徐 軍 吳明遠(yuǎn)

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100088)

1 項(xiàng)目概況

深圳至中山跨江通道( 簡(jiǎn)稱(chēng)“深中通道”)地處珠江口粵港澳大灣區(qū)核心。項(xiàng)目東接機(jī)荷高速，終點(diǎn)與規(guī)劃的中開(kāi)、東部外環(huán)高速對(duì)接。深中通道是世界上首例集超寬超長(zhǎng)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(zhǎng)約24 km，伶仃洋大橋?yàn)榭缭搅尕旰降篮妄堁纤赖闹魍ê娇讟?，其建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、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(lèi)工程之最。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

伶仃洋大橋設(shè)計(jì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下[1]。

1) 公路等級(jí)。高速公路。

2) 行車(chē)道數(shù)。雙向8車(chē)道。

3) 設(shè)計(jì)車(chē)速。100 km/h。

4) 設(shè)計(jì)使用年限。主體結(jié)構(gòu)100年。

5) 設(shè)計(jì)洪水頻率。1/300。

6) 設(shè)計(jì)水位3.60 m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn))，最高通航水位3.01 m，最低通航水位-1.04 m。

7) 通航標(biāo)準(zhǔn)。通航凈寬為1 520 m，主航道通航凈高為76.5 m(對(duì)應(yīng)凈高76.5 m的范圍不應(yīng)小于698 m)。

8) 設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)。

①汽車(chē)荷載等級(jí)：公路-I級(jí)；②抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：場(chǎng)區(qū)地震基本烈度VII度，地震動(dòng)峰值加速度0.10g，場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)反映譜特征周期為0.35 s。E1水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)100年超越概率10%，E2水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)100年超越概率4%；③抗風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，主墩：100 MN，錨碇(或過(guò)渡墩)：48 MN。

3 項(xiàng)目特點(diǎn)和難點(diǎn)

1) 地理位置特殊，景觀(guān)要求高。

2) 伶仃航道橋需跨越2個(gè)航道：伶仃航道和龍穴南水道。

3) 通航凈寬達(dá)1 520 m，主跨跨徑大。

4) 珠江口臺(tái)風(fēng)頻發(fā)、超大跨度，超高橋面(90 m)抗風(fēng)斷面氣動(dòng)選型及安全性能問(wèn)題相對(duì)突出。

5) 2個(gè)錨碇均位于海中，距離海岸大于10 km。

6) 橋位距離機(jī)場(chǎng)近，航空限高275 m，限制索塔設(shè)計(jì)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(jì)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(mǎn)足交通運(yùn)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(tái)、防撞設(shè)施和航道標(biāo)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(kāi)承臺(tái)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(gè)航道間的位置關(guān)系，盡量降低大噸位船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)。

4) 根據(jù)勘察和物探報(bào)告，西塔位置位于F4斷裂帶之中，F(xiàn)4為不活動(dòng)斷裂，未見(jiàn)覆蓋土層錯(cuò)斷，F(xiàn)4斷裂對(duì)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(wú)法避開(kāi)F4斷裂帶，西塔位置地勘鉆孔與跨徑關(guān)系圖見(jiàn)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(zhǎng)500 m)，跨徑布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 跨徑布置(單位：m)

4.2 建筑景觀(guān)設(shè)計(jì)

深中通道的建設(shè)目標(biāo)是成為世界一流的跨海通道和珠江口百年門(mén)戶(hù)工程，使其在技術(shù)與美學(xué)上均能卓然超群，成為一個(gè)地標(biāo)性建筑。深中通道建筑設(shè)計(jì)理念為平衡、和諧，建筑設(shè)計(jì)總體上簡(jiǎn)潔、大氣、識(shí)別性強(qiáng)，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(gè)項(xiàng)目均采用了切面元素打造晶體狀的感覺(jué)，切面元素使得橋塔在美學(xué)表達(dá)上更加輕盈簡(jiǎn)潔，使得項(xiàng)目的3個(gè)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(guān)效果圖見(jiàn)圖3。

圖3 構(gòu)件景觀(guān)設(shè)計(jì)

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(tái)風(fēng)高發(fā)區(qū)的開(kāi)闊水域，橋面顫振檢驗(yàn)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(guò)4所大學(xué)平行開(kāi)展節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，2所大學(xué)平行開(kāi)展全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)，解決了主橋抗風(fēng)問(wèn)題[2-3]。

通過(guò)4個(gè)氣動(dòng)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(chē)軌道至底板1/10處，雙側(cè)設(shè)置軌道導(dǎo)流板；③設(shè)計(jì)檢修道欄桿透風(fēng)率達(dá)95%；④箱梁外側(cè)設(shè)置2.5 m的水平導(dǎo)流板。同時(shí)大尺度節(jié)段模型(1∶25)渦振測(cè)試結(jié)果表明，該氣動(dòng)外形沒(méi)有發(fā)生渦振現(xiàn)象。

4.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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(diǎn)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(jiàn)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(gè)橋塔處設(shè)置橫向抗風(fēng)支座、縱向限位阻尼裝置，過(guò)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(jì)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(jì)。西塔樁長(zhǎng)108～136 m，東塔樁長(zhǎng)50～87 m。承臺(tái)高8 m，承臺(tái)平面為2個(gè)直徑36 m的圓形。承臺(tái)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(mén)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(jiàn)圖5。索塔共設(shè)上、中、下3道橫梁，采用領(lǐng)結(jié)型設(shè)計(jì)。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(jì)，設(shè)置預(yù)應(yīng)力作為防裂儲(chǔ)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(guò)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(guò)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(tái)，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(xiàn)型整體鋼箱梁。鋼材采用Q345qD。梁寬49.7 m、高4 m；吊點(diǎn)橫向間距42.1 m,吊點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)12.8 m，設(shè)置實(shí)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(chē)道厚18 mm，內(nèi)側(cè)快車(chē)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(biāo)準(zhǔn)橫隔板分為2個(gè)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(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖見(jiàn)圖6。

圖6 主梁標(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)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(guò)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(diǎn)，解決了離岸深水海中錨碇設(shè)計(jì)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(jiàn)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(shí)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(hù)采用拋石護(hù)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(biāo)高+3.0 m，基礎(chǔ)底標(biāo)高：-39.0 m(東錨碇)，-38.0 m(西錨碇)，散索鞍間距42.1 m，IP點(diǎn)標(biāo)高48.6 m。

錨體采用實(shí)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(xiàn)和多層PE防護(hù)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(diǎn)。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(zhǎng)索股199股。每根索股由127根直徑為6 mm、公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度為2 060 MPa的鋅鋁鎂合金鍍層高強(qiáng)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(diǎn)，并綜合考慮材料性能、制造加工、安裝維護(hù)、后期更換等因素，結(jié)合鋼絲繩以及平行鋼絲兩者優(yōu)點(diǎn)，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(jì)，鞍槽只有豎彎，而沒(méi)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(jìn)一步減輕重量，主索鞍采用強(qiáng)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(gè)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(jì)。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(jì)簡(jiǎn)述

伶仃洋大橋處于海洋環(huán)境，為確保結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用壽命年限內(nèi)的安全并滿(mǎn)足正常的使用功能，耐久性設(shè)計(jì)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(hù)層厚度；浪濺區(qū)及水位變動(dòng)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(duì)樁基施工采用的鋼護(hù)筒予以保留，并對(duì)鋼護(hù)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(jì)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(hù)方案。鞍罩及鞍室安裝除濕設(shè)備。

5 結(jié)語(yǔ)

深中通道伶仃洋大橋設(shè)計(jì)具有跨度特大、橋面超高且臺(tái)風(fēng)頻發(fā)、海中錨碇離岸10 km、地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，工程綜合技術(shù)難度非常大。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)橋型方案及各分項(xiàng)工程進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合專(zhuān)題成果，采取有效對(duì)策措施，圓滿(mǎn)完成了設(shè)計(jì)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(tái)已完成。