深港西部通道跨海大桥生态建造方法

李 勇，窦希萍，杜宏彪，施 勇，黄小平，王双龙，史 鸣，陈铁冰

1)深圳市桥博设计研究院有限公司，深圳518049;2)深圳市深港西部通道工程建设办公室，深圳518054;3)南京水利科学研究院，南京210029;4)深圳大学，深圳518060;5)中国科学院南海海洋研究所，广州510301;6)深圳市勘察测绘院有限公司，深圳518028

自20世纪至今，世界各地修建了不少跨海大桥［1-3］，其中有著名的美国旧金山金门大桥、日本明石海峡大桥、丹麦到瑞典的厄勒海峡大桥等.早期修建跨海大桥较少研究工程对生态环境的影响，尚未形成大桥建设对海湾水生态影响分析的技术体系.跨海大桥对海湾水生态影响研究，涉及水动力学、海洋动力学、泥沙动力学、环境生态水力学、环境物理学和环境生物化学等，是一项跨学科、综合性强的科研项目.深港西部通道工程由深圳湾公路大桥、深港“一地两检”口岸和连接线工程组成，总投资126亿元，深圳湾跨海大桥是本项目的关键工程，桥长5.6 km.本工程的环境影响有3个特点:一是深圳湾为半封闭海湾，水体交换条件差;二是大面积的填海工程，影响水体交换条件且降低流速;三是桥位处于环境高度敏感区域，香港侧有列入国际公约保护的米铺自然保护区，深圳侧有国家级红树林自然保护区.本文以深圳湾跨海公路大桥项目建设为背景，提出以大桥施工建设对深圳湾水环境、水生态环境的影响最小或零为目标的实施方案和相应的技术措施，并论述了该工程建设中采用的几项有效减少对生态环境影响的新技术.

1 实施方案的内容和保障技术措施

1.1 大桥建设生态环境监控技术体系

生态环境监控和管理体系的建立是实现该实施方案的前提，主要内容有:确定生态环境变化的主要参数指标体系，制定详细的反馈监控计划、反馈监控的组织架构和业务流程，包括各种生态环境参数的监控设备、频次、数据分析处理，以及生态环境监控任务的总体安排等.

为了验证生态环境指标的满足程度，应在工程建设前进行详细、广泛的背景调查以及安排适量的定向、定量观测.基于实测和调查资料，建立一系列数学模型，以描述水流、泥沙排泄和扩散以及由于底栖泥疏浚引起的生态效应.为了保证生态环境管理目标的实现，需要制定详细的反馈监控计划，包括施工单位、业主、政府主管部门承担生态环境管理责任及监控任务，施工单位环境质量自我控制的具体内容，反馈监控的组织架构和业务流程，生态环境敏感参数的反馈监控过程，数学模型与动态监控以及反馈调控之间的关系，生态环境监控等.

1.2 施工期水生态环境预测、监控和反馈体系

针对深圳湾及其附近海域和施工区域建立以水动力学、泥沙和污染物质对流扩散以及生态响应模型为内核的二维、三维混合的生态环境影响数值模拟体系是生态环境预测、监控和反馈评价体系的主要组成部分.主要内容包括:建立深圳湾口至深圳湾顶的二维潮流和泥沙数值模拟模型;建立大桥施工附近区三维潮流和泥沙数值模拟模型;建立二维废油、铁锈金属和生活污水扩散数学模拟模型;建立盐度和营养盐变化的数值模拟模型.

对大桥的设计、采用的施工工艺应进行评价，针对挖掘疏浚泥沙和船驳排放的废油污、生活污水等施工过程中可能产生对生态环境影响不利的各环节制定相应的控制目标，进行全过程监控和评估.其主要内容为:① 影响范围和影响程度的确定.根据桥位方案和土建规划，确定可能的影响范围和影响程度.将整个深圳湾区划分为影响内区、影响外区和无影响区.影响内区覆盖桥位轴线两侧500 m范围，在施工期内允许产生较大的影响;影响外区覆盖内区两侧6～8 km的范围，只允许有较小的影响;无影响区是指影响外区之外的区域，包括湿地和自然保护区，不允许任何影响发生;② 生态环境影响要素分析.通过调查，分析大桥建设对深圳湾区域可能造成生态环境影响的物理、化学和生物、生态要素，及其可能的影响和范围;确定各个分区生态环境的代表性敏感要素，作为监测、模拟、分析和监控的主要对象;③ 生态环境保护目标指标和准则的确定.通过综合比较和反复论证，在生态环境要素分析的基础上，确定大桥建设生态环境保护的总体目标，定性描述生态环境的主要问题及其在施工期所需要达到和解决的程度;基于总体目标，定量或定性描述分项目标，对于影响区，针对生态环境敏感要素以及不同建设阶段分别提出具体的允许指标，应用于生态环境管理和监控.

1.3 实施方案的实现策略

针对大桥建设生态环境保护目标，结合深港两地对工程生态环境管理的现实要求，借鉴和吸收国外工程生态环境管理的先进理念和有益经验，合理地设定实施方案的主要目的为，将阻水效应、水体交换能力变化、泥沙排放率和悬沙运移的影响控制在允许的范围内.对于由于填海和桥墩引起的阻水效应，一般可通过建桥前后潮流大小及分布、纳潮量与出潮量，断面流量以及壅水高度的变化来反映，但作为实施方案的控制性指标，可选择断面流量和水体交换能力，规定阻水影响的百分数.在方案设计阶段，对于每一个设计方案，运用数学模型计算其影响，反复调整设计方案，尽量减小其影响;如果仍达不到控制标准，应采取补偿挖掘和疏浚措施，确保阻水符合要求.

对于海上疏浚和挖掘作业引起的泥沙排放，主要限制总开挖量和泥沙排放比，必须对排放强度、时间、空间加以控制，要妥善安排好海上作业与湾区底栖动植物保护之间的协调.具体可通过将大桥引起水流的变化作为泥沙数学模型的输入，计算确定补偿挖掘量和位置，调整设计和施工方案，重复模拟计算，结合反馈监测来实现.

2 深圳海湾水域数学模型

建立潮流、泥沙、污染物质对流扩散数值模拟模型，利用所建模型分析大桥施工对深圳湾水体交换能力、泥沙及污染物扩散的影响.对于填海和桥墩引起的阻水效应，一般可通过建桥前后潮流大小及分布、纳潮量与出潮量断面流量以及壅水高度的变化来反映，浅海湾水体透明度的变化可由三维泥沙以及污染物质的浓度分布的变化来反映，文献［4-5］为环境监控和管理提供了技术支撑.

以深圳湾、赤湾至后海角为下边界，以深圳河河口为上边界，建立包括红树林、米浦湿地在内的深圳湾二维潮流、泥沙和污染物质扩散数学模型，通过该模型仿真计算深圳湾水质现状、水体交换周期和红树林及米浦湿地的进潮量.在加入大桥设计桥墩方案后，分析深圳湾水体交换能力的变化，建立深圳湾潮流、泥沙数学模型.

跨海大桥施工前进行深圳湾内三维泥沙运动数值计算，分析深圳湾现有状态的泥沙特性、泥沙运动的平面分布及垂直分布结构.

跨海大桥建成后，计算分析深圳湾水域泥沙的平面分布和垂直分布变化、大桥工程对深圳湾内泥沙运动可能的影响范围和影响程度以及污染物的扩散分布.

收集深圳湾水文气象和水质等观测资料，掌握深圳湾水体负荷情况.根据基本资料，选择符合条件的水质模型，对模型的结构和参数进行选定.利用未参加率定的数据对模型进行检验，检验模型对深圳湾水质状态的模拟能力.利用所建模型，预测深圳湾大桥建设过程中深圳湾的水质情况(泥沙、水温、溶解氧、水中有机物、无机物、重金属和水生生物等变化).

设一维水质迁移转化基本方程为

其中，河流离散系数E3一般要比分子扩散系数E1和紊动扩散系数E2大得多，后者与前者相比，常可忽略，于是有E=E1+E2+E3≈E3，得

其中，C为河段中某种污染物的浓度;t为时间;x为河水的流动距离;u为河段水流的平均流速;E为河段水流的纵向离散系数;∑Si为河段水体污染物的源漏项.

二维水质迁移转化基本方程为

其中，H为水深.

稳态条件下，一维河流水质模型的基本方程为

若仅考虑有好氧微生物参与的衰变反应，且该反应符合一级反应动力学，则有

对于水体中的溶解氧，引起脱氧的原因在于含碳有机物在反应中的细菌分解.因氧亏和湍流而引起复氧，复氧速率与水中的氧亏成正比，Dc=Os-O0.根据上述假设，一维的稳态BOD和DO水质模型可表示为

在L(x=0)=L0，O(x=0)=O0的初值条件下，考虑离散，求其积分解，得S-P模型为

S-P模型根据时段初的BOD和DO浓度，计算河段时段末的BOD和DO浓度.

为了对模型的结构和参数进行调整、率定和检验，需各断面的水文和水质实测资料.在利用所建模型进行预测时，需要深圳湾边界的水文水质资料，如旁侧入流、沿岸排污和工程施工时点源污染情况.

在深圳湾大桥施工过程中，由于工程影响，底泥中吸附有机物和重金属等污染物会重新进入水中，因此在所建模型中，施工期间源漏项∑Si中需考虑底泥负荷因素.

Qual-∏模型是一个具有多用途的河流水质模型，能以各种组合方式描述水质参数，如溶解氧、生化需氧量、水温、叶绿素-α-藻类、氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮、可溶性磷、大肠杆菌、任一可降解物质和3种任选不降解物质.Qual-∏ 的基本方程是一个平移-弥散质量迁移方程C.对任意水质变量，有

其中，D为河流纵向弥散系数;Sint为水质变量C的内部源和漏(如化学反应等);Saxt为外部的源和漏(如旁侧如流的影响等).

式(8)为综合性水质模型，输入各时段流量资料和水质因子的源漏项，可输出各河段的水质因子浓度.

3 跨海大桥生态建造技术

3.1 优化设计与施工方案

为了减少深圳湾潮流走向的阻水影响及兼具美观效果，根据落潮、涨潮时水流的方向，大桥的走向采用“空间S”线形.“空间S”即平面与竖向都为“S”线形，平面“S”线形采用不设超高的圆曲线，改善了水流与桥轴线的夹角α使桥墩设置与水流方向接近，能有效减轻桥身对海湾落潮、涨潮时水流的影响，而且比直线更能提高司机驾驶的警觉性.同时建立了平曲线方程，可以根据水流的走向对桥梁线型进行调整，设计中确定了水流的方向后对α进行调整，当α接近时桥轴线与水流方向基本平行，使桥梁对阻水的影响强到最低.竖向“S”线形，立面上以通航孔桥作为控制点进行纵断面设计，纵断的曲率为3%，形成起伏效果，景观极佳，“空间S”线形宛如一条巨龙卧伏于深圳湾.

通过“空间S”线形总体设计后，为使桥梁建设对环境影响到最低，施工方案的选取极为重要，综合考虑生态环保、工程实施的可行性及合理性，确定了大桥的桥跨布置，特别是非通航孔的跨径，除主跨具有通航要求外，非通航孔跨径采用75 m的大跨径布置.

为减少基础施工引起的泥沙量对水域的污染及水生物活动的影响，通过钻孔桩采用泥浆分离技术、钻孔泥沙运离海湾、控制同时施工的工作面等方法使基础施工对海湾内的水体、水生物、植物的影响限制在可接受的范围内.施工中还采用对施工污染物进入海湾及施工噪音的控制措施，尽量减少海上临时建筑的数量及占用时间.

为减少水面以上桥梁结构施工对环境的影响，施工时上部结构采用整孔预制，整孔架设，即在预制场整体浇筑75 m一孔单幅箱梁，利用大型浮吊将整孔梁从水上运至待架位置，落梁就位后，并利用微调装置将预制梁进行精确定位.同时合理控制施工工作面数量，保证了上部结构施工满足环境要求，与传统陆地施工相比，无需模板支架及基础支撑，避免了基础开挖及施工污染物对海湾环境的污染［6-10］.桥面系施工时，考虑到桥面水流冲下浅滩可能给浅滩生物带来影响，设计中将采用排水管，集中将桥面水流排入海面以下.桥面采用吸音、减震、吸尘、自动清污的设计，大桥上设置隔音板、隔音墙.

通过设计与施工上的措施，海上作业与湾区底栖动植物保护之间有了很好的协调，同时每年冬歇期，有大量的飞鸟从北方来到南方栖息.为减少飞鸟误撞，大桥采用独塔单索面斜拉桥、拉索采用银灰色及竖向“S”线形，能增加飞鸟飞行的识别度，减少对两个国家级自然保护区，即深圳红树林自然保护区和香港米铺自然保护区鸟类飞行的影响.

3.2 地质地理信息系统及应用

深圳湾口岸(又称深圳湾旅检大楼)是深圳市与香港之间一个陆路边境口岸，位于深圳市南山区蛇口东角头的一块填海地，占地1.17.9 km2.口岸设有车辆转线设施，以配合香港和中国大陆相反的行车方向，通过深圳湾公路大桥连接香港新界西北部的鳌磡石，口岸位于填海区上、占地面积大.

在地理信息系统(GIS)时代，工程地质勘察行业是城市基本地理地质空间数据的生产者和供应者，以勘测部门为核心建立的空间数据基础设施在任何一个城市的信息基础设施中都占有十分重要的地位.行业经过十几年的洗礼，保存了大量宝贵的历史资料，包括文档、数据表格、地形图、地质地貌图、管线数据、航拍影像、勘探柱状图、平面图等.这些资料的表现形式也是千差万别，有些是纸质的，有些则是数字化的;比例尺是1∶1000，或1∶50000，数据的获得方式也差异较大.资料按常规方式不利于保存，也不利于使用;勘察单位专业较多，各个专业之间信息共享困难，存在信息孤岛问题.

单纯的工程管理信息系统已不能适应工程地质勘察行业信息化生产的需求.必须将工程管理信息和GIS技术信息有机融合起来，本着对信息资源的整合管理和为工程建设服务的目的，建立以GIS技术、网络技术为手段，开发大尺度、多时态、多源异构的图、属性信息、文档一体化的深圳市地质地理信息系统，才能较好地解决生产、管理等一系列的问题，才是实现信息化、破除孤岛信息现状的必由之路.

地质地理信息系统软件是定位于地质勘查技术领域内的基础地质、地理信息的应用技术主题下的现代工程地质勘察生产管理软件，以“3S”技术、网络技术、空间数据库技术、数据挖掘技术、地质地理信息库、管线管道信息库、勘查工程成果为基础，结合工程地质勘察应用的领域特色，设计并开发的实现全方位工程地质勘察生产信息管理与生产辅助工具.改变了地质勘察行业数据种类繁多、数据整合协调性差、数据表现形式陈旧、数据利用效率差、信息化程度不高等行业现状［10］.

深港西部通道口岸大规模填海及软基处理工程，作为科技示范工程引导地质勘察行业突破以往工作模式，实现了向大区域工程范围、大规模工程类型、大尺度工程数据量的数据服务支持的高效、精准的现代生产系统模式.

地质灾害的频繁发生，给人类生命财产带来严重损失.回顾国内外GIS技术在地质环境评价与地质灾害预测中的研究现状，讨论GIS在地质环境领域应用中的可行性及技术路线.结合西部通道大面积填海工程，基于GIS空间分析法，结合地质环境评价模型，探索出一条地质环境评价GIS系统的新途径.

3.3 下沉式隧道——城市连接线工程

深港西部通道工程重载车辆、集装箱车辆占85%以上，全国近一半重载过境交通需出入该口岸.深圳市南山区东滨路是城市建成区，沿线有密集的医院、学校、商业及居民区，降低重载交通条件下的噪音、废气等影响，防止与相交道路的交通干扰，采用下沉式隧道城市接线工程是必要的.

深圳侧接线工程将采用全封闭下沉式道路，即在现有的东滨路地下挖开窗隧道，货柜车从深圳进入107国道和广深高速公路，建设消防、通信、噪音控制、结构健康监测和路面防滑等系统.深圳侧接线工程采用全封闭下沉式抗浮设计，使货柜车从深圳直接进入沿江高速公路，避免了车辆进入市区对东滨路沿线居民造成影响，侧线工程进入东滨路后是3.5 km的全封闭式城市隧道.

城市隧道由于埋深相对较浅，需要进行抗浮设计.抗浮设计是通过在基础底部及侧墙打入一定数量的抗浮桩来抵消地下水对基础产生的浮力及对侧墙的剪力来实现抗浮目的.

抗浮桩不同于一般的基础桩，有其自身的独特性能，与一般基础桩的最大区别在于:基础桩通常为抗压桩，桩体承受建筑荷载压力，受力自桩顶向桩底传递，桩体受力大小随着建筑荷载的变化而变化;而抗浮桩则为抗拔桩，桩体承受拉力，普通抗浮桩受力也是自桩顶向桩底传递，桩体受力大小随着地下水位的变化而变化.

设计通道均采用自重+抗浮桩进行抗浮设计，稳定抗浮系数为1.10，抗浮桩纵向间距为6 m，基础底板抗浮桩基为现场钻孔灌注桩，侧墙桩基为预制管桩，通过工厂预制，运抵现场后，在未浇筑结构主体之前通过打桩机打入设计指定位置，施工过程中精确控制桩基的偏差.本项目主要解决的问题:①重载交通过境对生态环境的影响;② 解决汽车噪音和尾气问题的措施;③ 在填海地区(软土地基)修建地下通道的技术难点，设计和施工中采取的措施;④ 发生交通堵塞、交通事故及火灾等地下通道中会出现的问题及解决措施.

3.4 海洋环境下跨海大桥结构耐久性

海洋环境是混凝土结构所面临的最严酷的服役环境条件之一，处于沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境中有害介质、离子对混凝土的侵蚀导致结构钢筋锈蚀而是结构发生早期损坏，耐久性能丧失，结构在后续设计使用寿命内的正常安全使用无法保证，造成极大的危害和经济损失［11-12］.

研究表明，影响海洋环境中混凝土结构耐久性的主要因素包括:氯离子的渗透;硫酸盐、酸、碱的侵蚀;温度应力裂缝;水流冲刷及气体的磨损;钢筋的锈蚀;碱-集料反应以及延迟性钙矾石形成等.其中，海洋环境中的氯离子侵入混凝土导致钢筋锈蚀，是造成混凝土结构性降低的最主要因素.

深港西部通道工程项目解决的主要问题:①为满足英国BS-5400规范120年设计使用寿命要求的提高跨海大桥耐久性的新方法;② 除了提高材料耐久性以外的完善结构受力体系方面的措施;③提高跨海大桥耐久性的高性能混凝土;④ 钢筋、预应力钢筋的防腐措施;⑤高性能混凝土的防渗措施;⑥ 跨海大桥高性能混凝土的保护层厚度;⑦高性能混凝土防止出现有害裂缝可靠措施;⑧高性能混凝土性能的检测:外加剂与水泥的相容性，拌和料施工性能、绝热温升，抗压强度及抗折强度，弹性模量，总收缩值，抗开裂性，抗硫酸盐侵蚀性，氯离子渗透扩散系数，抗碱-骨料反应性，热膨胀系数、碳化等;⑨ 高性能混凝土施工方法、质量控制体系;⑩高性能混凝土养护方法.

对于海洋环境下的混凝土结构，各类结构和环境参数的统计分布特征对其在设计使用寿命内耐久性的概率分布规律有着至关重要的影响，而敏感性分析对于判断哪些关键参数主要影响结构的耐久性起着重要的作用.

分析表明，结构耐久性失效概率对保护层厚度及氯离子在混凝土中的扩散系数均较为敏感，因此，在耐久性设计阶段应引起必要的重视，并基于结构的目标失效概率进行合理设计.在施工阶段，则应进行必要的质量控制，以确保结构在未来的设计使用期内满足设计耐久性要求.

3.5 国家级红树林自然保护区生态修复

深港西部通道工程主要由深圳湾公路大桥、深港“一地两检”口岸、连接线工程组成.香港侧有列入国际公约保护的米铺自然保护区，面积约3.80 km2;深圳侧有国家级红树林自然保护区，面积3.69 km2，是我国面积最小的国家级自然保护区.

为了使桥梁建成后对深圳湾周边环境影响降到最低，对红树林自然保护区及深圳湾沿岸进行全面生态修复工程，兴建长度接近10 km的海滨生态公园，保护区缓冲地带面积超过0.2 km2.

深圳湾公园位于深圳市西南部沿海，东起福田红树林鸟类自然保护区，西至深港跨海大桥西侧，北靠滨海大道，南临深圳湾，隔海遥望香港米埔自然保护区.沿海岸线长约11 km，总面积约1.288 km2，是深圳市惟一的密集滨海休闲带.深圳湾公园由已开放的红树林海滨生态公园、深圳湾滨海休闲带两部分组成，体现人文与环保的理念.

深港“一地两检”口岸，种植高大的乔木，形成50～100 m宽的绿化带.口岸西侧将建一条50～100 m宽、近两公里长的人工河，通过水体进行减震.

为满足市民贴近自然的需要，在深圳湾公路大桥两侧各建造一座观海桥.每座观海桥长度约为320 m，宽10 m，跨度21 m×15 m，每个圆形的观光平台面积近3 000 m2，施工采用预制桩、预制混凝土梁、木栏杆及环保桥面铺装，力求施工对海湾环境影响最小.

结 语

本研究采用先进的环保思路，首次提出以大桥施工建设对深圳湾水环境、水生态环境的影响最小或零为目标的实施方案.通过建立大桥建设生态环境监控和管理技术体系，确定大桥最优施工工艺、工程布局，提出相应的工程措施;建立生态环境影响数值模拟模型体系，预测、监控和反馈大桥施工期和建成后对浅海水域生态环境.实践表明，该跨海大桥工程建设期缩短，周围生态环境不受影响.

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