港珠澳大橋主體工程總體設(shè)計(jì)孟凡超本文比較詳細(xì)地介紹了港珠澳大橋港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域

1、港珠澳大橋主體工程總體設(shè)計(jì)孟凡超（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司）摘要：本文比較詳細(xì)地介紹了港珠澳大橋的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義和大橋主體工程的橋位及工程規(guī)模、主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、主要建設(shè)條件、總體設(shè)計(jì)、橋梁方案、隧道方案、人工島方案，提出了大橋的挑戰(zhàn)以及基本對(duì)策與設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想。關(guān)鍵詞：港珠澳大橋 工程方案 面臨的挑戰(zhàn) 基本對(duì)策 設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想一、工程概況港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門特別行政區(qū)的大型跨海通道，是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關(guān)鍵性工程，是我國繼三峽工程、青藏鐵路、京滬高鐵后又一項(xiàng)超級(jí)工程，是當(dāng)今世界上規(guī)模最大、標(biāo)準(zhǔn)最高、技

2、術(shù)最復(fù)雜的橋、島、隧一體化的集群工程，它是我國邁向橋梁及交通建設(shè)強(qiáng)國的里程碑項(xiàng)目。大橋的建設(shè)將進(jìn)一步完善國家和粵港澳三地的綜合運(yùn)輸體系和高速公路網(wǎng)絡(luò)，密切珠江西岸地區(qū)與香港地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)聯(lián)系，改善珠江西岸地區(qū)的投資環(huán)境，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局優(yōu)化，拓展經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間，提升珠江三角洲地區(qū)的綜合競爭力，保持港澳地區(qū)的持續(xù)繁榮和穩(wěn)定，促進(jìn)珠江兩岸經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展，將加速珠江三角洲社會(huì)、經(jīng)濟(jì)一體化的進(jìn)程。大橋與區(qū)域路網(wǎng)的關(guān)系見圖1。圖1 港珠澳大橋與區(qū)域路網(wǎng)關(guān)系二、橋位及工程規(guī)模大橋東岸登陸點(diǎn)位于香港大嶼山機(jī)場西南的散石灣，西岸珠海登陸點(diǎn)為拱北，澳門登陸點(diǎn)為明珠；工程建設(shè)包括三項(xiàng)內(nèi)容： 1 海中橋隧主體

3、工程；2 香港、珠海及澳門三地人工島口岸工程； 3 香港、珠海、澳門三地連接線及配套工程。 根據(jù)三地達(dá)成的共識(shí)，海中橋隧主體工程由粵港澳三地共同建設(shè)；三地口岸和連接線由三地各自負(fù)責(zé)建設(shè)。項(xiàng)目工程內(nèi)容及總平面布置見圖2。圖2 港珠澳大橋項(xiàng)目總平面布置海中橋隧主體工程總長約29.6公里，東起自粵港分界線，西止于珠海/澳門口岸人工島，采用橋隧組合方案，穿越伶仃西航道和銅鼓航道段約6公里，采用隧道方案，其余約22.9公里段采用橋梁方案，包括：青州航道橋、江海直達(dá)船航道橋、九洲航道橋和非通航孔橋。為實(shí)現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換和設(shè)置隧道通風(fēng)井，主體工程隧道兩端各設(shè)置一個(gè)海中人工島，東、西人工島各長約625米，造陸面積各

4、約為10萬平方米。香港口岸位于香港國際機(jī)場東北面填海興建，占地約130公頃，分別與港珠澳大橋、香港國際機(jī)場及屯門至赤鱲角連接路相接。珠?？诎逗桶拈T口岸在澳門明珠點(diǎn)附近內(nèi)地水域填海同島設(shè)置，填海面積217公頃。珠海連接線起自珠海口岸人工島，經(jīng)灣仔、珠海保稅區(qū)北，止于珠海洪灣，接擬建的珠江三角洲地區(qū)環(huán)線高速公路珠海南屏至洪灣段，全長約13.9公里；全線在南灣、橫琴北、洪灣等3處設(shè)置互通式立交。澳門連接線（橋）起自澳門口岸，連接至規(guī)劃建設(shè)的澳門填海A區(qū)，長約150米。香港連接線起自粵港分界線的大橋主體工程，經(jīng)香港口岸人工島，連接至大嶼山高速公路，全長約15公里。港珠澳大橋自香港大嶼山東涌至珠海拱北的

5、主線橋隧工程總長約50公里，是世界最長的橋隧組合工程。三、主體工程主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主體工程采用六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足內(nèi)地及香港規(guī)范要求，主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：1. 公路等級(jí)：高速公路；2. 設(shè)計(jì)速度：海中橋梁、隧道設(shè)計(jì)速度為100km/h；進(jìn)口岸前逐步限速。 珠澳口岸人工島互通設(shè)計(jì)速度采用40km/h；東、西隧道人工島島上匝道設(shè)計(jì)速度采用30km/h；3. 行車道數(shù)：雙向六車道；4. 設(shè)計(jì)壽命：120年；5. 建筑限界：路面總寬度：33.10m；6. 最大縱坡： 3%；7. 路面橫坡：橋面橫坡：2.5%； 隧道路面橫坡：1.5%；8. 設(shè)計(jì)荷載：汽車荷載采用公路-I級(jí)。同時(shí)滿足香港Structur

6、e design manual for highways and railways中規(guī)定的活載要求；9. 設(shè)計(jì)最高通航水位：3.52m（1985國家高程基準(zhǔn)）；10. 設(shè)計(jì)最高水位：3.82m（1985國家高程基準(zhǔn)）；11. 設(shè)計(jì)通航凈空：橋區(qū)通航孔設(shè)置以及通航孔凈空尺度要求見表1所示；表1 各通航孔凈空尺度表通航孔所在航道通航噸級(jí)(t)通航孔個(gè)數(shù)凈空高度(m)凈空寬度(m)備注青州水道10000142.0318單孔雙向九洲航道10000140.0210單孔雙向江海直達(dá)船航道5000224.5173單孔單向各小船航道500-20.085利用邊孔隧道300000人工島口門寬不小于4100m，滿足

7、-29m通航水域不小于2810m12. 地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震基本烈度為VII度；對(duì)于隧道、通風(fēng)豎井、人工島的地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)考慮兩種重現(xiàn)期定義，對(duì)應(yīng)于兩種極限狀態(tài)：工作狀態(tài)120年極限狀態(tài)1200年對(duì)于橋梁的非通航孔橋的地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)有三種重現(xiàn)期定義，對(duì)應(yīng)三種極限狀態(tài)：工作狀態(tài)120年極限狀態(tài)600年結(jié)構(gòu)完整性狀態(tài) 2400年對(duì)于單孔跨度大于150 m的橋梁的地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)有三種重現(xiàn)期定義，對(duì)應(yīng)三種極限狀態(tài)：工作狀態(tài)120年極限狀態(tài)1200年結(jié)構(gòu)完整性狀態(tài) 2400年13. 設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。四、主要建設(shè)條件建設(shè)條件的特點(diǎn)分述如下：1.氣象特征大橋處于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，工程區(qū)年平均氣溫在

8、22.423之間，實(shí)測極端最高氣溫為38.9，極端最低氣溫-1.8。橋址區(qū)域年盛行風(fēng)向以東南偏東和東風(fēng)為主，熱帶氣旋影響十分頻繁，平均每年2個(gè)左右，最多時(shí)每年可達(dá)6個(gè)，自4月至12月均有可能發(fā)生，主要集中在610月。橋區(qū)重現(xiàn)期120年10分鐘平均風(fēng)速達(dá)48.7m/s。2. 水文特征工程區(qū)水域?qū)掗?，水下地形具有中、西部寬淺、東部窄深的顯著特點(diǎn)，九洲航道橋以西水深在34m之間（1985國家高程基準(zhǔn)，下同），九洲航道橋至江海直達(dá)船航道橋之間水深為45m之間，江海直達(dá)船航道橋至青州航道橋之間水深為56m左右，青州航道橋至西人工島之間水深為68m左右；西人工島以東工程沿線水域水深較深，沿線水深基本在8m

9、以上；其中大濠水道最深處可達(dá)17m左右，10m深槽寬度達(dá)2.3km左右。橋區(qū)海域?yàn)椴灰?guī)則半日潮海區(qū)，水位在一個(gè)潮周期內(nèi)變化相對(duì)較平緩。實(shí)測最高潮位3.52米，最低潮位-1.32米，最大潮差3.58米，最小潮差0.02米，平均海平面0.54米； 300年一遇設(shè)計(jì)高水位為3.82米，低水位為-1.63米。潮流呈現(xiàn)往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形式，具有落潮流速大于漲潮流速，中部海域潮流流速比兩邊大的特點(diǎn)。漲急時(shí)垂線平均流向基本為N向，落急時(shí)垂線平均流向基本為S向；實(shí)測最大流速2m/s，垂線最大平均流速1.36m/s。根據(jù)九澳站1986年2001年波浪觀測資料統(tǒng)計(jì)，波浪常浪向?yàn)镾E、SSW和S向，出現(xiàn)頻率分別為20.0

10、24%、18.693%和16.907%；強(qiáng)浪向?yàn)镋SES向；有效波高大于1m的波出現(xiàn)頻率為4.96%。依據(jù)橋址站2007.42008.3和2008.610實(shí)測資料，實(shí)測最大有效波高（Hs）3.64m，周期（T）為5.3秒，波向?yàn)镾SW向。依據(jù)橋墩前墩前行近流速、橋墩寬度、墩形、水深、床沙粒徑、水流交角等資料，按交通運(yùn)輸部頒布的公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG C30-2002）對(duì)基礎(chǔ)沖刷進(jìn)行了計(jì)算，具體成果見表2。表2 100年一遇水文條件下沖刷計(jì)算成果表橋梁方案墩 型天然泥面高程（m）沖刷后高程（m）青州航道橋主墩-6.2-20.8輔助墩、過渡墩-6.2-15.6江海航道橋主墩-5.0-15

11、.9過渡墩-5.0-14.5九洲航道橋主墩-4.0-14.0過渡墩-3.8-10.6非通航孔橋1-6.0-16.9非通航孔橋2-4.8-15.6注：非通航孔橋1系指跨度110米，非通航孔橋2系指跨度85米。 航運(yùn)特點(diǎn)橋區(qū)所在的水域?qū)掗煟降辣姸?，航線復(fù)雜、通航船型類型眾多、船舶通航密度大、通航要求高，航行安全管理要求高。工程沿線從西至東有九洲航道、江海直達(dá)船航道、青州水道、伶仃西航道、銅鼓航道和香港側(cè)航道；現(xiàn)狀平均每天船舶交通流量可達(dá)4000艘次，每年可達(dá)150萬艘次。 地質(zhì)特征大地構(gòu)造上，本工程近場區(qū)主要處于華南褶皺系粵北、粵東北粵中坳陷帶的永梅惠陽坳陷，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，適合大橋建設(shè)。工程主線

12、區(qū)覆蓋層厚24.089.3m，按成因時(shí)代、巖性特征可劃分為5個(gè)大層組。其中，第一層組為全新統(tǒng)海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粘土夾砂等軟土，工程性能極差；第二層組主要為晚更新統(tǒng)晚期陸相沉積的軟可塑狀粘土，其埋藏淺、層厚較薄、分布不均勻；第三層組主要為晚更新統(tǒng)中期海相沖積的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土和軟可塑狀粘土，以軟弱中軟土為主，工程性能亦很差；第四層組為晚更新統(tǒng)早期河流相沖積物，以中密密實(shí)砂類土為主，承載力較高，在基巖埋藏較深的地段，可作為基礎(chǔ)持力層；第五層組為基巖風(fēng)化層，工程性能較好，但據(jù)已有鉆探及物探資料分析，基巖頂面起伏變化很大，風(fēng)化差異顯著，沿橋位線共分布有4個(gè)風(fēng)化深槽，寬達(dá)430

13、1000m，深槽內(nèi)全、強(qiáng)風(fēng)化層厚度多大于40m。軟土分布廣、工程性能差，基巖面起伏大及存在風(fēng)化深槽是工程建設(shè)中需重點(diǎn)關(guān)注的地質(zhì)問題。橋址區(qū)地下水可劃分為松散巖類潛水、承壓水和基巖裂隙水三大類型。水樣分析結(jié)果表明，海水和地下水化學(xué)成分相似，對(duì)砼、鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)腐蝕性。 航空限高要求香港大嶼山機(jī)場位于大橋東岸登陸點(diǎn)附近，澳門機(jī)場位于大橋西岸附近，大橋部分線位位于香港、澳門機(jī)場飛機(jī)起飛和降落的飛行區(qū)內(nèi)，工程方案的選擇需滿足大嶼山機(jī)場和澳門機(jī)場航空限高要求。大嶼山機(jī)場和澳門機(jī)場臨近大橋登陸點(diǎn)附近辟有禁航水域，大橋的施工組織設(shè)計(jì)應(yīng)考慮這一因素。 環(huán)保要求大橋線位穿過了珠江口中華白海豚保護(hù)區(qū)的

14、核心區(qū)、緩沖區(qū)、試驗(yàn)區(qū)，在方案設(shè)計(jì)及工程建設(shè)中需采取切實(shí)有效的環(huán)保措施。 水利防洪要求為降低大橋建設(shè)對(duì)珠江口水利防洪影響，水利部門要求大橋阻水比控制在10%以內(nèi)，并將非通航孔橋承臺(tái)全部埋入海床面以下。五、主體工程總體設(shè)計(jì)1項(xiàng)目建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)港珠澳大橋所處的特殊區(qū)位、建設(shè)條件和具有的多重功能決定了它面對(duì)的四大挑戰(zhàn)：建設(shè)管理的挑戰(zhàn)、工程技術(shù)的挑戰(zhàn)、施工安全的挑戰(zhàn)、環(huán)境保護(hù)的挑戰(zhàn)。2總體設(shè)計(jì)目標(biāo)三地政府提出本項(xiàng)目的建設(shè)目標(biāo)為：建設(shè)世界級(jí)跨海通道、為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)、成為地標(biāo)性建筑。總體設(shè)計(jì)需滿足建設(shè)目標(biāo)并充分考慮建設(shè)條件，達(dá)到“安全、耐久、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)”的總體目標(biāo)。3總體設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想根據(jù)主體工程建設(shè)面

15、臨的挑戰(zhàn)、特點(diǎn)及建設(shè)條件，總體設(shè)計(jì)及方案設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想如下：1 全面實(shí)現(xiàn)“工廠化、大型化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化”工法為總體設(shè)計(jì)思想，以適應(yīng)工程區(qū)臺(tái)風(fēng)影響、航運(yùn)復(fù)雜、環(huán)保要求的特點(diǎn)，保證施工安全及航運(yùn)安全、確保工程質(zhì)量、降低現(xiàn)場工作量、減少海中作業(yè)時(shí)間、保護(hù)海洋生物、保障工期； 2 方案總體布置中以盡量減少阻水比，滿足水利部門要求為目標(biāo)；3 注重景觀設(shè)計(jì)，充分進(jìn)行橋梁及人工島總體方案比選；4 總體設(shè)計(jì)充分考慮為運(yùn)營養(yǎng)護(hù)提供方便，按照“需求引導(dǎo)設(shè)計(jì)”思想開展設(shè)計(jì)工作； 5 本工程專業(yè)廣、接口多，總體設(shè)計(jì)中注重各專業(yè)接口的協(xié)調(diào)及平衡，使之達(dá)到總體最優(yōu)的目標(biāo)。 4 總體平、縱面設(shè)計(jì)平面設(shè)計(jì)主要考慮：與香港側(cè)

16、工程在平面上順接，滿足雙方要求；為降低隧道出口段的設(shè)計(jì)施工難度，隧道起點(diǎn)段路線取為5500m不設(shè)超高的大半徑圓曲線；保證通航孔橋位于直線段，降低通航孔橋設(shè)計(jì)施工難度；盡量減少與水流夾角；平面曲線指標(biāo)盡量提高，按不設(shè)超高控制，處理好平縱配合設(shè)計(jì)；妥善處理好主線與東、西隧道人工島及珠澳口岸人工島匝道布置；平面設(shè)計(jì)線形見圖2。縱面按主線最大縱坡小于3%控制設(shè)計(jì)，各控制點(diǎn)高程滿足通航要求及機(jī)場航空限高要求。航道橋縱斷設(shè)計(jì)原則為：豎曲線長度宜包含整個(gè)通航孔橋長（路線范圍內(nèi)應(yīng)為凸曲線），通航孔橋橋梁中心兩側(cè)縱坡應(yīng)對(duì)稱，即將通航孔橋范圍內(nèi)的變坡點(diǎn)放在橋梁中心位置。兩通航孔橋間非通航孔橋推薦平坡方案，通過2.

17、5%的橫坡及適當(dāng)增設(shè)雨水管解決排水問題。隧道段縱斷面設(shè)計(jì)原則為：盡量減短人工島長度，減少基槽開挖量，隧道段采用W形坡。5橋梁總體跨徑布置1 通航孔橋布置青州航道橋橋跨布置為110+126+458+126+110=930m；江海直達(dá)船航道橋橋跨布置為129+2258+129=774m；九洲航道橋橋跨布置為85+150+298+150+85=768m，均滿足通航要求。2 主線非通航孔橋布置江海直達(dá)船航道以西，水深 34m，基巖埋深2455m，小跨徑為經(jīng)濟(jì)跨徑，為減少橋墩數(shù)量并減少阻水率，適當(dāng)增大跨徑，推薦采用85m等跨；江海直達(dá)船航道橋以東，水深510m，基巖埋深6089m。該處位于潮流主通道，采

18、用較大跨徑，以減少阻水率。為在經(jīng)濟(jì)性與阻水率之間獲得一個(gè)平衡的跨徑，經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后推薦采用110m等跨；同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)江海直達(dá)船航道兩側(cè)景觀協(xié)調(diào)一致，在其西側(cè)一定范圍與東側(cè)對(duì)稱布置了10孔110m跨非通航孔。3 人工島結(jié)合部非通航孔橋布置人工島結(jié)合部采用合理壓低橋梁起始處標(biāo)高來縮短人工島長度，按照300年一遇洪水加浪高不進(jìn)入橋面為原則，浪高影響范圍內(nèi)橋墩與主梁固結(jié)，取消支座。為抵抗梁體承受的波浪力，臨島附近橋梁采用小跨徑，采用不銹鋼鋼筋及增加混凝土致密性解決耐久性問題。島橋連接處構(gòu)造參見圖4。圖4 島橋結(jié)合部縱向位置關(guān)系圖 粵港分界線至東人工島段橋跨布置為2(347.5)+335m，結(jié)構(gòu)外形及

19、風(fēng)格與香港側(cè)保持一致。 西人工島島橋結(jié)合段橋跨布置為2(344)m。4 珠澳口岸連接匝道橋珠海、澳門口岸內(nèi)客、貨檢分區(qū)設(shè)置，在大橋與口岸連接處需設(shè)置定向立交橋，使客、貨車進(jìn)出各自查驗(yàn)區(qū)。主線橋采用484+30m一聯(lián)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，各匝道橋上部主梁采用2540m跨單箱單室等截面連續(xù)箱梁。6 隧道方案及布置經(jīng)對(duì)沉管工法及盾構(gòu)工法進(jìn)行深入比選后，為減小隧道人工島長度，減小對(duì)水流的長期影響，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，推薦采用沉管法，隧道縱斷面布置參見圖5。圖5沉管隧道縱斷面布置首節(jié)管段與暗埋段相接處管底標(biāo)高確定為-12.5m，暗埋段干施工時(shí)的水頭差控制在15m以內(nèi)，降低工程難度及風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，為盡量縮短人工島長度，在島隧結(jié)合部，島頭合理向島身移動(dòng)，部分管節(jié)露出海床，對(duì)此部分管節(jié)參考國際上厄勒海峽及韓國釜山隧道經(jīng)驗(yàn)，采用特殊的大型塊石及鎖管石塊進(jìn)行覆蓋鎖定防護(hù)，沉管隧道兩側(cè)采取防撞措施，避免露出海床的沉管船撞風(fēng)險(xiǎn)。7隧道人工島布置為實(shí)現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換，設(shè)東、西兩人工島，東人工島西邊距銅鼓航道中心1563米，采用橢圓形布設(shè)，形似“蠔貝”，島長62