港珠澳大桥主体工程总体设计

1港珠澳大桥主体工程总体设计孟凡超（中交公路规划设计院有限公司）摘要：本文比较详细地介绍了港珠澳大桥的社会经济意义和大桥主体工程的桥位及工程规模、主要技术标准、主要建设条件、总体设计、桥梁方案、隧道方案、人工岛方案，提出了大桥的挑战以及基本对策与设计指导思想。关键词：港珠澳大桥工程方案面临的挑战基本对策设计指导思想一、工程概况港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程，是我国继三峡工程、青藏铁路、京沪高铁后又一项超级工程，是当今世界上规模最大、标准最高、技术最复杂的桥、岛、隧一体化的集群工程，它是我国迈向桥梁及交通建设强国的里程碑项目。大桥的建设将进一步完善国家和粤港澳三地的综合运输体系和高速公路网络，密切珠江西岸地区与香港地区的经济社会联系，改善珠江西岸地区的投资环境，加快产业结构调整和布局优化，拓展经济发展空间，提升珠江三角洲地区的综合竞争力，保持港澳地区的持续繁荣和稳定，促进珠江两岸经济社会协调发展，将加速珠江三角洲社会、经济一体化的进程。二、桥位及工程规模大桥东岸登陆点位于香港大屿山机场西南的散石湾，西岸珠海登陆点为拱北，澳门登陆点为明珠；工程建设包括三项内容：⑴海中桥隧主体工程；2⑵香港、珠海及澳门三地人工岛口岸工程；⑶香港、珠海、澳门三地连接线及配套工程。根据三地达成的共识，海中桥隧主体工程由粤港澳三地共同建设；三地口岸和连接线由三地各自负责建设。海中桥隧主体工程总长约29.6公里，东起自粤港分界线，西止于珠海/澳门口岸人工岛，采用桥隧组合方案，穿越伶仃西航道和铜鼓航道段约6公里，采用隧道方案，其余约22.9公里段采用桥梁方案，包括：青州航道桥、江海直达船航道桥、九洲航道桥和非通航孔桥。为实现桥隧转换和设置隧道通风井，主体工程隧道两端各设置一个海中人工岛，东、西人工岛各长约625米，造陆面积各约为10万平方米。香港口岸位于香港国际机场东北面填海兴建，占地约130公顷，分别与港珠澳大桥、香港国际机场及屯门至赤鱲角连接路相接。珠海口岸和澳门口岸在澳门明珠点附近内地水域填海同岛设置，填海面积217公顷。珠海连接线起自珠海口岸人工岛，经湾仔、珠海保税区北，止于珠海洪湾，接拟建的珠江三角洲地区环线高速公路珠海南屏至洪湾段，全长约13.9公里；全线在南湾、横琴北、洪湾等3处设置互通式立交。澳门连接线（桥）起自澳门口岸，连接至规划建设的澳门填海A区，长约150米。香港连接线起自粤港分界线的大桥主体工程，经香港口岸人工岛，连接至大屿山高速公路，全长约15公里。港珠澳大桥自香港大屿山东涌至珠海拱北的主线桥隧工程总长约50公里，是世界最长的桥隧组合工程。三、主体工程主要技术标准主体工程采用六车道高速公路标准，同时满足内地及香港规范要求，主要技术标准为：1.公路等级：高速公路；2.设计速度：海中桥梁、隧道设计速度为100km/h；进口岸前逐步限速。珠澳口岸人工岛互通设计速度采用40km/h；东、西隧道人工岛岛上匝道设计速度采用30km/h；33.行车道数：双向六车道；4.设计寿命：120年；5.建筑限界：路面总宽度：33.10m；6.最大纵坡：≤3%；7.路面横坡：桥面横坡：2.5%；隧道路面横坡：1.5%；8.设计荷载：汽车荷载采用公路-I级。同时满足香港《Structuredesignmanualforhighwaysandrailways》中规定的活载要求；9.设计最高通航水位：3.52m（1985国家高程基准）；10.设计最高水位：3.82m（1985国家高程基准）；11.设计通航净空：桥区通航孔设置以及通航孔净空尺度要求见表1所示；表1各通航孔净空尺度表通航孔所在航道通航吨级(t)通航孔个数净空高度(m)净空宽度(m)备注青州水道10000142.0318单孔双向九洲航道10000140.0210单孔双向江海直达船航道5000224.5173单孔单向各小船航道500-20.085利用边孔隧道300000人工岛口门宽不小于4100m，满足-29m通航水域不小于2810m12.地震设防标准：地震基本烈度为VII度；对于隧道、通风竖井、人工岛的地震设防标准考虑两种重现期定义，对应于两种极限状态：4工作状态120年极限状态1200年对于桥梁的非通航孔桥的地震设防标准有三种重现期定义，对应三种极限状态：工作状态120年极限状态600年结构完整性状态2400年对于单孔跨度大于150m的桥梁的地震设防标准有三种重现期定义，对应三种极限状态：工作状态120年极限状态1200年结构完整性状态2400年13.设计洪水频率：1/300。四、主要建设条件建设条件的特点分述如下：1.气象特征大桥处于南亚热带海洋性季风气候区，工程区年平均气温在22.4～23℃之间，实测极端最高气温为38.9℃，极端最低气温-1.8℃。桥址区域年盛行风向以东南偏东和东风为主，热带气旋影响十分频繁，平均每年2个左右，最多时每年可达6个，自4月至12月均有可能发生，主要集中在6～10月。桥区重现期120年10分钟平均风速达48.7m/s。2.水文特征工程区水域宽阔，水下地形具有中、西部宽浅、东部窄深的显著特点，九洲5航道桥以西水深在3～4m之间（1985国家高程基准，下同），九洲航道桥至江海直达船航道桥之间水深为4～5m之间，江海直达船航道桥至青州航道桥之间水深为5～6m左右，青州航道桥至西人工岛之间水深为6～8m左右；西人工岛以东工程沿线水域水深较深，沿线水深基本在8m以上；其中大濠水道最深处可达17m左右，10m深槽宽度达2.3km左右。桥区海域为不规则半日潮海区，水位在一个潮周期内变化相对较平缓。实测最高潮位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年一遇设计高水位为3.82米，低水位为-1.63米。潮流呈现往复流运动形式，具有落潮流速大于涨潮流速，中部海域潮流流速比两边大的特点。涨急时垂线平均流向基本为N向，落急时垂线平均流向基本为S向；实测最大流速2m/s，垂线最大平均流速1.36m/s。根据九澳站1986年~2001年波浪观测资料统计，波浪常浪向为SE、SSW和S向，出现频率分别为20.024%、18.693%和16.907%；强浪向为ESE~S向；有效波高大于1m的波出现频率为4.96%。依据桥址站2007.4～2008.3和2008.6～10实测资料，实测最大有效波高（Hs）3.64m，周期（T）为5.3秒，波向为SSW向。依据桥墩前墩前行近流速、桥墩宽度、墩形、水深、床沙粒径、水流交角等资料，按交通运输部颁布的《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30-2002）对基础冲刷进行了计算，具体成果见表2。表2100年一遇水文条件下冲刷计算成果表桥梁方案墩型天然泥面高程（m）冲刷后高程（m）青州航道桥主墩-6.2-20.8辅助墩、过渡墩-6.2-15.6江海航道桥主墩-5.0-15.96桥梁方案墩型天然泥面高程（m）冲刷后高程（m）过渡墩-5.0-14.5九洲航道桥主墩-4.0-14.0过渡墩-3.8-10.6非通航孔桥1-6.0-16.9非通航孔桥2-4.8-15.6注：非通航孔桥1—系指跨度110米，非通航孔桥2—系指跨度85米。⒊航运特点桥区所在的水域宽阔，航道众多，航线复杂、通航船型类型众多、船舶通航密度大、通航要求高，航行安全管理要求高。工程沿线从西至东有九洲航道、江海直达船航道、青州水道、伶仃西航道、铜鼓航道和香港侧航道；现状平均每天船舶交通流量可达4000艘次，每年可达150万艘次。⒋地质特征大地构造上，本工程近场区主要处于华南褶皱系粤北、粤东北－粤中坳陷带的永梅－惠阳坳陷，区域构造稳定，适合大桥建设。工程主线区覆盖层厚24.0～89.3m，按成因时代、岩性特征可划分为5个大层组。其中，第一层组为全新统海相沉积的淤泥、淤泥质粘土和淤泥质粘土夹砂等软土，工程性能极差；第二层组主要为晚更新统晚期陆相沉积的软～可塑状粘土，其埋藏浅、层厚较薄、分布不均匀；第三层组主要为晚更新统中期海相冲积的淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土和软～可塑状粘土，以软弱～中软土为主，工程性能亦很差；第四层组为晚更新统早期河流相冲积物，以中密～密实砂类土为主，承载力较高，在基岩埋藏较深的地段，可作为基础持力层；第五层组为基岩风化层，工程性能较好，但据已有钻探及物探资料分析，基岩顶面起伏变化很大，风化差异显著，沿桥位线共分布有4个风化深槽，宽达430～1000m，深槽内全、强风化层厚度多大于40m。7软土分布广、工程性能差，基岩面起伏大及存在风化深槽是工程建设中需重点关注的地质问题。桥址区地下水可划分为松散岩类潜水、承压水和基岩裂隙水三大类型。水样分析结果表明，海水和地下水化学成分相似，对砼、钢筋混凝土和钢结构具有较强腐蚀性。⒌航空限高要求香港大屿山机场位于大桥东岸登陆点附近，澳门机场位于大桥西岸附近，大桥部分线位位于香港、澳门机场飞机起飞和降落的飞行区内，工程方案的选择需满足大屿山机场和澳门机场航空限高要求。大屿山机场和澳门机场临近大桥登陆点附近辟有禁航水域，大桥的施工组织设计应考虑这一因素。⒍环保要求大桥线位穿过了珠江口中华白海豚保护区的核心区、缓冲区、试验区，在方案设计及工程建设中需采取切实有效的环保措施。⒎水利防洪要求为降低大桥建设对珠江口水利防洪影响，水利部门要求大桥阻水比控制在10%以内，并将非通航孔桥承台全部埋入海床面以下。五、主体工程总体设计1．项目建设面临的挑战港珠澳大桥所处的特殊区位、建设条件和具有的多重功能决定了它面对的四大挑战：建设管理的挑战、工程技术的挑战、施工安全的挑战、环境保护的挑战。2．总体设计目标三地政府提出本项目的建设目标为：建设世界级跨海通道、为用户提供优质服务、成为地标性建筑。8总体设计需满足建设目标并充分考虑建设条件，达到“安全、耐久、环保、经济”的总体目标。3．总体设计指导思想根据主体工程建设面临的挑战、特点及建设条件，总体设计及方案设计的指导思想如下：⑴全面实现“工厂化、大型化、标准化、装配化”工法为总体设计思想，以适应工程区台风影响、航运复杂、环保要求的特点，保证施工安全及航运安全、确保工程质量、降低现场工作量、减少海中作业时间、保护海洋生物、保障工期；⑵方案总体布置中以尽量减少阻水比，满足水利部门要求为目标；⑶注重景观设计，充分进行桥梁及人工岛总体方案比选；⑷总体设计充分考虑为运营养护提供方便，按照“需求引导设计”思想开展设计工作；⑸本工程专业广、接口多，总体设计中注重各专业接口的协调及平衡，使之达到总体最优的目标。4．总体平、纵面设计平面设计主要考虑：与香港侧工程在平面上顺接，满足双方要求；为降低隧道出口段的设计施工难度，隧道起点段路线取为5500m不设超高的大半径圆曲线；保证通航孔桥位于直线段，降低通航孔桥设计施工难度；尽量减少与水流夹角；平面曲线指标尽量提高，按不设超高控制，处理好平纵配合设计；妥善处理好主线与东、西隧道人工岛及珠澳口岸人工岛匝道布置；平面设计线形见图2。纵面按主线最大纵坡小于3%控制设计，各控制点高程满足通航要求及机场航空限高要求。航道桥纵断设计原则为：竖曲线长度宜包含整个通航孔桥长（路线范围内应为凸曲线），通航孔桥桥梁中心两侧纵坡应对称，即将通航孔桥范围内的变坡点放在桥梁中心位置。9两通航孔桥间非通航孔桥推荐平坡方案，通过2.5%的横坡及适当增设雨水管解决排水问题。隧道段纵断面设计原则为：尽量减短人工岛长度，减少基槽开挖量，隧道段采用W形坡。5．桥梁总体跨径布置⑴通航孔桥布置青州航道桥桥跨布置为110+126+458+126+110=930m；江海直达船航道桥桥跨布置为129+2×258+129=774m；九洲航道桥桥跨布置为85+150+298+150+85=768m，均满足通航要求。⑵主线非通航孔桥布置江海直达船航道以西，水深3～4m，基岩埋深24～55m，小跨径为经济跨径，为减少桥墩数量并减少阻水率，适