港珠澳大桥主体工程初步设计方案及关键技术问题

项目介绍Introduction港珠澳大桥主体工程初步设计方案及关键技术问题2010-11-25主要内容：一、工程概况二、主要技术标准三、初步设计推荐方案四、重要工程问题五、科研规划与国家科技支撑计划六、施工安排与标段划分一、工程概况（1）港珠澳大桥是继三峡工程、青藏铁路、南水北调、京沪高铁后又一重大工程。（2）工程包括珠海、澳门接线，珠海澳门口岸，海中主体工程，香港接线及香港口岸,总长约50km，总投资约729亿。（3）连接粤、港、澳三地，两种不同体制的工程，由中国内地、香港、澳门特别行政区共同投资建设。（4）建设条件复杂，技术难度大；涉及“一国两制三地”，协调量大、管理难度大。1.1规模一、工程概况包括三大部分：（1）海中桥隧主体工程：东自粤港分界线，止于珠澳口岸人工岛，总长约29.6km。（2）香港口岸及珠海、澳门口岸：珠澳口岸同岛设置于珠海拱北湾附近填海区（填海面积约208公顷），香港口岸位于香港机场东北角填海区（填海面积约113公顷）。（3）香港连接线、珠海连接线、澳门连接线：珠海接线长13.89km；香港接线长12.6km，；澳门接线为连接到明珠附近的新填海区，长约200m。1.2组成二、主要技术标准（1）采用双向六车道高速公路标准建设，设计速度采用100km/h，桥梁总宽33.1m，隧道宽度采用2×14.25m、净高采用5.1m；（2）全线桥涵设计汽车荷载等级采用公路—Ⅰ级，同时应满足香港《Structuredesignmanualforhighwaysandrailways》中规定的活载要求；（3）大桥的设计使用寿命为120年；（4）地震设防标准：地震基本烈度为VII度；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2810m3.1总体三、初步设计推荐方案（1）穿越伶仃西航道和铜鼓航道段为隧道方案，约6.75km，其余约22.9km段采用桥梁方案，东、西人工岛各长约625m，最近间距约5584m，东人工岛东边缘距粤港分界线约366m；（2）主体工程东端在粤港分界线处与香港侧桥梁衔接，采用与香港侧方案协调的桥跨布置及桥梁外形方案；3.1总体三、初步设计推荐方案（3）主体工程在珠澳口岸处与大桥桥头管理区及口岸衔接，设置定向立交满足桥头区域交通组织，利用桥头缓冲地带设置收费设施，对交通工程及附属设施进行统筹安排；3.1总体三、初步设计推荐方案（4）总体桥跨布置以尽量减少阻水比为目标、适当增大非通航孔桥梁跨径、在经济性与阻水率之间获得平衡。3.2桥梁三、初步设计推荐方案九洲航道桥江海直达船航道桥青州航道桥深水区非通航孔桥浅水区非通航孔桥3.2桥梁三、初步设计推荐方案（1）青州航道桥：“中国结”双塔空间双索面钢箱梁斜拉桥桥跨布置：110+126+458+126+110=930m主梁采用带挑臂翼缘板的整体钢箱梁；采用双索面扇形布置；索塔采用H形混凝土塔，上横梁采用“中国结”造型；基础采用钢管复合嵌岩桩，塔处设置竖向支承、纵向阻尼装置及横向抗风支座，塔区附近设置风障。3.2桥梁三、初步设计推荐方案（2）江海直达船航道桥：三塔独柱中央索面钢箱梁斜拉桥桥跨布置：129＋258＋258＋129＝774m主梁采用带挑臂翼缘板的整体钢箱梁，中央双索面竖琴式布置，索塔采用独柱式混凝土塔，基础采用钢管复合嵌岩桩。塔身横向两侧和两个过渡墩顶设置横向阻尼装置；索塔处设置纵向阻尼装置。塔区附近设置风障。3.2桥梁三、初步设计推荐方案（3）九洲航道桥：风帆塔双塔独柱钢箱梁斜拉桥桥跨布置：85+127.5+268+127.5+85=693m满足澳门机场航空限高要求，调整了桥跨布置。主梁采用带挑臂翼缘板的整体钢箱梁，单索面竖琴式布置，索塔采用“风帆形”钢塔，基础采用钢管复合嵌岩桩，塔区附近设置风障。纵向阻尼装置提高抗震性能。3.2桥梁三、初步设计推荐方案（4）深水区非通航孔桥：110m等跨单箱双室整幅钢箱梁（技术设计）标准联：110m等跨6孔一联，跨越Y13-1气田管线处桥跨为(110+150+110)=370m，主梁：单箱双室整幅等梁高钢箱梁，全宽33.1m，梁高4.5m。钢管复合桩基础，承台和墩身预制安装，承台埋入海床。3.2桥梁三、初步设计推荐方案（5）浅水区非通航孔桥：85m等跨组合梁方案（技术设计）标准联：6孔一联，主梁：单箱单室分幅组合梁，全宽33.1m，梁高4.3m。整幅墩身，钢管复合桩基础，承台和墩身预制安装，承台埋入海床。3.2桥梁三、初步设计推荐方案（6）东、西人工岛结合部非通航孔桥：双幅分离预应力混凝土刚构西人工岛结合部：总长264m，44m等跨布置，3跨一联。箱梁连续变宽，桥面平均宽度约20m，为常规等高变宽度预应力混凝土梁桥。重点处理好浪托力及防腐耐久性问题。东人工岛结合部：总长390m，桥跨布置为2×(3×47.5)+3×35m，3跨为一联，结构外形与香港侧保持一致，方案同西岛结合部。3.3隧道三、初步设计推荐方案（1）平、纵布置平面：两岛间沉管段长5664m，东、西人工岛现浇暗埋段长均为163m，敞开段长各398m。5500m大半径圆曲线延伸到隧道。纵断面：最小排水纵坡0.3%，在两主航道间W形断面，隧道管节顶板最低标高-30.18m以下。3.3隧道三、初步设计推荐方案（2）横断面纵向通风加重点排烟通道通风方式。采用两孔一管廊横断面，两侧为行车道孔，中间管廊内上层为专用排烟通道，中层为横向安全通道，下层为电缆沟和海底泵房。中隔墙上每间隔90m设置一处逃生安全门。3.3隧道三、初步设计推荐方案（3）管节结构、接头构造采用节段式钢筋混凝土管节，共33个，标准管节节长8×22.5=180m。管节间接头采用传统的GINA+OMEGA+剪切键。小节段间接头采用“可膨胀密封条+OMEGA密封条+剪力键”方案，管节结构自防水。三、初步设计推荐方案管节接头节段接头横断面3.3隧道三、初步设计推荐方案（4）基槽开挖边坡坡率为：淤泥与淤泥质土中采用1:7，粘土（包括粉质粘土及夹砂层）、砂层中采用1:3，在纵向分布的中间深埋隧道段采用二级边坡方案，在两端靠近人工岛段采用一级边坡方案。3.3隧道三、初步设计推荐方案（5）基础处理沉管基础垫层推荐采用先铺碎石整平层，垫层平均厚1.5m。为保证沉管均匀沉降，根据地质情况及受载分段采用加固方案。区段岛头段西过渡段中间段东过度段岛头段对应管节E1E2~E6E7~E24E25~E32E33处理方法支撑桩（打入钢管桩至中砂层）换填砂天然地基沉降控制桩（打入钢管桩至砂层顶面以上）支撑桩（打入钢管桩至中砂层）3.3隧道三、初步设计推荐方案（6）回填与覆盖3.3隧道三、初步设计推荐方案（7）岛头管顶防护在岛头处露出海床管顶的防撞设施，采用防撞墩台+警示性浮体组合拦截系统。3.3隧道三、初步设计推荐方案（8）干坞与系泊区推荐3+3方案，并列2个干坞。单坞同时预制3个管节。干坞长260m，宽432m。3.4隧道人工岛三、初步设计推荐方案（1）总体方案东人工岛采用“蚝贝”主题外形，总面积为103161m2，岛长625m，宽225m。除了管理养护功能外，兼有服务观光功能，设置有旅游开发、养护救援、环保安保、基础设施等设施。西人工岛采用“蚝贝”主题外形，总面积97962m2，岛长625m，岛宽185m。西人工岛以管理功能为主，设置运营、养护、救援站。东人工岛功能分区西人工岛功能分区（含对外服务区）（以项目管理为主）3.4隧道人工岛三、初步设计推荐方案（2）结构方案岛壁结构设计方案采用抛石斜坡堤为满足开工后27个月具备沉管首节管节沉放条件，西人工岛上包含第一段隧道暗埋段的区域（即“小岛”）需先期施工。其基坑围堰结构采用格形钢板桩，地基处理采用开挖换填方案，换填中粗砂并振冲密实。东岛一次填筑完成。3.4隧道人工岛三、初步设计推荐方案（3）地基处理岛壁区：开挖换填中粗砂振冲密实+挤密砂桩+排水砂桩岛内吹填区：部分开挖换填中粗砂振冲密实+排水砂井3.5交通工程与附属设施三、初步设计推荐方案采用“相对集中、有限分散”的管理方式。设置的沿线设施包括：监控收费通信中心：1处，设在位于太澳互通立交附近的港珠澳管理中心；监控所：1处，设在西人工岛；养护工区：1处，设在太澳互通，与管理中心同址合建；养护站：2处，设在珠澳口岸和西人工岛；救援站：3处，设在珠澳口岸、西人工岛、东人工岛；收费站：全线1个主线收费站，设于珠澳口岸。4.1桥梁工程四、重要工程问题（1）埋入式承台：减少阻水率景观和防撞施工难度大埋床法预制基础设计原理与施工工艺：4.1桥梁工程四、重要工程问题（3）钢桥面铺装：国内早期钢桥面铺装病害多，使用寿命短；施工要求苛刻，维修困难；国外和香港地区成功经验较多，寿命可达15-25年。（2）钢箱梁、组合梁构造体系、设计标准，加工能力及质量控制；4.1桥梁工程四、重要工程问题（4）长大纵坡与收费站安全：长、大纵坡，爬坡和下坡刹车对桥面的危害；九洲航道东移；浅水区改为组合梁。4.2隧道工程四、重要工程问题（1）高标号、大体积混凝土的防裂、抗渗与耐久性：预留航道、回淤大、水压大——导致采用高标号、大体积混凝土抗裂防渗、耐久性和几何精度控制施工工艺、养护要求高（2）接头止水带要求高水压大、耐久性要求高GINA产品国外垄断、造价高、开发周期长可膨胀止水带暂未有成功应用实例（3）厚软基大回淤沉降控制及与岛上暗埋段的过渡整体沉降、差异沉降地质勘察存在不确定性（CPT、CPTU与国内勘察）计算分析理论不能精确，也存在不确定性4.2隧道工程四、重要工程问题（4）干坞生产对工期影响大干坞规模大，选址综合因素复杂：水文、地质、航道、用水、用电、土地许可……管节预制周期长，能否实现工厂化？（5）台风、白海豚保护、海上交通组织等因素对工期影响大（6）离岸远距离水下测量控制（1）海上挤密砂桩（SCP）地基处理密实程度指标检测手段施工技术和设备4.3人工岛工程四、重要工程问题（2）海上人工岛深基坑防护潮位变化、波浪、渗流环境饱水砂层、海底淤泥支护体系设计、施工信息化（3）工后差异沉降控制与处理岛隧结合部设计施工措施；回填与监测；（1）跨境运营紧急事件的三地连动救援法律问题协商机制运作模式4.4交通工程四、重要工程问题（2）跨境交通控制与运营管理信息交换交通控制预案处理程序4.5质量控制与质量保证(QA/AC)5.1科研规划五、科研规划与科技支撑计划目前港珠澳大桥已完成了初步设计（含技术设计），结构性的方案问题已经基本解决。下一步面临的是施工图设计、施工建设和营运养护三个阶段的科研攻关任务，按照支撑发展与引领相结合、重点突破与全面推进相结合、自主创新与集成应用相结合的原则，进一步完善桥-隧-岛结构与基础方案设计和细部结构、解决技术和营运管理上的难题。重点研发方向主要是支持应用技术研究、制约桥-隧-岛建设的特殊技术研究，以及保证大桥120年寿命的养护管理与耐久性技术研究，具体体现在主体结构大桥、沉管隧道、人工岛、保障技术、安全与管理五个研究方向。前期共开展了84个专题研究；后期规划了42个课题。重点解决三方面问题：⑴建设和管理的关键技术问题；⑵国外先进技术引进、吸收问题；⑶原创性技术问题。5.2国家科技支撑计划——港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范五、科研规划与科技支撑计划本项目针对工程建设关键技术问题，开展长大深埋沉管隧道设计与施工关键技术及技术标准、离岸厚软基桥隧转换人工岛设计与施工关键技术、海上长联桥梁建设关键技术、跨海集群工程混凝土结构120年使用寿命保障关键技术和跨境隧-岛-桥集群工程的建设管理、防灾减灾及节能环保关键技术的研究，共研究5个大课