今年10月15日，武漢長江大橋67歲了！

67年前，一群橋梁界仁人志士匯聚武漢長江邊，克服水文環(huán)境的惡劣和技術(shù)上的空白的挑戰(zhàn)，修建起萬里長江第一橋。

它的建設(shè)，拉開了中國現(xiàn)代化橋梁建設(shè)的序幕。自此以后，“大江大河上到處能走”的夢想不斷變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

67年過去了，跨越江河早已不是難事。武漢長江大橋如同老大哥一般，巍然屹立于龜蛇之巔，俯瞰大江東去，笑看白云蒼狗。 

體格強(qiáng)健的武漢長江大橋見證著兩岸的繁榮與發(fā)展。讓我們一起回過頭來看，在當(dāng)時(shí)的情境下——修建武漢長江大橋有多難。

氣壓沉箱法百弊叢生

近百年來，世界上橋梁深水基礎(chǔ)唯一的施工方法就是氣壓沉箱法。氣壓沉箱猶如倒扣的一只飯碗沉入水底，“碗”內(nèi)有壓縮空氣，水進(jìn)不去，人在里面工作，要承受附加的大氣壓力。水深每增加10米就增加1個(gè)大氣壓力，水深40米時(shí)，人要承受4個(gè)大氣壓力，即每平方厘米有4公斤壓力，這是氣壓沉箱法能承受水深的極限。

沉箱中的空氣五分之四是氮?dú)?，五分之一是氧氣。氮?dú)夥肿釉诟邏合氯谌肴说纳窠?jīng)細(xì)胞，會產(chǎn)生輕度麻醉，時(shí)間一長，就會產(chǎn)生“氮醉”的麻痹現(xiàn)象，即所謂“沉箱病”。人長時(shí)間在高壓氧氣中工作，亦會引起腦部的“氧中毒”。所以沉箱內(nèi)工人不能工作太久，壓力愈大，允許工作的時(shí)間愈短。

氣壓沉箱法示意圖

在沉箱內(nèi)工作一段時(shí)間后，有相當(dāng)多的氮?dú)馊芙庠谌说难汉腕w內(nèi)組織，出沉箱時(shí)，必須在氣閘室內(nèi)經(jīng)過一段時(shí)間慢慢減壓，讓氮?dú)饴尫懦鰜?。若減壓太快，氮?dú)鈺纬刹蝗芙獾臍馀?，在小血管中形成栓塞，妨礙血液流通，此即所謂的“減壓病”。所以，氣壓沉箱法的工作效率是很低的。

另外，武漢長江大橋用氣壓沉箱工作的內(nèi)容與過去國內(nèi)曾用過的氣壓沉箱完全不同。過去國內(nèi)用過的氣壓沉箱主要是清除覆蓋層的泥沙，使作為橋梁基礎(chǔ)的沉箱埋置深一些，一般可達(dá)水下20米。

錢塘江大橋有九個(gè)橋墩基巖在水下很深，先打30米長木樁160根，樁頭在水下20米左右，再下氣壓沉箱使其能套住這160根樁頭，用混凝土澆筑在一起，即成為橋墩基礎(chǔ)。

武漢大橋氣壓沉箱主要工作是鑿巖，開鑿包括風(fēng)化層巖石的基巖。在初步設(shè)計(jì)時(shí)估計(jì)需鑿巖6430立方米，工作量驚人。因?yàn)槲錆h大橋各墩基巖的覆蓋層在洪水期時(shí)可能會被沖光，成為光板，所以橋墩基礎(chǔ)必須牢靠地嵌固在基巖中，嚴(yán)防移動(dòng)傾側(cè)。各墩需要鑿巖平均4到6米深，其中包括基礎(chǔ)范圍內(nèi)原有巖面的高差一般有5米需要鑿平。鑿巖計(jì)劃采用高壓射水、機(jī)械風(fēng)動(dòng)等鑿巖手段，堅(jiān)硬的巖層有時(shí)還要進(jìn)行爆破作業(yè)，這時(shí)需要增加通風(fēng)設(shè)施。這些艱難的鑿巖工作都是發(fā)生在最后階段，即3到4個(gè)大氣壓力時(shí)，可能會發(fā)生嚴(yán)重的沉箱事故。后來又從鉆探資料得知：7號墩炭質(zhì)頁巖中可能產(chǎn)生有害氣體，需要采取特殊措施預(yù)防工人中毒。因此情況更加復(fù)雜了。

武漢大橋橋址地質(zhì)復(fù)雜，巖層設(shè)計(jì)強(qiáng)度差別很大，石灰?guī)r每平方厘米400公斤，泥灰?guī)r每平方厘米200公斤。7號墩所在的炭質(zhì)頁巖由于巖層破碎，每平方厘米只能承受9公斤壓力。因此，鑿巖需要準(zhǔn)備多種手段。

由于沉箱內(nèi)鑿巖工作量大，箱內(nèi)氣壓又高，全橋需要添置大量氣閘、升降管道、大容量壓風(fēng)機(jī)，以及多個(gè)醫(yī)療氣閘和大批船舶等等。還要培訓(xùn)大量沉箱工人。這樣一來，工期勢必延長，而且沒有保證。因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)箱內(nèi)4個(gè)大氣壓力將很難工作，只能在高水位時(shí)期停止施工。所以氣壓沉箱法是很不理想的施工方法，費(fèi)用昂貴，有損工人健康，而且還冒著很大風(fēng)險(xiǎn)。但是這是當(dāng)時(shí)世界上唯一的施工方法。

屹立于武漢長江大橋武昌岸橋頭的管柱紀(jì)念碑

管柱鉆孔法重燃希望

1953年上半年完成的武漢大橋初步設(shè)計(jì)中，江中8個(gè)橋墩都建議采用氣壓沉箱法。當(dāng)年9月赴蘇聯(lián)技術(shù)鑒定結(jié)論亦是同樣：采用氣壓沉箱法。1954年蘇聯(lián)專家組組長西林來到中國，當(dāng)時(shí)他已從蘇聯(lián)一本煤礦工業(yè)雜志上了解到一種新型的豎井鉆挖方法，設(shè)備簡單，操作容易。利用鋼絲繩的扭勁，一端進(jìn)卷揚(yáng)機(jī)，一端系鎢金接頭套。此接頭套可在十字型鉆頭上端一個(gè)圓窟窿內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。鉆頭一起一落，十字型鉆頭會不停地向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，在巖層中鉆出一個(gè)圓柱孔來——后來被稱為沖擊式鉆機(jī)或簡稱“砸機(jī)”。

西林設(shè)想將此種鉆機(jī)移用到橋墩基礎(chǔ)施工中來，在一個(gè)圓柱形管柱中上下起落鉆頭進(jìn)行鑿巖。但是，煤礦和武漢長江大橋情況完全不同，后者管柱是在深水急流中，如何穩(wěn)得??？水下巖面復(fù)雜高低不平，會遇到流沙、塌孔、卡鉆等多種困難，水下混凝土封底前清渣亦是個(gè)難題。

西林新建議的施工方法后被稱為“管柱鉆孔法”，完全摒棄了有百年歷史的氣壓沉箱法，人們可在正常大氣壓力下工作。這種方法得到了大橋局領(lǐng)導(dǎo)的支持，決定“一切通過試驗(yàn)”來證明其可行性。

從1954年10月至1955年6月，共約8個(gè)月時(shí)間，大橋局對其中每一道工序進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，經(jīng)過無數(shù)次的失敗、改進(jìn)，最后取得成功。從陸上鉆頭試驗(yàn)、管柱預(yù)制（先是小直徑1.1米管柱，后改為直徑1.55米管柱）、深水定位、下沉管柱（包括扶正），到巖面處理、水下鉆巖一定深度、下鋼筋籠、水下混凝土封底，最后再鉆小孔穿過封底混凝土進(jìn)入原始巖層取得巖芯進(jìn)行檢查，此法完全取得成功。

武漢長江大橋大型管柱施工

在深水急流中用自制的震動(dòng)打樁機(jī)下插管柱，大概有二三十米長。為了保持管柱豎直穩(wěn)定，外側(cè)加設(shè)高壓射水管，沖擊河床泥層。管柱歪了，就調(diào)整射水壓力予以糾偏。管柱底碰到的基巖高低不平、有流沙，就在管柱內(nèi)拋投片石，打上一層水下混凝土，再重新開鉆。最初進(jìn)度很慢，1955年3月第一部鉆機(jī)在一號墩上花了兩個(gè)月才鉆進(jìn)巖層53厘米，而且鉆頭經(jīng)常壞，后來改變了十多種式樣，有帶凹式鉆刃的鉚合式十字鉆頭，有整體式的，有組合式的。后來刃齒鑿巖部分選用特別硬質(zhì)的y-8鋼制造，帶弧形刃齒的鉆頭又改為稍微切去弧形刃齒兩端的鉆頭。不斷的改進(jìn)，使鉆頭的穩(wěn)定堅(jiān)固性和鉆進(jìn)率大大提高，改進(jìn)后的一個(gè)凹形鉆頭，連續(xù)鉆了12000分鐘，鉆成了11個(gè)鉆孔，且不用返修。

鉆巖產(chǎn)生的碎渣，采用泥漿法使其上浮，然后清除。鉆進(jìn)一定深度就要拋投黏泥塊，投多了，影響鉆巖速度，投少了，鉆渣浮不起來。經(jīng)過摸索，每鉆進(jìn)1米，需投1立方米黏泥。這樣，工地將粘泥塊切成小塊，堆碼在鉆孔旁，按照鉆孔進(jìn)度，及時(shí)投入。

管柱底鉆孔深度根據(jù)巖層強(qiáng)度而定，巖層堅(jiān)硬的鉆孔深3米，巖層強(qiáng)度差些的鉆深7到8米。由于管柱鉆孔法設(shè)備簡單，便于流水作業(yè)，可多工點(diǎn)施工，加快了全橋施工進(jìn)度。

管柱鉆孔法是一項(xiàng)全新的施工方法。最大優(yōu)點(diǎn)是工人都在正常大氣壓力下操作。建設(shè)武漢大橋的職工熱情度高，新方法遇到的各個(gè)難點(diǎn)，都在廣大職工集思廣益、群策群力下很快得到解決。

檢查新方法的效果，關(guān)鍵是檢查管柱鉆孔后水下混凝土填充質(zhì)量。全橋共有224根管柱，大橋局用KAM-300型鉆機(jī)鉆取水下混凝土并更深入巖層一段距離的巖芯（巖芯直徑100毫米），來檢查水下混凝土強(qiáng)度質(zhì)量及混凝土與巖層結(jié)合面情況。這樣用于檢查的小鉆孔，全橋共鉆了24個(gè)。除早期施工的3個(gè)巖盤頂面有少量沙和碎石，其余21個(gè)均無夾層，說明清孔干凈。填充混凝土強(qiáng)度亦均超過設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度，每平方厘米170公斤。

1955年12月，蘇聯(lián)工程運(yùn)輸部部長及專家們來漢交流經(jīng)驗(yàn)，其中有一位“早期懷疑派”看到這些直徑100毫米的鉆芯實(shí)物后，禁不住豎起大拇指，高聲說新方法完全成功，這是對世界橋梁建設(shè)的一大貢獻(xiàn)。

近似計(jì)算法非用不可

大橋上部結(jié)構(gòu)建設(shè)時(shí)也遇到了不少難題。

主橋一跨128米，一般采用三角形桁式，但斜桿很長，節(jié)點(diǎn)板寬度超過2.5米，材料供應(yīng)有困難。因此，桁式改用菱形桁式，即雙斜腹桿桁式，俗稱“米字形”。鋼梁原計(jì)劃采用浮運(yùn)法架設(shè)。初步設(shè)計(jì)赴蘇聯(lián)鑒定后，將九孔簡支梁改為三聯(lián)連續(xù)梁，每聯(lián)三孔鋼梁，懸臂法架設(shè)。

技術(shù)上大大地進(jìn)了一步，但難度亦大大增加。每聯(lián)連續(xù)梁菱形桁式屬于五次超靜定結(jié)構(gòu)，外部兩個(gè)超靜定支點(diǎn)，內(nèi)部三個(gè)超靜定贅余桿，其應(yīng)力分析十分復(fù)雜。1954年大橋局還沒有大型計(jì)算機(jī)，只有計(jì)算尺和手搖計(jì)算器。面對五次超靜定，每一次荷載下應(yīng)力分析，要解析五個(gè)并列方程式，結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量多，要求畫出每根桿件的影響線，用傳統(tǒng)方法工作量非常龐大，非得采取捷徑改用簡化的、近似的方法不可。

鋼梁計(jì)算開始時(shí)，假定截面都是常數(shù)，計(jì)算出支點(diǎn)反力，將主桁分解為兩個(gè)斜桿系統(tǒng)，求出各構(gòu)件的內(nèi)力和截面，據(jù)此截面再進(jìn)行下一步計(jì)算。

由此再算出兩個(gè)多余反力的影響線，將桁架視為外靜定結(jié)構(gòu)，全部斜桿由兩個(gè)系統(tǒng)組成。單位荷載所在孔僅僅有節(jié)點(diǎn)荷載的斜桿系統(tǒng)受力。單位荷載在小節(jié)點(diǎn)或無單位荷載其他孔，假定兩個(gè)斜桿系統(tǒng)均勻受力，各承受節(jié)間剪力之半，其上下對應(yīng)的弦桿內(nèi)力相等，這樣可求出全部桿件的內(nèi)力影響線。

采用以上近似方法，大大簡化了計(jì)算工作。類此的近似簡化方法還有，可以相互比較校核。上述近似計(jì)算又作了進(jìn)一步優(yōu)化，集中荷載乘以影響線坐標(biāo)，均勻荷載乘以影響線面積，即得出內(nèi)力。武漢長江大橋建設(shè)后期，曾用兩列雙機(jī)牽引的火車進(jìn)行一系列荷載試驗(yàn)，證明上述近似計(jì)算方法基本符合實(shí)際情況。

武漢長江大橋通車場景

標(biāo)準(zhǔn)化讓鋼梁架設(shè)高效優(yōu)質(zhì)

鋼梁采用懸臂法架設(shè)，要求桿件制造尺寸準(zhǔn)確，同編號的桿件可以互換，架設(shè)時(shí)不需擴(kuò)眼。為此設(shè)計(jì)時(shí)即作了考慮，使鋼梁制造工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、樣板化、機(jī)械化。桿件長度不超過16米，板厚不超過24毫米，節(jié)點(diǎn)板寬不超過2.5米。全部桿件截面是H形，內(nèi)含4個(gè)隅角鋼，全部桁梁桿件寬度一律為72厘米，高度可變化。全橋上下弦桿長度均為15.94米，僅11種編號；斜腹桿均長10米，14種編號；豎桿6種編號，桿件標(biāo)準(zhǔn)化，鋼梁上拱度尺寸變化均做在大節(jié)點(diǎn)板內(nèi)。

上下弦桿拼接均設(shè)在大節(jié)點(diǎn)板正中。所有主桁桿件工地連接的釘群均樣板化作規(guī)律性排列。全部桿件均采用H形，便于工廠用馬蹄形鉚釘機(jī)鉚合。山海關(guān)橋梁工廠為提高制造質(zhì)量、推行樣板化作了大量工作，用經(jīng)過表面硬化熱處理的鉆孔套壓入鋼鈑孔眼內(nèi)，做成機(jī)器樣板，機(jī)器樣板孔眼則由制作工藝精湛的樣板鉆制。鉆孔套內(nèi)徑被鉆頭磨耗達(dá)0.1毫米即予更換。這樣工地連接釘孔尺寸精度大為提高，使同編號的桿件可以互換。

大橋鋼梁實(shí)際架設(shè)時(shí)，沒有一次釘孔需要擴(kuò)孔，鋼梁自然拼成穩(wěn)定的三角形，大橋制造精度出乎一般意料。大橋武昌岸架設(shè)鋼梁時(shí)，需要新制一臺架梁吊機(jī)，由于擔(dān)心鋼梁架設(shè)時(shí)孔眼不準(zhǔn)需要處理而耽誤架梁速度，特意制造了一臺兩個(gè)吊臂的架梁吊機(jī)（雙動(dòng)臂吊機(jī)），但實(shí)際上一個(gè)吊臂吊機(jī)完全足夠了。

武漢長江大橋鋼梁架設(shè)

拼梁吊機(jī)在鋼梁懸臂端，是一個(gè)很大的集中荷載，作用點(diǎn)在一個(gè)斜桿系統(tǒng)上，另一個(gè)斜桿系統(tǒng)受力偏小，不合理想。同時(shí)四根斜腹桿組成的菱形空間會發(fā)產(chǎn)生變形。為了避免以上現(xiàn)象發(fā)生，懸臂孔前端臨時(shí)增加兩擋菱形空間內(nèi)水平連接桿（事后拆除），使懸臂孔后面的上下弦桿受力（絕對值）基本一致，同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

懸臂架梁一個(gè)重要的質(zhì)量指標(biāo)，即是鉚合工作不能落后于拼裝工作3個(gè)節(jié)點(diǎn)，鉚合要緊跟上拼裝。鉚合工作需要有牢靠的腳手架，因此設(shè)有專門的鉚合腳手架拼裝工班。懸臂端二三十米，地窄人多，安全是個(gè)大問題，需要有嚴(yán)格的施工組織工作予以協(xié)調(diào)。鋼梁拼架工作在白班，鉚合腳手架拼裝工作在夜班，一個(gè)在上游一片桁梁上操作，另一個(gè)在下游一片桁梁上施工。力求避開雙層作業(yè)，確保安全。鉚合腳手架一拼完，緊接著驗(yàn)收，鉚合跟著上去。這樣確保了質(zhì)量，還能節(jié)省大量拼裝精制螺栓。拼裝螺栓隨時(shí)收集，立即返修（絲扣），又可重復(fù)使用。這樣巧妙安排各項(xiàng)工序，讓工地節(jié)約了一萬個(gè)精制螺栓。

武漢長江大橋鋼梁板束累計(jì)最大厚度達(dá)170毫米，用直徑26鉚釘鉚合在一起，這樣又長又粗的鉚釘很難鉚合。又因鉚釘孔直徑普遍正公差多，鉚釘釘桿直徑負(fù)公差多，鉚釘鉚合后很難填滿釘孔，發(fā)現(xiàn)有間隙且最大達(dá)2毫米，以后容易松動(dòng)。為了盡量填滿釘孔，工地經(jīng)過研究，制成了一種高頭錐體形釘桿鉚釘，替代原有半圓形釘頭直桿鉚釘，施鉚肘又加用跳動(dòng)式風(fēng)頂，這樣大大增加了鉚釘?shù)奶顚?shí)度。所以到如今歷經(jīng)近70年，全橋近百萬個(gè)工地鉚釘無一松動(dòng)，創(chuàng)造了鋼梁鉚合的奇跡。

武漢長江大橋工人用高頭錐體形釘桿鉚釘

萬里長江第一橋于1955年7月正式施工，1957年9月全部建成，質(zhì)量歷經(jīng)考驗(yàn)奉為楷模。大橋局第一任局長彭敏當(dāng)年倡導(dǎo)的“尊重科學(xué)，勇于實(shí)踐，技術(shù)創(chuàng)新，嚴(yán)格質(zhì)量”的大橋精神，連綿不斷，發(fā)揚(yáng)光大。而修建武漢長江大橋的中鐵大橋局，也已在國內(nèi)海外建成4000余座大橋，發(fā)展為名副其實(shí)的世界一流“建橋國家隊(duì)”。 

【責(zé)任編輯:索煒】