考慮特殊橋位的深中通道伶仃洋大橋總體設(shè)計

徐 軍 吳明遠

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司 北京 100088)

1 項目概況

深圳至中山跨江通道( 簡稱“深中通道”)地處珠江口粵港澳大灣區(qū)核心。項目東接機荷高速，終點與規(guī)劃的中開、東部外環(huán)高速對接。深中通道是世界上首例集超寬超長海底沉管隧道、超大跨海中橋梁、深水人工島、水下互通“四位”一體的集群工程。深中通道主體工程全長約24 km，伶仃洋大橋為跨越伶仃航道和龍穴南水道的主通航孔橋，其建設(shè)標準、工程規(guī)模、建設(shè)難度、工程復(fù)雜程度均為現(xiàn)今世界同類工程之最。

2 主要技術(shù)標準

伶仃洋大橋設(shè)計主要技術(shù)標準如下[1]。

1) 公路等級。高速公路。

2) 行車道數(shù)。雙向8車道。

3) 設(shè)計車速。100 km/h。

4) 設(shè)計使用年限。主體結(jié)構(gòu)100年。

5) 設(shè)計洪水頻率。1/300。

6) 設(shè)計水位3.60 m(1985國家高程基準)，最高通航水位3.01 m，最低通航水位-1.04 m。

7) 通航標準。通航凈寬為1 520 m，主航道通航凈高為76.5 m(對應(yīng)凈高76.5 m的范圍不應(yīng)小于698 m)。

8) 設(shè)計荷載標準。

①汽車荷載等級：公路-I級；②抗震設(shè)防標準：場區(qū)地震基本烈度VII度，地震動峰值加速度0.10g，場區(qū)地震動反映譜特征周期為0.35 s。E1水準對應(yīng)100年超越概率10%，E2水準對應(yīng)100年超越概率4%；③抗風(fēng)設(shè)計標準，設(shè)計基本風(fēng)速采用橋址處100年重現(xiàn)期10 m高度10 min平均年最大風(fēng)速43.0 m/s；④船舶撞擊力標準，主墩：100 MN，錨碇(或過渡墩)：48 MN。

3 項目特點和難點

1) 地理位置特殊，景觀要求高。

2) 伶仃航道橋需跨越2個航道：伶仃航道和龍穴南水道。

3) 通航凈寬達1 520 m，主跨跨徑大。

4) 珠江口臺風(fēng)頻發(fā)、超大跨度，超高橋面(90 m)抗風(fēng)斷面氣動選型及安全性能問題相對突出。

5) 2個錨碇均位于海中，距離海岸大于10 km。

6) 橋位距離機場近，航空限高275 m，限制索塔設(shè)計高程。

7) 西主塔位于F4斷裂構(gòu)造內(nèi)，受構(gòu)造影響，下伏基巖主要以角礫巖為主，發(fā)育厚度深，角礫巖力學(xué)性質(zhì)差異大。

8) 濱海環(huán)境，耐久性要求高。

4 工程設(shè)計方案

4.1 主橋跨徑的確定

基于以下原則選擇伶仃洋大橋合適的主跨、邊跨跨徑。

1) 滿足交通運輸部批復(fù)的通航凈空寬度，伶仃航道不應(yīng)小于1 520 m，龍穴南水道不應(yīng)小于325 m，并預(yù)留一定的安全距離。

2) 應(yīng)該考慮基礎(chǔ)承臺、防撞設(shè)施和航道標志設(shè)施的尺寸； 考慮水流影響，給通航留有一定的航向調(diào)整富余，并使航道躲開承臺附近的紊流區(qū)。

3) 西塔位置位于伶仃航道和龍穴南水道中間，應(yīng)綜合考慮2個航道間的位置關(guān)系，盡量降低大噸位船舶撞擊風(fēng)險。

4) 根據(jù)勘察和物探報告，西塔位置位于F4斷裂帶之中，F(xiàn)4為不活動斷裂，未見覆蓋土層錯斷，F(xiàn)4斷裂對本工程影響的總體寬度近580 m，即使加大跨徑西主塔位置也無法避開F4斷裂帶，西塔位置地勘鉆孔與跨徑關(guān)系圖見圖1。

圖1 西塔位置地勘鉆孔與跨徑關(guān)系(單位：m)

根據(jù)以上原則，確定主橋跨徑為1 666 m，邊跨跨徑為580 m(邊跨鋼箱梁長500 m)，跨徑布置圖見圖2。

圖2 跨徑布置(單位：m)

4.2 建筑景觀設(shè)計

深中通道的建設(shè)目標是成為世界一流的跨海通道和珠江口百年門戶工程，使其在技術(shù)與美學(xué)上均能卓然超群，成為一個地標性建筑。深中通道建筑設(shè)計理念為平衡、和諧，建筑設(shè)計總體上簡潔、大氣、識別性強，并與周邊環(huán)境和諧，結(jié)構(gòu)物外形采用統(tǒng)一的建筑元素。整個項目均采用了切面元素打造晶體狀的感覺，切面元素使得橋塔在美學(xué)表達上更加輕盈簡潔，使得項目的3個主要構(gòu)筑物——伶仃洋大橋、中山大橋和人工島的關(guān)聯(lián)及和諧性得以塑造。建筑景觀效果圖見圖3。

圖3 構(gòu)件景觀設(shè)計

4.3 抗風(fēng)性能研究

伶仃洋大橋跨徑超大(1 666 m)、橋面超高(約90 m)，又處于珠江口，為臺風(fēng)高發(fā)區(qū)的開闊水域，橋面顫振檢驗風(fēng)速83.7 m/s，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)，主橋抗風(fēng)斷面選型研究十分重要。通過4所大學(xué)平行開展節(jié)段模型風(fēng)洞試驗，2所大學(xué)平行開展全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗，解決了主橋抗風(fēng)問題[2-3]。

通過4個氣動措施可以將整體鋼箱梁的顫振臨界風(fēng)速提升至87 m/s：①設(shè)置1.2 m的上中央穩(wěn)定版；②調(diào)整梁底檢查車軌道至底板1/10處，雙側(cè)設(shè)置軌道導(dǎo)流板；③設(shè)計檢修道欄桿透風(fēng)率達95%；④箱梁外側(cè)設(shè)置2.5 m的水平導(dǎo)流板。同時大尺度節(jié)段模型(1∶25)渦振測試結(jié)果表明，該氣動外形沒有發(fā)生渦振現(xiàn)象。

4.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

4.4.1總體布置

采用500 m+1 666 m+500 m三跨吊全漂浮體系，錨碇IP點距離索塔中心580 m。主纜在成橋狀態(tài)下的中跨垂跨比為1∶9.65，2根主纜中心距為42.1 m。橋型布置[4]見圖4。

圖4 橋型布置圖(單位：尺寸，cm；高程：m)

4.4.2約束體系

采用雙塔三跨連續(xù)漂浮體系，2個橋塔處設(shè)置橫向抗風(fēng)支座、縱向限位阻尼裝置，過渡墩處設(shè)置豎向支座和橫向抗風(fēng)支座[5]。

4.4.3索塔

1) 索塔基礎(chǔ)。設(shè)計采用群樁基礎(chǔ)，單樁直徑為3 m。索塔基礎(chǔ)為56根直徑3 m的鉆孔灌注樁，按照嵌巖樁設(shè)計。西塔樁長108～136 m，東塔樁長50～87 m。承臺高8 m，承臺平面為2個直徑36 m的圓形。承臺采用C45混凝土，樁基礎(chǔ)采用C35水下混凝土。

2) 塔身。索塔采用門式造型，索塔設(shè)置中、上2道橫梁及下橫梁。塔柱底面高程+0 m，塔頂高程+270 m，總高度270 m。索塔構(gòu)造圖見圖5。索塔共設(shè)上、中、下3道橫梁，采用領(lǐng)結(jié)型設(shè)計。除索塔中橫梁和上橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件外，其它塔柱均為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，索塔下橫梁按普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計，設(shè)置預(yù)應(yīng)力作為防裂儲備，索塔均采用C55混凝土。

塔柱均采用八邊形截面。下塔柱高程范圍為+0 m至+79 m，截面尺寸由13 m×16 m(橫橋向×順橋向)過渡到8.4 m×12 m，上塔柱高程范圍為+79 m至+262.5 m，截面尺寸由8.4 m×12 m過渡到7.5 m×12 m。塔柱壁厚自下而上為3.5，2.2，2，1.6 m，與橫梁交接范圍局部加厚。

3) 塔冠。塔冠為主索鞍鞍罩和塔頂橫向平臺，采用不銹鋼結(jié)構(gòu)。

圖5 索塔構(gòu)造(單位：尺寸，cm；高程，m)

4.4.4主梁

主梁采用扁平流線型整體鋼箱梁。鋼材采用Q345qD。梁寬49.7 m、高4 m；吊點橫向間距42.1 m,吊點順橋向間距12.8 m；吊索錨固在風(fēng)嘴上，頂板寬40.5 m，風(fēng)嘴寬2.1 m，平底板寬31.3 m，斜底板寬6.7 m，風(fēng)嘴外側(cè)設(shè)置寬2.5 m導(dǎo)流板。標準梁段長12.8 m，設(shè)置實腹式橫隔板，間距3.2 m；頂板U肋上口寬300 mm，下口寬180 mm，高300 mm，U肋中心距600 mm；底板U肋上口寬240 mm，下口寬500 mm，高260 mm，U肋中心距1 000 mm。頂板在外側(cè)重車道厚18 mm，內(nèi)側(cè)快車道厚16 mm，頂板U肋板厚8 mm，底板厚14 mm，斜底板厚14 mm，底板U肋板厚6 mm。標準橫隔板分為2個部分，上部與頂板系統(tǒng)相連部分厚14 mm,下部厚10 mm。主梁中央分隔帶中間設(shè)置1.2 m高穩(wěn)定板。主梁標準橫斷面圖見圖6。

圖6 主梁標準橫斷面(單位：mm)

4.4.5錨碇

采用離岸超大型重力式錨碇方案，錨碇及基礎(chǔ)示意圖見圖7。錨碇區(qū)域水深3～5 m，地層為深厚軟弱淤泥及粉砂層。通過研究，首次提出在海中采用鎖扣鋼管樁圍堰填砂筑島形成陸域，在陸域施作“8”字形地下連續(xù)墻錨碇基礎(chǔ)方案[6-7]。與拋石筑島方案相比，該方案具有施工效率高、環(huán)境影響小及工后易于清除的優(yōu)點，解決了離岸深水海中錨碇設(shè)計施工的關(guān)鍵技術(shù)難題。鎖扣鋼管樁圍堰筑島平面示意見圖8。筑島直徑150 m，采用材質(zhì)為Q345C的130根直徑2 500 mm的鋼管樁和130根U形鋼板樁作為臨時圍擋結(jié)構(gòu)，鋼管樁壁厚22 mm，鋼板樁壁厚10 mm。鋼管樁樁端持力層為中粗砂?？油夥雷o采用拋石護堤，拋石高度8 m。

圖7 錨碇及基礎(chǔ)示意圖(單位：尺寸，cm；高程，m)

圖8 鎖扣鋼管樁圍堰筑島平面示意圖(單位：cm)

錨碇基礎(chǔ)采用“8”字形地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，地連墻厚 1.5 m，地連墻嵌入中風(fēng)化巖層5 m，內(nèi)襯厚度1.5 m，2.5 m，3 m，基礎(chǔ)頂標高+3.0 m，基礎(chǔ)底標高：-39.0 m(東錨碇)，-38.0 m(西錨碇)，散索鞍間距42.1 m，IP點標高48.6 m。

錨體采用實腹式構(gòu)造，分為錨塊、散索鞍支墩、前錨室、后錨室等部分。散索鞍支墩、錨塊及前錨室采用C40混凝土，后澆段采用C40微膨脹混凝土。

錨固系統(tǒng)采用多股成品索錨固系統(tǒng)，多股成品索由環(huán)氧鋼絞線和多層PE防護組成，錨頭為擠壓式，該方案具有性能可靠、可更換、全壽命周期成本小的優(yōu)點。雙股錨采用5×15-7擠壓式成品索，單股錨采用6×15-3擠壓式成品索。

4.4.6纜索系統(tǒng)

全橋上、下游共有2根主纜，采用預(yù)制平行鋼絲索股(PPWS),每根主纜通長索股199股。每根索股由127根直徑為6 mm、公稱抗拉強度為2 060 MPa的鋅鋁鎂合金鍍層高強度鋼絲組成[8]。索夾內(nèi)直徑為1 053 mm，索夾外直徑為1 066 mm。

根據(jù)吊索受力特點，并綜合考慮材料性能、制造加工、安裝維護、后期更換等因素，結(jié)合鋼絲繩以及平行鋼絲兩者優(yōu)點，本橋常規(guī)吊索采用鋼絲繩吊索，限位拉索采用平行鋼絲拉索。

主索鞍為常規(guī)設(shè)計，鞍槽只有豎彎，而沒有平彎。鞍體采用鑄焊結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，鞍槽用鑄鋼鑄造，底座由鋼板焊成。為進一步減輕重量，主索鞍采用強度ZG300-500H材質(zhì)。主索鞍總成單件質(zhì)量309 298 kg，全橋共4件，重12 371 920 N。單個主索鞍分兩半吊裝，吊裝重量為中跨側(cè)1 150 kN，邊跨側(cè)1 140 kN。

散索鞍采用擺軸式結(jié)構(gòu)設(shè)計。鞍體采用鑄焊結(jié)合結(jié)構(gòu)，鞍槽用鑄鋼鑄造，鞍體由鋼板焊成。散索鞍鑄造部分采用跟主索鞍相同的ZG340-550材質(zhì)。散索鞍總成單件質(zhì)量223 839 kg，全橋共4件重8 953 560 N。散索鞍的吊裝重量約為1 610 kN。

4.5 耐久性設(shè)計簡述

伶仃洋大橋處于海洋環(huán)境，為確保結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用壽命年限內(nèi)的安全并滿足正常的使用功能，耐久性設(shè)計措施主要包括：① 混凝土結(jié)構(gòu)，采用海工高性能混凝土，提高最外層鋼筋凈保護層厚度；浪濺區(qū)及水位變動區(qū)采用外層環(huán)氧涂層鋼筋+結(jié)構(gòu)表面涂硅烷浸漬防腐，大氣區(qū)涂硅烷浸漬防腐，橋塔采用防腐涂裝體系；對樁基施工采用的鋼護筒予以保留，并對鋼護筒外表面采用環(huán)氧粉末涂層防腐。② 鋼結(jié)構(gòu)，鋼箱梁外壁處在海洋大氣區(qū)，采用金屬熱噴涂體系防腐，設(shè)計使用年限30年；鋼箱梁內(nèi)表面采用內(nèi)部除濕+重防腐涂料涂裝。③ 主纜，采用“Z型鋼絲+纏包帶+干燥空氣除濕”防護方案。鞍罩及鞍室安裝除濕設(shè)備。

5 結(jié)語

深中通道伶仃洋大橋設(shè)計具有跨度特大、橋面超高且臺風(fēng)頻發(fā)、海中錨碇離岸10 km、地質(zhì)條件復(fù)雜的特點，工程綜合技術(shù)難度非常大。設(shè)計團隊對橋型方案及各分項工程進行了深入研究，并結(jié)合專題成果，采取有效對策措施，圓滿完成了設(shè)計階段的工作。截止2019年底伶仃洋大橋錨碇已完成筑島及地連墻基礎(chǔ)部分，索塔樁基礎(chǔ)、承臺已完成。