跨海大桥非通航孔桥梁跨径的设计研究

2016-12-14胡彦卿

浙江建筑 2016年11期

关键词：架桥机跨径架设

杨扬,胡彦卿

(1.江苏开放大学,江苏南京 210036;2.江苏省交通规划设计院有限公司,江苏南京 210014)

跨海大桥非通航孔桥梁跨径的设计研究

杨扬1,胡彦卿2

(1.江苏开放大学,江苏南京 210036;2.江苏省交通规划设计院有限公司,江苏南京 210014)

简要介绍了非通航孔桥的设计在整个桥梁设计项目中占有重要地位，并以广深沿江高速非通航孔桥设计项目为例,介绍在进行跨径设计方案选择时需考虑的主要因素。认为从方案选择时就从施工与设计两方面考虑,合理选择造价经济、施工便捷的结构类型,就可获得明显的综合效益。

非通航孔;预制拼装;整孔吊装;混凝土箱梁;跨径

1 非通航孔桥梁现状

跨海大桥工程一般可分为通航孔工程和非通航孔工程两部分。其中非通航孔工程的总跨度和工程量一般在整项工程中占很大比例,因此无论设计、施工还是运营养护,都将其作为主要项目之一特别予以重视。作为跨海大桥,其桥位区域通常存在着水文、气象、地质条件复杂,有效施工作业时间短等问题,因此合理选择非通航孔桥的桥型显得至关重要。

整孔预制大跨预应力混凝土箱梁结构作为跨海大桥工程非通航孔的上部结构具有较为明显的优势。一方面该结构具有受力性能优良、经济指标较高(尤其在浅海海域)和耐久性能好等优点；另一方面其可采用预制化、工厂化、大型化、变海上施工为陆上施工的施工方案,这样既能缓解海上有效施工时间短、环境恶劣等问题,又可较好地保证工程质量。因此,一些已建成的、在建的和拟建中的跨海大桥,只要桥位水文条件合适,其非通航孔工程都选取整孔预制吊装的大跨预应力混凝土箱梁为桥梁上部结构。

加拿大诺森伯兰跨海大桥[1]其上部结构就采用了大规模的预制预应力混凝土箱梁构件来架设与拼装,该桥为跨度250 m的预应力混凝土梁,由小型预制节段先组拼成两个单元。我国东海大桥是目前国内最长、也是第一座真正意义上的跨海大桥。东海大桥的非通航孔桥占桥梁全长的92%,采用了60 m、70 m跨径的预应力混凝土等高度连续箱梁结构。除此以外,巴林水道桥、杭州湾大桥等众多国内外跨海桥梁的非通航孔设计都选择了这一结构类型。

2 工程背景

广深沿江高速公路起于广州黄埔,终于深圳南山,向南通过深港西部通道与香港相接,是继广深高速公路之后,珠江三角洲地区又一条重要的南北通道,其建设对珠江三角洲地区经济发展与开发及完善区域公路网,解决区域交通压力具有重要意义。根据工程前期进行的详细的地质勘查,结合该地区的地理位置和建设条件,本工程在进行设计时需要特别关注以下几点：

1)桥梁工程规模大,外部条件复杂;

2)车道多,荷载大,等级高;

3)台风、大风影响较大;

4)海洋环境侵蚀腐蚀严重;

5)施工组织难度大。

桥梁跨径布置方案的比选研究主要是在充分考虑工程的特点和桥位建设条件的前提下,结合国内外桥梁工程建设实践经验进行的,主要遵循以下设计原则：

1)优化原则即选择与水文、地质、河道条件相适应的桥梁跨度布置方案。

2)吸收原则即选用结构成熟、技术可靠、经济合理、施工方便、结构安全的桥梁跨径布置方案,贯彻“适用、安全、经济、美观”的技术方针。

3)协调统一原则由于项目通过区域的沿线有海上田园风光风景区、宝安国际机场、规划海滨大道及港区码头等多个景观,因此在设计方案选择时应做到：大方得体,整体性强,孔跨布置均衡协调,与城市环境和自然景观相协调统一。

4)科学创新原则即在规避风险的前提下,积极采用新结构、新技术、新工艺、新材料,在施工质量、结构耐久、桥梁美学等方面展开创新研究。

5)标准化原则即在设计阶段就将工厂化、装配化的预制安装方案作为研究内容,设计、施工有机结合,合理确定桥型方案及施工方案的指导思想,最大限度减少水上作业和现场作业的工作量,提高作业效率,加快施工速度。

6)可实施原则即选择合理的施工方案和施工工艺[2],充分利用国内已有的建桥设备,选择优势资源,为项目的建设服务。

7)符合原则即设计方案全面贯彻国家有关的法规及相关的技术政策[3-4],真正落实“技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理”的设计理念。

3 结构施工方案比选

一般而言,桥梁的上部结构方案同其施工方案有密切的关系。目前,水中区引桥上部可以采用的施工方法有现浇和预制两大类,对于大规模的海上长距离桥梁,无论采用悬臂现浇施工或是移动模架现浇施工,其混凝土连续箱梁均有海上作业风险大、施工速度慢、质量不容易控制、工期长的特点,所以并不适宜采用现浇施工方案。相对而言,预制施工可以减少海上作业工序及现场施工作业量,同时,混凝土质量易于保证,工期控制相对简便,故施工方案宜采用预制方案。目前,常见的预制方案主要包括节段预制拼装和整孔预制吊装两种[2]。

3.1 节段预制拼装方案

节段预制拼装在本工程中比较可行的施工方案主要有：预制节段整孔拼装施工方法和预制节段逐孔悬拼施工方法。目前这两种施工方法技术均比较成熟。

1)预制节段整孔拼装施工方法(图1)：预制节段采用海上运输,墩顶节段利用浮吊吊装,并与墩身临时固接,其余所有节段利用架桥机多吊点分别起吊,一次性整孔拼装,每孔需设湿接头。该施工方法主要适用于中小跨径桥梁,在国外应用广泛,国内应用较少。其好处是施工速度较快,1台架桥机架设1孔(单幅)约7 d，但要完成近20 km的海上桥梁的架设需多套架桥机才能满足工期要求。

图1 预制节段整孔拼装施工方法

2)预制节段逐孔悬拼施工方法：采用可以行走的架桥机进行逐孔悬臂拼装施工,架桥机支承于前一个桥墩及已架设完成的梁上,箱梁预制节段不断对称悬臂拼装,形成最大单悬臂状态后,完成中间合拢段的施工；然后整体移动架桥机至前一墩顶。该施工方法主要适用于较大跨径桥梁(一般为45～200 m),在国外已有30多年的历史(图2为孟加拉贾木纳桥采用平衡伸臂悬拼法的场景,该桥跨度为99.375 m,共49跨,全长4.8 km,架梁历时570 d)。用悬拼法施工每台架桥机每孔梁约需10 d。架设海上引桥需要8～10台架桥机才能满足工期要求。

图2 预制节段逐孔悬拼施工方法

以上两种施工方案的共同特点是：可多点作业,并已有成熟的施工技术,不需要大型起吊、运输设备。但为满足长达近20 km的海上桥梁的架设工期要求,需要数量较多的架桥机及相应的运输驳船,海上作业繁忙,施工组织困难,可靠性差,若出现恶劣气候条件时,施工安全难以得到保证。

两种预制节段拼装方案相较而言,由于预制节段逐孔悬拼的施工方法施工速度较慢,需要投入更多的施工设备才能满足工期要求；而预制节段整孔拼装方法施工速度相对较快,投入的施工设备数量较少,因此对于预制节段拼装方案,多采用预制节段整孔拼装施工方法。

3.2 整孔预制架设方案

箱梁在预制加工厂整孔预制,采用运、架一体化的大型浮吊整孔吊装,根据对桥址处水文、气象条件的研究,整孔吊装设备在可作业天气情况下,1台专用浮吊平均进度可以达到每天安装1.5片梁(最快1 d可安装2片梁),按每年180个有效工作日测算,从第二年一月到第四年一月期间,1台专用运、架一体化的大型浮吊可以完成540片梁的架设工作。这种施工方案的主要特点是施工简捷、作业效率高、工期易得到保证；同时,不需要多点作业,施工组织较易。所以对处于特殊海域环境条件下的跨海大桥,采用整孔预制吊装是一个非常适宜的施工方案。但是,需要指出的是该施工方案需要大型专用施工设备进行施工作业,见图3。

图3 整孔预制架设施工

采用整孔预制吊装方案完成架梁任务较易,架梁工作不是控制工期的关键因素,所以不存在风险,同时整孔预制对结构耐久性有利。相对而言,若采用节段预制逐孔拼装方案完成架梁任务则需要多台架桥机,架梁需严格控制工期,存在诸多风险,同时节段拼装接缝多,对结构耐久性不利。所以综合考虑,施工采用吊、运、架一体化整孔预制吊装方案是比较经济合理的。

4 非通航孔桥梁跨径布置方案比选

4.1 建设条件

项目研究工程段地貌属浅海区,为海域与陆域交界地带。海域海水深度5.8～6.7 m,潮差1.0～2.0 m,桥位处普遍分布淤泥,一般厚度不大,为0.5～0.8 m,局部较厚,达6.6 m。淤泥属软土,处于欠固结状态,在7度地震烈度下淤泥有轻微震陷。基岩为混合花岗岩,系加里东期岩浆活动的产物,遭受区域变质作用的影响。岩石的矿物成分、结晶形态、结构构造都发生不同程度变质,局部混合岩化形成片麻岩。强风化混合花岗岩标贯击数大于50击,分布比较普遍,层厚2.4～22.0 m,平均厚度11.34 m,容许承载力[σ0]=400～800 kPa,沉桩极限摩阻力τi=150～200 kPa。弱风化混合花岗岩,揭露厚度4.4 m,天然湿度单轴抗压强度Ra=9.4～15.7 MPa,容许承载力[σ0]=1 500～2 000 kPa。图4为机场1、2号特大桥工程地质纵断面图。

4.2 方案比较

本段路线为浅海区,桥梁长4.47 km,占整个桥长的14.2%,是项目的关键区段之一。

方案选择时考虑的主要影响因素包括：

1)本段路线为浅海区,桥梁施工时受涨落潮影响较大,施工条件相对复杂,工期易受影响；

2)施工基本水深大于3.0 m,潮差1.0～2.0 m,可以采用水上施工方法施工；

3)本段基本没有被交道路,孔跨布置控制因素较少；

4)线路纵断面受机场飞行净空限制,桥墩高度在12～16 m之间；

5)本段地质条件较好,覆盖层较浅,岩面变化较大,弱风化岩埋深较浅,下部结构持力层较好；

6)该段与规划的海滨大道并行,位于机场跑道外缘,桥梁景观要求较高。

根据水上施工经验,下部结构工程费用较高,孔跨布置不宜太小,方案比选集中在40 m、50 m和60 m跨度,梁型以整体箱梁方案为主,上部结构施工考虑移动模架、节段拼装和整孔吊装等方案,比选范围确定为1200 m(K68+000～K69+200,见图4),综合考虑各项因素,参与方案比选的各跨径桥型布置见图5。

基础方案以群桩方案为主,各桥型方案的比较见表1。

图4 机场1、2 号特大桥工程地质纵断面图

图5 各方案的桥型立面布置图(单位：m)

5 方案比选意见

5.1 工期及质量

40 m箱梁采用移动模架现浇,按照经验,一般12～17 d施工一片箱梁。根据工期安排,一年一套模架最多只能施工480 m,即12孔梁。本区段按70 000 m 考虑,需要14～15套移动模架,单台按1 000万元/台,设备投入将达1.4～1.5亿元。移动模架现浇施工,现场作业量较大,海域施工条件较差,施工质量及工期难以得到保证。

60 m箱梁为工厂预制,箱梁预制质量易得到控制。架设采用水上设备整孔吊装,目前国内有现成设备可供租用。70 000 m 箱梁,约需240 d可以完成架设任务,施工速度快,工期有保障。

5.2 结构安全

工程区段处于浅海区,紧邻机场跑道与海滨大道,海滨大道后期填海是工程面临的安全问题。由于机场跑道需要扩建的原因,工程整体向海域平移,进入珠江深水区。桥轴线与珠江水流平行,虽不存在通航的问题,但存在发生偶发事件的可能性,如：通航船舶突然失控，船舶顺流因操作不当而偏离航道，涨落潮对船舶的横向推力等。所以,船舶撞击荷载也是设计阶段需要考虑的问题之一。

60 m箱梁采用4φ1.8 m基础,40 m箱梁采用4φ1.5 m基础。从结构自身抵抗水平荷载的能力来看,60 m箱梁较40 m箱梁表现更好。

5.3 景观方面

工程区段受机场净空的限制,线路纵断面设计处于较低区段。尽管墩高大部分区段在15 m以上,但是由于水位较高,大部分时段水深在3 m以上,扣除梁高,水面以上外露的墩高只有10 m左右。墩高与跨度的比例一定程度上影响景观效果,通过三维效果图分析比较,60 m跨梁与40 m跨梁区别不大。

表1 桥型方案综合比较表(单幅,B=19.65 m)

综上分析,虽然40 m箱梁移动模架施工造价相对经济,但是60 m整孔预制架设方案具有架梁速度快、可满足工期要求的突出优点；对于在海域环境中施工受台风、涨落潮等影响较大的情况下,采用整孔预制架设方案可以有效减少海上作业时间及工作面,从而大大降低施工风险。故从工期、结构安全等综合考虑,最后选择了采用上部结构60 m 跨度大箱梁整体预制、整孔架设的方案。