港珠澳大橋減光建筑設計及施工探討

楊衛國，田睿

1 工程概況

1.1 項目特點

港珠澳大橋起于香港大嶼山散石灣，在澳門明珠和珠海拱北登陸，全長35 km，采用橋島隧組合方案，其中隧道長度為5.99 km，橋隧通過外海填筑東、西人工島進行轉換。為改善行車環境，確保行車安全以及節能降耗，滿足綠色環保的需求，同時景觀工程需要達到建筑與自然的和諧統一，港珠澳大橋在隧道口處設置了減光建筑[1]。在施工階段，為滿足上述功能和需求，對原初步設計方案進行了優化，采用了鋼結構格柵形式，坐落在港珠澳大橋島隧工程人工島隧道敞開段外墻與中隔墻頂部（出入口上方）。鋼結構主體結構分為橫梁、縱梁和立柱三大部分構件，橫梁一端與立柱連接，另一端與縱梁連接，呈“門形”構架結構，構架間距、高度依次遞減，起到減光效果。構架立柱在水平面上旋轉45毅，橫梁在豎直平面上傾斜45毅，構架立柱底部埋入隧道口外側墻的混凝土中，形成三維度空間結構。主結構總重約1 195 t，主要材質為Q345qCNH耐候鋼，板厚主要是10mm、16 mm、20 mm、25 mm、40 mm；預埋件總重約32 t，主要材質為Q235的角鋼。具體見圖1。

圖1 減光建筑實體效果圖Fig.1 Effectdiagram of light-weakening building entity

1.2 國內隧道洞口減光建筑的主要設計形式

國內隧道洞口減光建筑的常見主要結構設計形式有遮陽棚、遮光棚、遮光板、通透式棚洞以及利用洞口植被或景物等[2-3]，但對隧道洞口減光建筑的理論研究相對較少，近年來隨著隧道工程建設增多也相應有所增加。據報道，對隧道洞口的減光建筑進行深入研究的工程案例，有南京長江隧道（兩端洞口設有遮光棚）、上海市復興路隧道（兩端洞口設有遮光板）、南京維七路過江隧道（兩端洞口設有遮陽棚）、上海西藏南路隧道（隧道入口設有太陽能光伏板與垂直綠化相結合的光過渡段）、秦嶺隧道（隧道口采用綠化和廣告牌）以及武漢長江隧道等隧道工程。減光建筑的形式選擇，除考慮減光效果滿足行車安全和舒適性外，還需綜合考慮節能減排以及景觀和諧、投資成本和運營管理等現代管理理念和因素，目前國內基本選擇結構簡單、減光穩定的遮光棚較多。本項目初步設計時采取遮陽棚的結構形式，后續隨著工程建設深入和對本項目所處地理位置和環境條件認識深入，對原設計結構進行了優化，由遮陽棚改為遮光棚，且主體結構在形式上有所突破，采用了全鋼結構格柵。

2 項目初步設計與施工圖設計的變化

2.1 原初步設計方案

原初步設計時，減光建筑采用輕型光柵鋼結構的遮陽棚形式。光柵鋼結構由無縫鋼管（或卷制鋼管）構成，橫向斜置橢圓拱軸線為橢圓弧拱拱管；縱向連接主要采用鋼管和鋼桁架形式。光柵鋼架表面按建筑要求覆以遮光板或采光板達到光過渡效果。初步設計時，主要材料為準700伊16 mm鍍鋅無縫鋼管、2mm厚鈍化處理的鍍鋅鋼板（遮光板）和2 mm厚FRP（采光板）。詳見圖2。

圖2 減光建筑初步設計效果圖Fig.2 Prelim inary design renderingsof light-weakening buildings

2.2 兩方案比較分析

初步設計階段和施工設計階段，對減光建筑在總體結構形式以及材料組成、主體構造、施工工藝上都發生了根本性的變化，其主要是對項目深入了解以及結合土建、交通設施、景觀美學和節能減排等具體需求進行的優化或變更。以下主要從結構功能6大方面對方案進行比較分析。

1）抗風性能：原初步設計采用輕型鋼結構的屋架性結構，頂面及側面呈封閉狀態，受風面積較大；優化設計后采用重型格柵鋼結構，結構受風面積小，且自身抗風等級較高。

2）匯水面積及匯水量：主要針對雨水對隧道路面匯水影響進行分析。原初步設計采用封閉式圓頂，可以有效排除減光建筑覆蓋面的雨水順流進入隧道；現施工設計采用開口的格柵結構，增大了減光建筑覆蓋面的匯水面積和匯水量。在設計施工階段，設計對增加匯水量進行仔細核算，匯水面積和匯水量增加不大，在隧道洞口增加1道截水溝和側墻外增加1座雨水泵房加以解決。

3）洞口亮度變化及照明設計：原初步設計減弱自然光亮度，需采用燈光照明等措施加以解決；但該結構不會因日照投射造成地面陰影，引起駕駛員視覺上的變化，也就是頻閃效應。現施工設計減光效果好，不受自然環境因素影響；但是因格柵結構尺寸較大，受日照影響，結構在路面形成投射陰影，產生斑馬線條，這是否會引起駕駛員對頻閃的不適應，為此專門進行了《港珠澳大橋隧道減光罩減光效果及對行車影響評價研究》[4]，研究報告明確該優化的減光建筑在滿足減光效果的同時，產生的“頻閃效應對駕駛員行車安全以及視覺舒適度的影響處于可控范圍”。

4）行車安全及舒適性：2套設計方案均能滿足該功能，在試通車階段，駕駛員反饋良好。

5）節能降耗：原初步設計采用全封閉結構，對隧道周邊環境起到一定的隔聲作用，但增加隧道封閉段長度，不利于隧道內通風、消防，頂部大面積嵌裝透光材料，增加光污染；同時后續施工需增加燈光照明、排風設備（軸流風機）以及消防系統等設施，且后期運營期間維護工作量大。現施工設計采用格柵結構未增加隧道通風段長度，運營期間維護工作量小，且地處外海環境，受海風及周圍環境的影響，不會造成噪音污染，但需考慮景觀燈的設計。

6）建筑景觀美學：原初步設計在景觀美學上考慮在島面大量種植綠化植物來與島上建筑達到整體和諧效果，但島上綠化面積太大，占用公共區域大，且不利養護，浪費水資源；現施工設計結合島上建筑系統功能性的調整，使整個島體兼顧了供水、供電、消防、監控、照明以及隧道通風、排煙、防災救援和旅游觀光等功能，通過優化設計，除滿足該功能的變化外，還充分釋放島上面積空置率和整體島上建筑景觀和諧，使整個島上建筑既簡潔又不失大氣，既莊重又不失柔和。

通過對原初步設計和現設計施工的比對分析，現設計更能體現本項目特點，也更體現時代發展的需要。除滿足洞口減光和行車安全的基本功能外，更能體現節能降耗以及建筑景觀美學等優點。

3 施工工藝

3.1 鋼結構制作

3.1.1 制作工藝流程

減光建筑加工構件分為立柱、橫梁、縱梁3個主要部分，加工完成并驗收合格后駁運至現場安裝。加工過程中，重點控制立柱和橫梁的角度匹配性。在完成焊接工藝評審后，嚴格按制作工藝流程圖進行加工制作。主要制作工藝流程為：鋼板進場檢驗寅預處理寅放樣、切割寅板單元加工寅組裝板單元（含胎架工裝加工）寅涂裝寅驗收出運。

3.1.2 質量控制要求

本項目主體結構縱梁和橫梁設計均為窄面箱體結構，且箱體內隔板較少，極易產生焊接變形。為確保箱體制造精度，主要從以下幾個方面進行質量控制。

1）焊接工藝控制：制定焊接工藝操作手冊。焊接前，組織專門焊工和設備，開展焊接工藝評定試驗，并完成焊接工藝評定試驗方案專家評審及修訂后，形成系統操作手冊用來指導后續施工。

2）裝配工藝控制：采用側裝法。即一側腹板單元放置于胎架上，依次放置隔板、蓋底板單元組成三面成型箱體，最后裝配另一側腹板，箱體四面成型。裝配焊接時，通過碼板固定箱體直線度，焊接時嚴格按焊接工藝操作手冊執行，同時主焊縫焊接時由中間向兩端同時對稱焊接。

3）工裝胎架控制：專門設計翻身胎具以及吊具。

3.2 鋼結構安裝

3.2.1 作業流程

現場安裝包括從運輸船靠東人工島卸船碼頭到總裝結束的全過程，主要作業流程見圖3。

圖3 減光建筑安裝主要作業流程圖Fig.3 M ain operation flow chartof the light-weakening building installation

3.2.2 安裝工藝

1）劃線：在安裝前，復測控制網及各項尺寸[5]，對各類部件的安裝位置進行劃線。在整個安裝過程中，需依據預埋件的位置，精確劃線，確保現場安裝的質量及精度。測量劃線采用與全島統一的坐標系，減光建筑安裝軸線采用全站儀測量劃線實現，各構件的安裝位置在墻體上做明顯標記，劃線時需控制好立柱偏轉角度及中心軸線位置和相對高程等指標。

2）縱梁安裝：縱梁安裝前對墻體上表面的高程進行測量，對偏離理論高程值的位置進行打磨或者墊不銹鋼墊片處理。構件安裝前仔細核對尺寸等參數，確認無誤后組織安裝作業，吊裝采用90 t履帶吊進行。縱梁吊裝至中隔墻頂部調整、精確定位后，施工人員按要求進行施焊，先焊接縱梁兩側立焊縫，再焊接底板對接焊縫。

3）立柱安裝：立柱正式安裝前，將立柱基坑內調整螺母調整到預定高度，并測量上表面的高程與水平，滿足要求后，通過吊車將立柱安裝定位，擰緊立柱底部螺栓，安裝調節纜風繩后方可松鉤；然后利用立柱上2根調節纜風繩，精確調節立柱安裝角度，并確保構件穩定。

4）橫梁安裝：利用吊車將橫梁緩慢升至安裝位置后，先調整與立柱側對接，再調整橫梁與縱梁對接。橫梁與立柱對接時，通過調整立柱纜風繩或橫梁吊裝時安裝在兩端的纜風繩調整立柱小節段與對接的橫梁四個面在同一平面內（直靠尺測量）；橫梁與縱梁為搭接對接，調整橫梁頂部直角輪廓線與縱梁垂直，且南北車道橫梁頂部輪廓線在同一直線上，如整體調整對位無法滿足兩車道橫梁頂部輪廓在同一直線上時，調整立柱橫向軸線定位，以保證安裝的線形呈直線。安裝過程中，需確保橫梁的傾斜角度滿足設計要求。對接完成且通過碼板固定對接端口，人工焊接成型。

5）涂裝施工：鋼結構安裝完成、焊縫檢測合格后進行焊縫處補涂裝作業。涂裝前清理基面，涂裝完成后進行涂層檢測。現場安裝效果見圖4。

圖4 涂裝后減光建筑安裝成品圖Fig.4 Installation of finished light-weakening buildings after coating

4 驗收標準的制定

港珠澳大橋島隧工程減光建筑結構尺寸大，且為三維空間結構，其基礎為島上敞開段隧道的側墻與中隔墻，整體結構形式復雜，立柱與基礎預埋件采用螺栓連接后再澆筑混凝土，橫梁與縱梁及立柱采用焊接形式，形成整體結構。該結構在滿足結構安全和使用功能要求前提下，須充分考慮整體建筑的景觀效果。在“首件制”安裝結束后，經過現場實測實量，發現原設計要求參照GB 50205—2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》[6]的實測項目及允許偏差，不適宜本項目減光建筑三維空間結構的特點，在對“首件制”成果進行分析總結后，制定了適合港珠澳大橋減光建筑安裝質量驗收標準[7]（表1），專用質量驗收標準在原設計要求的基礎上對減光建筑安裝后實測項目進行規定。

5 結語

1）港珠澳大橋隧道減光建筑經檢驗，完全滿足行車安全和節能降耗以及建筑景觀美學的要求。

2）根據對項目深入了解，適時對原初步設計方案進行優化調整是合適的，確定采用遮光格柵的結構形式值得后續建設隧道工程借鑒。

表1 減光建筑安裝質量驗收標準Table1 Installation quality acceptance standard of lightweakening buildings

3）項目推行“首件制”質量管控手段并結合實際對原不完全適宜本項目的驗收標準進行修訂的做法，值得后續工程建設進行推廣。

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[1]中交公路規劃設計院有限公司. 港珠澳大橋主體工程島隧工程施工圖設計：東人工島隧道現澆敞開段[R]. 2014.CCCC Highway Consultants Co., Ltd. Construction drawing ofisland and tunnel project of Hongkong

[2]潘貝貝，翁季. 公路隧道洞口減光措施的研究綜述[J]. 燈與照明，2013，37（3）：18-23.PAN Bei-bei, WENG-Ji. Review of the measures for reducing light in the tunnel entrance of highway tunnel[J]. Light Lighting, 2013,37(3): 18-23.

[3]彭子暉.隧道自然光過渡設計淺議[J].地下工程與隧道，2013（2）：8-11，60.PENG Zi-hui.Discussion on the transition design of natural light in tunnel[J].Underground Engineering and Tunnels,2013(2):8-11,60.

[4]同濟大學交通運輸工程學院.港珠澳大橋隧道減光罩減光效果及對行車影響評價研究報告[R].2017.Transportation Engineering College of Tongji University.Evalua-tion research report on the light reduction effect in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge tunnels and its influence on driving[R].2017.

[5]JTG/TF50—2011，公路橋涵施工技術規范[S].JTG/T F50—2011,Technical specification for construction of highwaybridgeand culverts[S].

[6]GB 50205—2012，鋼結構工程施工質量驗收規范[S].GB 50205—2012,Code for acceptance of construction quality of steelstructure[S].

[7]港珠澳大橋管理局. 港珠澳大橋主體工程隧道工程施工及質量驗收標準[S]. 2017.Hongkong -Zhuhai -Macao Bridge Authority. Construction andquality acceptance criteria for tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge main project[S]. 2017.