崇啟通道（上海段）北支大橋橋梁總體設(shè)計(jì)

袁慧玉

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 工程概況

崇明至啟東長江公路通道工程（以下簡稱“崇啟通道”）起始于崇明越江通道（上海長江隧橋）終點(diǎn)，往北跨越長江北支后與江蘇寧通啟高速公路順接，是滬崇蘇越江通道的重要組成部分，也是國家高速公路網(wǎng)滬陜高速公路G40的重要組成部分。本工程建成后將進(jìn)一步增強(qiáng)蘇北地區(qū)、山東半島與上海浦東機(jī)場、洋山深水港之間的聯(lián)系，促進(jìn)上海航運(yùn)中心的建設(shè)及地區(qū)一體化的聯(lián)動發(fā)展。

崇啟通道工程主線全長51.763 km，按省界劃分為上海段與江蘇段，其中主通航孔位于江蘇省內(nèi)。上海段位于上海市崇明島，工程全長30.735 km，其中長江北支大橋上海段，從內(nèi)陸起坡，分別跨越四通港大堤、規(guī)劃隨塘河及規(guī)劃中縮窄大堤后止于滬蘇省界，全長約2.3 km。設(shè)計(jì)速度100 km/h，按雙向六車道布置，路橋同寬。橋面分上下行兩幅橋，單幅橋?qū)?5.5 m，全橋總寬33 m。橫斷面布置為：0.5 m（防撞欄桿）+15.0 m（機(jī)動車道+緊急停車帶）+2.0 m（中央分隔帶）+15.0 m（機(jī)動車道+緊急停車帶）+0.5 m（防撞欄桿）=33.0 m，橋梁橫斷面布置圖如圖1所示。

2 建設(shè)條件

崇啟通道上海段工程橋位區(qū)位于上海市東北部長江北支的中段，由于上游河勢演變以及北支口圍墾等因素的影響，北支河床處于不斷萎縮和淤積的過程之中，并向漲潮槽發(fā)展。目前，橋位靠近省界約800 m左右范圍已處于沙洲上，地面標(biāo)高2.5～3.5 m，再往上海方向至四通港大堤1 100 m左右范圍為淺灘區(qū)，水面標(biāo)高4.4～3.4 m，水深3.7～1.6 m，四通港大堤以內(nèi)已全部淤積至灘面，高程約3.8 m。

圖1 橋梁橫斷面布置圖（單位：cm）

3 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)崇啟通道所處的地理位置、工程規(guī)模，以及北支大橋總體構(gòu)思和上海段橋梁的工程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)立足于“技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、耐久適用、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境保護(hù)”的基本原則。

在設(shè)計(jì)中借鑒了國內(nèi)外特大型跨海大橋特別是東海大橋、上海長江大橋等的建橋?qū)嵺`及成功經(jīng)驗(yàn)。并針對該工程的自然條件和周邊環(huán)境，綜合考慮不同區(qū)段的工程規(guī)模與不同設(shè)備的使用效率，因地制宜、區(qū)別對待地進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在滿足橋梁交通使用功能的前提下，力求造型美觀，各區(qū)段風(fēng)格一致，橫斷面形式基本相同，立面線形流暢，總體上與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。同時(shí)充分重視水環(huán)境和自然景觀的保護(hù)，力求將其影響降低到最低限度，并且選擇合適的結(jié)構(gòu)形式與施工方法，以降低工程造價(jià)。

考慮到橋址處于長江入海口附近，受鹽水入侵長江口的影響，具有一定的腐蝕性。設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)形式、材料應(yīng)用、防腐措施選擇等方面綜合考慮，采用整體性強(qiáng)、耐久性好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，滿足設(shè)計(jì)使用年限100 a的要求。同時(shí)考慮到橋跨結(jié)構(gòu)長期營運(yùn)的耐用性，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需考慮河勢及崇明北沿促淤圈圍工程對橋梁基礎(chǔ)的影響情況，設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)選型上應(yīng)滿足保證施工速度快、結(jié)構(gòu)可靠、造價(jià)節(jié)省的技術(shù)要求。

4 總體設(shè)計(jì)

4.1 橋型及跨徑布置

在進(jìn)行橋梁總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到施工受潮位、河勢、水文、氣象等的影響較大，橋位處較大范圍內(nèi)常水位時(shí)為淺灘區(qū)，高水位時(shí)又為淺水區(qū)，故基礎(chǔ)、下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的施工安裝都必須針對這些特點(diǎn)分別選擇合適的施工工藝和施工機(jī)具。同時(shí)，又要兼顧全線工程工期的要求，為此，工程分為五個(gè)區(qū)段，從上海往江蘇方向分別如下：

（1）起坡段

采用30 m跨徑的等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。該段橋面較低，地面已成陸，對地基進(jìn)行加固處理后，可以采用滿堂支架或少支架法施工。

（2）跨四通港大堤段

采用三跨斜交等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁跨越。考慮到工期緊張，可采用支架加貝雷梁的方法現(xiàn)澆。

（3）淺灘區(qū)

該段范圍內(nèi)共有28孔50 m等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，每7孔為一聯(lián)，占工程總量的61%，該段的施工進(jìn)度控制了整個(gè)長江北支大橋上海段工程的工期進(jìn)展。考慮到橋位處施工船只無法進(jìn)行船吊等操作，故采用造橋機(jī)移動模架逐孔現(xiàn)澆法施工。

（4）跨規(guī)劃中縮窄大堤段

該段采用主跨150 m的三跨變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。采用掛籃懸臂澆筑的施工方法。

（5）接江蘇省段

該段采用三跨50 m等高度預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，與江蘇段合作施工，采用架橋機(jī)逐跨節(jié)段拼裝法施工。

4.2 規(guī)劃中縮窄大堤建成前后對北支大橋引橋上海段橋墩的沖淤影響

為了分析橋墩附近在規(guī)劃中縮窄大堤建成前與建成后的水流及沖刷情況，委托有關(guān)單位對崇啟通道長江北支大橋引橋上海段工程的沖淤特征及其基礎(chǔ)局部沖刷進(jìn)行專題研究。

通過水流試驗(yàn)、動床物理模型試驗(yàn)、局部沖刷試驗(yàn)，以及三維泥沙模型分析表明：建橋后，崇啟通道長江北支大橋引橋上海段區(qū)域淤積更為明顯；再加上縮窄圍墾后，其前沿即橋位區(qū)沖淤變幅較小，仍呈現(xiàn)微淤態(tài)勢。局部沖刷及沖刷范圍有限，建議崇啟通道長江北支大橋引橋上海段區(qū)域可不采取防護(hù)措施。

該專題研究結(jié)論為之后的工程設(shè)計(jì)與建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，也為施工階段施工組織提供水域內(nèi)水文條件，同時(shí)也降低了工程造價(jià)，免去了橋墩防沖刷的措施費(fèi)用。

4.3 跨四通港大堤跨徑的確定

4.3.1 方案比選

四通港大堤將長江北支大橋南引橋分隔為陸域段與淺灘區(qū)，在其南側(cè)（內(nèi)側(cè)）為地勢較平緩的陸地區(qū)域；其北側(cè)（外側(cè)）為河床面較高的灘涂區(qū)域，河床低潮時(shí)有露出，不便施工船只進(jìn)出。四通港大堤與橋軸線斜交25.04°，堤腳寬約49 m（包括拋石區(qū)）。該大堤目前為一線大堤，但是當(dāng)距省界300 m左右的規(guī)劃中縮窄大堤建成后，即退位為二線大堤。考慮到工程經(jīng)濟(jì)性，并結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)（東海大橋及長江大橋均以50 m跨度跨越大堤），同時(shí)考慮斜交影響，跨越四通港大堤跨徑取52 m，采用錯(cuò)幅布置的等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁方案。

內(nèi)側(cè)橋墩設(shè)在內(nèi)坡上，外側(cè)橋墩設(shè)在堤腳的一層薄的拋石外，跨徑組合為50 m+52 m+42 m。連續(xù)梁采用斜交正做的方法，承臺長邊平行于堤軸線，墩身軸線與上部結(jié)構(gòu)垂直，與承臺軸線成25.04°的斜交角。由于大堤堤頂標(biāo)高較高為7.7 m，為了減少橋墩承臺施工對已建大堤內(nèi)坡的開挖，將承臺底標(biāo)高盡量抬高，底面高程為4.4 m，因此承臺頂面高程為6.9 m，略低于大堤堤頂標(biāo)高。采用支架現(xiàn)場澆注的施工方法可以滿足兩年施工工期的要求。方案平面、立面布置示意圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 52 m跨徑方案平面布置示意圖（單位：m）

圖3 52 m跨徑方案立面布置示意圖（單位：m）

在工程初步設(shè)計(jì)階段，還考慮了橋墩完全跨越大堤的比選方案。該方案最小跨徑需要70 m，跨徑組合為40 m+70 m+40 m。橋梁也采用錯(cuò)幅布置的方式，主墩承臺與大堤軸線平行布置，與橋墩軸線成25.04°的斜交角，主墩支點(diǎn)處梁高4.1 m，跨中梁高2 m，支點(diǎn)向跨中梁底以拋物線型進(jìn)行過渡。該方案橋型布置分別如圖4和圖5所示。

圖4 70 m跨徑方案平面布置圖（單位：m）

圖5 70 m跨徑方案立面布置圖（單位：m）

兩個(gè)方案從結(jié)構(gòu)外形、施工便捷、對大堤的影響及工程造價(jià)等方面進(jìn)行了比選，具體內(nèi)容詳見表1。

經(jīng)比選，雖然52 m跨徑連續(xù)梁有一個(gè)墩位于大堤內(nèi)坡上，基礎(chǔ)施工對大堤會有影響，但是通過大堤保護(hù)措施可以保證大堤的安全。而且，在工程造價(jià)上52 m連續(xù)梁方案加上大堤保護(hù)的造價(jià)比主跨70 m的三跨連續(xù)梁仍低5.0%。同時(shí)考慮到橋梁景觀及施工工期等因素，采用52 m跨徑三跨等高度連續(xù)梁方案。

4.3.2 大堤保護(hù)方案

該工程北側(cè)橋樁落在老促淤堤外側(cè)一層拋石護(hù)灘外，對新建大堤外側(cè)基本沒有影響，但南側(cè)橋樁落在堤身內(nèi)坡上，為了確保大堤的滲透穩(wěn)定，需采取措施保護(hù)大堤，以保證大堤安全。保護(hù)方案是將承臺的施工平臺與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來形成封閉的防滲墻，以達(dá)到保護(hù)大堤的作用。

表1 跨四通港大堤橋梁方案綜合比較表

具體方法如下：先在圍護(hù)結(jié)構(gòu)以外5 m寬范圍用土回填到堤頂形成承臺施工平臺，再在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)用兩排?1 000 mm@800 mm旋噴樁形成封閉的防滲墻。經(jīng)計(jì)算，防滲墻穿透②3-2層砂質(zhì)粉土，底高程為-15.0 m。因承臺開挖施工需要，基坑底高程為4.4 m，外側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)需抵抗3.6 m高的堤身土。經(jīng)計(jì)算，-2.00 m高程以上高壓旋噴樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)（含防滲墻）厚度需4.2 m，其中靠外海側(cè)及兩側(cè)-2.00 m高程以下防滲墻厚度為2 m。具體布置如圖6和圖7所示。

圖6 工程措施立面示意圖（單位：m）

圖7 工程措施平面示意圖（單位：m）

4.4 跨規(guī)劃中縮窄大堤跨徑的確定

為滿足崇明島百年－遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)劃上考慮在距省界約300 m處修建中縮窄大堤，而本工程橋梁線位正好跨過該規(guī)劃大堤，橋軸線與其斜交約15.86°，且該大堤后于該工程橋梁建設(shè)。由于此處淤泥較深，且為軟基，未來大堤的修建不可避免地會對已建橋梁的基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響。為了確保橋梁在100 a使用年限內(nèi)的安全，同時(shí)為跨規(guī)劃大堤跨徑布置提供一個(gè)科學(xué)的依據(jù)，委托專業(yè)研究單位進(jìn)行關(guān)于后建大堤對已建橋梁樁基影響的專題研究分析。

專題研究根據(jù)橋位處地質(zhì)勘測資料，采用二維平面有限單元法和三維空間有限差分法進(jìn)行規(guī)劃大堤和鄰近橋梁樁基整體建模分析。考慮到地基加固費(fèi)用大，而中縮窄大堤尚處于規(guī)劃初期，沒有實(shí)施的具體時(shí)間，故本專題主要研究以下三個(gè)方面：

（1）在不加固地基的情況下，不同橋梁跨徑時(shí)，規(guī)劃大堤對已建橋梁樁基影響的數(shù)值模擬及分析；

（2）在不加固地基的情況下，考慮大堤建成后有堆載的情況，對樁側(cè)負(fù)摩阻進(jìn)行分析；

（3）在加固地基的情況下，規(guī)劃大堤的建設(shè)對橋梁樁基影響的數(shù)值模擬及分析。

據(jù)此，從中選擇合適的跨徑以保證未來規(guī)劃大堤建設(shè)不會引起橋梁樁基過大的附加變形和附加彎矩，確保橋梁的安全使用。

為此對120 m、140 m、150 m和160 m四種跨徑進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示：橋位處淤泥層較厚，將來建堤會引起土體塑性流動，產(chǎn)生側(cè)向位移及出現(xiàn)土體塑性區(qū)。同時(shí)根據(jù)大堤橫剖面圖，規(guī)劃中縮窄大堤堤底寬71.7 m，再考慮拋石擠淤及施工空間的需要，若采用較小的跨徑120 m，則需采用地基處理措施對地基土進(jìn)行加固，以減小橋位區(qū)的土體側(cè)移量，避免對已建橋梁基礎(chǔ)的不利影響。否則需加大主跨跨徑，減少土體的側(cè)向位移、避免土體塑性流動和破壞或減小土體塑性區(qū)的范圍，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全。因此，需要在橋梁跨度與降低圍堤不利影響之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，以達(dá)到工程造價(jià)上最為經(jīng)濟(jì)節(jié)約的目的。

綜合考慮了全橋經(jīng)濟(jì)性、整體性、結(jié)構(gòu)合理性、施工可控性后，確定采用主跨150 m，跨徑組合為90 m+150 m+90 m的三跨變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，與江蘇段通航孔的鋼結(jié)構(gòu)變高度連續(xù)梁遙相呼應(yīng)。施工方法采用掛籃懸臂澆筑，以適應(yīng)淺水區(qū)不方便有支架施工的現(xiàn)狀。橋型布置詳見圖8。

圖8 150 m跨徑方案立面布置圖（單位：m）

4.5 結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62—2012），崇啟通道北支大橋引橋上海段橋梁工程環(huán)境類別為II類，全橋均采用混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)參考了已建長江大橋的經(jīng)驗(yàn)，通過高性能混凝土的良好耐久性和適當(dāng)?shù)幕炷帘Ｗo(hù)層厚度實(shí)現(xiàn)。

高性能混凝土在配制上要求：低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，并在除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物摻合料，同時(shí)匹配以高性能混凝土減水劑，以滿足混凝土的耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性等要求，使其具有低滲透、低缺陷、高密實(shí)等方面的性能。

合理的保護(hù)層厚度和質(zhì)量也是高性能混凝土需要考慮的重點(diǎn)。但保護(hù)層厚度并不能不受限制的任意增加。當(dāng)保護(hù)層厚度過厚時(shí)，由于混凝土材料本身的脆性和收縮會導(dǎo)致混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂縫，反而削弱其對鋼筋的保護(hù)作用，而且對于大型混凝土構(gòu)件來說，外圍保護(hù)層厚度的增加也意味著構(gòu)件自重的急劇增長。因此，在設(shè)計(jì)中必須根據(jù)工程的實(shí)際需要設(shè)置合理的保護(hù)層厚度。針對不同的橋梁部位，區(qū)別對待。該工程主要構(gòu)件保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)如下：

（1）樁基：基本處于泥下或水下，采用加大保護(hù)層厚度和保留施工鋼護(hù)筒的方法達(dá)到樁身混凝土的防腐要求。樁基鋼筋凈保護(hù)層厚度取7 cm。

（2）承臺橋墩：基本處于干濕交替區(qū)域，采用高性能混凝土，并增加鋼筋保護(hù)層厚度，最外層鋼筋的凈保護(hù)層厚度取5 cm。

（3）主梁：基本處于大氣區(qū)，根據(jù)上海長江大橋的經(jīng)驗(yàn)，采用高性能混凝土，主筋的凈保護(hù)層厚度取40 cm，箍筋取30 mm。

（4）支座等附屬結(jié)構(gòu)鋼材：采用耐候鋼等優(yōu)質(zhì)鋼，并加設(shè)防護(hù)罩等措施。

5 結(jié) 語

崇明至啟東長江公路通道北支大橋上海段工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可為以后類似的跨現(xiàn)有一級大堤以及橋位位于后期有堆載、圍堤的工程提供參考。