考虑特殊桥位的深中通道伶仃洋大桥总体设计

徐 军 吴明远

(中交公路规划设计院有限公司 北京 100088)

1 项目概况

深圳至中山跨江通道( 简称“深中通道”)地处珠江口粤港澳大湾区核心。项目东接机荷高速，终点与规划的中开、东部外环高速对接。深中通道是世界上首例集超宽超长海底沉管隧道、超大跨海中桥梁、深水人工岛、水下互通“四位”一体的集群工程。深中通道主体工程全长约24 km，伶仃洋大桥为跨越伶仃航道和龙穴南水道的主通航孔桥，其建设标准、工程规模、建设难度、工程复杂程度均为现今世界同类工程之最。

2 主要技术标准

伶仃洋大桥设计主要技术标准如下[1]。

1) 公路等级。高速公路。

2) 行车道数。双向8车道。

3) 设计车速。100 km/h。

4) 设计使用年限。主体结构100年。

5) 设计洪水频率。1/300。

6) 设计水位3.60 m(1985国家高程基准)，最高通航水位3.01 m，最低通航水位-1.04 m。

7) 通航标准。通航净宽为1 520 m，主航道通航净高为76.5 m(对应净高76.5 m的范围不应小于698 m)。

8) 设计荷载标准。

①汽车荷载等级：公路-I级；②抗震设防标准：场区地震基本烈度VII度，地震动峰值加速度0.10g，场区地震动反映谱特征周期为0.35 s。E1水准对应100年超越概率10%，E2水准对应100年超越概率4%；③抗风设计标准，设计基本风速采用桥址处100年重现期10 m高度10 min平均年最大风速43.0 m/s；④船舶撞击力标准，主墩：100 MN，锚碇(或过渡墩)：48 MN。

3 项目特点和难点

1) 地理位置特殊，景观要求高。

2) 伶仃航道桥需跨越2个航道：伶仃航道和龙穴南水道。

3) 通航净宽达1 520 m，主跨跨径大。

4) 珠江口台风频发、超大跨度，超高桥面(90 m)抗风断面气动选型及安全性能问题相对突出。

5) 2个锚碇均位于海中，距离海岸大于10 km。

6) 桥位距离机场近，航空限高275 m，限制索塔设计高程。

7) 西主塔位于F4断裂构造内，受构造影响，下伏基岩主要以角砾岩为主，发育厚度深，角砾岩力学性质差异大。

8) 滨海环境，耐久性要求高。

4 工程设计方案

4.1 主桥跨径的确定

基于以下原则选择伶仃洋大桥合适的主跨、边跨跨径。

1) 满足交通运输部批复的通航净空宽度，伶仃航道不应小于1 520 m，龙穴南水道不应小于325 m，并预留一定的安全距离。

2) 应该考虑基础承台、防撞设施和航道标志设施的尺寸； 考虑水流影响，给通航留有一定的航向调整富余，并使航道躲开承台附近的紊流区。

3) 西塔位置位于伶仃航道和龙穴南水道中间，应综合考虑2个航道间的位置关系，尽量降低大吨位船舶撞击风险。

4) 根据勘察和物探报告，西塔位置位于F4断裂带之中，F4为不活动断裂，未见覆盖土层错断，F4断裂对本工程影响的总体宽度近580 m，即使加大跨径西主塔位置也无法避开F4断裂带，西塔位置地勘钻孔与跨径关系图见图1。

图1 西塔位置地勘钻孔与跨径关系(单位：m)

根据以上原则，确定主桥跨径为1 666 m，边跨跨径为580 m(边跨钢箱梁长500 m)，跨径布置图见图2。

图2 跨径布置(单位：m)

4.2 建筑景观设计

深中通道的建设目标是成为世界一流的跨海通道和珠江口百年门户工程，使其在技术与美学上均能卓然超群，成为一个地标性建筑。深中通道建筑设计理念为平衡、和谐，建筑设计总体上简洁、大气、识别性强，并与周边环境和谐，结构物外形采用统一的建筑元素。整个项目均采用了切面元素打造晶体状的感觉，切面元素使得桥塔在美学表达上更加轻盈简洁，使得项目的3个主要构筑物——伶仃洋大桥、中山大桥和人工岛的关联及和谐性得以塑造。建筑景观效果图见图3。

图3 构件景观设计

4.3 抗风性能研究

伶仃洋大桥跨径超大(1 666 m)、桥面超高(约90 m)，又处于珠江口，为台风高发区的开阔水域，桥面颤振检验风速83.7 m/s，结构抗风稳定性面临挑战，主桥抗风断面选型研究十分重要。通过4所大学平行开展节段模型风洞试验，2所大学平行开展全桥气弹模型风洞试验，解决了主桥抗风问题[2-3]。

通过4个气动措施可以将整体钢箱梁的颤振临界风速提升至87 m/s：①设置1.2 m的上中央稳定版；②调整梁底检查车轨道至底板1/10处，双侧设置轨道导流板；③设计检修道栏杆透风率达95%；④箱梁外侧设置2.5 m的水平导流板。同时大尺度节段模型(1∶25)涡振测试结果表明，该气动外形没有发生涡振现象。

4.4 结构设计要点

4.4.1总体布置

采用500 m+1 666 m+500 m三跨吊全漂浮体系，锚碇IP点距离索塔中心580 m。主缆在成桥状态下的中跨垂跨比为1∶9.65，2根主缆中心距为42.1 m。桥型布置[4]见图4。

图4 桥型布置图(单位：尺寸，cm；高程：m)

4.4.2约束体系

采用双塔三跨连续漂浮体系，2个桥塔处设置横向抗风支座、纵向限位阻尼装置，过渡墩处设置竖向支座和横向抗风支座[5]。

4.4.3索塔

1) 索塔基础。设计采用群桩基础，单桩直径为3 m。索塔基础为56根直径3 m的钻孔灌注桩，按照嵌岩桩设计。西塔桩长108～136 m，东塔桩长50～87 m。承台高8 m，承台平面为2个直径36 m的圆形。承台采用C45混凝土，桩基础采用C35水下混凝土。

2) 塔身。索塔采用门式造型，索塔设置中、上2道横梁及下横梁。塔柱底面高程+0 m，塔顶高程+270 m，总高度270 m。索塔构造图见图5。索塔共设上、中、下3道横梁，采用领结型设计。除索塔中横梁和上横梁为预应力混凝土构件外，其它塔柱均为普通钢筋混凝土结构，索塔下横梁按普通钢筋混凝土构件设计，设置预应力作为防裂储备，索塔均采用C55混凝土。

塔柱均采用八边形截面。下塔柱高程范围为+0 m至+79 m，截面尺寸由13 m×16 m(横桥向×顺桥向)过渡到8.4 m×12 m，上塔柱高程范围为+79 m至+262.5 m，截面尺寸由8.4 m×12 m过渡到7.5 m×12 m。塔柱壁厚自下而上为3.5，2.2，2，1.6 m，与横梁交接范围局部加厚。

3) 塔冠。塔冠为主索鞍鞍罩和塔顶横向平台，采用不锈钢结构。

图5 索塔构造(单位：尺寸，cm；高程，m)

4.4.4主梁

主梁采用扁平流线型整体钢箱梁。钢材采用Q345qD。梁宽49.7 m、高4 m；吊点横向间距42.1 m,吊点顺桥向间距12.8 m；吊索锚固在风嘴上，顶板宽40.5 m，风嘴宽2.1 m，平底板宽31.3 m，斜底板宽6.7 m，风嘴外侧设置宽2.5 m导流板。标准梁段长12.8 m，设置实腹式横隔板，间距3.2 m；顶板U肋上口宽300 mm，下口宽180 mm，高300 mm，U肋中心距600 mm；底板U肋上口宽240 mm，下口宽500 mm，高260 mm，U肋中心距1 000 mm。顶板在外侧重车道厚18 mm，内侧快车道厚16 mm，顶板U肋板厚8 mm，底板厚14 mm，斜底板厚14 mm，底板U肋板厚6 mm。标准横隔板分为2个部分，上部与顶板系统相连部分厚14 mm,下部厚10 mm。主梁中央分隔带中间设置1.2 m高稳定板。主梁标准横断面图见图6。

图6 主梁标准横断面(单位：mm)

4.4.5锚碇

采用离岸超大型重力式锚碇方案，锚碇及基础示意图见图7。锚碇区域水深3～5 m，地层为深厚软弱淤泥及粉砂层。通过研究，首次提出在海中采用锁扣钢管桩围堰填砂筑岛形成陆域，在陆域施作“8”字形地下连续墙锚碇基础方案[6-7]。与抛石筑岛方案相比，该方案具有施工效率高、环境影响小及工后易于清除的优点，解决了离岸深水海中锚碇设计施工的关键技术难题。锁扣钢管桩围堰筑岛平面示意见图8。筑岛直径150 m，采用材质为Q345C的130根直径2 500 mm的钢管桩和130根U形钢板桩作为临时围挡结构，钢管桩壁厚22 mm，钢板桩壁厚10 mm。钢管桩桩端持力层为中粗砂。坑外防护采用抛石护堤，抛石高度8 m。

图7 锚碇及基础示意图(单位：尺寸，cm；高程，m)

图8 锁扣钢管桩围堰筑岛平面示意图(单位：cm)

锚碇基础采用“8”字形地下连续墙基础，地连墙厚 1.5 m，地连墙嵌入中风化岩层5 m，内衬厚度1.5 m，2.5 m，3 m，基础顶标高+3.0 m，基础底标高：-39.0 m(东锚碇)，-38.0 m(西锚碇)，散索鞍间距42.1 m，IP点标高48.6 m。

锚体采用实腹式构造，分为锚块、散索鞍支墩、前锚室、后锚室等部分。散索鞍支墩、锚块及前锚室采用C40混凝土，后浇段采用C40微膨胀混凝土。

锚固系统采用多股成品索锚固系统，多股成品索由环氧钢绞线和多层PE防护组成，锚头为挤压式，该方案具有性能可靠、可更换、全寿命周期成本小的优点。双股锚采用5×15-7挤压式成品索，单股锚采用6×15-3挤压式成品索。

4.4.6缆索系统

全桥上、下游共有2根主缆，采用预制平行钢丝索股(PPWS),每根主缆通长索股199股。每根索股由127根直径为6 mm、公称抗拉强度为2 060 MPa的锌铝镁合金镀层高强度钢丝组成[8]。索夹内直径为1 053 mm，索夹外直径为1 066 mm。

根据吊索受力特点，并综合考虑材料性能、制造加工、安装维护、后期更换等因素，结合钢丝绳以及平行钢丝两者优点，本桥常规吊索采用钢丝绳吊索，限位拉索采用平行钢丝拉索。

主索鞍为常规设计，鞍槽只有竖弯，而没有平弯。鞍体采用铸焊结合的结构形式，鞍槽用铸钢铸造，底座由钢板焊成。为进一步减轻重量，主索鞍采用强度ZG300-500H材质。主索鞍总成单件质量309 298 kg，全桥共4件，重12 371 920 N。单个主索鞍分两半吊装，吊装重量为中跨侧1 150 kN，边跨侧1 140 kN。

散索鞍采用摆轴式结构设计。鞍体采用铸焊结合结构，鞍槽用铸钢铸造，鞍体由钢板焊成。散索鞍铸造部分采用跟主索鞍相同的ZG340-550材质。散索鞍总成单件质量223 839 kg，全桥共4件重8 953 560 N。散索鞍的吊装重量约为1 610 kN。

4.5 耐久性设计简述

伶仃洋大桥处于海洋环境，为确保结构在设计使用寿命年限内的安全并满足正常的使用功能，耐久性设计措施主要包括：① 混凝土结构，采用海工高性能混凝土，提高最外层钢筋净保护层厚度；浪溅区及水位变动区采用外层环氧涂层钢筋+结构表面涂硅烷浸渍防腐，大气区涂硅烷浸渍防腐，桥塔采用防腐涂装体系；对桩基施工采用的钢护筒予以保留，并对钢护筒外表面采用环氧粉末涂层防腐。② 钢结构，钢箱梁外壁处在海洋大气区，采用金属热喷涂体系防腐，设计使用年限30年；钢箱梁内表面采用内部除湿+重防腐涂料涂装。③ 主缆，采用“Z型钢丝+缠包带+干燥空气除湿”防护方案。鞍罩及鞍室安装除湿设备。

5 结语

深中通道伶仃洋大桥设计具有跨度特大、桥面超高且台风频发、海中锚碇离岸10 km、地质条件复杂的特点，工程综合技术难度非常大。设计团队对桥型方案及各分项工程进行了深入研究，并结合专题成果，采取有效对策措施，圆满完成了设计阶段的工作。截止2019年底伶仃洋大桥锚碇已完成筑岛及地连墙基础部分，索塔桩基础、承台已完成。