Автодорожные мосты через ущелья в современном Китае

Вопрос прочности горных откосов всегда стоит на первом месте. Конструкция опор моста и фундамента моста напрямую связаны с прочностью основания моста на горных откосах и с безопасностью мостовой балки в целом. Если промежуточная мостовая опора моста, прокладываемого через ущелье, строится на откосах горной вершины либо горного хребта, сторона, прилегающая к дну ущелья, зачастую имеет высокую свободную поверхность. Устойчивость горного откоса может стать определяющим контрольным фактором выбора конструкции моста, прокладываемого через ущелье. В процессе проектирования фундамент и массив пород горных откосов примыкающих территорий часто рассматриваются вместе при выполнении оценки несущей способности и степени устойчивости, однако выполнять оценку устойчивости горных откосов очень сложно, учитывая сложный механизм деформации и разрушения горных откосов, как правило, в таких случаях не применяется распространенный метод расчета проверки прочности по «несущей способности» упругого полупространства. По этой причине госорганы пр. Гуйчжоу издали специальные правила, касающиеся выполнения проектных расчетов с учетом местных геологических особенностей . В настоящих правилах установлены требования разработки отчета по оценке устойчивости горных откосов на стадии предварительного проектирования, и только после прохождения проверки и положительной оценки отчета допускается последующее проектирование и строительство. По результатам проведенных исследований , на многих проектах строительства мостов через ущелья на территории Китая вносились изменения в выборе местоположения места, вносились изменения в технический проект конструкции типа моста и пролета моста из-за проблем с устойчивостью горных откосов. Например, мост через реку Димухэ скоростной автодороги 656 (Ханчжоу – Жуйли) в пр. Гуйчжоу (подвесной мост с пролетным строением со сквозными стальными фермами), в соответствии с топографическими условиями местности, на данном мосту не требовалось строительство пролета длиной 538 м, однако из-за проблем с устойчивостью берегового откоса, а также чтобы обеспечить безопасность моста, длина пролета была в итоге скорректирована до 538 м. Из-за проблемы с устойчивостью береговых откосов при строительстве моста через реку Лишуй в пр. Хунань пришлось внести изменения в маршрут прокладки скоростной дороги, таким образом, выбор маршрута и укладка трассы автодороги может изменяться из-за условий местоположения мостов, прокладываемых через ущелья.

Неблагоприятные геологические условия в районах ущелий , такие как наличие карстовых пород, частые оползни, наличие зон разломов, частые обвалы, селевые потоки и др. приводят к тому, что от некоторых проектов строительства мостов с хорошими экономическими показателями приходится отказываться из-за плохих геологических условий , что в свою очередь влечет за собой увеличение масштабов строительства. В процессе изучения вариантов проекта моста через реку Чжицзинхэ скоростной автодороги 650 Шанхай – Чунцин (ранее западная часть скоростной автодороги Шанхай – Чэнду) в пр. Хубэй , учитывая топографические особенности местности, был рекомендован вариант подвесного моста со стальными фермами без пилонов, в данном проекте были использованы топографические особенности местности и рекомендовано строительство поворотной конструкции пролета (седла) с натяжными фермами, промежуточные опоры не устанавливались, проект обладал хорошими экономическими показателями и с относительно хорошими условиями для проведения строительных работ. Однако из-за отсутствия геологических условий для установки крупногабаритных туннельных анкеров и крупномасштабных гравитационных анкеров, в итоге был выбран вариант строительства арочного моста из сталежелезобетонной конструкции 430 м. Из-за развития карстовых пород на закарстованных участках в процессе выполнения проектных изысканий возникают сложности из-за ограниченной возможности бурения большего количества скважин и расположенности точек бурения, в таком случае иногда бывает трудно достоверно выявить геологические условия в местах строительства мостовых опор, что в дальнейшем может привести к внесению изменений в проект конструкции во время строительства и порой даже к изменениям планировки пролета моста. При строительстве свайного фундамента для промежуточной мостовой опоры моста Бейпаньцзян на скоростной автомагистрали Люпаньшуй – Паньсянь в пр. Гуйчжоу была обнаружена карстовая пещера с 5 слоями. Поскольку объем карстовых пещер достигал 200 000 куб. м, стоимость засыпки каверзностей была слишком высокой , поэтому конструкцию пришлось изменить, и в итоге была утверждена конструкция мостового пролета, которая состояла из 5 * 30 м Т-образной балки из предварительно напряженного бетона + 82,5 + 220 + 290 + 220 + 82,5 м непрерывной жесткой рамы с наклонной мостовой опорой из предварительно напряженного бетона + 4 х 30 м балки из предварительно напряженного бетона.

Во-вторых, стесненные условия строительных площадок, плохие условия транспортировки грузов и множество других ограничивающих факторов напрямую влияют на выбор проекта строительных работ.

(1) Стесненные условия строительных площадок не позволяют выполнять механизированные крупномасштабные строительные работы. Из-за обрывистого рельефа района ущелья очень сложно доставить до строительных площадок крупномасштабное механическое оборудование и технику (на площадки строительства промежуточных мостовых опор, мостовых устоев, фундамента и т. д.), особенно сложно доставлять и устанавливать технику для строительства инфраструктурных объектов, и порой на местах строительства фундамента некоторых мостовых участков приходится выполнять ручную разработку. Существуют большие трудности, связанные со строительством площадок по изготовлению конструкций балок, часто требуется выполнение очень масштабных земляных работ для строительства насыпей , а также выполнение вспомогательных мероприятий по обработке откосов и их укреплению, при этом также существуют стесненные условия строительных площадок и небольшие площади для хранения балок, что создает трудности при выполнении крупномасштабных централизованных работ по сборке элементов моста, требуется по нескольку раз перевозить предварительно изготовленные балочные плиты, что увеличивает затраты труда, материалов и механизмов. При строительстве некоторых мостов из-за стесненных условий строительства можно использовать только метод изготовления балок на самом мосту, то есть сначала балки (плиты) предварительно изготавливаются на рабочей площадке, и после того как возведен мост, на мосту выполняется последующее изготовление и укладка оставшихся балочных плит.

(2) Большая протяженность временных строительных подъездных дорог, большое количество временных несущих конструкций , поэтому необходимо многократно выполнять перевозку строительных материалов и оборудования. Из-за различных нормативных и других ограничений при выборе маршрута трассы скоростных автодорог многие мосты через ущелья находятся далеко от государственных, провинциальных и дорог местного значения, поэтому требуется прокладывать временные подъездные дороги протяженностью от нескольких километров до десятков километров, по которым осуществляется транспортировка материалов, рабочего персонала и техники к каждой рабочей площадке возведения моста. Объем разработки при строительстве временных подъездных дорог и оградительных сооружений очень большой . При невозможности или нецелесообразности строительства временных подъездных дорог, строительные материалы и оборудование приходится перевозить только ручным способом, на лошадях, подъемных кранах или натяжных канатных сооружениях. В некоторых случаях приходится разбирать строительное оборудование, которое потом перевозится с помощью рабочего персонала и кранов на место строительства промежуточных мостовых опор (мостовых устоев), а затем снова собирать и только таким образом осуществлять строительство.

(3) Отсутствие либо частичное отсутствие условий выполнения строительных работ на поверхности водных преград.

Несмотря на то, что некоторые мосты, прокладываемые через ущелья, имеют переходы через реки, однако зачастую на таких участках существуют неблагоприятные условия при переходах через реки, такие как высокая скорость течения реки, стремительное и бурлящее течение, отсутствие условий либо невозможности для выполнения судоходных перевозок, в таких случаях представляется невозможным выполнять транспортировку мостовых прогонов, либо арочных сегментов вантовых мостов, подвесных мостов сталежелезобетонных арочных мостов на водном транспорте, как при строительстве мостов через водные преграды (широкие реки, озера и заливы). В таких случаях приходится изготавливать сегменты моста только на заводе, которые потом транспортируются в разобранном виде на строительную площадку с последующей сборкой и установкой . Несмотря на то, что на местах строительства некоторых мостов, прокладываемых через ущелья имеются условия на водной поверхности, например, мост через реку Мэндун в пр. Хунань, мост через реку Бэйпаньцзян в пр. Гуйчжоу, мост через реку Цзиньшацзян в пр. Юньнань и др., однако из-за стремительного и бурлящего течения реки строительство на водной поверхности практически невозможно. Несмотря на то, что на местах строительства некоторых мостов, прокладываемых через ущелья, имеются условия выполнения строительных работ на водной поверхности, однако из-за невозможности выполнения судоходных перевозок, также нельзя выполнять строительство на водной поверхности, например, при строительстве моста через реку Уцзян скоростной автодороги Даочжэнь – Вэнъань Б69 (скоростной автодороги Иньчуань – Байсе), где река могла использоваться только для переправки на пароме рабочего персонала.

(4) Применение разнообразных методов строительства.

Стесненные условия на строительных площадках и рабочих поверхностях в районе горных ущелий усложняют процесс строительства мостов, но также создают условия для преемственности и новаторства строительных технологий , мастерства и методов строительства. Метод толкания и метод канатного подъема являются эффективными методами строительства при установке стальных сегментов. Мост через реку Хуншуй в пр. Гуйчжоу представляет собой вантовый мост из железобетонных связующих балок. Установка основной и краевых балок, которые расположены на участке моста со стороны пр. Гуйчжоу, производилась методом толкания, строительство основной и краевых балок со стороны моста на участке пр. Гуанси осуществлялось путем заливки на месте работ с помощью высокого каркаса, транспортировка и монтаж стальной основной балки среднего пролета и предварительно изготовленного настила моста осуществлялись с помощью канатного подъемника. Основной тягово-буксирный трос кабельной системы временно размещается на верхней поперечной балке пилона вантового моста, таким образом не только сокращается необходимость сооружения тросовой системы для основного пилона, но также экономятся затраты на выполнение временных мероприятий . При строительстве моста Айчжай на скоростной автодороге 665 (скоростная автодорога Баотоу – Маомин) в пр. Хунань был разработан метод перемещения балки с помощью рельсового троса. Рельсовый трос поддерживается на ванте моста с помощью подвески, образуя простой параллельный рельсовый трос, балка жесткости с помощью каретки транспортирующей балки подвешивается на рельсовом тросе, с помощью тяговой системы сегменты балки по частям перевозятся по рельсовому тросу до середины пролета, затем поднимаются и устанавливаются на место. При строительстве моста через реку Димухэ в пр. Гуйчжоу при монтаже сегментов стальной фермы применялся метод сборки и кранового подъема только на одном берегу, для этого было специально разработано подвесное устройство, вращающееся в воздухе, тросовый подъемник устанавливался внутри пилона, во время подвески сегмента стальной фермы для участка моста на противоположном берегу использовалось воздушное вращающееся подвесное устройство, которое выполняет горизонтальное вращение секции балки на 90°, таким образом избегается помеха, которую создает вант моста, затем секция балки опускается для последующего монтажа. С помощью односторонней канатной системы выполнялся монтаж стального настила моста раздельными полотнами (участками), тем самым был решен вопрос нехватки места для сборки и монтажа секций и частей .

В-третьих, проектирование моста через ущелье должно быть тесно связано с процессом строительства. При проектировании моста, прокладываемого через ущелье, необходимо в полной мере учитывать такие факторы, как осуществимость и степень сложности строительства, стоимость строительства и т. д. При строительстве вантовых и подвесных мостов через водные преграды (реки, озера и заливы), как правило, выбирают плоские стальные балки коробчатого сечения с хорошей ветроустойчивостью, которые транспортируются по воде к месту установки, затем с помощью крановых установок, расположенных на проезжей части моста выполняется стыковка и установка секций балки. Однако если при строительстве моста через ущелье отсутствуют условия для выполнения рабочих операций на воде, на этапе проектирования необходимо полностью учитывать условия площадки для обработки и условия транспортировки стальных (ферменных) балок, поэтому в конструкции прогона моста (для подвесных и вантовых мостов), как правило, применяются стальные фермы. Поскольку мост Лунцзян на скоростной автодороге Баошань – Тэнчун в пр. Юньнань строился уже на построенных участках автодороги, располагавшихся на разных берегах реки, можно было использовать скоростную автодорогу для транспортировки стальных балок коробчатого сечения. Данный мост является одним из двух подвесных мостов со стальными коробчатыми балками, проложенных через ущелье в Китае (другой – мост Пули на скоростной автодороге Пули – Сюаньвэй в пр. Юньнань, подвесной мост с основным пролетом 628 м). Стальные ферменные балки вантовых мостов и подвесных мостов изготавливаются на заводе в виде сжатоизогнутых элементов конструкции и пластинчатых модулей , затем они транспортируются автотранспортом на строительную площадку, где выполняется сборка и монтаж, таким образом решается проблема осложненной транспортировки длинных и крупных деталей на автодорогах. Протяженность тросовой системы вантовых мостов с большой длиной пролета очень большая, диаметр катушечного диска тросовой системы, на котором используются параллельные стальные тросы, очень большой , поэтому транспортировка по узкой и извилистой временной строительной дороге очень осложнена и существуют очень высокие риски в области безопасности. Если главный пролет вантового моста превышает 400 м, используется скрученная прядевая арматура для продевания тросов на месте, чтобы сформировать целую связку вантовых тросов. Данная концепция, основанная на «разделении на части с последующей сборкой частей в единое целое» в полной мере реализуется при проектировании и строительстве мостов через ущелья.

В-четвертых, в горных ущельях существует сложная ситуация с долинными ветрами, проблема ветровой вибрации мостов, прокладываемых через ущелья, стоит очень остро, существующие на сегодняшний день теоретические исследования и технические нормативы отстают от опыта инженерной практики.

Районы с горными ущельями обладают очень сложным рельефом, поскольку ветровое поле сильно зависит от условий локального рельефа, ветровая нагрузка в ущелье формируется особым образом, поэтому ветровая среда в ущельях сильно отличается от окружающей среды рек, озер и морей . Несмотря на то, что действующие нормативы, касающиеся требований по ветроустойчивости, обеспечивают проектные нормы по скорости ветра с учетом поправок из-за ландшафта и особенностей местности, но из-за отсутствия метеорологических данных в районе ущелья, представляется очень сложным точно отразить реальную ситуацию с ветровым полем на месте расположения моста, прокладываемого через ущелье, используя данные по скорости ветра, полученные по замерам метеостанций , располагающихся на открытой местности. 19 мая 2016 г. прим, в 17:40 рядом с мостом через реку Балинхэ в пр. Гуйчжоу скоростной автодороги Б60 (скоростная автодорога Шанхай – Куньмин) прошел сильный ураган. Мгновенная максимальная скорость ветра достигла 34,4 м/с, что намного превысило расчетную скорость ветра 25,9 м/с, в результате чего произошел обрыв оптического кабеля связи и кабелепровода на мосту и остановка транспортного сообщения почти на 5 часов. Специальное исследование, касающееся вопроса долинных ветров в ущельях было проведено на мосту через реку Дадухэ на скоростной автодороге Яань – Кандин в провинции Сычуань, результаты данного исследования показали, что ветровая среда на месте возведения моста, в основном, состоит из ветра 1- й категории, вызванного локальными потоками тепловой энергии, и ветра П-й категории, который формируется под воздействием общих климатических условий , ветровая среда, образуемая локальными потоками тепловой энергии, не была выявлена в других местах возведения мостов через ущелья, что подчеркивает сложность определения ветровой среды в горных ущельях. На проекте строительства моста Бейпаньцзян на скоростной автомагистрали Чжэнь – Шэн в пр. Гуйчжоу (подвесной мост со стальными фермами) с главным пролетом 636 м, по результатам исследования ветроустойчивости были внесены изменения в конструкцию мостового настила: настил моста, состоящий из отдельного левого и правого полотна в первоначальном проектном решении был изменен на один цельный настил,также в целях усиления ветроустойчивости конструкции моста была добавлена центральная балластировочная плита.

В-пятых, наличие больших сложностей при выполнении технического обслуживания мостов через ущелья.

Очень сложные природные условия, географическая среда и метеорологические условия местности расположения моста через ущелье создают большие трудности при проведении ремонтно-обслуживающих работ в период эксплуатации. Сильные ветры в течение всего года вызывают проблемы с вибрацией и усталостью в конструкции мостовых тросов. Частые изменения температуры воздуха, резкое падение температуры воздуха, выпадение снега, обледенение, переохлажденный дождь и другие погодные условия, не только влияют на безопасность движения автотранстпорта, но также влияют на долговечность самой конструкции моста. В ходе выполненных проверок и осмотров были выявлены случаи повреждений высокопрочных болтов на стальных фермах на нескольких подвесных мостах. На мостах через ущелья построено большое количество высоких башен и опор, очень большие размеры пролетов, под проезжей частью моста на расстоянии десятков или даже сотен метров расположено дно долины или поверхность водных преград, поэтому проведение технических осмотров сопряжено с большими трудностями, риском и большими объемами работ. Оползни, обвалы, сели и другие неблагоприятные геологические катастрофы всегда представляют собой скрытые опасности, которые ставят под угрозу безопасность мостовых балок. Выполнение своевременного обнаружения, предупреждения и ликвидации последствий возможных стихий – ных бедствий являются сложными задачами в процессе технического обслуживания и управления эксплуатацией автодорожных мостов через ущелья.

3. Текущая ситуация с автодорожными мостами, проложенными через ущелья в Китае

3.1. Количество сооружений и географическое размещение мостов через ущелья

По неполным статистическим данным, по состоянию на конец 2016 г. в 17 провинциях, автономных районах и городах центрального подчинения Китая было построено и находятся на этапе строительства около 378 мостов через ущелья (за исключением мостов через ущелья, по которым завершено проектирование, но еще не начаты строительные работы). Из них 257 сплошных рамных мостов, 75 арочных мостов, 26 вантовых мостов и 20 подвесных мо стов. Являясь основными составными частями горных каскадов второго уров ня тектонического рельефа Китая горные районы пр. Хунань, Хубэй , Сычуань, Юньнань-Гуйчжоуское нагорье, прилегающие горные районы Сычуаньской котловины и Лессовое плато на севере пр. Шэньси относятся к основным ре гионам расположения автодорожных мостов через ущелья. Помимо этого, в Гуанси-Чжуанском автономном районе, в пр. Ганьсу, Тибете, в пр. Цинхай , ав тономном районе Синьцзянь, в пр. Хэнань, Шаньси, Фуцзянь и других провин циях и автономных регионах было построено небольшое количество мостов через ущелья.

Географическое распределение мостов через ущелья определяется ланд шафтом и особенностями местности строительства моста, плотностью насе ления и планированием сети скоростных автомагистралей . Провинции Юнь нань, Гуйчжоу, Сычуань, г. Чунцин, Хунань, Хубэй , Шэньси и другие провинции и города относятся к густонаселенным регионам, в рельефе местности пре обладают горные районы, резко расчерченный горный рельеф, повсеместно распространены ущелья и рвы, они всегда относились к регионам с относи тельно отсталой транспортной инфраструктурой и медленным экономическим развитием. По мере развития строительства скоростных автодорог, протянув шихся в труднодоступных высокогорных районах страны, особенно в рамках реализации государственной политики «Освоение Запада», направленной на ускоренное развитие западных регионов страны, все это способствовало строительству и развитию мостов через ущелья.

Территориальное распределение автодорожных мостов, построенных через ущелья в Китае

Как видно из приведенной выше диаграммы, пр. Гуйчжоу, административный район Чунцин и пр. Сычуань являются провинциями с наибольшей концен трацией автодорожных мостов через ущелья в Китае, поскольку общее количе ство построенных мостов через ущелья в данных трех провинциях составляет более 60% от общего количества построенных в стране мостов, больше всего таких мостов в провинции Гуйчжоу, на ее долю приходится более трети от об щего количества мостов через ущелья Китая. Хотя пр. Юньнань также отно сится к карстовым геоморфическим регионам, и расположенный на западе пр. Юньнань хребет Хэндуань и оба берега реки Цзиньшацзян являются типичны ми гористыми районами с ущельями, она немного отличается от пр. Гуйчжоу тем, что население западного и северного регионов Юньнани относительно небольшое и относительно слабое экономическое развитие, поэтому количество мостов через ущелья в пр. Юньнань меньше, чем в соседней пр. Гуйчжоу.

Такая разница в количествах в дальнейшем будет уменьшаться по мере развития строительства скоростных автодорог в пр. Юньнань, в течение «13- й пятилетки» в пр. Юньнань планирует построить скоростные автодороги протяженностью более 3000 км, и ожидается, что количество мостов через ущелья значительно увеличится. В отличие от горных районов с ущельями с глубокими и крутыми склонами, Лессовое плато, расположенное в северной части пр. Шэньси представляет собой рельеф местности, изрезанный потоками рек на плато, овраги, равнины, горные цепи и хребты, плоскогорье представляет собой относительно цельный геоморфологический рельеф с просторными и плоскими возвышенностями, поэтому мосты через ущелья в пр. Шэньси в основном располагаются в Лессовом плато на севере Шэньси, количество мостов относительно большое.

3.2. Основные типы мостов, прокладываемые через ущелья

Если говорить о типах мостов, в Китае наиболее предпочтительным при выборе типом моста для прокладки через ущелья является сплошной рамный мост из предварительно напряженного бетона, при строительстве которых выработана типовая технологии, обладающая относительно экономичной стоимостью строительства. Цифры статистики показывают (рисунок справа), что количество сплошных рамных мостов превышает половину от общего количества автодорожных мостов через ущелья. Сплошные рамные мосты с главным пролетом с длиной в пределах 250 м обладают очевидными преимуществами, связанными с возможностью выполнения строительных работ методом навесного бетонирования с помощью подвесных подъемников, при данном методе можно проводить высотные работы, с меньшим количеством строительной техники, он отличается очень рациональными технико-экономическими показателями.

По количеству арочные мосты уступают только сплошным рамным мостам, их количество составляет почти 20% от общего числа, особенно арочные мосты из сталежелезобетона с длиной пролета 200 – 500 м, обладающие сильной конкурентоспособностью. С точки зрения технических характеристик, арочные мосты являются пригодным для строительства в горных районах типом моста, обладающих наработанной технологией строительства, разумной строительной стоимостью, красивой формой , низкими затратами по техническому обслуживанию в последующий период, хорошо вписываются в пейзаж горной местности. Важная причина относительно частого применения данного типа моста заключается в том, что арочный мост из сталежелезобетона может быть построен методом навесной сборки и монтажа, при котором кольца главного арочного пролета весом в несколько тысяч тонн разделяются на сегменты весом нескольких сотен тонн и монтируются с помощью навесной сборки, таким образом отвечая требованиям государственных норм по предельной нагрузке навесного подъемного оборудования и также реализуя безопасное и быстрое строительство арочных мостов с большой длиной пролета. Применение таких технологий , как устройство внутреннего фланцевого соединения между сегментами, метод диагонального подвешивания на подъемнике, метод одноразового натяжения троса и др., обеспечивают безопасное и быстрое строительство многосегментной конструкции. После образования свода арки, стальные трубы на последующем этапе строительства используются в качестве шаблона (опалубки) для заливки бетона, которые на этапе возведения моста образуют совместную несущую силу с бетоном внутри стальных труб, поэтому не требуется использование подвесных опорных подвесок (или подвесных подъемников), необходимых при строительстве бетонных арочных мостов, таким образом решаются трудности при строительстве крупнопролетных мостов через ущелья в горных районах. Однако при строительстве арочных мостов предъявляются очень высокие требования к сооружению фундамента, если длина пролета превышает 500 м, строительные работы становятся единственным звеном, на котором осуществляется управление за строительством всего проекта, сложные и тяжелые условия строительства в районе ущелья подчеркивают данное противоречие. Статистические данные также очень хорошо отражают степень предпочтительности строительства арочных мостов через ущелья на автодорожных проектах.