广深沿江高速公路深圳段设计

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　　摘要本项目为广深沿江高速公路深圳段，与深港西部通道连接，全长31.533km。本文重点介绍广深沿江高速公路深圳段的设计，包含项目概况、项目特点、总体设计、桥梁设计以及耐久性设计。
　　关键词广深沿江深圳段设计
　　项目概况
　　 广深沿江高速公路起于广州黄埔，终于深圳南山，向南通过深港西部通道与香港相接，是继广深高速公路之后，珠江三角洲地区又一条重要的南北通道。
　　 本项目为广州至深圳沿江高速公路深圳段，工程起自东莞长安镇东宝河北岸，与东莞段相接，终于深圳南山区的月亮湾，与深港西部通道相接。路线设计长度为31.533km，路基宽41m，双向八车道，本工程除终点100m为路基外，其余均为连续高架桥梁，主线桥梁总长31.433km，占路线总长的99.7％，根据路线经过的区域位置、建设条件的不同，全线分为11座特大桥，1座大桥。
　　 全线共设置互通式立交4座，互通范围内匝道的桥梁长度为11.103km，匝道的路基长度为5.431km。本项目设主线收费站1 处，二线边检站1 处，互通区匝道收费站10 处。
　　 本项目总投资112亿，计划2011年底建成通车。
　　自然条件
　　（一）地形、地貌
　　 广州至深圳沿江高速公路深圳段大致可分为南北两段：北段自东宝河至宝安国际机场属泥滩和浅海；南段自机场至月亮湾互通为浅海及海积阶地。
　　 本段路线部分位于海积阶地平原和填海区，地形平坦，沿线鱼塘、河涌较多，部分路线位于浅海区，海水深一般在2～6米，沿线由于城镇化发展较快，开发区、厂房密集。
　　（二）气象条件
　　 项目所在地区属南亚热带海洋型气候，常年温暖湿润，雨量充沛，年平均气温22～22.5°C，年平均相对湿度为79～81%，年平均降水量为1850mm。年常风向为东南东和北北东，次常风向为东北和东，实测最大风速深圳站40m/s，赤湾站30m/s。
　　 项目所在地区常受热带风暴及台风袭击，年平均台风影响次数4.8 次，台风盛行期在7～9 月，台风中心经过时风力可达11～12 级。
　　（三）水文
　　 伶仃洋潮汐属不规则半日潮，即在一个太阴日里(约24小时50分)，出现两次高潮两次低潮，日潮不等现象显著。
　　 伶仃洋是喇叭形河口，受地形影响，径流作用相对较小，由下至上潮差是沿程递增的，平均涨、落潮差赤湾站1.38m，至舢板洲站为1.61m。潮差的年际变化不大，年内变化相对较大，汛期潮差略大于枯水期潮差。
　　 项目所在地区波浪类型主要是风浪，主要受当地风的影响，涌浪率很小。
　　（四）工程地质
　　 本项目位于华南粤中土坳陷带内，岩浆活动和断裂构造是本区地质构造的主要特征。加里东期、燕山期的岩浆活动形成了混合花岗岩和花岗岩两种不同时代的岩类，构成该路段的岩石基底，基岩埋深30～40m。
　　 断裂构造主要有北东向、近东西向和北西向等断裂体系。其中北东走向的断裂最为发育。
　　 上述断裂构造，在第四纪更新世及以前属于活动断裂，进入全新世以来活动性大大减弱。有地震记载以来，区域内最大一次地震是发生于1962年的河源6.1级地震。其它的均为小震，而最大的地震影响烈度为V度。
　　项目特点
　　 广深沿江高速深圳段途经珠江口海域，北段广州黄埔一带为狮子洋，南端内伶仃岛一带为伶仃洋，深圳西海岸以西为前海，又称大铲湾。根据工程所处的地理位置和建设条件，本工程具有以下特点：
　　（一）桥梁工程规模大,外部条件复杂
　　 工程全线长约31.533公里，设计采用连续高架方案，主线桥总长占路线总长的99.7％，同时还包含4座互通，工程规模较大。
　　 本项目北段自东宝河至宝安国际机场属泥滩，南段自机场至月亮湾互通为浅海及海积阶地,随着大规模的填海造陆，原始地形变化较大，工程处于陆地、蚝田、海上多种环境。沿线被交道路、互通立交较多，区段异形跨较多，需采取现浇的区段较多。
　　（二）车道多，荷载大，等级高
　　 本项目为高速公路，双向八车道，设计行车速度100Km/h，设计荷载公路―I 级，桥梁结构宽度40.5m，路基宽度41m，为目前国内最宽的高等级公路，且本项目与深港西部通道相连。根据深港西部通道交通量预测结果，大型的运营车辆中，大型的货柜集装箱车占85%以上，同时，本项目沿线又与蛇口港、福永港、大铲湾深水港区、宝安国际机场航口枢纽等多个港口码头互通，货运车辆载重大、等级高，而桥梁工程长度又占全线的99.7％，宽结构、大荷载、高等级的建设标准给主体工程的结构设计带来了较大的挑战性。
　　（三）台风、大风影响较大
　　 本地区属南亚热带海洋季风区,主要灾害性天气有台风、热带风暴及伴随而来的洪水和暴潮等。台风对于工程的施工安全与进度影响较大。
　　（四）海洋环境侵、腐蚀严重
　　 深圳段跨海里程约有17.6km，桥梁具备遭受物理性腐蚀和化学类腐蚀的环境条件。根据室内水质分析结果，工程区海水盐度为18‰，Cl－含量评价10000mg/L，SO42-含量平均2500 mg/L，具备湿润区和半湿润区混凝土直接临水和干湿交替的条件，属Ⅱ类环境。其中，大铲湾浅海区、大铲湾码头海湾区及妈湾浅海区各海域，海水水质对混凝土具有中等结晶类腐蚀和强结晶分解复合类腐蚀；其它各区：沙井滨海泥滩区地下水具有中等结晶类腐蚀和中等结晶分解复合类腐蚀，宝安滨海泥滩区地下水具有中等结晶类腐蚀和强结晶分解复合类腐蚀，月亮湾填土区和西乡海积阶地填土区地下水具有中等结晶类腐蚀和中等结晶分解复合类腐蚀。桥址常年气温较高，湿度大，季候风强烈，海水含盐度高，涨落潮的干湿侵、腐蚀效应、海洋大气的侵、腐蚀作用对大桥的使用寿命有较大的影响。
　　（五）考虑船撞力的范围广、种类多
　　 本项目除东宝河特大桥主桥基础考虑船撞力设计外，跨越虾山涌码头通航孔、三围涌码头通航孔、西乡河码头通航孔的桥梁基础均需考虑船撞力。另外，由于本项目与大铲湾航道平行，又临近大铲湾码头，因此，机场段约7km的桥梁，前海段约3km的桥梁均需考虑船撞力，涉及的范围较广。各通航孔、机场段、前海段桥梁的船舶撞击力均不相同，种类较多。
　　（六）施工组织难度大
　　 工程全长约31.533km，工程规模较大，施工作业有陆地区、蚝田区、浅海区等多种区域环境，且受伶仃洋风浪的影响，施工组织需根据不同地段的条件进行综合考虑，须同时顾及航运、防洪等诸多方面的要求。因此，桥梁的施工组织方案是一项系统工程，必须认真研究、比选，慎重确定施工组织方案，以确保大桥施工能够安全、顺利实施。
　　（七）设计方案与施工方案紧密结合
　　 本工程部分区段位于海中，具有海上桥梁的一些特点，部分区段位于陆地、蚝田区，具有陆地和滩地桥梁的施工条件，同时，还需要考虑在施工期间对被交路、航道尽可能少的影响。因此，结合桥梁结构形式，采用支架现浇、预制拼装、整孔吊装、悬臂浇筑、钢箱梁节段拼装等施工方法，综合比选，充分考虑各区段施工作业的特殊性。
　　总体设计
　　 本项目全线采用全封闭、全立交的双向八车道高速公路标准。其中路线起点至前海互通段路基宽度41.0m，桥梁宽度40.5m。前海互通至终点段路基宽度36.5m,桥梁标准宽度36.0m。
　　 全线共设置14个平曲线，有8处采用了设置超高的半径，最小平曲线半径为1800m/1处，最大平曲线半径8500m/1处，平曲线占路线总长的67.46%。
　　 全线共设变坡点21个，平均每公里纵坡变更次数0.66次，最大纵坡1.5％/1处，最短坡长450m/1处，最小凸型竖曲线半径16000m/1处，最小凹形竖曲线半径25000m/1处，竖曲线占路线总长的45.65％。

　　桥梁设计
　　 本项目全线上部结构共有结构形式六种：部分斜拉桥、变截面连续箱梁、连续刚构、钢箱梁、预制组合箱梁、混凝土连续箱梁。其中预制组合箱梁648跨，4562片，整体预制箱梁228跨，228片，现浇箱梁991跨，钢箱梁12跨。
　　 本节重点介绍本项目中具有代表性的两座桥梁：东宝河特大桥主桥和机场特大桥，以及全线中普遍存在的一种上部结构形式：预制组合箱梁，其他结构形式均为常规结构。
　　（一）东宝河特大桥
　　 东宝河特大桥主桥跨径为120+216+120m，双塔四索面部分斜拉桥，全长456m，位于半径2000m的平曲线上。主桥左右幅分离布置，结构形式采用塔墩固接、塔梁分离的三跨连续体系。单幅桥宽22.05m，塔高49.2m，为三柱式桥塔。
　　 通航净宽139m，净高15m，设计最高通航水位3.45m，设计最低通航水位-0.92m。
　　（1）主梁
　　 主梁半幅桥采用单箱三室小悬臂斜腹板断面，腹板斜率不变，底板宽度根据主梁梁高的变化而渐变。端支点及跨中位置梁高3.5m，中支点位置梁高8.0m，其余主梁梁高采用1.8次抛物线变化。主梁设计按挂篮悬臂浇筑法施工，最大悬臂浇注梁段重量为390.0T。
　　 主梁采用预应力混凝土结构，按全预应力构件设计。纵向预应力采用15-16、15-19钢绞线，竖向采用精轧螺纹钢筋，并采用二次张拉工艺。
　　（2）主塔
　　 每个主塔由1根中塔柱、2根边塔柱、上下横梁组成框架结构（见图3）。
　　 主塔结构高49.2m，分为上塔柱和下塔柱，其中上塔柱高40m，下塔柱高9.2m。塔上设鞍座，以便拉索通过。每根斜拉索对应一个鞍座，中塔柱斜拉索横桥面呈两排布置，鞍座亦设两排。
　　 鞍座采用分丝管形式，分丝管采用φ28x3mm厚的无缝钢管，分丝管为圆弧形。
　　（3）斜拉索
　　 斜拉索采用扇形布置，梁上间距8m，塔上间距2m，拉索通过预埋鞍座穿过塔柱，在主梁上张拉。斜拉索采用高强度低松弛环氧喷涂钢绞线。每根拉索由73根7φ5钢绞线组成，全桥共计64根。
　　
　　
　　（4）主墩及基础
　　 边墩、中墩均采用空心矩形断面，边墩顺桥向5.0m，横桥向3.5m；中墩顺桥向5.0m，横桥向6.0m。墩顶位置设置下横梁，采用空心矩形断面，高5.0m，顺桥向宽5.0m。
　　 主塔基础采用钻孔嵌岩桩，桩底嵌入中风化花岗岩层，桩径2.5m，边塔柱6根，中塔柱9根。
　　（二）机场特大桥
　　 机场段特大桥是广深沿江高速公路深圳段中部的一段海上桥梁（K66+103~K72+943），桥梁东侧为宝安国际机场，西侧为内伶仃洋大铲水道，紧贴珠江治导线内侧，全长6.84km。
　　 通过对30m预制组合箱梁、40m移动模架现浇箱梁、60m整体预制箱梁的方案比选，考虑到本区段的海域施工环境和较大的基础防船撞要求，决定机场段特大桥上部结构采用60m整体预制箱梁，使用大型浮吊海上吊装施工，边梁吊装重2390t，中梁吊装重2384t。
　　 本区段海域属于伶仃洋，潮汐变化属不规则半日潮，基本水深4~7m，潮差1.0~2.0m，涨落潮流速不大 ，设计高潮位为3.526m(85基面)，设计低潮位为-1.384m(85基面)。
　　（1）主梁
　　 本桥为分离式双幅桥梁，单幅箱梁采用单箱双室截面，箱梁顶板宽19.65m,底板宽10.35m，梁高3.5m。箱梁两侧悬臂长3.65m。顶板横坡通过箱梁预制时顶板斜置形成，腹板设计为斜腹板，外侧斜度为1:2.8765，内侧斜度1:3.1235。
　　 相邻跨的预制梁通过在墩顶设置湿接缝实现结构连续，墩顶湿接缝顶板处宽度为108cm，底板处宽度为150cm。
　　
　　
　　（2）主梁预应力
　　 箱梁采用纵向和横向双向预应力体系。
　　 箱梁纵向预应力体系采用15-19、15-16、15-12型三种规格，箱梁顶板横向预应力采用15-3型，采用单端张拉。
　　 整体预制箱梁对腹板钢束采用二次张拉技术，在混凝土强度达到25MPa后开始初张拉，张拉力取设计张拉吨位的33%。
　　（3）桥墩及基础
　　 墩柱采用矩形墩身，顺桥向呈曲线型，下部尺寸为2m（横桥向）x2.6m（顺桥向），上部尺寸为2m（横桥向）x4.0m（顺桥向），。
　　 半幅每墩下设置4根直径1.8米的钻孔灌注桩，大部分采用嵌岩桩，部分采用摩擦桩。
　　（三）预制组合箱梁
　　（1）方案比选
　　 组合箱梁主梁的梁间距与单幅桥主梁的片数、单片主梁的吊重及施工进度密切相关。为了确定合理的主梁间距，对30m跨度的组合箱梁按单幅桥宽分别进行了四片、五片和六片的研究。
　　 鉴于本项目通行大型的货柜集装箱车的比例较高，且位于腐蚀环境较严重的沿海地区，桥梁的载荷大，抗腐蚀能力要求高。为提高结构的耐久性，组合箱梁按全预应力构件设计，先简支后连续结构的负弯矩区按预应力混凝土A类构件设计。
　　 各方案主要的结构参数、工程数量、工程造价、施工进度见下表。
　　 箱梁分片方案比较表（单孔单幅）
　　 比选项目
　　结构参数 30m组合箱梁
　　 四片方案 五片方案 六片方案
　　
　　
　　
　　 注：表中技术经济指标仅为上部组合箱梁的经济指标，不包含耐久性措施。
　　 结论：30m组合箱梁六片梁方案、五片梁方案、四片梁方案在工程造价方面依次递增，以六片梁的工程造价为基数，五片梁增加5.0%，四片梁增加9.6%。在施工方面，五片组合箱梁的速度最快，六片梁由于梁的片数多，施工速度减慢，以2100m的桥长为例，六片梁较五片梁增加140片梁；四片梁的吊装重量达182t，吊装重量增大后，设备投入增加，施工速度放慢。同时，五片梁较六片梁在耐久性方面有优势。因此，从经济、施工及耐久性方面综合考虑，本项目推荐采用半幅五片组合箱梁方案。
　　（2）结构形式
　　 预制组合箱梁分为边跨边梁、边跨中梁、中跨边梁和中跨中梁。边梁预制宽度3.525m，中梁预制宽度3.2m，湿接缝标准宽度0.75m。
　　 预制组合箱梁顶板厚度20cm，跨中底板厚度24cm，支点附近底板厚度30cm，跨中腹板厚度24cm，支点附近腹板厚度32cm。悬臂端部厚度20cm，根部厚度30cm。边跨边梁、边跨中梁、中跨边梁和中跨中梁吊装重量分别为：138.1t、131.6t、133.4t、126.1t。
　　耐久性设计
　　 针对本项目的腐蚀特点以及腐蚀环境，提出全桥防腐的总体思路，即采用海工低渗透高性能混凝土和增加混凝土保护层厚度，同时针对不同的结构部位和环境作用等级增加相应的防腐附加措施。
　　（一）海工耐久性混凝土
　　 水泥采用强度等级不低于42.5级，且符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）标准中的Ⅱ型硅酸盐水泥（代号P.Ⅱ），混凝土的粗集料最大粒径还不应超过25 mm，并掺加矿物掺和料、聚羧酸类减水剂。混凝土水胶比及胶凝材料见下表。
　　
　　
　　
　　 注：抗氯离子渗透系数采用RCM法测定，采用84d龄期评定。
　　（二）混凝土保护层
　　 适当增加钢筋保护层厚度是确保跨海桥梁耐久性最基本、最重要、也是最为经济有效的方法，本项目钢筋保护层厚度控制值见下表。
　　
　　
　　
　　（三）裂缝控制
　　 为满足防腐要求，构件除提供足够厚度的保护层外，还应控制混凝土开裂。本项目对位于不同环境作用等级的混凝土构件裂缝控制如下：
　　
　　
　　
　　（四）附加防腐措施
　　
　　
　　
　　（五）其他防腐措施
　　 预应力管道采用耐腐蚀、密封性能好的高密度聚乙烯或聚丙烯波纹管，采用真空辅助压浆技术灌浆，并采用海工专用预应力管道灌浆料。
　　 部分斜拉桥拉索采用环氧喷涂工艺，外涂油脂，单根PE护套，斜拉索外层采用HDPE护套。
　　 支座采用耐蚀球型钢支座，钢材采用耐候钢，在本工程海洋性环境下，使用寿命不低于50年。
　　 预制组合箱梁湿接缝处（纵向、横向）、60m整体预制箱梁纵向湿接缝以及横向预应力封锚混凝土表面采用硅烷浸渍。
　　 对于预埋钢筋，在其自身的混凝土浇注前，一段时间内暴露在大气中，为防止钢筋的锈蚀，采用涂膜镀锌的方法加以保护。
　　结语
　　 本项目为广东省“十一五”规划重点建设项目，也是国家公路干线网的组成部分。项目自身具有海上桥梁、陆地桥梁，高速公路、城市快速路的共同特点，在设计过程中紧紧围绕其特点，力求安全与创新兼顾，美观、耐久与经济共存，同时结合项目所处的自然环境，使设计方案与施工方案紧密结合。
　　参考文献
　　[1]《东莞长安至深圳南山高速公路（广深沿江高速公路深圳段）初步设计》，2007.8.
　　[2]《东莞长安至深圳南山高速公路（广深沿江高速公路深圳段）施工图设计》，2008.6.
　　[3]《东莞长安至深圳南山高速公路（广深沿江高速公路深圳段）桥梁方案专题研究报告》，2007.7.
　　[4]《广州至深圳沿江高速公路深圳段防腐专题报告》，2007.07.
　　[5]《沿江高速公路（深圳段）混凝土结构耐久性设计方案咨询报告》，2007.10.
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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