梁桁,孫英廣,毛劍鋒
(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510230)
港珠澳大橋連接香港、澳門、珠海三地,是一個(gè)大型的跨界工程,其常規(guī)通行,須設(shè)置可供三地進(jìn)行查驗(yàn)的口岸,解決出入境貨物以及過(guò)境旅客的邊防、海關(guān)檢查以及檢查檢疫等一系列問(wèn)題。因此,澳門、珠海側(cè)珠澳口岸人工島和香港側(cè)香港口岸人工島的建設(shè)是港珠澳大橋順利通車的前提。
珠澳口岸人工島填海面積208.87萬(wàn)m2,護(hù)岸長(zhǎng)度6079.344m,陸域回填料總量2163.6萬(wàn)m3,筑島填海規(guī)模巨大,國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)。
與工可相比,珠澳口岸人工島工程初步設(shè)計(jì)階段在總平面、岸壁結(jié)構(gòu)、陸域形成及軟基處理、景觀設(shè)計(jì)方面均有創(chuàng)新改進(jìn)。
港珠澳大橋建設(shè)導(dǎo)致伶仃洋的阻水系數(shù)增加一直是各方都十分關(guān)注的問(wèn)題,有關(guān)主管部門強(qiáng)調(diào)需要將阻水系數(shù)控制在10%以內(nèi)。本工程從珠海接線人工島至橋頭人工島東西向距離約2440m,阻水橫斷面相當(dāng)巨大。其中,珠海接線人工島東西長(zhǎng)1000m,島體本身東西長(zhǎng)1000m,橋頭人工島東西長(zhǎng)440m,即珠海接線人工島的阻水橫斷面約占了本工程41%。珠海接線人工島向西北外伸,猶如一道攔水大壩東西橫跨在澳門明珠和口岸人工島之間,將使此處的潮流漲落繞“S”型彎道出入。另外,澳門政府規(guī)劃在明珠對(duì)開(kāi)海域進(jìn)行大規(guī)模圍海造地(圖1中陰影為規(guī)劃澳門填海區(qū)),該陸域形成后,澳門明珠的新岸線將與口岸人工島西護(hù)岸、珠海接線人工島南護(hù)岸一起構(gòu)成1條長(zhǎng)2500m,寬僅約為150m的反L型“河道”。該“河道”北側(cè)人工島與大陸互為咬合,阻水效應(yīng)大增,潮流動(dòng)力進(jìn)一步減弱,水體交換困難,將不可避免地出現(xiàn)嚴(yán)重淤積現(xiàn)象。
通過(guò)對(duì)工可總平面設(shè)計(jì)的分析,我們發(fā)現(xiàn)工可總平面設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是珠海接線人工島與澳門明珠互相咬合封閉了珠澳口岸人工島與澳門之間的水體通道,放大了珠澳口岸人工島的阻水效應(yīng)。因此,平面優(yōu)化的主要思路為:利用澳門明珠陸域東側(cè)突出的地形地貌特征,將珠海側(cè)接線人工島與珠澳口岸島主體分離,“躲藏”于澳門明珠陸域北側(cè)供隧道穿出,珠海側(cè)接線人工島與珠澳口岸主島之間采用透空橋梁連接,減少阻水率。具體調(diào)整為:在珠海連接線的總體設(shè)計(jì)線路和平面不做改變的前提下,隧道出口專用半島緊貼珠海拱北陸域布置,其外伸長(zhǎng)度基本與澳門明珠現(xiàn)有的最東側(cè)海岸線齊平,而后使用透空式跨海橋梁實(shí)現(xiàn)側(cè)接線與口岸人工島的銜接。工可平面AB段(參見(jiàn)圖2)原本考慮過(guò)水,但其南側(cè)緊鄰澳門明珠,過(guò)水效果不大,現(xiàn)改為隧道出口專用半島。工可平面BC段為阻水?dāng)嗝妫F(xiàn)改為透空橋梁,實(shí)現(xiàn)暢通過(guò)水。如澳門政府不實(shí)施明珠東側(cè)的圍海造地工程,優(yōu)化平面將能確保人工島與澳門之間寬約1 km的海域南北通暢,減少了人工島實(shí)施后對(duì)海區(qū)潮流動(dòng)力、岸灘演變的影響。如果實(shí)施圍海造地,優(yōu)化平面也能基本保證人工島與澳門之間寬約150m的暢順“河道”,更有利于水體的交換。
本工程初步設(shè)計(jì)階段委托相關(guān)科研單位分別對(duì)原工可平面和優(yōu)化后平面開(kāi)展了潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型試驗(yàn),結(jié)果表明:優(yōu)化方案出現(xiàn)的環(huán)流和弱流區(qū)最小,人工島兩側(cè)水流比較順直通暢,采用實(shí)堤和棧橋方式與人工島連接,其中實(shí)堤部分對(duì)水流的影響仍控制在現(xiàn)狀澳門海岸線影響范圍內(nèi),工程后的沖淤變化不明顯,影響范圍相對(duì)最小。證明了優(yōu)化平面在降低阻水率和局部改善潮流動(dòng)力方面的作用明顯,是較為符合該灣區(qū)潮流動(dòng)力特征的人工島筑島平面布置方案。
優(yōu)化后的平面方案具有以下優(yōu)勢(shì):
1)人工島阻水橫斷面減少約900m(占阻水橫斷面總長(zhǎng)的37%),降低了各方關(guān)注的人工島阻水率,改善了局部潮流動(dòng)力條件。
2)隧道長(zhǎng)度縮短,替代以常規(guī)施工方法的橋梁,節(jié)省了珠海側(cè)接線的工程費(fèi)用。
3)珠海側(cè)接線采用橋梁登島,降低了人工島建設(shè)與側(cè)接線的銜接難度,更加有利于施工工期的保證。
4)從珠?,F(xiàn)有岸線向東填筑半島做為隧道出口,將原來(lái)的水上施工改變成陸上施工,不僅節(jié)省投資也有利于保證工程質(zhì)量和工期,對(duì)全線工程的按時(shí)順利通車創(chuàng)造了有利條件。
珠澳口岸人工島護(hù)岸結(jié)構(gòu)根據(jù)方位可分為東、南、西、北四段,其中,東、南護(hù)岸直接朝向外海,是無(wú)掩護(hù)的外海施工工程,而且后續(xù)的陸域形成也需要其提供波浪掩護(hù)條件,是本項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵部位,因此,適當(dāng)加大投入,選用安全可靠、施工經(jīng)驗(yàn)成熟、具有良好施工期防臺(tái)能力、可以使用簡(jiǎn)單設(shè)備開(kāi)展多個(gè)工作面同時(shí)施工的方案是東、南護(hù)岸的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。西、北護(hù)岸面向大陸,掩護(hù)條件好,而且鄰近珠海、澳門的中心城區(qū),所以,在安全可靠的前提下,選用經(jīng)濟(jì)環(huán)保、施工快速靈活、可以打造優(yōu)美景觀的方案是西、北護(hù)岸的設(shè)計(jì)原則。
結(jié)合工程所在地自然條件(波浪、臺(tái)風(fēng)等),滿足景觀設(shè)計(jì)要求,工程?hào)|、南護(hù)岸段和西、北護(hù)岸段采用不同結(jié)構(gòu)型式,其中東、南護(hù)岸采用大開(kāi)挖拋石斜坡堤方案;西、北護(hù)岸采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理地基后的半直立式堤方案。兩種不同護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式的主要優(yōu)點(diǎn)如下:
1)東、南護(hù)岸(參見(jiàn)圖3)。
①該段護(hù)岸朝向外海,采用大開(kāi)挖換填的方式處理地基,換填時(shí)基槽底部拋設(shè)2m厚塊石,擠除了回淤的浮泥,防止了軟弱夾層的存在,保障了整體穩(wěn)定的安全性;
②堤身采用拋石斜坡堤+人工塊體護(hù)面的結(jié)構(gòu)形式,是國(guó)內(nèi)外廣泛使用堤防建設(shè)方案,具有大量的成熟經(jīng)驗(yàn),而且也在鄰近的澳門國(guó)際機(jī)場(chǎng)被成功使用;
③施工期防臺(tái)能力強(qiáng),可靠度高;
④堤身結(jié)構(gòu)全部為塊石或素混凝土,經(jīng)久耐用;
⑤結(jié)構(gòu)中主要耗材為砂和塊石,周邊供應(yīng)豐富,價(jià)格低廉。
2)西、北護(hù)岸(參見(jiàn)圖4)。
①該段護(hù)岸面向大陸,掩護(hù)條件好,具備進(jìn)行排水固結(jié)處理地基的掩護(hù)條件。設(shè)計(jì)采用陸上插打塑料排水板和真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理地基,施工質(zhì)量可控度顯著提高,為護(hù)岸上部結(jié)構(gòu)建設(shè)提供了安全可靠的基礎(chǔ);
②半直立式混合護(hù)岸結(jié)構(gòu)直接在處理后的地基上建設(shè),避免了大量的基槽挖泥和換填工程量,經(jīng)濟(jì)環(huán)保;
③堤身結(jié)構(gòu)為僅需構(gòu)造配筋的空心方塊和漿砌、干砌塊石,對(duì)混凝土進(jìn)行防腐涂層保護(hù),耐久性好,可滿足120 a使用壽命要求。
本工程初步設(shè)計(jì)階段委托相關(guān)科研單位對(duì)東、南護(hù)岸和北護(hù)岸開(kāi)展波浪斷面物理模型試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,東、南護(hù)岸斷面和北護(hù)岸斷面在各種水位及相應(yīng)波浪作用下,擋浪墻、護(hù)面塊體、棱體塊石、護(hù)底塊石等各部位均處于穩(wěn)定狀況,且越浪量滿足設(shè)計(jì)要求。
2.3.1 陸域形成
本工程人工島陸域形成具有回填量大、工期緊、施工工序多且復(fù)雜、海底軟弱土層厚、施工水域水深淺、工程場(chǎng)地臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁、船舶作業(yè)范圍和時(shí)間受限、施工安全隱患大等特點(diǎn),為人工島陸域形成施工帶來(lái)不少困難。
彩色路面已廣泛應(yīng)用于市政道路,這些新穎的路面光鮮亮麗,人流、車流依照顏色各行其道,有條不紊,節(jié)省了許多人力,財(cái)力。但由于目前市場(chǎng)上沒(méi)有解決長(zhǎng)途運(yùn)輸、低溫拌和、彩色瀝青混合料造價(jià)太高等問(wèn)題,因此,影響了彩色瀝青混合料的推廣應(yīng)用,本文研究形成的自行車道用常溫彩色瀝青路面設(shè)計(jì)與施工成套技術(shù),解決了目前彩色瀝青混合料的弊端,為常溫彩色瀝青路面的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
本工程初步設(shè)計(jì)階段委托相關(guān)科研單位開(kāi)展了陸域形成工法研究,該研究報(bào)告指出:由于海砂作為回填料具有來(lái)源豐富、供應(yīng)量足、施工方便快速、施工質(zhì)量易于保證、工程性質(zhì)良好并與后續(xù)軟基處理方案結(jié)合緊密、軟基處理相對(duì)容易、工期有保證等優(yōu)點(diǎn)。因此,設(shè)計(jì)推薦海砂作為本工程陸域形成回填料。
根據(jù)測(cè)量資料,該工程地點(diǎn)水深一般為2~3m,適合皮帶船及開(kāi)底駁船直接運(yùn)砂進(jìn)行水下拋填。因此,設(shè)計(jì)海砂回填分為四個(gè)階段進(jìn)行:拋填中細(xì)砂至標(biāo)高±0.0m;之后吹填中粗砂墊層至+2.0m;在+2.0m標(biāo)高上插排水板;標(biāo)高+2.0m~+9.4m繼續(xù)吹填中細(xì)砂;部分堆載料的回填采用西、北護(hù)岸結(jié)構(gòu)施工前所開(kāi)挖的砂料。
根據(jù)砂源供給情況,現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),陸域形成首先利用現(xiàn)有的2~3m水深采用皮帶船或開(kāi)底駁直接拋填中細(xì)砂,約至-1.0m時(shí)由于水深限制,改用泵船和絞吸船吹填中細(xì)砂至0.0m,泵船及絞吸船繼續(xù)吹填中粗砂至+2.0m,打設(shè)塑料排水板。+2.0m以上采用皮帶船打干中粗砂至島壁,再利用推土機(jī)向島內(nèi)倒運(yùn)。
2.3.2 軟基處理
本工程軟基處理采用堆載聯(lián)合降水預(yù)壓法,場(chǎng)地堆載重復(fù)利用場(chǎng)地內(nèi)回填砂做為堆載料,同時(shí),輔助國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)的大規(guī)模井點(diǎn)降水增加超載比預(yù)壓基礎(chǔ),不僅大量減少了外購(gòu)砂量,而且做到了場(chǎng)地棄土最小化,最大限度降低了工程造價(jià)。
堆載聯(lián)合降水預(yù)壓處理時(shí)設(shè)計(jì)倒載一次,堆載料利用島內(nèi)區(qū)的回填料。施工時(shí),將整個(gè)場(chǎng)地分成A區(qū)和C區(qū)進(jìn)行預(yù)壓處理。整個(gè)場(chǎng)地分區(qū)流水作業(yè),首先進(jìn)行A1、C1區(qū)的堆載聯(lián)合降水預(yù)壓處理,然后進(jìn)行A2、C2區(qū)的預(yù)壓處理,堆載料利用A1、C1區(qū)的卸載料,不足部分借用A1、C1區(qū)的部分回填料;接著A2、C2區(qū)進(jìn)行卸載,并將卸載料歸還給A1、C1區(qū),最后整個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行強(qiáng)夯和碾壓密實(shí)處理,并平整場(chǎng)地(參見(jiàn)圖5)。
堆載聯(lián)合降水預(yù)壓法通過(guò)設(shè)置水平排水墊層并插設(shè)排水板來(lái)改善地基軟土層的排水條件,通過(guò)降水施工使加固地基中地下水位下降,原水位以下部分地基土體的有效應(yīng)力提高。在堆載荷載和水位下降引起的有效應(yīng)力增量的共同作用下,軟土逐漸發(fā)生固結(jié)沉降,強(qiáng)度得到增長(zhǎng),軟土層得以快速加固(參見(jiàn)圖6)。
對(duì)加固區(qū)進(jìn)行深井降水,如圖7(b)所示,通過(guò)降水施工使加固地基中地下水位下降ΔH,原水位以下部分地基土體的有效應(yīng)力提高,軟土層開(kāi)始發(fā)生固結(jié)沉降,強(qiáng)度得到增長(zhǎng)。降水期間進(jìn)行場(chǎng)地回填,回填厚度由軟基處理沉降量、交工面標(biāo)高等控制。如圖7(c)所示,場(chǎng)地回填后,在水位下降引起的有效應(yīng)力增量和回填荷載的共同作用下,軟土逐漸發(fā)生固結(jié)沉降。
在降水預(yù)壓期間,對(duì)于原水位線以上部分土層,只受回填荷載作用,無(wú)超載預(yù)壓現(xiàn)象,荷載增量ΔP=Δh×γ;對(duì)于原水位線和新水位線之間的軟土層,除受回填荷載作用外,還承受了水位降引起的超載預(yù)壓,荷載增量ΔP=Δh×γ+(Z-H0)γw;對(duì)于新水位線以下部分軟土層,除受回填荷載作用外,還施加了水位降引起的超載預(yù)壓,荷載增量ΔP=Δh×γ+ΔHγw(如水位降低5m,相當(dāng)于施加了50 kPa的超載預(yù)壓)。
堆載聯(lián)合降水預(yù)壓,可看做是在堆載預(yù)壓基礎(chǔ)上增加了一個(gè)降水預(yù)壓荷載,從而使超載比獲得額外增加,使土體在較短時(shí)間內(nèi)完成較大的固結(jié)沉降,降低工后沉降,從而達(dá)到理想的加固目的。
本工程工可設(shè)計(jì)階段地面標(biāo)高為+5.0m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn),下同),擋浪墻頂標(biāo)高為+7.5m,地面與擋浪墻頂之間的高差達(dá)2.5m,不可避免的給過(guò)境旅客帶來(lái)“坐井觀天”的感受。因此,通過(guò)對(duì)水文條件的深入研究和越浪量標(biāo)準(zhǔn)的合理界定,結(jié)合物模試驗(yàn)適當(dāng)降低擋浪墻頂高程,使人工島地面與擋浪墻之間高差減少到人體正常身高范圍,提供“一望千里、海天一色”的景觀感受便成為本工程景觀設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方向之一。
本工程初步設(shè)計(jì)廣泛的研究和分析了國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)越浪量標(biāo)準(zhǔn)的界定,為岸壁結(jié)構(gòu)擬定了運(yùn)營(yíng)工況、設(shè)計(jì)工況和校核工況等工況組合和相應(yīng)的越浪量標(biāo)準(zhǔn)(參見(jiàn)表1),其中,運(yùn)營(yíng)工況的設(shè)置我們創(chuàng)造性的提出了與港珠澳大橋安全通行風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)置風(fēng)障后,安全通行風(fēng)速等級(jí)為8級(jí)風(fēng)[7])相適應(yīng)的按照10 a一遇外海波浪迭加22m/s(9級(jí)風(fēng))風(fēng)速作用下的堤前波浪與100 a一遇潮位進(jìn)行組合,獲得了咨工和業(yè)主的一致認(rèn)同。這些研究成果為合理設(shè)置擋浪墻頂高程提供了合理可靠的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。同時(shí),委托相關(guān)科研單位開(kāi)展波浪局部整體和波浪斷面物理模型試驗(yàn),結(jié)合岸壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)局部整體護(hù)岸越浪情況、波浪越過(guò)護(hù)岸后的漫灘情況和護(hù)岸斷面的越浪情況開(kāi)展深入研究,為護(hù)岸擋浪墻頂高程的確定提供科學(xué)試驗(yàn)依據(jù)。東、南護(hù)岸和北護(hù)岸擋浪墻頂高程在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)不斷優(yōu)化岸壁結(jié)構(gòu)得以確定,其中東、南護(hù)岸擋浪墻頂高程定為6.65m,北護(hù)岸擋浪墻頂高程定為6.5m,該岸壁結(jié)構(gòu)下的波浪物模試驗(yàn)結(jié)果均滿足越浪量標(biāo)準(zhǔn)的要求(如表2、表3所示)。
表1 港珠澳大橋珠澳口岸人工島越浪量標(biāo)準(zhǔn)
表2 實(shí)測(cè)東、南護(hù)岸胸墻頂部越浪量表
表3 實(shí)測(cè)北護(hù)岸胸墻頂部越浪量表
珠澳口岸人工島填海工程交工標(biāo)高+4.8m,陸域標(biāo)高+5.3m。東、南護(hù)岸擋浪墻頂標(biāo)高+6.65m,與竣工后的人工島地面高差僅為1.35m。按工可深化研究中的口岸島平面布置,護(hù)岸擋浪墻后至道路邊線之間為25m寬的緩沖綠化帶,建議將其標(biāo)高定為+5.45m,這樣即可使道路與綠化帶的高差相對(duì)適宜,又可使此25m寬綠化帶與東、南護(hù)岸高差縮小至1.20m,進(jìn)一步提升過(guò)境旅客的舒適感受。
本工程西、北護(hù)岸臨近珠海、澳門核心城區(qū),其中北護(hù)岸與珠海拱北最近距離小于2 km,西護(hù)岸與澳門明珠最近距離僅1 km(若澳門東填海工程實(shí)施,西護(hù)岸與澳門最近距離僅約150m)。因此,設(shè)計(jì)即安全又美觀的西、北護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式便成為本工程景觀設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方向之二。
本工程初步設(shè)計(jì)推薦的西、北結(jié)構(gòu)方案坡腳采用了直立式結(jié)構(gòu),阻水?dāng)嗝嫘?,上層邊坡里?cè)采用了滿足抗浪重量要求的漿砌塊石或干砌塊石護(hù)面,外側(cè)鋪設(shè)新型環(huán)保材料生態(tài)袋,并噴播植草美化邊坡,在澳門明珠對(duì)開(kāi)海域圍海造地后將形成“一河兩岸,十里錦繡”的優(yōu)美風(fēng)光。
西護(hù)岸,與澳門隔水相望,基本不受波浪作用,坡頂無(wú)需設(shè)置擋浪墻,設(shè)計(jì)改用美觀大方的景觀欄桿作為安全圍護(hù),為過(guò)境旅客提供賞心悅目的景觀體驗(yàn)。
尋求最適合的設(shè)計(jì)方案是每一個(gè)設(shè)計(jì)人員遵循的首要設(shè)計(jì)原則。港珠澳大橋珠澳口岸人工島設(shè)計(jì)正是通過(guò)充分研究當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件、材料條件、施工條件及環(huán)境條件,不斷地從多方面進(jìn)行優(yōu)化,最終獲得了最適合的建設(shè)方案,體現(xiàn)為:
1)優(yōu)化總平面布置,減少工程建設(shè)后對(duì)該灣區(qū)潮流動(dòng)力的影響,力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)沖淤平衡。同時(shí),使側(cè)接線隧道由水上施工變?yōu)殛懮鲜┕?,降低施工難度。
2)根據(jù)不同護(hù)岸段的自然條件和功能要求,選擇合理和適宜的結(jié)構(gòu)斷面。東、南護(hù)岸采用成熟、可靠,快速且施工期防臺(tái)能力強(qiáng)的開(kāi)挖換填式拋石斜坡堤結(jié)構(gòu);西、北護(hù)岸掩護(hù)條件好,景觀要求高,采用半直立式護(hù)岸結(jié)構(gòu),減少挖泥保護(hù)環(huán)境的同時(shí),打造“十里錦繡”的美好景色。
3)考慮海區(qū)靠近珠海、澳門繁華商區(qū),采用海砂吹填造陸,避免大面積吹淤帶來(lái)的施工期強(qiáng)污染;同時(shí),通過(guò)分區(qū)倒載并輔助以降水減少對(duì)用砂量的需求,控制工程費(fèi)用。
4)通過(guò)多方論證和分析,并結(jié)合大橋運(yùn)營(yíng)時(shí)的通行限制條件,在保障通行安全和結(jié)構(gòu)安全的前提下,合理確定人工島的允許越浪標(biāo)準(zhǔn),控制擋浪墻的頂標(biāo)高,改善島上的景觀條件。
港珠澳大橋工程是中外矚目的大型跨海通道工程,珠澳口岸人工島作為港珠澳大橋重要組成部分,緊鄰珠海、澳門主城區(qū),其填海工程方案受到各方關(guān)注。本工程初步設(shè)計(jì)階段,設(shè)計(jì)者在總平面、岸壁結(jié)構(gòu)、陸域形成及軟基處理、景觀設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)方面突破既往、銳意創(chuàng)新,提出的填海工程方案受到了業(yè)主、評(píng)審專家及政府相關(guān)主管部門的一致好評(píng),并成功運(yùn)用到工程施工中,為港珠澳大橋建設(shè)獻(xiàn)出了一份優(yōu)秀的設(shè)計(jì)答卷。
[1] JTJ211—99,海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2] 港珠澳大橋珠澳口岸人工島填海工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].廣州:中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,2009.
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