港珠澳大橋減光建筑設(shè)計及施工探討

楊衛(wèi)國，田睿

1 工程概況

1.1 項目特點

港珠澳大橋起于香港大嶼山散石灣，在澳門明珠和珠海拱北登陸，全長35 km，采用橋島隧組合方案，其中隧道長度為5.99 km，橋隧通過外海填筑東、西人工島進行轉(zhuǎn)換。為改善行車環(huán)境，確保行車安全以及節(jié)能降耗，滿足綠色環(huán)保的需求，同時景觀工程需要達到建筑與自然的和諧統(tǒng)一，港珠澳大橋在隧道口處設(shè)置了減光建筑[1]。在施工階段，為滿足上述功能和需求，對原初步設(shè)計方案進行了優(yōu)化，采用了鋼結(jié)構(gòu)格柵形式，坐落在港珠澳大橋島隧工程人工島隧道敞開段外墻與中隔墻頂部（出入口上方）。鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)分為橫梁、縱梁和立柱三大部分構(gòu)件，橫梁一端與立柱連接，另一端與縱梁連接，呈“門形”構(gòu)架結(jié)構(gòu)，構(gòu)架間距、高度依次遞減，起到減光效果。構(gòu)架立柱在水平面上旋轉(zhuǎn)45毅，橫梁在豎直平面上傾斜45毅，構(gòu)架立柱底部埋入隧道口外側(cè)墻的混凝土中，形成三維度空間結(jié)構(gòu)。主結(jié)構(gòu)總重約1 195 t，主要材質(zhì)為Q345qCNH耐候鋼，板厚主要是10mm、16 mm、20 mm、25 mm、40 mm；預(yù)埋件總重約32 t，主要材質(zhì)為Q235的角鋼。具體見圖1。

圖1 減光建筑實體效果圖Fig.1 Effectdiagram of light-weakening building entity

1.2 國內(nèi)隧道洞口減光建筑的主要設(shè)計形式

國內(nèi)隧道洞口減光建筑的常見主要結(jié)構(gòu)設(shè)計形式有遮陽棚、遮光棚、遮光板、通透式棚洞以及利用洞口植被或景物等[2-3]，但對隧道洞口減光建筑的理論研究相對較少，近年來隨著隧道工程建設(shè)增多也相應(yīng)有所增加。據(jù)報道，對隧道洞口的減光建筑進行深入研究的工程案例，有南京長江隧道（兩端洞口設(shè)有遮光棚）、上海市復(fù)興路隧道（兩端洞口設(shè)有遮光板）、南京維七路過江隧道（兩端洞口設(shè)有遮陽棚）、上海西藏南路隧道（隧道入口設(shè)有太陽能光伏板與垂直綠化相結(jié)合的光過渡段）、秦嶺隧道（隧道口采用綠化和廣告牌）以及武漢長江隧道等隧道工程。減光建筑的形式選擇，除考慮減光效果滿足行車安全和舒適性外，還需綜合考慮節(jié)能減排以及景觀和諧、投資成本和運營管理等現(xiàn)代管理理念和因素，目前國內(nèi)基本選擇結(jié)構(gòu)簡單、減光穩(wěn)定的遮光棚較多。本項目初步設(shè)計時采取遮陽棚的結(jié)構(gòu)形式，后續(xù)隨著工程建設(shè)深入和對本項目所處地理位置和環(huán)境條件認(rèn)識深入，對原設(shè)計結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，由遮陽棚改為遮光棚，且主體結(jié)構(gòu)在形式上有所突破，采用了全鋼結(jié)構(gòu)格柵。

2 項目初步設(shè)計與施工圖設(shè)計的變化

2.1 原初步設(shè)計方案

原初步設(shè)計時，減光建筑采用輕型光柵鋼結(jié)構(gòu)的遮陽棚形式。光柵鋼結(jié)構(gòu)由無縫鋼管（或卷制鋼管）構(gòu)成，橫向斜置橢圓拱軸線為橢圓弧拱拱管；縱向連接主要采用鋼管和鋼桁架形式。光柵鋼架表面按建筑要求覆以遮光板或采光板達到光過渡效果。初步設(shè)計時，主要材料為準(zhǔn)700伊16 mm鍍鋅無縫鋼管、2mm厚鈍化處理的鍍鋅鋼板（遮光板）和2 mm厚FRP（采光板）。詳見圖2。

圖2 減光建筑初步設(shè)計效果圖Fig.2 Prelim inary design renderingsof light-weakening buildings

2.2 兩方案比較分析

初步設(shè)計階段和施工設(shè)計階段，對減光建筑在總體結(jié)構(gòu)形式以及材料組成、主體構(gòu)造、施工工藝上都發(fā)生了根本性的變化，其主要是對項目深入了解以及結(jié)合土建、交通設(shè)施、景觀美學(xué)和節(jié)能減排等具體需求進行的優(yōu)化或變更。以下主要從結(jié)構(gòu)功能6大方面對方案進行比較分析。

1）抗風(fēng)性能：原初步設(shè)計采用輕型鋼結(jié)構(gòu)的屋架性結(jié)構(gòu)，頂面及側(cè)面呈封閉狀態(tài)，受風(fēng)面積較大；優(yōu)化設(shè)計后采用重型格柵鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受風(fēng)面積小，且自身抗風(fēng)等級較高。

2）匯水面積及匯水量：主要針對雨水對隧道路面匯水影響進行分析。原初步設(shè)計采用封閉式圓頂，可以有效排除減光建筑覆蓋面的雨水順流進入隧道；現(xiàn)施工設(shè)計采用開口的格柵結(jié)構(gòu)，增大了減光建筑覆蓋面的匯水面積和匯水量。在設(shè)計施工階段，設(shè)計對增加匯水量進行仔細(xì)核算，匯水面積和匯水量增加不大，在隧道洞口增加1道截水溝和側(cè)墻外增加1座雨水泵房加以解決。

3）洞口亮度變化及照明設(shè)計：原初步設(shè)計減弱自然光亮度，需采用燈光照明等措施加以解決；但該結(jié)構(gòu)不會因日照投射造成地面陰影，引起駕駛員視覺上的變化，也就是頻閃效應(yīng)。現(xiàn)施工設(shè)計減光效果好，不受自然環(huán)境因素影響；但是因格柵結(jié)構(gòu)尺寸較大，受日照影響，結(jié)構(gòu)在路面形成投射陰影，產(chǎn)生斑馬線條，這是否會引起駕駛員對頻閃的不適應(yīng)，為此專門進行了《港珠澳大橋隧道減光罩減光效果及對行車影響評價研究》[4]，研究報告明確該優(yōu)化的減光建筑在滿足減光效果的同時，產(chǎn)生的“頻閃效應(yīng)對駕駛員行車安全以及視覺舒適度的影響處于可控范圍”。

4）行車安全及舒適性：2套設(shè)計方案均能滿足該功能，在試通車階段，駕駛員反饋良好。

5）節(jié)能降耗：原初步設(shè)計采用全封閉結(jié)構(gòu)，對隧道周邊環(huán)境起到一定的隔聲作用，但增加隧道封閉段長度，不利于隧道內(nèi)通風(fēng)、消防，頂部大面積嵌裝透光材料，增加光污染；同時后續(xù)施工需增加燈光照明、排風(fēng)設(shè)備（軸流風(fēng)機）以及消防系統(tǒng)等設(shè)施，且后期運營期間維護工作量大?，F(xiàn)施工設(shè)計采用格柵結(jié)構(gòu)未增加隧道通風(fēng)段長度，運營期間維護工作量小，且地處外海環(huán)境，受海風(fēng)及周圍環(huán)境的影響，不會造成噪音污染，但需考慮景觀燈的設(shè)計。

6）建筑景觀美學(xué)：原初步設(shè)計在景觀美學(xué)上考慮在島面大量種植綠化植物來與島上建筑達到整體和諧效果，但島上綠化面積太大，占用公共區(qū)域大，且不利養(yǎng)護，浪費水資源；現(xiàn)施工設(shè)計結(jié)合島上建筑系統(tǒng)功能性的調(diào)整，使整個島體兼顧了供水、供電、消防、監(jiān)控、照明以及隧道通風(fēng)、排煙、防災(zāi)救援和旅游觀光等功能，通過優(yōu)化設(shè)計，除滿足該功能的變化外，還充分釋放島上面積空置率和整體島上建筑景觀和諧，使整個島上建筑既簡潔又不失大氣，既莊重又不失柔和。

通過對原初步設(shè)計和現(xiàn)設(shè)計施工的比對分析，現(xiàn)設(shè)計更能體現(xiàn)本項目特點，也更體現(xiàn)時代發(fā)展的需要。除滿足洞口減光和行車安全的基本功能外，更能體現(xiàn)節(jié)能降耗以及建筑景觀美學(xué)等優(yōu)點。

3 施工工藝

3.1 鋼結(jié)構(gòu)制作

3.1.1 制作工藝流程

減光建筑加工構(gòu)件分為立柱、橫梁、縱梁3個主要部分，加工完成并驗收合格后駁運至現(xiàn)場安裝。加工過程中，重點控制立柱和橫梁的角度匹配性。在完成焊接工藝評審后，嚴(yán)格按制作工藝流程圖進行加工制作。主要制作工藝流程為：鋼板進場檢驗寅預(yù)處理寅放樣、切割寅板單元加工寅組裝板單元（含胎架工裝加工）寅涂裝寅驗收出運。

3.1.2 質(zhì)量控制要求

本項目主體結(jié)構(gòu)縱梁和橫梁設(shè)計均為窄面箱體結(jié)構(gòu)，且箱體內(nèi)隔板較少，極易產(chǎn)生焊接變形。為確保箱體制造精度，主要從以下幾個方面進行質(zhì)量控制。

1）焊接工藝控制：制定焊接工藝操作手冊。焊接前，組織專門焊工和設(shè)備，開展焊接工藝評定試驗，并完成焊接工藝評定試驗方案專家評審及修訂后，形成系統(tǒng)操作手冊用來指導(dǎo)后續(xù)施工。

2）裝配工藝控制：采用側(cè)裝法。即一側(cè)腹板單元放置于胎架上，依次放置隔板、蓋底板單元組成三面成型箱體，最后裝配另一側(cè)腹板，箱體四面成型。裝配焊接時，通過碼板固定箱體直線度，焊接時嚴(yán)格按焊接工藝操作手冊執(zhí)行，同時主焊縫焊接時由中間向兩端同時對稱焊接。

3）工裝胎架控制：專門設(shè)計翻身胎具以及吊具。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)安裝

3.2.1 作業(yè)流程

現(xiàn)場安裝包括從運輸船靠東人工島卸船碼頭到總裝結(jié)束的全過程，主要作業(yè)流程見圖3。

圖3 減光建筑安裝主要作業(yè)流程圖Fig.3 M ain operation flow chartof the light-weakening building installation

3.2.2 安裝工藝

1）劃線：在安裝前，復(fù)測控制網(wǎng)及各項尺寸[5]，對各類部件的安裝位置進行劃線。在整個安裝過程中，需依據(jù)預(yù)埋件的位置，精確劃線，確?，F(xiàn)場安裝的質(zhì)量及精度。測量劃線采用與全島統(tǒng)一的坐標(biāo)系，減光建筑安裝軸線采用全站儀測量劃線實現(xiàn)，各構(gòu)件的安裝位置在墻體上做明顯標(biāo)記，劃線時需控制好立柱偏轉(zhuǎn)角度及中心軸線位置和相對高程等指標(biāo)。

2）縱梁安裝：縱梁安裝前對墻體上表面的高程進行測量，對偏離理論高程值的位置進行打磨或者墊不銹鋼墊片處理。構(gòu)件安裝前仔細(xì)核對尺寸等參數(shù)，確認(rèn)無誤后組織安裝作業(yè)，吊裝采用90 t履帶吊進行?？v梁吊裝至中隔墻頂部調(diào)整、精確定位后，施工人員按要求進行施焊，先焊接縱梁兩側(cè)立焊縫，再焊接底板對接焊縫。

3）立柱安裝：立柱正式安裝前，將立柱基坑內(nèi)調(diào)整螺母調(diào)整到預(yù)定高度，并測量上表面的高程與水平，滿足要求后，通過吊車將立柱安裝定位，擰緊立柱底部螺栓，安裝調(diào)節(jié)纜風(fēng)繩后方可松鉤；然后利用立柱上2根調(diào)節(jié)纜風(fēng)繩，精確調(diào)節(jié)立柱安裝角度，并確保構(gòu)件穩(wěn)定。

4）橫梁安裝：利用吊車將橫梁緩慢升至安裝位置后，先調(diào)整與立柱側(cè)對接，再調(diào)整橫梁與縱梁對接。橫梁與立柱對接時，通過調(diào)整立柱纜風(fēng)繩或橫梁吊裝時安裝在兩端的纜風(fēng)繩調(diào)整立柱小節(jié)段與對接的橫梁四個面在同一平面內(nèi)（直靠尺測量）；橫梁與縱梁為搭接對接，調(diào)整橫梁頂部直角輪廓線與縱梁垂直，且南北車道橫梁頂部輪廓線在同一直線上，如整體調(diào)整對位無法滿足兩車道橫梁頂部輪廓在同一直線上時，調(diào)整立柱橫向軸線定位，以保證安裝的線形呈直線。安裝過程中，需確保橫梁的傾斜角度滿足設(shè)計要求。對接完成且通過碼板固定對接端口，人工焊接成型。

5）涂裝施工：鋼結(jié)構(gòu)安裝完成、焊縫檢測合格后進行焊縫處補涂裝作業(yè)。涂裝前清理基面，涂裝完成后進行涂層檢測?，F(xiàn)場安裝效果見圖4。

圖4 涂裝后減光建筑安裝成品圖Fig.4 Installation of finished light-weakening buildings after coating

4 驗收標(biāo)準(zhǔn)的制定

港珠澳大橋島隧工程減光建筑結(jié)構(gòu)尺寸大，且為三維空間結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)為島上敞開段隧道的側(cè)墻與中隔墻，整體結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，立柱與基礎(chǔ)預(yù)埋件采用螺栓連接后再澆筑混凝土，橫梁與縱梁及立柱采用焊接形式，形成整體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在滿足結(jié)構(gòu)安全和使用功能要求前提下，須充分考慮整體建筑的景觀效果。在“首件制”安裝結(jié)束后，經(jīng)過現(xiàn)場實測實量，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計要求參照GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》[6]的實測項目及允許偏差，不適宜本項目減光建筑三維空間結(jié)構(gòu)的特點，在對“首件制”成果進行分析總結(jié)后，制定了適合港珠澳大橋減光建筑安裝質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)[7]（表1），專用質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)在原設(shè)計要求的基礎(chǔ)上對減光建筑安裝后實測項目進行規(guī)定。

5 結(jié)語

1）港珠澳大橋隧道減光建筑經(jīng)檢驗，完全滿足行車安全和節(jié)能降耗以及建筑景觀美學(xué)的要求。

2）根據(jù)對項目深入了解，適時對原初步設(shè)計方案進行優(yōu)化調(diào)整是合適的，確定采用遮光格柵的結(jié)構(gòu)形式值得后續(xù)建設(shè)隧道工程借鑒。

表1 減光建筑安裝質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)Table1 Installation quality acceptance standard of lightweakening buildings

3）項目推行“首件制”質(zhì)量管控手段并結(jié)合實際對原不完全適宜本項目的驗收標(biāo)準(zhǔn)進行修訂的做法，值得后續(xù)工程建設(shè)進行推廣。

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[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司. 港珠澳大橋主體工程島隧工程施工圖設(shè)計：東人工島隧道現(xiàn)澆敞開段[R]. 2014.CCCC Highway Consultants Co., Ltd. Construction drawing ofisland and tunnel project of Hongkong

[2]潘貝貝，翁季. 公路隧道洞口減光措施的研究綜述[J]. 燈與照明，2013，37（3）：18-23.PAN Bei-bei, WENG-Ji. Review of the measures for reducing light in the tunnel entrance of highway tunnel[J]. Light Lighting, 2013,37(3): 18-23.

[3]彭子暉.隧道自然光過渡設(shè)計淺議[J].地下工程與隧道，2013（2）：8-11，60.PENG Zi-hui.Discussion on the transition design of natural light in tunnel[J].Underground Engineering and Tunnels,2013(2):8-11,60.

[4]同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院.港珠澳大橋隧道減光罩減光效果及對行車影響評價研究報告[R].2017.Transportation Engineering College of Tongji University.Evalua-tion research report on the light reduction effect in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge tunnels and its influence on driving[R].2017.

[5]JTG/TF50—2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].JTG/T F50—2011,Technical specification for construction of highwaybridgeand culverts[S].

[6]GB 50205—2012，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].GB 50205—2012,Code for acceptance of construction quality of steelstructure[S].

[7]港珠澳大橋管理局. 港珠澳大橋主體工程隧道工程施工及質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2017.Hongkong -Zhuhai -Macao Bridge Authority. Construction andquality acceptance criteria for tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge main project[S]. 2017.