港珠澳大桥总体设计及关键技术2015-05-27

港珠澳大桥总体设计及关键技术中交公路规划设计院有限公司黄清飞Contents目录1.总体概况及线位选择2.桥岛隧组合方案确定3.自然建设条件特点4.总体设计思想及方案5.桥梁工程关键技术6.隧道人工岛关键技术7.隧道人工岛关键技术总体概况及线位选择港珠澳大桥东连香港、西接珠海/澳门，穿越伶仃洋,是我国继三峡工程、青藏铁路、南水北调、西气东输、京沪高铁之后又一重大基础设施项目，是集桥、岛、隧为一体的超级交通集群工程，全长35.6公里，海中桥隧主体工程29.6公里，三地总投资超过1000亿元人民币，预计2017年建成通车。桥岛隧组合方案确定线位：香港/珠海、澳门；四大块建设：香港口岸:130公顷香港接线：12Km主体工程：30Km珠海接线：14Km珠澳口岸：210公顷澳门接线：0.3Km自然建设条件特点总体气象、水文、地质特点亚热带海洋性季风气候区，温度15~30℃，年降雨1800～2400毫米，南风、偏南风为主，有效波高约2m；淤泥、粉细沙软土地层局部超过40m；建设特殊限制条件及需求穿越中华白海豚保护区，环保要求海上航线复杂、流量大，安全管理全桥设计寿命120年全桥阻水比小于10%建成为标志性建筑穿越中华白海豚保护区海上航线复杂、流量大全桥设计寿命120年全桥阻水比小于10%总体设计思想及方案全面实现“工厂化、大型化、标准化、装配化”工法减少海上作业时间及作业量，减低安全风险、减少对海洋环境影响，提高并保证工程质量。近珠海岸85米等跨非通航孔桥建成效果图85米等跨组合连续梁桥，单墩双幅梁，混凝土桥面板与钢箱一起整孔安装，预制混凝土墩台，预制安装，钢管复合钻孔嵌岩桩基础。①墩身工厂分段预制、浮运就位、浮吊安装；②组合梁85米制造、运输到位、浮吊分幅安装；③利用专业制造厂、大型运输船、大型浮吊。九州航道桥建成效果图主跨268米双塔单索面钢箱梁斜拉桥，钢索塔，平行钢丝斜拉索，混凝土承台，钢管复合钻孔嵌岩桩基础。深水区110米等跨非通航孔钢箱梁桥建成效果图110米等跨钢箱连续梁桥，单墩整幅梁，箱梁整孔安装，预制混凝土墩台，预制安装，钢管复合钻孔嵌岩桩基础。①墩身工厂分段预制、浮运就位、浮吊安装；②钢箱梁工厂110米制造、运输到位、浮吊安装③利用专业制造厂、大型运输船、大型浮吊。江海直达船航道桥建成效果图主跨258米三塔单索面钢箱梁斜拉桥，钢索塔，平行钢丝斜拉索，混凝土承台，钢管复合钻孔嵌岩桩基础。青州航道桥建成效果图主跨458米双塔双索面钢箱梁斜拉桥，六车道高速公路标准，混凝土与钢结合索塔，平行钢丝斜拉索，钢管复合钻孔嵌岩桩基础。人工岛结合部连接预应力混凝土连续梁桥三座通航孔桥风格一致；非通航孔桥标准跨径布置，适当增大跨径；非通航孔桥承台埋入海床面；采用单幅墩；非通航孔桥箱梁等梁高布置；非通航孔桥箱梁考虑整跨吊装。桥梁总体设计特点海底沉管隧道建成效果图受香港机场航空限高要求，主航道处需做隧道，经比选采用沉管工法，沉管段总长5664m，共分33节，每节长180m，宽37.95m，高11.4m，单节重约7.4万吨，最大沉放水深44m。采用工厂法进行沉管管节预制，实现标准化流水作业；管节的起浮、出坞、下沉利用大型专业化设备，实现7万吨级沉管40米水下对接精度。东西隧道人工岛建成效果图东西人工岛各10万平米，西岛为养护管理功能，东岛兼旅游功能。两岛面积约10万m2，离岸20km，水深约10m，软土层厚度20～30m，采用直径22m钢圆筒插入不透水粘土层形成止水型岛壁结构，回填砂形成陆域，实现快速成岛；采用塑料排水板联合降水预压方案进行软基处理，最大超载比达2.1，加快地基主固结沉降完成。香港口岸建成效果图填海造地130公顷，采用碎石桩作为围堤地基加固（不挖泥），格型钢板桩（预制安装）作为岛壁结构，回填砂后加固形成陆域。香港侧桥梁建成效果图12.6公里六车道高速公路标准，75米等跨预应力混凝土连续梁，节段预制箱梁悬拼安装；墩身预制安装（或现浇），预制外壳+现浇承台，钻孔桩预制场平面规划珠澳口岸建成效果图桥梁工程关键技术桥梁关键技术钢管复合桩技术埋置式承台设计与安装预制墩身干接缝拼装接高组合梁设计施工新技术非通航孔桥梁整孔制造安装技术通航孔桥大节段施工技术大规模钢桥面铺装方案选择及质量管理钢管复合桩技术精确定位插打钢管复合桩提出钢管复合桩构造钢管复合桩施工埋置式沉台构造——首节墩身一起预制安装埋置式沉台施工关键——安装定位、止水、连接埋置式承台设计与安装接头构造：剪力键、环氧树脂节段连接：预应力施工技术：吊装、定位、精度保障吊装重量预制墩身干接缝拼装接高组合梁设计施工新技术标准跨径85米，等高分幅布置封闭式钢主梁、桁架式隔板最大规模组合梁海洋环境桥面板变截面：跨中26cm，钢梁腹板处50cm，悬臂端22cm。桥面板横桥向整体化、纵桥向分块预制，设湿接头。剪力钉：集束式钉群布置桥面板控裂及耐久性措施：横向采用部分预应力体系墩顶负弯矩区布置纵向预应力防腐蚀钢筋组合梁设计施工新技术组合梁设计施工新技术组合梁整孔制造钢槽梁厂内组拼钢主梁板单元制造钢主梁组拼钢主梁喷涂钢主梁线形监控组合梁整孔组合组合梁桥面板湿接缝浇注桥面板预制桥面板存放组合梁组合组合梁设计施工新技术组合梁在台座上组合时进行线形调整组合梁设计施工新技术为改善负弯矩区受力，桥面板采用滞后结合与支点升降法拼接组合梁。钢主梁预留配切余量，根据测试数据在桥位进行钢槽梁现场配切。组合梁设计施工新技术非通航孔桥梁整孔制造安装技术通航孔桥大节段施工技术上塔柱及主梁施工吊重约2500t吊高约90m通航孔桥大节段施工技术大规模钢桥面铺装方案选择及质量管理约200mm参照香港钢桥面铺装经验，采用浇筑式+MA体系，开展了试验研究，钢桥面量大，质量是系统工程，有待检验。其他一些关键技术钢箱梁车间化拼装、焊接机器人采用钢箱梁TMD减振系统研发采用桥梁运营养护系统设计等隧道人工岛关键技术离岸20km，水深约10m，软土层厚度20～30m西岛需快速提供首个沉管对接条件人工岛设计钢圆筒插入不透水粘土层形成止水型围护结构，回填砂形成陆域。西人工岛61个大圆筒，东岛59个钢圆筒；单个圆筒直径22.0m，高40.5m～49.5m，最大入土深度达29m。降水联合堆载预压塑料排水板利用整岛止水条件，采用“局部开挖换填、插打塑料排水板、井点降水联合堆载”的大超载比预压进行岛内软基处理；将永久的抛石斜坡堤和临时钢圆筒结构相结合，海侧护坡结构采用局部开挖换填+挤密砂桩复合地基。实现了快速成岛；止水和围护结构一体；为软基处理提供了条件；实现了岛内、岛外同步施工。人工岛施工钢圆筒制造在上海振华重工制作工厂化保证加工精度钢圆筒运输7万吨级运输船运输海上运输超过1600公里8台600吨液压振动锤同步振沉圆筒2011年5月15日西岛首个圆筒振沉12月22日东岛最后一个圆筒振沉；2011年“当年开工，当年成双岛”钢圆筒打设副格打设两圆筒间采用副格连接副格采用弧形钢板止水效果良好岛内软基处理工后残余沉降控制在了30cm以内土的力学性能大幅度提升。岛内建设东西岛营地建成岛上搅拌站建设投产西小岛基坑开挖及暗埋段施工西小岛基坑开挖及暗埋段施工岛壁结构施工沉管隧道关键技术沉管段全长5664m水深超过45m覆土厚度达30m沉管段全长3510m水深30m贴近原海床面建设沉管段全长3240m水深30-47m难点及挑战：■超长■深埋■大回淤■软基■外海施工环境沉管隧道设计结构及接头水密总沉降及差异沉降控制施工风险及质量控制●沿线基底位于不同地层且荷载差异●基础设计目标：总沉降﹤15cm，差异沉降﹤2cm●岛上段、岛头区、斜坡过渡段需进行地基处理●设计方案要利于施工过程质量控制，具备容错补救可行性复合地基+组合基床沉管基础沉管基础设计关键技术■研究并采用挤密砂桩柔性复合地基、高压旋喷半刚性复合地基、PHC刚性桩复合地基，实现三种复合地基及天然砂基地基刚度的平顺过渡；■将重力式码头工程成熟的抛填块石+强夯技术引入隧道基础，协调全线基础刚度、降低清淤难度。■采用先铺碎石基床，实现沉管竖向线形及平整度。复合地基+组合基床沉管基础复合地基加固总体方案基础纵向布置区段岛上段斜坡段中间段斜坡段岛上段管节暗埋段敞开段E33~E30/S4E30/S4～E6/S2E6/S2~E1暗埋段敞开段基础类型刚性桩复合地基SCP复合地基天然地基或局部开挖换填SCP复合地基刚性桩复合地基复合地基+组合基床沉管基础降水联合超载预压开挖卸载振冲、碾密铺设碎石垫层施工敞开段结构岛上敞开段地基加固—降水联合超载预压岛上敞开段岛上敞开段施工步骤复合地基+组合基床沉管基础岛上暗埋段降水联合超载预压开挖卸载施打PHC桩铺设碎石垫层形成复合地基现浇隧道上部结构岛上暗埋段PHC刚性桩复合地基岛上暗埋段施工步骤岛上E1/E33部分沉管降水联合超载预压开挖卸载施工高压旋喷桩形成复合地基岛上沉管段高压旋喷复合地基铺设碎石垫层安放沉管复合地基+组合基床沉管基础岛头过渡段沉管（E1～E4S3/E33～E30S3）施工步骤：挤密砂桩堆载预压开挖卸载碎石垫层管节沉放过渡段一采用沉管挤密砂桩复合地基+堆载预压复合地基+组合基床沉管基础过渡段沉管（E4S3～E6S2）施工步骤：挤密砂桩基槽开挖块石夯平碎石垫层管节沉放过渡段二采用高置换率挤密砂桩复合地基复合地基+组合基床沉管基础施工步骤：基槽开挖块石夯平碎石垫层管节沉放中间段沉管（E6S2～E30S3）中间段采用天然地基复合地基+组合基床沉管基础组合基床2m厚10～100kg块石（夯平）整平船铺设1.3m厚碎石垫层复合地基+组合基床沉管基础标准碎石垄参数：垄宽1.80m+沟宽1.05m管节41950180018001300105010501800复合地基+组合基床沉管基础基础施工沉管基础施工质量是决定沉管隧道成败的关键。沉管基础作业，主要关键工序包括：①基槽粗挖、精挖；②基槽清淤；③基础抛石夯平；④碎石基床铺设。沉管隧道纵断面图复合地基+组合基床沉管基础基槽精挖开挖水深大（50m），开挖精度要求高（-60~+40cm）；采用大型定深平挖抓斗和挖深精度控制系统。金雄复合地基+组合基床沉管基础监控系统耙管增长专用吸头基槽清淤沉管隧道横卧珠江口，存在回淤可能与荷兰公司联合研制专用清淤船：能够进行系统定位和测量，能实时显示基槽槽底纵坡；可满足在不同类型基础面上（块石、碎石、粘土等）进行清淤施工。捷龙号专用清淤船复合地基+组合基床沉管基础基础抛石夯平抛石夯平作业水深大（46m），夯平精度高（小于30cm）；夯平要顺应基础坡度；水下抛石、夯平工作量大；专用溜管式抛夯一体船：溜管定点定量抛石、定点夯平复合地基+组合基床沉管基础碎石基床铺设水深大（40m），整平精度要求高（允许偏差±40mm）；整平质量关系到沉管标高、接头的受力最大纵坡坡度为2.98%；整平工作量大（单节面积近1.5万m2）研制国内第一艘平台式整平船；自动抬升、皮带运输、高精度声纳测控三大系统，全部采用自动化控制。复合地基+组合基床沉管基础结构设计——半刚性沉管结构体系半刚性沉管结构体系提出结构设计——半刚性沉管结构体系半刚性沉管结构体系构造节段长22.5米，砼（C45）量约3415m3，标准管节长180米，共33节混凝土要求自防水，控裂要求高且容重偏差小于1%每2个月需完成两节180米（共16个节段）管节沉管预制——工厂化管节预制沉管预制——工厂化管节预制浅坞区及一次舾装区预制车间混凝土生产区深坞及二次舾装区深坞沉箱坞门⑴管节预制流程：①绑扎底板钢筋→②绑扎侧墙钢筋→③绑扎顶板钢筋→④钢筋笼移至浇筑坑并安装模板→⑤进行混凝土浇筑→⑥预制好的节段向前顶推22.5m→⑦匹配预制下一节段沉管预制——工厂化管节预制顶推完成关闭滑移坞门灌水、起浮、移位排水、舾装管节出坞匹配浇筑管段连续浇筑连续顶推⑵管节出坞流程：沉管预制——工厂化管节