港珠澳大桥总体设计及关键技术2015

1、港珠澳大桥总体设计及关键技术,中交公路规划设计院有限公司 黄清飞,Contents,目 录,总体概况及线位选择,港珠澳大桥东连香港、西接珠海/澳门，穿越伶仃洋,是我国继三峡工程、青藏铁路、南水北调、西气东输、京沪高铁之后又一重大基础设施项目，是集桥、岛、隧为一体的超级交通集群工程，全长35.6公里，海中桥隧主体工程29.6公里，三地总投资超过1000亿元人民币，预计2017年建成通车。,桥岛隧组合方案确定,线位：香港/珠海、澳门； 四大块建设： 香港口岸: 130公顷 香港接线：12Km 主体工程：30Km 珠海接线：14Km 珠澳口岸：210公顷 澳门接线：0.3Km,自然建设条件特点,总体

2、气象、水文、地质特点,亚热带海洋性季风气候区，温度1530，年降雨18002400毫米，南风、偏南风为主，有效波高约2m； 淤泥、粉细沙软土地层局部超过40m；,建设特殊限制条件及需求,穿越中华白海豚保护区，环保要求,海上航线复杂、流量大，安全管理,全桥设计寿命120年,全桥阻水比小于10%,建成为标志性建筑,穿越中华白海豚保护区,全桥设计寿命120年,全桥阻水比小于10%,总体设计思想及方案,全面实现“工厂化、大型化、标准化、装配化”工法 减少海上作业时间及作业量，减低安全风险、减少对海洋环境影响，提高并保证工程质量。,近珠海岸85米等跨非通航孔桥建成效果图,85米等跨组合连续梁桥，单墩双幅

3、梁，混凝土桥面板与钢箱一起整孔安装，预制混凝土墩台，预制安装，钢管复合钻孔嵌岩桩基础。, 墩身工厂分段预制、浮运就位、浮吊安装； 组合梁85米制造、运输到位、浮吊分幅安装； 利用专业制造厂、大型运输船、大型浮吊。,九州航道桥建成效果图,主跨268米双塔单索面钢箱梁斜拉桥，钢索塔，平行钢丝斜拉索，混凝土 承台，钢管复合钻孔嵌岩桩基础。,深水区110米等跨非通航孔钢箱梁桥建成效果图,110米等跨钢箱连续梁桥，单墩整幅梁，箱梁整孔安装，预制混凝土墩台， 预制安装，钢管复合钻孔嵌岩桩基础。, 墩身工厂分段预制、浮运就位、浮吊安装； 钢箱梁工厂110米制造、运输到位、浮吊安装 利用专业制造厂、大型运输船

4、、大型浮吊。,江海直达船航道桥建成效果图,主跨258米三塔单索面钢箱梁斜拉桥，钢索塔，平行钢丝斜拉索，混凝土 承台，钢管复合钻孔嵌岩桩基础。,青州航道桥建成效果图,主跨458米双塔双索面钢箱梁斜拉桥，六车道高速公路标准，混凝土与钢结合索塔，平行钢丝斜拉索，钢管复合钻孔嵌岩桩基础。,人工岛结合部连接预应力混凝土连续梁桥,三座通航孔桥风格一致； 非通航孔桥标准跨径布置，适当增大跨径； 非通航孔桥承台埋入海床面； 采用单幅墩； 非通航孔桥箱梁等梁高布置； 非通航孔桥箱梁考虑整跨吊装。,桥梁总体设计特点,海底沉管隧道建成效果图,受香港机场航空限高要求，主航道处需做隧道，经比选采用沉管工法，沉管段总长5

5、664m，共分33节，每节长180m，宽37.95m，高11.4m，单节重约7.4万吨，最大沉放水深44m。,采用工厂法进行沉管管节预制，实现标准化流水作业；管节的起浮、出坞、下沉 利用大型专业化设备，实现7万吨级沉管40米水下对接精度。,东西隧道人工岛建成效果图,东西人工岛各10万平米，西岛为养护管理功能，东岛兼旅游功能。,两岛面积约10万m2，离岸20km，水深约10m，软土层厚度2030m， 采用直径22m钢圆筒插入不透水粘土层形成止水型岛壁结构，回填砂形成陆域，实现快速成岛； 采用塑料排水板联合降水预压方案进行软基处理，最大超载比达2.1，加快地基主固结沉降完成。,香港口岸建成效果图,

6、填海造地130公顷，采用碎石桩作为围堤地基加固（不挖泥），格型钢板桩（预制安装）作为岛壁结构，回填砂后加固形成陆域。,香港侧桥梁建成效果图,12.6公里六车道高速公路标准，75米等跨预应力混凝土连续梁，节段预制箱梁悬拼安装；墩身预制安装（或现浇），预制外壳+现浇承台，钻孔桩,预制场 平面规划,珠澳口岸建成效果图,桥梁工程关键技术,桥梁关键技术 钢管复合桩技术 埋置式承台设计与安装 预制墩身干接缝拼装接高 组合梁设计施工新技术 非通航孔桥梁整孔制造安装技术 通航孔桥大节段施工技术 大规模钢桥面铺装方案选择及质量管理,钢管复合桩技术,精确定位插打,钢管复合桩提出 钢管复合桩构造 钢管复合桩施工,埋

7、置式沉台构造首节墩身一起预制安装 埋置式沉台施工关键安装定位、止水、连接,埋置式承台设计与安装,接头构造：剪力键、环氧树脂 节段连接：预应力 施工技术：吊装、定位、精度保障 吊装重量,预制墩身干接缝拼装接高,组合梁设计施工新技术,标准跨径85米，等高分幅布置 封闭式钢主梁、桁架式隔板 最大规模组合梁 海洋环境,桥面板变截面：跨中26cm，钢梁腹板处50cm，悬臂端22cm。 桥面板横桥向整体化、纵桥向分块预制，设湿接头。 剪力钉：集束式钉群布置 桥面板控裂及耐久性措施：横向采用部分预应力体系 墩顶负弯矩区布置纵向预应力 防腐蚀钢筋,组合梁设计施工新技术,组合梁设计施工新技术,组合梁整孔制造,钢

8、槽梁 厂内组拼,钢主梁板单元制造,钢主梁组拼,钢主梁喷涂,钢主梁线形监控,组合梁整孔组合,组合梁桥面板湿接缝浇注,桥面板预制,桥面板存放,组合梁 组合,组合梁设计施工新技术,组合梁在台座上组合时进行线形调整,组合梁设计施工新技术,为改善负弯矩区受力，桥面板采用滞后结合与支点升降法拼接组合梁。 钢主梁预留配切余量，根据测试数据在桥位进行钢槽梁现场配切。,组合梁设计施工新技术,非通航孔桥梁整孔制造安装技术,通航孔桥大节段施工技术,上塔柱及 主梁施工,吊重约2500t 吊高约90m,通航孔桥大节段施工技术,大规模钢桥面铺装方案选择及质量管理,参照香港钢桥面铺装经验，采用浇筑式+MA体系，开展了试验研

9、究，钢桥面量大，质量是系统工程，有待检验。,其他一些关键技术,钢箱梁车间化拼装、焊接机器人采用 钢箱梁TMD减振系统研发采用 桥梁运营养护系统设计等,隧道人工岛关键技术,离岸20km，水深约10m，软土层厚度2030m,西岛需快速提供首个沉管对接条件,人工岛设计,钢圆筒插入不透水粘土层形成止水型围护结构，回填砂形成陆域。 西人工岛61个大圆筒，东岛59个钢圆筒； 单个圆筒直径22.0m，高40.5m49.5m，最大入土深度达29m。,降水联合堆载预压,塑料排水板,利用整岛止水条件，采用“局部开挖换填、插打塑料排水板、井点降水联合堆载”的大超载比预压进行岛内软基处理； 将永久的抛石斜坡堤和临时钢

10、圆筒结构相结合，海侧护坡结构采用局部开挖换填+挤密砂桩复合地基。,实现了快速成岛； 止水和围护结构一体； 为软基处理提供了条件； 实现了岛内、岛外同步施工。,人工岛施工,钢圆筒制造 在上海振华重工制作 工厂化保证加工精度,钢圆筒运输 7万吨级运输船运输 海上运输超过1600公里,8台600吨液压振动锤同步振沉圆筒 2011年5月15日西岛首个圆筒振沉 12月22日东岛最后一个圆筒振沉； 2011年 “当年开工，当年成双岛”,钢圆筒打设,副格打设 两圆筒间采用副格连接 副格采用弧形钢板 止水效果良好,岛内软基处理,工后残余沉降控制在了30cm以内 土的力学性能大幅度提升。,岛内建设 东西岛营地建

11、成 岛上搅拌站建设投产,西小岛基坑开挖及暗埋段施工,西小岛基坑开挖及暗埋段施工,岛壁结构施工,沉管隧道关键技术,沉管段全长5664m,水深超过45m,覆土厚度达30m,沉管段全长3510m,水深30m,贴近原海床面建设,沉管段全长3240m,贴近原海床面建设,水深30-47m,难点及挑战： 超长 深埋 大回淤 软基 外海施工环境,沉管隧道设计 结构及接头水密 总沉降及差异沉降控制 施工风险及质量控制, 沿线基底位于不同地层且荷载差异 基础设计目标：总沉降 15cm，差异沉降 2cm 岛上段、岛头区、斜坡过渡段需进行地基处理 设计方案要利于施工过程质量控制，具备容错补救可行性,复合地基+组合基床

12、沉管基础,沉管基础设计关键技术, 研究并采用挤密砂桩柔性复合地基、高压旋喷半刚性复合地基、PHC刚性桩复合地基，实现三种复合地基及天然砂基地基刚度的平顺过渡； 将重力式码头工程成熟的抛填块石+强夯技术引入隧道基础，协调全线基础刚度、降低清淤难度。 采用先铺碎石基床，实现沉管竖向线形及平整度。,复合地基+组合基床沉管基础,复合地基加固总体方案,复合地基+组合基床沉管基础,降水联合超载预压 开挖卸载 振冲、碾密 铺设碎石垫层 施工敞开段结构,岛上敞开段地基加固降水联合超载预压,岛上敞开段,岛上敞开段施工步骤,复合地基+组合基床沉管基础,岛上暗埋段,降水联合超载预压 开挖卸载 施打PHC桩 铺设碎石

13、垫层形成复合地基 现浇隧道上部结构,岛上暗埋段PHC刚性桩复合地基,岛上暗埋段施工步骤,岛上E1/E33部分沉管,降水联合超载预压 开挖卸载 施工高压旋喷桩形成复合地基,岛上沉管段高压旋喷复合地基,铺设碎石垫层 安放沉管,复合地基+组合基床沉管基础,岛头过渡段沉管（E1E4S3/E33E30S3）,施工步骤： 挤密砂桩 堆载预压 开挖卸载 碎石垫层 管节沉放,过渡段一采用沉管挤密砂桩复合地基+堆载预压,复合地基+组合基床沉管基础,过渡段沉管（E4S3E6S2）,施工步骤： 挤密砂桩 基槽开挖 块石夯平 碎石垫层 管节沉放,过渡段二采用高置换率挤密砂桩复合地基,复合地基+组合基床沉管基础,施工步

14、骤： 基槽开挖 块石夯平 碎石垫层 管节沉放,中间段沉管（E6S2E30S3）,中间段采用天然地基,复合地基+组合基床沉管基础,组合基床,2m厚10100kg块石（夯平）,整平船铺设1.3m厚碎石垫层,复合地基+组合基床沉管基础,标准碎石垄参数：垄宽1.80m+沟宽1.05m,复合地基+组合基床沉管基础,基础施工,沉管基础施工质量是决定沉管隧道成败的关键。 沉管基础作业，主要关键工序包括： 基槽粗挖、精挖；基槽清淤 ； 基础抛石夯平； 碎石基床铺设。,沉管隧道纵断面图,复合地基+组合基床沉管基础,基槽精挖 开挖水深大（50m），开挖精度要求高（-60+40cm）； 采用大型定深平挖抓斗和挖深精

15、度控制系统。,金雄,复合地基+组合基床沉管基础,监控系统,耙管增长,专用吸头,基槽清淤 沉管隧道横卧珠江口，存在回淤可能 与荷兰公司联合研制专用清淤船 ： 能够进行系统定位和测量，能实时显示基槽槽底纵坡； 可满足在不同类型基础面上（块石、碎石、粘土等）进行清淤施工。,捷龙号专用清淤船,复合地基+组合基床沉管基础,基础抛石夯平 抛石夯平作业水深大（46m），夯平精度高（小于30cm）； 夯平要顺应基础坡度； 水下抛石、夯平工作量大； 专用溜管式抛夯一体船： 溜管定点定量抛石、定点夯平,复合地基+组合基床沉管基础,碎石基床铺设 水深大（40m），整平精度要求高（允许偏差40mm）； 整平质量关系到

16、沉管标高、接头的受力 最大纵坡坡度为 2.98%； 整平工作量大（单节面积近1.5万m2） 研制国内第一艘平台式整平船； 自动抬升、皮带运输 、高精度声纳测控三大系统，全部采用自动化控制。,复合地基+组合基床沉管基础,结构设计半刚性沉管结构体系,半刚性沉管结构体系提出,结构设计半刚性沉管结构体系,半刚性沉管结构体系构造,节段长22.5米， 砼（C45）量约3415m3，标准管节长180米，共33节 混凝土要求自防水，控裂要求高且容重偏差小于1% 每2个月需完成两节180米（共16个节段）管节,沉管预制工厂化管节预制,沉管预制工厂化管节预制,浅坞区及一次舾装区,预制车间,混凝土生产区,深坞及二次

17、舾装区,深坞沉箱坞门, 管节预制流程： 绑扎底板钢筋绑扎侧墙钢筋绑扎顶板钢筋钢筋笼移至浇筑坑并安装模板进行混凝土浇筑预制好的节段向前顶推22.5m匹配预制下一节段,沉管预制工厂化管节预制,顶推完成关闭滑移坞门,灌水、起浮、移位,排水、舾装,管节出坞,匹配浇筑管段,连续浇筑连续顶推, 管节出坞流程：,沉管预制工厂化管节预制,流水化钢筋生产加工线； 大型自动化液压模板； 混凝土搅拌及供应系统； 混凝土温控及养护系统； 管节顶推系统。,预制生产线设备配置,沉管预制工厂化管节预制,深浅坞是坞闸一起结构，是沉管出运通道，兼作舾装区； 总面积6万m2，蓄水量146.5万m3 ； 浅坞门钢闸门采用三角钢桁架

18、式结构； 深坞采用沉箱结构浮坞门；,深浅坞,沉管预制工厂化管节预制,沉管预制工厂化管节预制,钢筋加工量大，超过100t/天； 钢筋下料精度 1mm，加工长度3mm、弯起角度 1 。,钢筋加工,沉管预制工厂化管节预制,钢筋加工绑扎量大，精度高； 埋件数量多，预埋精度高； 共2条生产线，流水作业。,钢筋绑扎及预埋件安装,沉管预制工厂化管节预制,液压模板,德国PREI设计，上海振华重工制造 管节一次性连续浇筑成型 ； 外侧模不设拉杆，由反力墙进行支撑。,沉管预制工厂化管节预制,混凝土施工,混凝土拌制及供布料 混凝土全断面浇筑,沉管预制工厂化管节预制,混凝土控裂,年平均温度23 ； 入模控制25 以内

19、； 冰水混合物拌制混凝土； 各环节全过程温控； 养护棚进行混凝土养护。,沉管预制工厂化管节预制,管节顶推,单个节段重约9000t，标准管节，重约7万吨； 四条顶推滑移轨道； 192台850t主动支撑千斤顶（6台/节段/轨道），采用三点支撑，超过16万t支撑力； 128台40t顶推千斤顶，多点连续同步顶推，5120t顶推力； 8台50t导向千斤顶。,沉管预制工厂化管节预制,一次舾装及管节起浮横移,沉管预制工厂化管节预制,安装共33个管节； 最深沉放水深约44m ； 最终接头设置于E29和E30之间。,沉管安装,合作团队： 国家海洋局海洋环境预报中心 技术手段 全球气象、波浪条件输入 四重区域嵌套

20、预报模式 风云2号卫星提供实时气象数据 神威超级计算机进行模式解算,GFS全球预报场,水文气象窗口预报系统,沉管安装,系统由三个子系统构成 水文气象观测 模式计算、后方保障 现场预报 所有数据实时在线分发,施工现场,北京,岛隧营地,沉管安装,沉管浮运,管节尺度大，数量多； 外海浮运、水流、浪波条件复杂，拖航阻力大； 浮运线路位于目前我国航运最繁忙的珠江口水域，多段航道交叉； 沉管无动力、无舵效，航道窄、多拖轮协作操控难。 沉管需要在基槽内横拖。,航道一,沉管安装,浮运采用6-8艘（总马力数超过30000Hp）大马力全回转拖轮； 专用导航软件协调各拖轮； 实施海上临时交通管制和护航。,沉管安装,

21、沉管锚泊定位,管节断面巨大，受波浪、水流力大； 流态多变，风浪、涌浪并存，对锚系威胁大； 沉放驳与沉管组成多浮体柔性受力体系，动力响应规律复杂。,进行了物模、数模试验： 系泊系统优化布置 系泊系统受力（缆力、吊点力） 管节系泊、沉放过程中的动力响应,沉管安装,120t 系泊缆绞车,65t 安装缆绞车,40t 沉放吊索绞车,双体船沉放驳锚泊系统 系泊与沉放两阶段定位系统,沉管安装,水流力达300T,海床淤泥层厚，牢固锚锭难度大； 锚泊作业时间短（6h内完成)； HY-17大抓力锚，抓重比达20，极限锚抓力180t。,锚预拉示意图,沉管安装,深水无人沉放对接系统,沉管在深水（44m）精确对接难度大； 管节对接精度要求高； 国内首次采用水下无人对接技术。,沉管安装,精确声纳测控系统 （与日本、挪威公司合作开发）； 遥控遥测压载系统 （与德国公司合作开发）； 数控拉合系统 （法国、瑞士公司合作开发） ； 数字化集成控制系统 （自主开发）。,沉管安装,精确声纳测控系统 采用声纳原理 没有水下线缆、安装便捷。,