高山深峡谷，天堑变通途（一）

——记包茂高速（G65）湖南矮寨特大悬索桥

陈仁全

篇首语：这两年因工作方向调整，常在祖国西南山区漫步，途中路过一些感觉很高、很壮观的桥，如湖南矮寨大桥、湖北四渡河大桥、贵州北盘江大桥、贵州坝凌河大桥、云南普立大桥等，它们有一个共同点——矗立在高山峡谷中。其重要意义不言而喻，改善西南少数民族地区交通，缓解区域经济不均衡发展矛盾。山区特大桥建设，凝聚了社会各界的关心和支持，是民族地区发展的福祉，更是无数工程师与工人的汗水结晶。矮寨特大悬索桥几次路过，不仅留下很深的印象，而且发现同行车辆普遍有所减慢，都试图细看下这座震撼的大桥。但这样做终究难以有近距离切身的感受，为此今年假期专门到大桥景区仔细看了看，感受到了工程的总体震撼，也知道了一点背后的细节故事。

工程简介

矮寨特大悬索桥位于湖南省湘西州吉首市矮寨镇境内，距吉首市区约20公里，是包（头）茂（名）高速（G65）控制性工程。2007年10月开工建设，2012年3月建成通车。矮寨特大悬索桥为钢桁加劲梁单跨悬索桥，桥梁两端直接与隧道相连，采用双向4车道高速公路标准，设计车速80km/h，设计汽车荷载为公路-1级，桥面设计风速34.9m/s。地震动峰值加速度0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s。桥宽27m，路基宽24.5m，桥身全长约1073.65m，主跨为1176m。

矮寨特大悬索桥曾号称创造了四项世界第一（摘自景区介绍）：

（1）大桥主跨1176米，跨峡谷悬索桥，创世界第一；

（2）首次采用塔、梁完全分离的结构设计方案，创世界第一；

（3）首次采用“轨索滑移法”架设钢桁梁，创世界第一；

（4）首次采用岩锚吊索结构，并用碳纤维作为预应力筋材，创世界第一。

图0.1  桥型总体布置图（湖南交规院，2006）

（图中左侧为吉首岸，右侧为茶峒岸）

 （一）高山峡谷，气象多变

工程位于云贵高原与沅麻盆地交界处，峡谷悬崖地貌，地形起伏大，相对高差达500m。茶峒岸山顶最高标高736.9m，吉首岸山顶最高标高649.92m，峡谷底部最低处地面标高为236.1m，谷底宽约60m，峡谷总体呈“U”字型。峡谷底峒河水自东向西流，历史最高水位236.78m，最大洪水一般出现在3、4月份。

大桥沿北西向横跨该峡谷，两岸主塔均位于悬崖体上部。吉首岸主塔位于悬崖上部山坳处，地形起伏相对较小，地面标高594.40~610.11m，塔基前方26m处为一半园形的悬崖，悬崖高50~61m，悬崖顶部往上为陡坡，坡度约32度，悬崖底部往下坡度更陡，达46度；茶峒岸主塔位于悬崖顶部斜坡上，地面标高645.0~665.0m，塔基边缘距悬崖顶边最近约75m，该范围内坡度约31度。悬崖高约60m，悬崖体下部为巨大的岩堆，209国道座落在该岩堆上。受限于场地地形地貌，桥梁总体方案布置与施工都极具挑战性。

图1.1 现状地形地貌（2019.05.03摄）

（图中近侧为茶峒岸，远侧为吉首岸）

工程所在地区属亚热带季风性湿润气候，平均气温16.6℃，年平均降雨量1400mm，无霜期长，历年平均为282天。最冷月月平均气温2.8°C、最热月月平均气温25.4°C、极端最低气温-10.0°C、极端最高气温38.0°C；地区年平均冰冻天数为13天；地区年平均雾日为45天；吉首NNE向10分钟平均风速13.3m/s、茶峒NW向瞬间风速25m/s、花垣NW向瞬间风速31.9m/s。

桥梁跨越深山峡谷，顺峡谷方向的风对桥梁结构设计尤为重要。考虑到工程的重要性，为桥梁结构设计提供科学的参考，湖南大学风工程试验研究中心为此制作了缩尺比为1：500，以桥跨中心为圆心，直径2000m的大比例地形模型进行风洞试验；而对影响来流的不足的地方采用补偿模型模拟。试验结果表明：桥面高度处最大风速不在跨中而在吉首岸四分点处，风速沿桥跨方向的分布受两侧山体具体形状的影响；随高度增加，风速增加越明显。显然，这为结构设计带来复杂的考究。通过试验和规范修正，本工程100年重现期不考虑风向的设计风速为34.9m/s。桥颤振检验风速偏安全取51.5m/s。有了这些试验数据，结合设计规范要求，不断优化桥梁选型和细化构件设计才有了今天矮寨大桥的模样。

图1.1 风洞试验与试验实测数据（陈政清, 2008）

（左：热线风速仪测试风剖面；右：跨中各风偏角风剖面）

（二）不良地质，难上加难

工程勘察设计和施工阶段，采用了多种勘察试验手段力图查明桥址区工程地质条件。布置了2 条长100 余米勘探平硐，平硐内对风化卸荷带划分和工程岩体分级；开展了现场岩体变形、强度试验；钻孔间电磁波CT扫描、孔内电视摄像、瞬变电磁和地震法探测岩溶发育规律；地质雷达对索塔及锚锭基坑周边岩体进行了岩溶缺陷探测。

场地发育地层自上而下：第四系粘土、块石，寒武系上统灰岩，中统白云岩、灰岩和泥质白云岩，下统灰岩、砂质页岩。桥位区岩石坚硬，层面平缓，呈中厚层状，部分薄层状，岩体中主要有2组陡倾角节理。坡面一定范围内发育溶蚀卸荷裂缝，岩体中还存在溶蚀缺陷。这些不利因素不仅削弱了岩体强度，还降低了岩体完整性，对桥台边坡及桥梁的整体稳定带来安全隐患。总体上，场地存在的不良地质为岩堆、危岩和岩溶，岩堆和危岩体对工程影响较小，而岩溶对工程影响较大。

图2.1 工程地质纵断面图（据湖南交规院）

（绿色为块石；粉红色、橙色为灰岩；暗绿色为页岩；红色粗线为断层）

岩堆：茶峒岸主塔下方209国道迂回座落在该岩堆上，仅局部产生了失稳，但由于悬索桥索塔荷载巨大，该岩堆不能作为本桥塔基的持力层，因此，将茶峒岸的索塔和锚碇设置在岩堆后缘悬崖上部，至此岩堆对工程基本无影响。

图2.2 茶峒岸岩堆

（左：图左侧岩堆全景；右：桥下方岩堆欠稳定现状）

危岩：茶峒岸以中厚层夹薄层状灰岩为主，岩层产状稳定，为163°∠9°，局部洞段裂隙较发育，将岩体切割成次块状结构。裂隙面一般平直稍粗，多数为钙质胶结的硬性结构面，平均线密度为1.3条/m，延伸较长但多小于10 m。坡体0~8 m溶蚀风化严重，8~16 m为强风化卸荷带，16~26 m为弱风化卸荷带。施工开挖后，在桥台边坡发现在桥台边坡发现多个小型溶洞，若干条平行坡面和垂直坡面的溶蚀裂缝，边坡岩体被切割成相对独立的大块体。最终设计采用预应力锚索框架梁进行边坡加固，施工后实测边坡水平位移变形最大6mm左右。

图2.3 茶峒岸危岩

（左：施工开挖中；右：投入运营后）

吉首岸桥台边坡前方及左侧为悬崖，直立段高度达46~63 m。岩体中除了2 组陡倾角节理裂隙及缓倾层面外，在桥台及塔基附近揭露出16条溶蚀状卸荷裂缝，在坡顶有延伸至悬崖底部趋势。部分溶蚀严重并伴有落水洞和溶洞存在，对悬崖边坡形成深度切割，从而形成危岩体。通过数值模拟计算，发现失稳块体主要在距坡面和坡顶约10m范围内。采用锚杆对近水平岩层进行支护加固，锚杆长度12~15m，平均间距为3.5m，倾角35°，施工后实测边坡水平位移变形最大约10mm。

图2.4 吉首岸危岩

（左：施工开挖中；右：投入运营后）

岩溶：茶峒岸索塔位置确定从平面上避开了3条溶蚀裂隙和1个大落水洞。虽然其中一条裂隙离塔基较近，但对塔基的稳定性影响有限，且其主要表现为溶蚀裂缝，上下延伸倾角较陡，溶蚀裂缝在垂直方向上发育的宽度较小，岩体具有一定的垂直承载能力，对溶洞进行灌浆即可。茶峒岸锚碇处的溶蚀也表现从上至下减弱的趋势。地表溶蚀发育，但20～30m以下溶蚀不明显。地表溶沟非常发育，部分溶沟往下延伸为溶蚀裂隙，溶蚀裂隙主要沿两组裂隙发育。根据隧道锚开挖揭示的围岩状况，延长隧道锚碇锚固段的埋置深度，或对隧道锚区域进行灌浆处理。

图2.5 茶峒岸隧道锚

（左：施工开挖中；右：投入运营后）

吉首岸索塔，发育溶蚀裂隙和1处落水洞。地面以下20~30m深度处，没有溶沟，溶蚀裂隙数量有限，部分溶蚀裂隙也将延伸至下方公路隧道内，对下方公路隧道有一定的影响，加强索塔下公路隧道支护。落水洞进行清表、清孔后进行混凝土回填，混凝土回填量约100m³。

图2.6 吉首岸索塔地基岩溶发育（据湖南路桥集团）

（三）施工挑战，史无前例

矮寨大桥跨越宽约千米的德夯大峡谷，为典型山区峡谷桥梁，其施工过程中面临着诸多难题。（1）地形险要：桥面到峡谷底高差达355米，两岸索塔位置距悬崖边缘仅70至100米。导致施工作业平台狭窄，施工作业安全风险极高，部分常规工艺难以实施。（2）地质复杂：索塔处存在岩堆、岩溶、裂隙和危岩体等不良地质现象。仅在吉首岸索塔基坑附近就发现大小溶洞18个，其中最大的溶洞体积近万立方米。增加了施工过程中的不确定性，严重制约施工进度和质量控制。（3）气象多变：峡谷多雾，风速不稳，瞬间最大风速达到31.9米每秒，严重影响施工测量和主缆架设。（4）吊装难：主缆及钢桁梁在300至400米高空架设，单件吊装最大重量达120吨，起重运输难度大；作业面下方有多条道路，车水马龙，人来人往，吊装不得有高空坠物。（5）运输难：土建工程材料运量大，仅钢材、水泥、砂石等材料运输总量就达18万吨，施工便道和既有国道通行指标较低，气象多变，夏季暴雨，冬季积雪，时常堵车，都增加了运输难度。

图3.1 先导索架设

（左：飞艇高空牵引先导索；右：已投入运营的主缆）

通过技术创新，世界上首次采用“轨索滑移法”加劲梁架设新工艺，解决了山区悬索桥加劲梁架设难题；研发了“CFRP（碳纤维增强塑料）—RPC（活性粉末混凝土）”高性能岩锚体系施工技术，解决了大吨位碳纤维索锚固难题和岩锚体系耐久性问题；开发了悬索桥无压重临时铰合拢施工技术，避免了常规方法装卸配重、体系转换所占用的关键工期，实现了钢桁加劲梁的无应力对接。

图3.2 茶峒岸岩锚体系

（左：茶峒岸C00和C01岩锚；右：C00岩锚投入运营后）

桥面梁的架设尤为有挑战，矮寨大桥主跨大，两岸悬崖峭立，施工场地狭小，钢桁加劲梁运输条件困难，常规方法均有很大的局限性。采用轨索滑移法利用悬索桥的永久结构—主缆和吊索作为承重及传力结构，在吊索下端安装若干根水平钢丝绳作为索轨，将钢桁梁节段沿索轨从岸侧水平滑移至跨中完成安装，由跨中逐段向两岸延伸，直至全部加劲梁贯通。该工法操作简单，安全可靠，仅两台卷扬机就能完成牵引。充分利用主缆、吊索、轨索组成空间索网体系，具有较好的整体刚度，不仅减少钢桁加劲梁施工阶段内力，充分保证施工过程的抗风稳定性，解决了峡谷风场复杂的难题。主梁架设速度达到15m/d，速度快，比传统方法提高数倍，上千米的加劲梁架设仅用了两个半月。

图3.3 轨索滑移架设法施工

（左：轨索滑移法施工实景；右：轨索滑移法运梁细节）

（四）波澜起伏，苗寨依旧

2012年3月31日，历时5年的矮寨大桥正式竣工，桥上的群众与各界代表人潮涌动。矮寨老盘山公路209国道修筑在陡峭山崖上，在短距离克服巨大高差，6公里内形成13道急弯，不堵车的情况下，车辆盘旋而上至少需要30分钟。碰上天气不好或堵车，一两小时也时常有。矮寨特大桥通车后，走高速1分钟便可完成30分钟盘山公路。矮寨特大桥通车也意味着全长800余公里的渝湘高速公路全线贯通，对于湘西、渝东地区的少数民族而言，矮寨特大桥是一条安全快捷的通道，也是一座通向世界的桥。

图4.1 矮寨特大桥通车仪式

在于工程技术层面，2018年1月8日，《山区大跨度悬索桥（矮寨大桥）设计与施工技术创新及应用》荣获2017年度国家科学技术进步二等奖。至此，宣告矮寨大桥在我国工程技术领域收获了很高的认可。

竣工7年后的今天，走进矮寨大桥下方苗寨时，看到有年轻人在河里捕鱼，有人在水田里赶鸭子，还几个小孩坐在廊桥里嘻嘻哈哈。感受到的是一如既往的平静，并没有当年报道的会有“翻天覆地”变化。不过这也挺好，不能因为交通改善，就破坏了民族传统，民族需要发展，也需要保护。

纵使悬崖上方工地曾经热火朝天，如今悬崖下方的苗寨依旧平静。

图4.2 矮寨大桥下方苗寨

（左：大桥与苗寨同在；右：今日苗寨依旧平静）

结束语：

时光如白驹过隙，单从跨度上讲，矮寨特大桥在国内排名也就第10~20名，无法与世界前十相提并论，例如日本明石海峡大桥，主跨1991米，建成于1998年，甚至部分技术在今天也不再非凡，且抛开工程建设的腐败和投资剧增的争议，矮寨特大桥总体上仍是当今我国山区桥梁代表作。凝聚了众多桥梁工程师与劳动者的智慧和勤奋，枯燥、漫长和危险都没有阻挡他们前进的步伐，在工程建设漫漫征途中数十年如一日奉献，坚持不懈！

图5.1 施工现场技术人员与工人

（左：测量控制基准索股线形；右：钢桁加劲梁高空拼装）

桥梁是交通设施，是建筑艺术，是工程技术进步的写照，是文明发展的象征，也是综合国力的体现（改自刘龄嘉,2017）。高山深峡谷，天堑变通途。矮寨特大桥，今生不虚行。

文末说明：

1、矮寨特大桥勘测设计由湖南省交通规划勘察设计院负责，长科院、西南交大、湖大、长沙理工等单位参与科研，施工由湖南路桥建设集团实施。

2、文中部分文字资料来源于长江科学院张奇华、湖南大学土木学院陈政清、湖南省交通规划勘察设计院廖建宏、湖南路桥建设集团有限责任公司方联民、矮寨大桥建设指挥部陈国平等人论文；文中部分图片摘自网络和湖南路桥建设集团公司。文中未能一一注明，特此致谢。