杭州灣跨海大橋工程案例分析

大型工程集成創(chuàng)新案例分析杭州灣跨海大橋LOGO組員：余治國張平張光雄黃柏松工程建設(shè)總貌

杭州灣跨海大橋北起嘉興海鹽市，南至寧波慈溪市，全長36公里，是目前世界上已建成的最長跨海大橋。大橋由327米長的南北引橋、1486米長的南北通航孔橋和34.187公里長的高架橋面組成。大橋設(shè)計壽命100年，可抵御12級臺風(fēng)和強烈海潮沖擊。橋面為雙向六車道高速公路，路基寬度35米，設(shè)計時速100公里，兩邊有3米寬的緊急停車帶。大橋北岸連接線總長29.1公里接入滬杭高速，南岸連接線總長55.3公里接入寧波繞城高速。橋體和連接線的建設(shè)總經(jīng)費預(yù)算為160億元。大橋建成使寧波到上海的公路行程比原來縮短120多公里，行車時間縮短到2小時左右，平均每年可節(jié)省運費數(shù)十億元。工程建設(shè)總貌

這項世界級的偉大工程從醞釀籌建到完成建設(shè)歷時15年，大致可以分為前期工作10年和正式建設(shè)5年兩個時期。該工程于1993年開始籌建，2003年6月8日正式動工。經(jīng)過中鐵大橋局、中鐵二局、中鐵四局、廣東長大、中港二航局等單位近萬施工大軍5年奮戰(zhàn)，2007年6月26日大橋貫通，2008年5月1日北奧運會前杭州灣跨海大橋正式通車。杭州灣跨海大橋?qū)ν苿娱L三角區(qū)域的經(jīng)濟社會發(fā)展具有極其重要的意義。大橋打通了江浙滬兩省一市沿海地區(qū)的大通道，連成了長三角區(qū)域的綜合交通運輸體系，區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的各種要素、各類人才、各項技術(shù)流動更為便捷，上海作為國際金融、貿(mào)易、航運中心的功能得到更好發(fā)揮，浙江產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，寧波－舟山港地位得到提升，有力地支撐了世界第六大經(jīng)濟群的崛起。大橋成為我國橋梁從江河走向海洋的代表作，具有里程碑式的意義。工程環(huán)境特點（工程建設(shè)難點）

杭州灣海域氣候復(fù)雜多變，臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、雷暴及突發(fā)性小范圍災(zāi)害性天氣時有發(fā)生，與巴西亞馬遜河口、印度恒河口被并稱為世界三大強潮海灣。海域?qū)捔魉偌?，最大流速達每秒6米；每天有兩次漲潮落潮，最高潮水位達7.2米，潮水落差4到6米；平均每年夏季有2次以上臺風(fēng)光顧；惡劣的施工條件使全年有效工作日不足180天。?；浲翆雍?、持力層深，南北兩岸水深和岸線情況不同，特別是南岸灘涂長，施工條件復(fù)雜，采用常規(guī)設(shè)計方案和施工方法難以滿足工期要求。南岸灘涂有多個區(qū)域富集淺層天然氣，危及施工安全；還有大氣和海水的嚴重環(huán)境腐蝕問題。面對重重困難和挑戰(zhàn)，建設(shè)者發(fā)揮聰明才智，開展集成創(chuàng)新，攻克了一個又一個的難關(guān)，創(chuàng)造了世界建橋史上的偉大奇跡。大橋設(shè)計上的集成創(chuàng)新

１）橋身設(shè)計

大橋總長３６公里，設(shè)計者把橋身設(shè)計成俯視為Ｓ形，蜿蜒橫跨杭州灣。Ｓ形設(shè)計是為了讓海水順利流過橋梁下方，使大橋?qū)λ呐c潮汐的影響降至最低。同時能夠讓駕駛員在又直又長的路面上不感覺單調(diào)，避免走神或者瞌睡。為進一步防止司機視覺疲勞，大橋還把兩側(cè)的金屬護欄從南至北漆成赤、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色，每５公里一種。如果從遠處的水面上看，整座大橋就如一條橫臥海上的“七彩長虹”。大橋中部離南岸約１４公里處建了一個面積約萬余平方米的海中平臺，用匝道與大橋相連。平臺上建有觀光塔，游客可以俯瞰大橋的雄姿和波瀾壯闊的大海。體現(xiàn)科技與人文結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計被完美地集成到了跨海大橋橋身上。２）橋塔設(shè)計

橋塔與橋身一樣直觀。根據(jù)海水深度，杭州灣跨海大橋設(shè)有南北兩個航道橋。南航道橋通航標準３０００噸，設(shè)計為主跨３１８米Ａ型獨塔（高２０２米）雙索面鋼箱梁斜拉橋；北航道橋通航標準３５０００噸，開始設(shè)計為主跨４４８米Ａ型雙塔（高１８７米）雙索面鋼箱梁斜拉橋。后來發(fā)現(xiàn)如果北航道橋用Ａ字型塔，它在海上的基礎(chǔ)臺面將達長１００米寬３８米，差不多一個足球場大小，不但造價高，在惡劣海面上施工的風(fēng)險也大大增加。于是設(shè)計人員提出新的方案，把北航道橋塔改成中間大下面小的鉆石型，以減少水中承臺面積，降低施工代價。大橋設(shè)計上的集成創(chuàng)新３）風(fēng)障設(shè)計杭州灣海域除了霧氣、大雨外，還有一個特點是風(fēng)也很大。據(jù)歷史測量數(shù)據(jù)報告，這里８級以上的風(fēng)力屬于正常。橋上過大的橫風(fēng)，對汽車特別是大客車、面包車行駛帶來很大危險。工程技術(shù)人員在大橋兩側(cè)欄桿上增加長２米、寬２０厘米的圓弧形風(fēng)障，風(fēng)障是中間有空隙的擋板，既能夠為高速行駛的車輛減少橫風(fēng)干擾，也保證了風(fēng)障自身安全。在杭州灣跨海大橋上行車，即使遇到１１級大風(fēng)，車輛受到的影響也只相當于８級風(fēng)。４）淺層天然氣處理大橋施工中還遇到了杭州灣土層中蘊含天然氣的難題，將鋼樁打入這類土層極為危險，失控噴出的天然氣可能侵蝕橋梁地基，一有火花，還會點燃天然氣，引發(fā)爆炸。另外，如果淺層天然氣噴發(fā)將造成土層擾動，不僅對鉆孔樁施工及橋基穩(wěn)定性有較大危害，而且會影響棧橋施工及大橋建成后運營安全。為了解決這個問題，指揮部曾去曼哈頓向美國人取經(jīng)，但是外國人拿不出辦法，橋梁施工專家轉(zhuǎn)向咨詢在海上開采石油的中國專家，結(jié)果發(fā)明了“控制性放氣法”：找出天然氣最密集的區(qū)域，將裝有壓力閥的細管鉆入天然氣礦床，讓天然氣慢慢排出降低壓力；在氣量不大的區(qū)域則用勘探孔直接放氣。集成了來自國內(nèi)的他山之石，問題迎刃而解。大橋施工中的集成創(chuàng)新

杭州灣兩岸水深和岸線情況不同，在“一切從實際出發(fā)”、“具體情況具體分析”的思想指導(dǎo)下，工程采取了與傳統(tǒng)“設(shè)計決定施工”不同的思路，創(chuàng)造性地提出“施工決定設(shè)計”的原則。

南岸是淺海灘涂區(qū)域，淺灘軟土層厚度超過３０米，下方巖石層又深達１６０多米，南岸橋墩施工采用的是鉆孔灌注樁技術(shù)。北岸一側(cè)是深海區(qū)，水流湍急，不具備現(xiàn)場澆筑樁基的條件，只能靠打樁。若采用混凝土預(yù)制樁，管徑將達１．６米，長度近百米，重量超百噸，預(yù)制拼接難度大，在浪高流急的杭州灣還極易失穩(wěn)，且國內(nèi)沒有現(xiàn)成的打樁設(shè)備。另外，前期地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)土層中有１０米厚的“鐵板沙”，將會阻攔樁基穿透，可能出現(xiàn)混凝土預(yù)制樁被打裂但仍不能到位的情況。經(jīng)過反復(fù)論證比較，專家組突破歐美國家的有關(guān)規(guī)范，決定在深海區(qū)舍棄混凝土預(yù)制樁，采用鋼管樁。

大橋鋼管樁樁長為７１到８９米，最長一根有３０層樓高７０噸重；樁徑為１．５米和１．６米，比大餐桌還大；總用鋼達３７萬噸，為世界之最。工程技術(shù)人員查閱了大量資料，經(jīng)過無數(shù)次試驗，借鑒軍人打綁腿一圈一圈往上卷的方法，創(chuàng)造性地提出了整樁內(nèi)外螺旋焊接技術(shù)。并進行長達一年的技術(shù)檢驗，確認焊縫沒有出現(xiàn)開裂，能夠保證工程需要。大橋材料上的集成創(chuàng)新１）混凝土材料

杭州灣地區(qū)的海水和大氣鹽霧中含有較高的氯離子，侵入橋墩混凝土縫隙中，會導(dǎo)致鋼筋嚴重銹蝕而膨脹，使混凝土保護層大面積開裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。工程技術(shù)人員經(jīng)過反復(fù)試驗研究，發(fā)明了增加混凝土密實性的技術(shù)，解決了這一難題。具體方法是：在一般混凝土材料中，摻入一定比例的粉煤灰和細磨礦渣粉，制成高密實性的海工混凝土。這種混凝土能夠有效延長氯離子到達鋼筋表面并達到臨界值的時間，其抗氯離子性能是一般混凝土的３－４倍，從而使大橋鑄就了百年不壞的“金剛身”。在使用海工高性能混凝土的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員還對腐蝕嚴重的部位和特殊構(gòu)件，采用了環(huán)氧涂層鋼筋、電流陰極防護等多項防腐技術(shù)，使大橋設(shè)計的１００年壽命有了可靠保障，也充分體現(xiàn)了集成創(chuàng)新的思想。大橋材料上的集成創(chuàng)新２）鋼管樁材料

大橋深海區(qū)采用的是超大超長鋼管樁，如何防腐？國際上一般做法是加厚管壁，如美國重修舊金山大橋時所用的鋼管樁厚度為７．５厘米。據(jù)測算，鋼管樁在海水中每年的腐蝕厚度是０．２毫米，按百年壽命設(shè)計，需要加厚管壁２厘米。這不但大大提高了工程成本，也將給施工帶來巨大困難，國內(nèi)也還沒有將如此厚的鋼板制成鋼管的能力。工程技術(shù)人員又經(jīng)過無數(shù)次試驗，最后采用了２．３厘米厚度的鋼管樁。同時，技術(shù)人員還在鋼管樁上集成了涂層保護和陰極保護的防腐技術(shù)，對鋼管樁涂裝三層熔融環(huán)氧粉末，給每根鋼管樁焊一塊可以定期更換的陽極板以吸收海水中的陰離子。防腐技術(shù)的集成應(yīng)用，既保證了工程質(zhì)量，又大大降低了成本。大橋集成創(chuàng)新方法的啟示２）鋼管樁材料

大橋深海區(qū)采用的是超大超長鋼管樁，如何防腐？國際上一般做法是加厚管壁，如美國重修舊金山大橋時所用的鋼管樁厚度為７．５厘米。據(jù)測算，鋼管樁在海水中每年的腐蝕厚度是０．２毫米，按百年壽命設(shè)計，需要加厚管壁２厘米。這不但大大