海螺島跨海大橋“廊橋一體”方案研究

王 鑫，王 帥，張 桐，惠 斌，楊京生，周曉革，孟瑞明，呂志成

（1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100082；2.秦皇島秦正旅游房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

中國(guó)面積在500 m2以上的島嶼有7 372 個(gè)，總面積72 800 多km2，其中有人居住的島嶼為450 個(gè)。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)力與科技實(shí)力的逐漸強(qiáng)大，吹填工藝已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，人工造島技術(shù)更是發(fā)展迅速。對(duì)于近海特別是旅游資源豐富的島嶼，在周邊環(huán)境允許的情況下，建設(shè)通島橋能大大提高島內(nèi)生活的便利性。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和旅游業(yè)的持續(xù)升溫，人工島或許會(huì)越來(lái)越多，而通島橋的設(shè)計(jì)也有很大的發(fā)展前景[1]。

1 項(xiàng)目概況

海螺島位于秦皇島市金夢(mèng)海灣南側(cè)、湯河入?？谔幍暮Ｓ颍菄詈Ｐ纬傻娜斯u嶼，圍海造陸面積為47.82 萬(wàn)m2，現(xiàn)狀照片如圖1 所示?？绾４髽蛉L(zhǎng)1.53 km，面積約3.8 萬(wàn)m2，作為海螺島連接陸地的唯一交通通道，也是保障島內(nèi)生產(chǎn)、生活水源和能源補(bǔ)給的輸送通道。負(fù)責(zé)島內(nèi)供給的管線有電力、通信、給水、再生水、污水、熱力、燃?xì)獾?，與橋梁一樣亟需貫通。

圖1 秦皇島市海螺島現(xiàn)狀照片

2 研究與創(chuàng)新路線

2.1 管線跨海方案初步判斷

橋梁跨海屬于常規(guī)結(jié)構(gòu)形式，但管線跨海案例目前較少，這是制約該項(xiàng)目的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)現(xiàn)有的施工技術(shù)，管線所用的過(guò)河方案主要有隨橋敷設(shè)、管廊橋、明挖管廊、暗挖管廊、頂管管廊、盾構(gòu)管廊等[2]。考慮到海洋與河流的區(qū)別，對(duì)這幾種管線跨越方案分析如下：

（1）結(jié)合海浪影響、環(huán)境污染、水深與結(jié)構(gòu)埋深等原因，明挖方案基本不可行。

（2）該區(qū)域海底的中上部土層以砂層為主，下伏基巖主要為花崗巖，暗挖方案不適合。

（3）圓形頂管、矩形頂管、盾構(gòu)隧道這幾種方案在技術(shù)上可行，制約實(shí)施的主要因素是方案造價(jià)過(guò)高。

（4）管線隨橋敷設(shè)方案，在造價(jià)方面優(yōu)勢(shì)明顯，而且施工過(guò)程簡(jiǎn)單，能有效避免水中施工的風(fēng)險(xiǎn)及不利因素，但該方案限制條件較多，需滿足相關(guān)運(yùn)營(yíng)要求方可采用。

（5）架設(shè)管廊橋方案，工藝成熟、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)不高，適用于對(duì)景觀無(wú)特殊要求的區(qū)域。

綜合比較，管線隨橋敷設(shè)與架設(shè)管廊橋這兩種方案均具有可行性，需對(duì)其進(jìn)行方案深化后進(jìn)一步比選。

2.2 廊橋一體方案制定

通島橋連接島嶼與內(nèi)陸，負(fù)責(zé)島內(nèi)供給的管線（電力、通信、給水、再生水、污水、熱力、燃?xì)獾龋┢涮攸c(diǎn)是管線種類多、體量大，布設(shè)遠(yuǎn)比常規(guī)管線過(guò)橋布設(shè)方式復(fù)雜。對(duì)幾種管線過(guò)橋方案進(jìn)行布置與比選[1]：

（1）預(yù)制管廊方案

如圖2 所示的斷面及圖3 的模型。機(jī)動(dòng)車(chē)道采用預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)，兩側(cè)的人行及非機(jī)動(dòng)車(chē)道采用預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)，將管線布置于廊內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了管線與橋梁結(jié)構(gòu)分離，運(yùn)營(yíng)安全、檢修方便。鋼筋混凝土管廊箱室自帶保溫功能，對(duì)管線抗凍十分有利，同時(shí)也阻擋了海洋環(huán)境對(duì)管線的腐蝕作用。但管廊箱室體量較大，預(yù)制結(jié)構(gòu)運(yùn)輸?shù)跹b難度較高。

圖3 預(yù)制管廊方案模型示意圖

（2）吊架方案

圖4 所示為吊架方案橫斷面圖，將電力電信管線布置于步道下，燃?xì)獾跤谶h(yuǎn)端懸臂下，其余壓力管線布置于橋中懸臂吊架下，管線吊架跨越方案工程案例照片如圖5 所示。這種布置結(jié)構(gòu)輕巧、檢修方便、造價(jià)較低，但管線布置較分散，后期檢修、換管不方便。鋼結(jié)構(gòu)吊架暴露在海洋環(huán)境中，需要經(jīng)常刷防腐漆，養(yǎng)護(hù)成本較高。管線暴露在空氣中不利于抗凍及防腐，需額外增加管線外保溫及防腐措施，方案該耐久性不佳。

圖4 吊架方案橫斷面圖（單位：mm）

圖5 管線吊架跨越方案工程案例

（3）預(yù)制管廊+橋側(cè)人行道方案

圖6 所示為預(yù)制管廊+橋側(cè)人行道方案斷面圖。

圖6 預(yù)制管廊+橋側(cè)人行道方案斷面圖（單位：mm）

如圖6 的斷面及圖7 的工程案例。該方案將人行道采用鋼結(jié)構(gòu)人行橋布置于橋側(cè)，功能清晰、造型新穎景觀好。但鋼結(jié)構(gòu)人行橋后期養(yǎng)護(hù)成本較高，人行舒適度也不如橋面步道，且人行道布置于橋梁一側(cè)，與道路銜接需增加過(guò)街設(shè)施。圖7 所示為澳大利亞Andurah Traffic Bridge，將人行道布置于橋側(cè)下方，其建成時(shí)間為2017 年，長(zhǎng)度是230 m。

圖7 澳大利亞Andura h Tra ffic Bridge

這3 種方案中，吊架方案造價(jià)低于另外兩個(gè)預(yù)制管廊方案，在建設(shè)階段有較大經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。但吊架方案的抗凍性及耐久性較差，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高；吊架穩(wěn)定性也不佳，難以承受大體量的壓力管線。綜合考慮功能、耐久性、可實(shí)施性及景觀等主要因素，最終選用預(yù)制管廊方案，采用廊橋一體的架設(shè)方式。

2.3 管廊梁型選取

預(yù)制管廊方案選定后，如何制定合適的梁型成為了接下來(lái)工作的重點(diǎn)。根據(jù)已有的預(yù)制管廊及橋梁項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾種可行的方案。

（1）普通混凝土整體式預(yù)制箱梁

管廊梁體采用普通混凝土整體式預(yù)制箱梁，如圖8 所示，造價(jià)不高、結(jié)構(gòu)整體性好、施工方便、保溫及防腐蝕性能也比較好，但30 m 預(yù)制梁吊裝重量達(dá)到300～400 t，運(yùn)輸及吊裝難度較大。

圖8 預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管廊斷面

（2）高性能材料整體式預(yù)制箱梁

UHPC 高性能混凝土，因其卓越的抗拉及抗壓性能，相比同體量普通混凝土預(yù)制梁可降低重量1/3 以上，且防腐蝕性能較好，是理想的預(yù)制管廊的材料。但其造價(jià)較高，難以大規(guī)模采用。鋼殼混凝土性能優(yōu)于普通預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，能有效降低結(jié)構(gòu)自重，造價(jià)增加也不太多，但其外包鋼板存在海洋環(huán)境下的耐久性問(wèn)題。

（3）鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)整體式預(yù)制箱梁

受啟發(fā)于城市立交常用的鋼混凝土組合箱梁，預(yù)制管廊的底板及腹板采用耐久性較好的耐候鋼，頂板采用混凝土橋面板，整體為箱型斷面。為減少豎向加勁板的設(shè)置數(shù)量，腹板采用波形鋼腹板，整體吊裝重量約180 t。該方案雖能兼顧造價(jià)與吊裝重量，但鋼結(jié)構(gòu)保溫性能差，耐久性也不如混凝土結(jié)構(gòu)。鋼混凝土組合預(yù)制管廊效果圖如圖9 所示。

圖9 鋼混凝土組合預(yù)制管廊

（4）拼板式預(yù)制箱梁

預(yù)制管廊工法中有一種拼板式預(yù)制方案，將管廊拆分成多個(gè)預(yù)制板，吊裝就位后再現(xiàn)澆連接段形成整體截面[3]，如圖10 所示。管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面按30 m計(jì)，拆分后可將單板控制在100～200 t，采用常規(guī)機(jī)械即可運(yùn)輸及架設(shè)。但該方案需要將預(yù)制板吊裝就位后在橋上現(xiàn)澆濕接段形成整體斷面，并分多次張拉鋼束，這對(duì)于海上施工來(lái)說(shuō)難度較大，且施工周期較長(zhǎng)。

圖10 拼板式預(yù)制裝配管廊

考慮到實(shí)施難度，梁體整體預(yù)制式方案更具可行性，而采用普通混凝土預(yù)制梁造價(jià)最低。為減少結(jié)構(gòu)吊裝重，可通過(guò)張拉預(yù)應(yīng)力來(lái)減少板厚，并通過(guò)優(yōu)化廊內(nèi)管線及空間布置來(lái)減少箱室凈尺寸，最終將吊裝重量控制在300 t 左右，使后續(xù)運(yùn)輸及吊裝方案可行[4]。

2.4 管線布置分析

選定了方案及梁型后，還需要分析各過(guò)橋管線的性質(zhì)及特點(diǎn)，確保各管線均能合理布設(shè)、順利實(shí)施，且滿足運(yùn)營(yíng)期間的安全及管養(yǎng)方便。該橋上共有電力、通信、給水、再生水、污水、熱力、燃?xì)夤芫€。出于橋梁安全性考慮，《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（2019 版）》（CJJ 11—2011）3.0.19 規(guī)定：不得在橋上敷設(shè)污水管、壓力大于0.4 MPa 的燃?xì)夤芎推渌扇?、有毒或腐蝕性的液、氣體管。條件許可時(shí)，在橋上敷設(shè)的電信電纜、熱力管、給水管、電壓不高于10 kV 配電電纜、壓力不大于0.4 MPa 燃?xì)夤鼙仨毑扇∮行У陌踩雷o(hù)措施。需在滿足規(guī)范的前提下在合適的位置布設(shè)各管線。

（1）電力、電信

電力管線為10 kV 配電電纜，通信管線包含移動(dòng)、聯(lián)通、電信，采用光纖敷設(shè)。電力及通信管線在廊內(nèi)可利用支架敷設(shè)在結(jié)構(gòu)側(cè)墻。

（2）給水、再生水

給水與再生水均為常規(guī)帶壓管線，在廊內(nèi)可利用支墩敷設(shè)在結(jié)構(gòu)底板。

（3）污水

《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（2019 版）》（CJJ 11—2011）3.0.19 規(guī)定：不得在橋上敷設(shè)污水管。3.0.19 條文說(shuō)明中表示：對(duì)于超過(guò)本條規(guī)定的管線，如因特殊需要在橋上或地下通道內(nèi)通過(guò)，應(yīng)作可行性、安全性專題論證，并報(bào)請(qǐng)主管部門(mén)批準(zhǔn)。本橋污水管線為島上排污使用，設(shè)計(jì)為帶壓管線，管材采用襯塑復(fù)合鋼管，利用托臂敷設(shè)在側(cè)墻或利用支墩敷設(shè)在底板。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，甲方需對(duì)設(shè)計(jì)提出的污水管線過(guò)橋方案委托專門(mén)的安評(píng)單位編制專項(xiàng)安全可行性報(bào)告，并通過(guò)評(píng)審后方可實(shí)施。

（4）熱力

過(guò)橋熱力管線為2×DN500，橋上布設(shè)一處大推力固定支墩，其余支墩為滑動(dòng)墩及導(dǎo)向墩。大推力支墩采用H 型鋼固定支架，單個(gè)支點(diǎn)傳給結(jié)構(gòu)的最大順橋向水平推力190 kN，全跨水平推力達(dá)到1 060 kN，需要用該水平推力對(duì)所在跨的橋梁下部結(jié)構(gòu)抗進(jìn)行抗彎、抗剪復(fù)核，還需要根據(jù)各支點(diǎn)傳給預(yù)制管廊板的彎矩對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部抗彎能力復(fù)核及加強(qiáng)。其余滑動(dòng)墩及導(dǎo)向墩作用力相對(duì)較小，但也需逐個(gè)復(fù)核。

（5）燃?xì)?/p>

本項(xiàng)目過(guò)橋燃?xì)夤軌毫?.4 MPa，可在橋上敷設(shè)。因燃?xì)夤芫€具有一定危險(xiǎn)性，不適宜與其他管線共艙，應(yīng)單獨(dú)敷設(shè)，且盡量布置在不封閉的空間。結(jié)合已有工程案例及進(jìn)一步分析，做出以下幾種方案進(jìn)行比選。

a.燃?xì)夤芫€布置于橋面步道外側(cè)，增加一道護(hù)欄作為防護(hù)措施。這種方案安裝及檢修方便。但需多設(shè)置一排欄桿，并占用一部分人行道寬度（見(jiàn)圖11）。

圖11 燃?xì)夤芫€布置于橋面步道外側(cè)

b.燃?xì)夤芫€布置于管廊懸臂下。如圖12 所示，燃?xì)鈫为?dú)布置比較安全，且綜合造價(jià)低、管線隱蔽、外形美觀。但布置在橋面以下，后期檢修不便，吊架自身也需經(jīng)常維護(hù)。

圖12 燃?xì)夤芫€布置于管廊懸臂下方案

c.燃?xì)夤芫€布置于管廊側(cè)面，設(shè)置檢修平臺(tái)。如圖13 所示，燃?xì)鈫为?dú)布置比較安全，且檢修方便。但此方案增加造價(jià)較多，鋼結(jié)構(gòu)檢修平臺(tái)影響橋梁整體景觀，且存在耐久性問(wèn)題。

圖13 燃?xì)夤芫€布置于管廊側(cè)，設(shè)置檢修平臺(tái)方案

d.燃?xì)夤芫€布置于鋼箱型空心地袱內(nèi)（見(jiàn)圖14）。這種方案安全性較好，安裝及檢修方便、管線隱蔽、外型美觀。但欄桿地袱需采用鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)設(shè)計(jì)及施工，增加了造價(jià)，且同樣存在耐久性問(wèn)題。

圖14 燃?xì)夤芫€布置于鋼箱型空心地袱內(nèi)方案

e.燃?xì)夤芫€采用海底定向鉆施工。該方案燃?xì)夤芫€單獨(dú)布置比較安全，對(duì)橋梁布置及整體景觀無(wú)影響，造價(jià)不高、施工快，但后期檢修不便。

以上幾種方案均有類似的成功應(yīng)用項(xiàng)目案例。方案一養(yǎng)護(hù)、檢修方便，而方案二的景觀及功能性最好，綜合考慮采用方案一。

（6）管線分艙

考慮到管線相互之間的影響與運(yùn)營(yíng)期間的安全，與各管線的產(chǎn)權(quán)單位共同溝通后確定管線分艙布置，即電力/ 通信/ 給水/ 再生水共艙，污水/ 熱力共艙，燃?xì)鈫为?dú)布置在橋面步道一側(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

在海洋環(huán)境下，隨橋管線的敷設(shè)方式直接影響建成后管線和橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。在海螺島跨海大橋項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，創(chuàng)新提出了廊橋一體的設(shè)計(jì)方案，并獲得專利授權(quán)。采用橋梁上部結(jié)構(gòu)預(yù)制小箱梁結(jié)合預(yù)制管廊的方案，將管線布置于廊內(nèi)，避免了明敷方式管線易受腐蝕、易受凍難題，同時(shí)方便管線及結(jié)構(gòu)維護(hù)、保障橋梁運(yùn)營(yíng)安全。本橋型針對(duì)海螺島項(xiàng)目的特點(diǎn)開(kāi)展設(shè)計(jì)，為同類跨河或跨海項(xiàng)目提供技術(shù)參考。