厦门东通道工程桥梁方案设计要点

2015-01-09张云洪叶国勇

城市道桥与防洪 2015年4期

张云洪，叶国勇

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710064）

1 工程概况

厦门岛位于祖国的东南沿海，自建立厦门经济特区以来，厦门的经济的发展促进了交通的发展。20世纪50年代建成第一个进入厦门的通道——高集海堤，20世纪90年代又建成了第二个进出厦门的通道——海沧大桥。目前，尽管海沧大桥分担了部分交通流量，但进厦门的交通仍然十分拥挤，开辟厦门岛的第三个进出岛通道——东通道，已经十分迫切[1]。

该项目的建设将缩短东部方向与厦门岛行车距离15 km左右，明显缓解厦门大桥和岛内城市交通的压力，有利于拓展城市发展空间，构建海湾型城市框架，形成“城在海中，海在城中”的城市格局，促进厦门市环东海域的开发，实现厦门市由海岛型城市向海湾型城市的战略转变。厦门东通道是一项规模宏大的跨海工程，跨越海域总长约4500 m，设双向六车道，跨海形式首选桥梁和隧道。东通道是连接厦门市本岛和同安区陆地的重要通道，兼具公路城市道路双重功能，该通道的建设将对厦门市特别是同安区乃至闽东南地区的社会经济发展具有十分重要的作用。

2 项目的规模、范围及内容

本项目的工程范围仅限于跨海通道主体工程（桥梁方案或隧道方案）及两岸的接线工程。根据厦门城市路网规划，东通道在厦门岸向西与仙岳路相接，与环岛路有交叉口；在同安岸向东与规划的西滨至内厝城市Ⅰ级主干道相接，在东通道与规划的环东海域公路交叉处设置西滨互通式立交。目前作为城市道路的仙岳路和环岛路已进入具体实施阶段。

为了便于对东通道建设方案进行同等深度的比较，东通道路线起讫点桩号定为K5+500～K14+500，总长为9.0 km，分五通接线、跨海桥梁（跨海隧道）和西滨接线三部分。

3 设计技术指标

3.1 技术指标

拟建东通道工程按六车道高等级公路标准设计，根据《公路工程技术标准》，其主要技术指标如下：

（1）计算行车速度：主线80 km/h；

（2）车辆荷载等级：公路－I级；

（3）行车道净空：0.5 m+3.0 m+3×3.75 m+0.5 m+1.5 m(中央分隔带)+0.5 m+3×3.75 m+3.0 m+0.5 m=32 m；

（4）地震基本烈度：地震峰值加速度0.1 g，地震设计参数根据地震烈度危险性分析取值；

（5）设计洪水频率：1/300；

（6）通航净空

a.东通航孔：孔双向为530 m×56.5 m，双孔单向为300 m×56.5 m；

b.西通航孔：单孔单向为152 m×39 m；

（7）桥梁设计最高通航水位：按照历史最高潮位计，为黄海高程4.51 m；

（8）船舶撞击力：主墩120 MN，辅助墩6 MN，边通航孔桥墩6 MN，非通航孔桥墩1 MN；

（9）85黄海高程；

（10）采用92厦门独立坐标系。

3.2 桥梁通航标准

根据厦门东通道工程设计方案一为双孔单向，东通道东通航孔要求通航净宽大于300 m，净高大于56.5 m；西通航单孔单向，通航孔要求通航净宽大于152 m，净高大于39 m。方案二为单孔双向，东通道东通航孔要求通航净宽大于530 m，净高大于56.5 m；西通航为单孔单向，要求通航净宽大于152 m，净高大于39 m;

3.3 航空限高

航空要求建筑物最大标高；初步计算为黄海高程150～160 m，设计暂按150 m控制。

4 桥址的选择

根据《厦门东通道预、工可报告》，第Ⅲ桥轴线位为建桥较为理想的桥位，此桥位拆迁工作量不大；且无地质构造上的大问题；河面宽度最小，主桥投资较省，是理想的建桥桥位。

桥位的选择主要考虑桥梁工程的技术可行性，社会效益的长久性、经济效益的合理性及工程的可靠性。实际要考虑以下问题：

（1）结合城市道路规划和城市对外交通规划，完善交通网络布置；

（2）符合可持续发展的战略部署；

（3）注重桥位与环境景观协调的效果；

（4）考虑噪声、风尘及汽车尾气对城市的影响。

5 桥位的地形、地貌、地质

5.1 地形地貌

厦门市位于福建省东南沿海，厦门岛内地势由南向北倾斜，东南部多山，东北、西北部较为平坦，最高处在南面的云顶岩，海拔近340 m。拟建工程区域位于厦门岛东北侧，地貌单元属闽东南沿海低山丘陵——滨海平原区。工程区主要为陆地地貌、岸滩带地貌和海域地貌。

5.2 区域地质情况

东通道场区工程地质条件比较简单，地层稳定，宜于建设跨隧道或桥梁。东通道工程可作为隧道洞身围岩或桥梁基础持力层的弱、微风化花岗岩在海域埋深大约-32～-33.5 m。有关详细地质资料见东通道工程地质物探及地质钻探专题报告。

6 气象及水文

6.1 气象

6.1.1 气温

厦门地处欧亚大陆的东南缘，背山面海，属南亚热带海洋性季风气候，温和多雨，暖热湿润。夏天酷暑，冬无严寒。多年平均气温21℃左右。最热月7月的平均气温28.2℃，累年极端最高气温为38.5℃（1979年8月15日）；最冷月2月的平均气温12.5℃，累年极端最低气温为2℃（1957年2月12日）。

6.1.2 风况

厦门位于副热带季风区，全年盛行风向偏东风，年平均风速3.4 m/s。冬半年盛行NE—ENE风，风速较大；夏半年以SE为主，风速一般较小。多年平均6级以上大风日数为30.2 d，最多大风日数为53 d，累年各月最大、极大风速及风向风表。

6.1.3 灾害性天气

厦门地区灾害性天气主要有台风、暴雨、寒潮、大风等。

6.2 水文

厦门是一个天然岛港城市，海域接近内湾型，潮汐现象多样，水文条件复杂。厦门海域为正规半日潮，历年来最高潮位4.53 m，最低潮位-3.30 m，平均高潮位2.39 m，平均低潮位-1.53 m，平均潮差3.92 m，最大潮差6.92 m，平均海平面-0.32 m（黄海高程）。潮流形式属往复型，涨潮时最大流速1.3节，流向333°；落潮时最大流速1.4节，流向137°。

6.2.1 设计高潮位

东通道工程区域，各重现期的潮位，其中100 a一遇、300 a一遇的高潮位，4.44 m、4.65 m（含台风增水影响）。

6.2.2 浪高

厦门海域外海区浪向为E，频率37%。海区内3～4级浪出现频率高达60%，每年8～10月为强风多发季节，台风风力可达12级以上，波浪高度在10 m以上，具有较大破坏力。

6.2.3 海流

在东通道拟建海域，大潮涨潮时垂线平均最大海流是97 cm/s，流向319°，落潮时垂线平均最大海流是95 cm/s，流向122°；小涨潮时垂线平均最大海流是59 cm/s，流向321°,落潮时垂线平均最大海流是62 cm/s，流向127°。本海域潮流性质属半日潮流，同时又表现为往返潮流。

断面流速及断面流量：大潮落潮时全断面平均最大流速是71 cm/s,最大落潮量为36.1×103m3/s；大潮涨潮时全断面平均最大流速是65 cm/s，最大落潮量为32.1×103m3/s；小潮落潮时全断面平均最大流速是41cm/s，最大落潮量为19.3×103m3/s；小潮涨潮时全断面平均最大流速是36 cm/s，最大落潮量为17.5×103m3/s。

6.2.4 海床形态及冲淤情况

东通道工程海域海床冲淤变化海域东北部基本稳定，局部出现弱冲刷、弱淤积；西侧海域处于弱冲刷状态，东南侧海域基本稳定，仅潮间浅滩淤积；中部海域基本处于冲刷状态。

7 桥梁总体设计方案

7.1 桥梁总体设计原则

桥型方案选择是否合理，是否有利于施工是设计的关键问题。针对建设本桥的特点，确定以下原则：

（1）本项目兼有提升厦门市的旅游公路的功能，桥梁选择将从美学考虑，不仅要考虑桥型美观，同时从桥孔布设的合理性与协调性。

（2）桥梁跨径的选择要符合通航要求，并注重高跨比的协调性，特大桥要严格按照技术标准执行。引桥布孔要考虑其经济性，当水中墩较多，且墩又较高时，选择较大的跨径，反之则选择较小的跨径。对于相同的跨径的引桥，再考虑其经济性情况下，选择施工方便，工期又短的截面形式和施工方法。

（3）桥墩的选择，由于本桥墩柱普遍偏高，故引桥选择空心薄壁墩，全桥墩柱统一形式，且美观又施工方便。

7.2 桥孔的布置

根据大桥两岸的地形、地貌、通航和河流水文的特点，对推荐桥位拟定了一种跨径两种结构形式的桥型方案，桥梁起点桩号为K7+571.864，终点桩号为K12+611.364，桥梁全长为5039.5 m，路线总长9 km，见图1。

图1 桥位位置图

（1）厦门东通道主桥推荐桥型方案跨径为：54 m+121 m+350 m+350 m+121 m+54 m四跨钢箱梁斜拉桥，主桥长1050 m。

（2）厦门东通道主桥比较桥型方案跨径为：54 m+121 m+350 m+350 m+121 m+54 m四跨钢箱梁悬索桥桥，主桥长1050 m。

（3）西引桥、西引道布置：3.5 m+3×39.5 m+2×(7×65 m）+（95 m+175 m+95 m）+（69.5 m+70 m+69.5 m），为预应力混凝土箱梁，全长1606 m，西引道长2071.864 m。

（4）东引桥、东引道布置：4×（7×65 m）+2×（8×35 m）m+3.5 m，为预应力混凝土箱梁，全长2383.5 m，东引道长1888.636 m

7.3 主桥设计方案总体思想

7.3.1 前言

计划建设于厦门市东北部的五通道～刘五店的东通道工程方案,隧道方案和桥梁方案最有竞争力。

桥梁方案有以下优点：桥梁方案与隧道方案相比较在经济性上占优势的可能性较高；将成为经济发展的象征,通向新港湾的门户；相对隧道方案而言,火灾等受灾较少。

但是,关于桥梁方案,也存在以下问题：桥位位置的西面约7 km处有厦门国际机场,对飞机起飞和降落的影响；台风等强风时禁止通行的可能性较高；对通航于五通道至刘五店之间的船舶的影响。

因此,在提出主桥方案时,对以上的有利和不利点扬长避短,根据以下的基本思想提出桥梁方案特别是主桥方案。

（1）为了对航行船只不产生影响,桥梁的跨径划分要留有充分的余地。

（2）对航行船舶的冲撞是安全的。

（3）遵守航空限制,尽量降低主塔高度。

（4）即使在强风时,也能用最小的交通限制保证通行可能。

（5）对南西方向的旧市区而言,代表北东方向的现代化,创造出与新厦门相称的先进桥梁技术。

（6）不仅要建成高质量、耐久性强的桥梁,还要采用先进的施工方法。

7.3.2 航道

主桥桥位位置上的东通航道按以下2个方案的航道形状考虑。

（1）方案一 (双孔单向航道)

航道宽：300 m+300 m；

航道高度：56.5 m（从厦门基面7.78 m起）；

航行对象船舶：50 000t级集装箱船。

（2）方案二（单孔双向航道）

航道宽：530 m；

航道高度：56.5 m（从厦门基面7.78 m起）；

通航船舶：50 000t级集装箱船。

对于航道方案一，桥梁采用双主跨350 m布置,航道方案二单主跨约600 m的布置。跨越此航道时,桥梁的规模以悬吊结构(悬索桥、斜拉桥)的桥梁形式为优势。在此、对各个方案，以下列桥梁形式为基础考虑航道问题，见表1。

表1 航道方案与适合的桥梁形式

7.3.3 航空制限对策

本桥的桥址位置要考虑近处的厦门国际机场里起飞和降落的飞机。结构物的高度限制为150 m,为了确保跨越航道的跨径,主塔的高度一般需要控制在如表1所示的高度。其结果,采用方案二的斜拉桥方案(主跨600 m)就比较困难，见表2。

表2 桥梁形式和主塔高度

主塔高度中,包含有结构所必需的富余高度和避雷针的高度。

因此,将以下桥梁形式作为桥梁基本结构研究。

（1）4跨斜拉桥；

（2）4跨悬索桥；

（3）3跨悬索桥。

7.3.4 灾害性气候的对策

（1）灾害性气象和道路交通规则的关系

桥梁有时会由于强风、雾、下雨而实行必要的交通规制。表3汇总了日本国本州四国连络桥的交通规划值。

表3 本四连络桥的道路交通规制值(参考)

根据厦门的气象观测记录、因降雨量实行交通规制较少，年平均3.6 d左右。另一方面,根据厦门1952年～1980之间的大风观测记录,1959年8月23日袭击厦门的台风瞬时最大风速为60.0 m/s,之外强风的频率较高。由此,为了在强风时也能一定程度地确保交通,在桥梁上设置挡风板。

图2为在道路上设置挡风板地数值风洞解析结果。本桥也期望达到如此的效果。

图2 在道路上设置挡风板地数值风洞解析结果

7.3.5 船舶的冲撞对策

作为对主桥的船舶冲撞荷载,主塔基础为撞击力为120 MN,边墩基础为撞击力为6 MN。此荷载较之同类船舶的冲撞力大。将此荷载全部作为冲撞荷载考虑时，基础的形状和尺寸相应增大不太经济。由此,本桥采用设置多框型缓冲工程来吸收船舶冲撞能量,从而降低船舶的冲撞荷载的方法。通过设置多框型缓冲工程可以降低船舶冲撞荷载约50%，见图3。