港珠澳大橋總體設計及關鍵技術2015

1、港珠澳大橋總體設計及關鍵技術,中交公路規(guī)劃設計院有限公司 黃清飛,Contents,目 錄,總體概況及線位選擇,港珠澳大橋東連香港、西接珠海/澳門，穿越伶仃洋,是我國繼三峽工程、青藏鐵路、南水北調、西氣東輸、京滬高鐵之后又一重大基礎設施項目，是集橋、島、隧為一體的超級交通集群工程，全長35.6公里，海中橋隧主體工程29.6公里，三地總投資超過1000億元人民幣，預計2017年建成通車。,橋島隧組合方案確定,線位：香港/珠海、澳門； 四大塊建設： 香港口岸: 130公頃 香港接線：12Km 主體工程：30Km 珠海接線：14Km 珠澳口岸：210公頃 澳門接線：0.3Km,自然建設條件特點,總體

2、氣象、水文、地質特點,亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，溫度1530，年降雨18002400毫米，南風、偏南風為主，有效波高約2m； 淤泥、粉細沙軟土地層局部超過40m；,建設特殊限制條件及需求,穿越中華白海豚保護區(qū)，環(huán)保要求,海上航線復雜、流量大，安全管理,全橋設計壽命120年,全橋阻水比小于10%,建成為標志性建筑,穿越中華白海豚保護區(qū),全橋設計壽命120年,全橋阻水比小于10%,總體設計思想及方案,全面實現“工廠化、大型化、標準化、裝配化”工法 減少海上作業(yè)時間及作業(yè)量，減低安全風險、減少對海洋環(huán)境影響，提高并保證工程質量。,近珠海岸85米等跨非通航孔橋建成效果圖,85米等跨組合連續(xù)梁橋，單墩雙幅

3、梁，混凝土橋面板與鋼箱一起整孔安裝，預制混凝土墩臺，預制安裝，鋼管復合鉆孔嵌巖樁基礎。, 墩身工廠分段預制、浮運就位、浮吊安裝； 組合梁85米制造、運輸到位、浮吊分幅安裝； 利用專業(yè)制造廠、大型運輸船、大型浮吊。,九州航道橋建成效果圖,主跨268米雙塔單索面鋼箱梁斜拉橋，鋼索塔，平行鋼絲斜拉索，混凝土 承臺，鋼管復合鉆孔嵌巖樁基礎。,深水區(qū)110米等跨非通航孔鋼箱梁橋建成效果圖,110米等跨鋼箱連續(xù)梁橋，單墩整幅梁，箱梁整孔安裝，預制混凝土墩臺， 預制安裝，鋼管復合鉆孔嵌巖樁基礎。, 墩身工廠分段預制、浮運就位、浮吊安裝； 鋼箱梁工廠110米制造、運輸到位、浮吊安裝 利用專業(yè)制造廠、大型運輸船

4、、大型浮吊。,江海直達船航道橋建成效果圖,主跨258米三塔單索面鋼箱梁斜拉橋，鋼索塔，平行鋼絲斜拉索，混凝土 承臺，鋼管復合鉆孔嵌巖樁基礎。,青州航道橋建成效果圖,主跨458米雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，六車道高速公路標準，混凝土與鋼結合索塔，平行鋼絲斜拉索，鋼管復合鉆孔嵌巖樁基礎。,人工島結合部連接預應力混凝土連續(xù)梁橋,三座通航孔橋風格一致； 非通航孔橋標準跨徑布置，適當增大跨徑； 非通航孔橋承臺埋入海床面； 采用單幅墩； 非通航孔橋箱梁等梁高布置； 非通航孔橋箱梁考慮整跨吊裝。,橋梁總體設計特點,海底沉管隧道建成效果圖,受香港機場航空限高要求，主航道處需做隧道，經比選采用沉管工法，沉管段總長5

5、664m，共分33節(jié)，每節(jié)長180m，寬37.95m，高11.4m，單節(jié)重約7.4萬噸，最大沉放水深44m。,采用工廠法進行沉管管節(jié)預制，實現標準化流水作業(yè)；管節(jié)的起浮、出塢、下沉 利用大型專業(yè)化設備，實現7萬噸級沉管40米水下對接精度。,東西隧道人工島建成效果圖,東西人工島各10萬平米，西島為養(yǎng)護管理功能，東島兼旅游功能。,兩島面積約10萬m2，離岸20km，水深約10m，軟土層厚度2030m， 采用直徑22m鋼圓筒插入不透水粘土層形成止水型島壁結構，回填砂形成陸域，實現快速成島； 采用塑料排水板聯合降水預壓方案進行軟基處理，最大超載比達2.1，加快地基主固結沉降完成。,香港口岸建成效果圖,

6、填海造地130公頃，采用碎石樁作為圍堤地基加固（不挖泥），格型鋼板樁（預制安裝）作為島壁結構，回填砂后加固形成陸域。,香港側橋梁建成效果圖,12.6公里六車道高速公路標準，75米等跨預應力混凝土連續(xù)梁，節(jié)段預制箱梁懸拼安裝；墩身預制安裝（或現澆），預制外殼+現澆承臺，鉆孔樁,預制場 平面規(guī)劃,珠澳口岸建成效果圖,橋梁工程關鍵技術,橋梁關鍵技術 鋼管復合樁技術 埋置式承臺設計與安裝 預制墩身干接縫拼裝接高 組合梁設計施工新技術 非通航孔橋梁整孔制造安裝技術 通航孔橋大節(jié)段施工技術 大規(guī)模鋼橋面鋪裝方案選擇及質量管理,鋼管復合樁技術,精確定位插打,鋼管復合樁提出 鋼管復合樁構造 鋼管復合樁施工,埋

7、置式沉臺構造首節(jié)墩身一起預制安裝 埋置式沉臺施工關鍵安裝定位、止水、連接,埋置式承臺設計與安裝,接頭構造：剪力鍵、環(huán)氧樹脂 節(jié)段連接：預應力 施工技術：吊裝、定位、精度保障 吊裝重量,預制墩身干接縫拼裝接高,組合梁設計施工新技術,標準跨徑85米，等高分幅布置 封閉式鋼主梁、桁架式隔板 最大規(guī)模組合梁 海洋環(huán)境,橋面板變截面：跨中26cm，鋼梁腹板處50cm，懸臂端22cm。 橋面板橫橋向整體化、縱橋向分塊預制，設濕接頭。 剪力釘：集束式釘群布置 橋面板控裂及耐久性措施：橫向采用部分預應力體系 墩頂負彎矩區(qū)布置縱向預應力 防腐蝕鋼筋,組合梁設計施工新技術,組合梁設計施工新技術,組合梁整孔制造,鋼

8、槽梁 廠內組拼,鋼主梁板單元制造,鋼主梁組拼,鋼主梁噴涂,鋼主梁線形監(jiān)控,組合梁整孔組合,組合梁橋面板濕接縫澆注,橋面板預制,橋面板存放,組合梁 組合,組合梁設計施工新技術,組合梁在臺座上組合時進行線形調整,組合梁設計施工新技術,為改善負彎矩區(qū)受力，橋面板采用滯后結合與支點升降法拼接組合梁。 鋼主梁預留配切余量，根據測試數據在橋位進行鋼槽梁現場配切。,組合梁設計施工新技術,非通航孔橋梁整孔制造安裝技術,通航孔橋大節(jié)段施工技術,上塔柱及 主梁施工,吊重約2500t 吊高約90m,通航孔橋大節(jié)段施工技術,大規(guī)模鋼橋面鋪裝方案選擇及質量管理,參照香港鋼橋面鋪裝經驗，采用澆筑式+MA體系，開展了試驗研

9、究，鋼橋面量大，質量是系統(tǒng)工程，有待檢驗。,其他一些關鍵技術,鋼箱梁車間化拼裝、焊接機器人采用 鋼箱梁TMD減振系統(tǒng)研發(fā)采用 橋梁運營養(yǎng)護系統(tǒng)設計等,隧道人工島關鍵技術,離岸20km，水深約10m，軟土層厚度2030m,西島需快速提供首個沉管對接條件,人工島設計,鋼圓筒插入不透水粘土層形成止水型圍護結構，回填砂形成陸域。 西人工島61個大圓筒，東島59個鋼圓筒； 單個圓筒直徑22.0m，高40.5m49.5m，最大入土深度達29m。,降水聯合堆載預壓,塑料排水板,利用整島止水條件，采用“局部開挖換填、插打塑料排水板、井點降水聯合堆載”的大超載比預壓進行島內軟基處理； 將永久的拋石斜坡堤和臨時鋼

10、圓筒結構相結合，海側護坡結構采用局部開挖換填+擠密砂樁復合地基。,實現了快速成島； 止水和圍護結構一體； 為軟基處理提供了條件； 實現了島內、島外同步施工。,人工島施工,鋼圓筒制造 在上海振華重工制作 工廠化保證加工精度,鋼圓筒運輸 7萬噸級運輸船運輸 海上運輸超過1600公里,8臺600噸液壓振動錘同步振沉圓筒 2011年5月15日西島首個圓筒振沉 12月22日東島最后一個圓筒振沉； 2011年 “當年開工，當年成雙島”,鋼圓筒打設,副格打設 兩圓筒間采用副格連接 副格采用弧形鋼板 止水效果良好,島內軟基處理,工后殘余沉降控制在了30cm以內 土的力學性能大幅度提升。,島內建設 東西島營地建

11、成 島上攪拌站建設投產,西小島基坑開挖及暗埋段施工,西小島基坑開挖及暗埋段施工,島壁結構施工,沉管隧道關鍵技術,沉管段全長5664m,水深超過45m,覆土厚度達30m,沉管段全長3510m,水深30m,貼近原海床面建設,沉管段全長3240m,貼近原海床面建設,水深30-47m,難點及挑戰(zhàn)： 超長 深埋 大回淤 軟基 外海施工環(huán)境,沉管隧道設計 結構及接頭水密 總沉降及差異沉降控制 施工風險及質量控制, 沿線基底位于不同地層且荷載差異 基礎設計目標：總沉降 15cm，差異沉降 2cm 島上段、島頭區(qū)、斜坡過渡段需進行地基處理 設計方案要利于施工過程質量控制，具備容錯補救可行性,復合地基+組合基床

12、沉管基礎,沉管基礎設計關鍵技術, 研究并采用擠密砂樁柔性復合地基、高壓旋噴半剛性復合地基、PHC剛性樁復合地基，實現三種復合地基及天然砂基地基剛度的平順過渡； 將重力式碼頭工程成熟的拋填塊石+強夯技術引入隧道基礎，協(xié)調全線基礎剛度、降低清淤難度。 采用先鋪碎石基床，實現沉管豎向線形及平整度。,復合地基+組合基床沉管基礎,復合地基加固總體方案,復合地基+組合基床沉管基礎,降水聯合超載預壓 開挖卸載 振沖、碾密 鋪設碎石墊層 施工敞開段結構,島上敞開段地基加固降水聯合超載預壓,島上敞開段,島上敞開段施工步驟,復合地基+組合基床沉管基礎,島上暗埋段,降水聯合超載預壓 開挖卸載 施打PHC樁 鋪設碎石

13、墊層形成復合地基 現澆隧道上部結構,島上暗埋段PHC剛性樁復合地基,島上暗埋段施工步驟,島上E1/E33部分沉管,降水聯合超載預壓 開挖卸載 施工高壓旋噴樁形成復合地基,島上沉管段高壓旋噴復合地基,鋪設碎石墊層 安放沉管,復合地基+組合基床沉管基礎,島頭過渡段沉管（E1E4S3/E33E30S3）,施工步驟： 擠密砂樁 堆載預壓 開挖卸載 碎石墊層 管節(jié)沉放,過渡段一采用沉管擠密砂樁復合地基+堆載預壓,復合地基+組合基床沉管基礎,過渡段沉管（E4S3E6S2）,施工步驟： 擠密砂樁 基槽開挖 塊石夯平 碎石墊層 管節(jié)沉放,過渡段二采用高置換率擠密砂樁復合地基,復合地基+組合基床沉管基礎,施工步

14、驟： 基槽開挖 塊石夯平 碎石墊層 管節(jié)沉放,中間段沉管（E6S2E30S3）,中間段采用天然地基,復合地基+組合基床沉管基礎,組合基床,2m厚10100kg塊石（夯平）,整平船鋪設1.3m厚碎石墊層,復合地基+組合基床沉管基礎,標準碎石壟參數：壟寬1.80m+溝寬1.05m,復合地基+組合基床沉管基礎,基礎施工,沉管基礎施工質量是決定沉管隧道成敗的關鍵。 沉管基礎作業(yè)，主要關鍵工序包括： 基槽粗挖、精挖；基槽清淤 ； 基礎拋石夯平； 碎石基床鋪設。,沉管隧道縱斷面圖,復合地基+組合基床沉管基礎,基槽精挖 開挖水深大（50m），開挖精度要求高（-60+40cm）； 采用大型定深平挖抓斗和挖深精

15、度控制系統(tǒng)。,金雄,復合地基+組合基床沉管基礎,監(jiān)控系統(tǒng),耙管增長,專用吸頭,基槽清淤 沉管隧道橫臥珠江口，存在回淤可能 與荷蘭公司聯合研制專用清淤船 ： 能夠進行系統(tǒng)定位和測量，能實時顯示基槽槽底縱坡； 可滿足在不同類型基礎面上（塊石、碎石、粘土等）進行清淤施工。,捷龍?zhí)枌Ｓ们逵俅?復合地基+組合基床沉管基礎,基礎拋石夯平 拋石夯平作業(yè)水深大（46m），夯平精度高（小于30cm）； 夯平要順應基礎坡度； 水下拋石、夯平工作量大； 專用溜管式拋夯一體船： 溜管定點定量拋石、定點夯平,復合地基+組合基床沉管基礎,碎石基床鋪設 水深大（40m），整平精度要求高（允許偏差40mm）； 整平質量關系到

16、沉管標高、接頭的受力 最大縱坡坡度為 2.98%； 整平工作量大（單節(jié)面積近1.5萬m2） 研制國內第一艘平臺式整平船； 自動抬升、皮帶運輸 、高精度聲納測控三大系統(tǒng)，全部采用自動化控制。,復合地基+組合基床沉管基礎,結構設計半剛性沉管結構體系,半剛性沉管結構體系提出,結構設計半剛性沉管結構體系,半剛性沉管結構體系構造,節(jié)段長22.5米， 砼（C45）量約3415m3，標準管節(jié)長180米，共33節(jié) 混凝土要求自防水，控裂要求高且容重偏差小于1% 每2個月需完成兩節(jié)180米（共16個節(jié)段）管節(jié),沉管預制工廠化管節(jié)預制,沉管預制工廠化管節(jié)預制,淺塢區(qū)及一次舾裝區(qū),預制車間,混凝土生產區(qū),深塢及二次

17、舾裝區(qū),深塢沉箱塢門, 管節(jié)預制流程： 綁扎底板鋼筋綁扎側墻鋼筋綁扎頂板鋼筋鋼筋籠移至澆筑坑并安裝模板進行混凝土澆筑預制好的節(jié)段向前頂推22.5m匹配預制下一節(jié)段,沉管預制工廠化管節(jié)預制,頂推完成關閉滑移塢門,灌水、起浮、移位,排水、舾裝,管節(jié)出塢,匹配澆筑管段,連續(xù)澆筑連續(xù)頂推, 管節(jié)出塢流程：,沉管預制工廠化管節(jié)預制,流水化鋼筋生產加工線； 大型自動化液壓模板； 混凝土攪拌及供應系統(tǒng)； 混凝土溫控及養(yǎng)護系統(tǒng)； 管節(jié)頂推系統(tǒng)。,預制生產線設備配置,沉管預制工廠化管節(jié)預制,深淺塢是塢閘一起結構，是沉管出運通道，兼作舾裝區(qū)； 總面積6萬m2，蓄水量146.5萬m3 ； 淺塢門鋼閘門采用三角鋼桁架

18、式結構； 深塢采用沉箱結構浮塢門；,深淺塢,沉管預制工廠化管節(jié)預制,沉管預制工廠化管節(jié)預制,鋼筋加工量大，超過100t/天； 鋼筋下料精度 1mm，加工長度3mm、彎起角度 1 。,鋼筋加工,沉管預制工廠化管節(jié)預制,鋼筋加工綁扎量大，精度高； 埋件數量多，預埋精度高； 共2條生產線，流水作業(yè)。,鋼筋綁扎及預埋件安裝,沉管預制工廠化管節(jié)預制,液壓模板,德國PREI設計，上海振華重工制造 管節(jié)一次性連續(xù)澆筑成型 ； 外側模不設拉桿，由反力墻進行支撐。,沉管預制工廠化管節(jié)預制,混凝土施工,混凝土拌制及供布料 混凝土全斷面澆筑,沉管預制工廠化管節(jié)預制,混凝土控裂,年平均溫度23 ； 入?？刂?5 以內

19、； 冰水混合物拌制混凝土； 各環(huán)節(jié)全過程溫控； 養(yǎng)護棚進行混凝土養(yǎng)護。,沉管預制工廠化管節(jié)預制,管節(jié)頂推,單個節(jié)段重約9000t，標準管節(jié)，重約7萬噸； 四條頂推滑移軌道； 192臺850t主動支撐千斤頂（6臺/節(jié)段/軌道），采用三點支撐，超過16萬t支撐力； 128臺40t頂推千斤頂，多點連續(xù)同步頂推，5120t頂推力； 8臺50t導向千斤頂。,沉管預制工廠化管節(jié)預制,一次舾裝及管節(jié)起浮橫移,沉管預制工廠化管節(jié)預制,安裝共33個管節(jié)； 最深沉放水深約44m ； 最終接頭設置于E29和E30之間。,沉管安裝,合作團隊： 國家海洋局海洋環(huán)境預報中心 技術手段 全球氣象、波浪條件輸入 四重區(qū)域嵌套

20、預報模式 風云2號衛(wèi)星提供實時氣象數據 神威超級計算機進行模式解算,GFS全球預報場,水文氣象窗口預報系統(tǒng),沉管安裝,系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)構成 水文氣象觀測 模式計算、后方保障 現場預報 所有數據實時在線分發(fā),施工現場,北京,島隧營地,沉管安裝,沉管浮運,管節(jié)尺度大，數量多； 外海浮運、水流、浪波條件復雜，拖航阻力大； 浮運線路位于目前我國航運最繁忙的珠江口水域，多段航道交叉； 沉管無動力、無舵效，航道窄、多拖輪協(xié)作操控難。 沉管需要在基槽內橫拖。,航道一,沉管安裝,浮運采用6-8艘（總馬力數超過30000Hp）大馬力全回轉拖輪； 專用導航軟件協(xié)調各拖輪； 實施海上臨時交通管制和護航。,沉管安裝,

21、沉管錨泊定位,管節(jié)斷面巨大，受波浪、水流力大； 流態(tài)多變，風浪、涌浪并存，對錨系威脅大； 沉放駁與沉管組成多浮體柔性受力體系，動力響應規(guī)律復雜。,進行了物模、數模試驗： 系泊系統(tǒng)優(yōu)化布置 系泊系統(tǒng)受力（纜力、吊點力） 管節(jié)系泊、沉放過程中的動力響應,沉管安裝,120t 系泊纜絞車,65t 安裝纜絞車,40t 沉放吊索絞車,雙體船沉放駁錨泊系統(tǒng) 系泊與沉放兩階段定位系統(tǒng),沉管安裝,水流力達300T,海床淤泥層厚，牢固錨錠難度大； 錨泊作業(yè)時間短（6h內完成)； HY-17大抓力錨，抓重比達20，極限錨抓力180t。,錨預拉示意圖,沉管安裝,深水無人沉放對接系統(tǒng),沉管在深水（44m）精確對接難度大； 管節(jié)對接精度要求高； 國內首次采用水下無人對接技術。,沉管安裝,精確聲納測控系統(tǒng) （與日本、挪威公司合作開發(fā)）； 遙控遙測壓載系統(tǒng) （與德國公司合作開發(fā)）； 數控拉合系統(tǒng) （法國、瑞士公司合作開發(fā)） ； 數字化集成控制系統(tǒng) （自主開發(fā)）。,沉管安裝,精確聲納測控系統(tǒng) 采用聲納原理 沒有水下線纜、安裝便捷。,