南京至高淳新通道石臼湖特大橋設計

湯遠華

(蘇交科集團股份有限公司 南京市 210000)

1 工程概況

南京至高淳新通道(簡稱：寧高新通道)路線北起于溧馬高速將軍路互通，南接淳蕪高速高淳北互通，終于239省道，路線全長46.858km，雙向四車道一級公路標準，設計速度100km/h。

整個項目分陸岸段、跨湖段設計，其中陸岸段又分為江寧段、溧水段及高淳段設計；跨湖段為明覺至團結圩段，主要為跨越石臼湖設置，石臼湖特大橋全長12.6172km，占整個工程比例約27%。

石臼湖大橋汽車荷載等級為公路-I級，橋梁全寬為42.8m，橋梁寬度2-12.75m，分左、右幅設計，中間凈寬17.3m為寧高城際二期軌道橋建設空間。大橋在K31+513.681處跨越規劃Ⅳ級秦淮河航道，與航道右交角為75°，通航凈空為93× 7m，跨航道采用(75+130+75)m變截面連續梁橋,非通航孔均采用30m裝配式預制預應力組合箱梁。

2 項目特點

項目地處水文地質條件復雜的石臼湖水域，石臼湖屬淺碟型湖泊，湖底平坦，四周微微隆起，形似“平底鍋”，湖水季節性差異大(7m)，且在大風季節風生浪高達2.7m，路線穿湖而過，石臼湖特大橋猶如長龍臥湖，復雜多變的自然地理環境給設計、施工均造成一定的困難。

項目設計中主要有以下特點及難點：

(1)穿大型水域通道方案研究；

(2)特大長橋總體設計方案比選；

(3)公路橋、軌道橋捆綁設計；

(4)跨敏感水域特大橋環保設計。

3 項目特點簡述

3.1 穿大型水域通道方案研究

項目路線穿越石臼湖，石臼湖又名北湖，該湖納皖南山區水陽江、青弋江和溧水縣新橋河、天生橋河等來水，長江汛期時亦有江水倒灌，湖水經三叉河、姑溪河由當涂入長江。石臼湖現有面積約207.6km2。

穿湖方案對路基、橋梁、隧道及各種組合方案(橋+島+橋、橋+隧+橋等)進行了多方位的研究，設計中主要對橋梁、隧道等方案進行了比較。

(1)隧道方案

該方案最顯著的特點即對湖區自然生態影響小，但整個項目里程長、工程規模大、整體造價高，且湖區的地質條件復雜，施工難度大，施工風險大。

(2)“隧道+橋梁”方案

該方案將橋與隧道完美的結合，設計方案新穎,相較方案一造價略有降低，但需建造人工島，同時橋梁與隧道銜接位置的設計復雜，施工工藝復雜，要求高。

(3)“橋+島+橋”方案

該方案設計相對較新穎,具備一定的可操作性，相較方案一、二造價降低較多，施工相對容易控制，但仍需建造人工島，對湖區的地質、土源的要求較高。

(4)全橋跨越方案

該方案操作性高,施工工藝成熟、可靠，但方案整體新穎度不夠，景觀效果一般。

從湖區的地形地質條件、工程的可實施性、可靠性、施工條件、工期、環境保護、水利防洪、造價等方面綜合比選(見表1)，路線穿越石臼湖采用了方案四全橋跨越方案，一橋跨越石臼湖，橋梁設置里程達12.6172km，是目前國內最長的跨湖橋梁。

表1 方案綜合比較表

3.2 特大長橋總體設計方案比選

(1)石臼湖水文條件復雜，總體方案結合施工條件進行設計

石臼湖水位具有洪水猛漲緩落、高水位持續時間長，水位季節變幅大的特點，年最大水位變幅7m左右，枯水期水深約0.5～1m。由于橋梁里程長，工程規模大，施工期往往橫跨整個年份，枯水期、豐水期施工方案變化較大，對于上部結構施工，跨水域橋梁通常采用預制吊裝方案施工，設計時對船舶浮吊、棧橋吊機架設、架橋機架設等多種施工方案進行綜合比選，實施方案最終采用裝配式組合箱梁，架橋機架設，同時施工沿線設置棧橋配合材料、機具運輸，大大提高了施工的可靠性；對于下部結構墩柱、系梁、承臺施工，設計時結合湖區水位特點，對筑島圍堰、鋼板樁圍堰、鋼套箱等可能的施工方案進行比選分析，從施工便捷、經濟、美觀角度，確定合適、合理的下部結構高程。

(2)總體及路線設計需兼顧特大長橋美觀、行車安全、排水、環境保護等設計特點

石臼湖湖面開闊，大風季節湖區易形成波浪，湖區內規劃有秦淮河Ⅳ航道，縱斷面設計在綜合考慮湖堤標高、湖區水位、航道通行凈空及浪高的基礎上，縱斷面線形要素盡量采用部頒規范所規定的一般值以上的豎曲線半徑，同時注重平縱組合設計，力求線形指標均衡、連貫。

因路線縱面受控于秦淮河航道凈空要求，為降低湖區橋梁高度兼顧高跨比的美觀性，考慮橋面徑流排水收集處理需要，湖區縱斷面線形總體呈M型(見圖1)，在兩處最低的變坡點位置設置調蓄池對橋面徑流雨水進行收集處理。

圖1 路線縱斷面

(3)橋梁結構設計

石臼湖特大橋與規劃Ⅳ級秦淮河航道右交角75°,考慮湖區航道特點，大橋在航道處采用錯孔布置，適應航道線形的同時對航行的船只以誘導作用，主橋主跨采用130m的變截面連續梁設計，引橋標準跨采用30m跨徑裝配式預制預應力組合箱梁。

設計時上部結構除了考慮常規恒載、汽車活載外，還考慮了集水管道、預留聲屏障等環保設計荷載；下部結構墩柱、基礎設計時除了考慮支座摩阻力、汽車制動力、溫度力、風荷載等常規荷載外，根據《海港水文規范》規定，結合專項風生流研究(見圖2)，計算風生浪對橋梁下部結構的不利作用；同時設計中結合特大橋長橋施工組織方案，對施工中可能出現的臨時荷載加以驗算，確保大橋結構安全。

圖2 風生流研究專題

3.3 石臼湖特大橋與寧高城際二期軌道橋捆綁設計

石臼湖段寧高新通道與寧高城際二期軌道設計線平行布設(見圖3)，設計中跨行業協調合作，設計標準、規范多樣化，施工方案多樣化，總體方案為公路橋設置于軌道橋兩側，公路橋(左、右幅)間距的設置，必須在滿足軌道交通運營安全的基礎上，考慮到施工期架橋機架設作業能力、作業空間，避免公路橋與軌道橋施工期相互影響。

考慮軌道運營安全，全線軌道橋縱面略高于公路橋50cm左右，為了提升公路運營的應急能力，公路橋設置兩處中分帶開口，公路橋與軌道橋在中分帶開口處縱面保持一致，實現平交，運營期在重大事件應急處理時可“公、軌聯動”，公路車輛可實現應急掉頭。

圖3 公軌捆綁設計

3.4 跨敏感水域特大橋環保設計

水是生命之源，石臼湖作為南京的備用水源地，對其水質環保部門提出了嚴格的要求，運營橋梁污水的來源主要為橋面徑流排水，橋面徑流主要污染物是懸浮物、石油類和有機物，污染物濃度受限于多種因素，車流量、車輛類型、降雨強度、灰塵沉降量、前期干燥時間都會影響污染物濃度，因此具有很大的不確定性；石臼湖特大橋單向坡長度超過2km，對于大、中型跨河橋梁，單側收集范圍一般小于200m，常見的PVC排水管可以滿足徑流中收集、排放的要求。對于收集范圍數百米、甚至數公里的特大型橋梁，若全部收集，收集管徑大、安裝困難，難以實施。

設計中針對大橋橋面徑流排水的種種特點、難點，對國內外特大型橋梁排水系統進行調研，引進新的橋面徑流排水設計思路，即初期雨水中污染物質含量較高，通過收集式泄水管收集，匯至湖區兩處調蓄池(見圖4)；隨降雨時間的延長，雨水中污染物含量下降，橋面硬路肩范圍積水加深，部分雨水依然通過與橋面平齊的泄水孔排入收集管道，多余雨水則通過高出橋面3cm的泄水孔直接排到橋下。

圖4 橋面排水方案(單位：cm)

4 結語

石臼湖特大橋做為國內最長的跨湖橋梁，其設計過程特殊、復雜，總體方案的選擇、路線縱斷面的控制、公軌捆綁設計的特點、環境保護的兼顧等等對

整個項目的順利實施均起到至關重要的作用，通過對大橋設計過程中的特點、難點的總結，為今后同類型橋梁設計提供一定的參考。