今保持铁路拱桥最大的跨度纪录。

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图5 一线天桥

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1974年12月8日,一座以成昆铁路为主题的精美工艺品被中国政府作为珍贵礼物赠送给联合国。为了制作这座高1.1米、宽1.95米的成昆铁路牙雕,铁道部曾开了一趟专列载着雕刻家沿着成昆铁路走了一圈进行采风,140名雕刻家用了8只象牙精心雕刻,才完成了这件象征中华民族伟大创造力的艺术品。它艺术地表现了中华民族在险峻山区修建一条铁路干线的伟大创举。为人类在险峻复杂的地理环境中建设高标准的铁路创造了成功的范例。这座牙雕与美国“阿波罗”宇宙飞船带回的月球岩石、苏联第一颗人造卫星模型一道,作为“代表人类在20世纪创造的三项最伟大杰作”,被陈列在纽约联合国大厦展厅中。


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图6 陈列在纽约联合国大厦的成昆铁路象牙雕刻


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       成昆铁路桥梁建设的重大意义,不仅在工程技术上给我们留下了宝贵的经验,而且为我国培养了一大批桥梁骨干人才,锻炼了一批能打硬仗的施工和设计队伍。当年在穷山恶水之间奋战的“战斗组”成员、如今已是耄耋之年的潘际炎老师,仍然孜孜不倦,笔耕不辍,为钟爱的钢桥事业操劳;而当年离开校园说话脸红的小伙子,如今也已是知名的钢桥资深专家。从成昆铁路走出来的铁道兵和工程局设计院,构成了今天我国铁路建设的两支主力军:中国铁路工程总公司及中国铁道建筑总公司的中坚力量。最难能可贵的是当年成昆铁路建设大军那种不惧艰险、勇往直前的大无畏精神,值得我们一代代工程师继承并发扬光大。

(感谢潘际炎、范文理、程季青、段美贵、朱茂枌、殷宁骏、徐雪、吴昌海等曾在成昆线新技术战斗组奋战过的老师及朋友,在本文撰写过程中提供的指导和帮助!)

(作者单位:中国铁路工程总公司)

(编辑:江北)

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