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.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082；2.秦皇島秦正旅游房地產開發有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

中國面積在500 m2以上的島嶼有7 372 個，總面積72 800 多km2，其中有人居住的島嶼為450 個。近年來，隨著我國國力與科技實力的逐漸強大，吹填工藝已達到世界領先水平，人工造島技術更是發展迅速。對于近海特別是旅游資源豐富的島嶼，在周邊環境允許的情況下，建設通島橋能大大提高島內生活的便利性。隨著我國經濟發展和旅游業的持續升溫，人工島或許會越來越多，而通島橋的設計也有很大的發展前景[1]。

1 項目概況

海螺島位于秦皇島市金夢海灣南側、湯河入海口處的海域，是圍填海形成的人工島嶼，圍海造陸面積為47.82 萬m2，現狀照片如圖1 所示。跨海大橋全長1.53 km，面積約3.8 萬m2，作為海螺島連接陸地的唯一交通通道，也是保障島內生產、生活水源和能源補給的輸送通道。負責島內供給的管線有電力、通信、給水、再生水、污水、熱力、燃氣等，與橋梁一樣亟需貫通。

圖1 秦皇島市海螺島現狀照片

2 研究與創新路線

2.1 管線跨海方案初步判斷

橋梁跨海屬于常規結構形式，但管線跨海案例目前較少，這是制約該項目的關鍵因素之一。根據現有的施工技術，管線所用的過河方案主要有隨橋敷設、管廊橋、明挖管廊、暗挖管廊、頂管管廊、盾構管廊等[2]。考慮到海洋與河流的區別，對這幾種管線跨越方案分析如下：

（1）結合海浪影響、環境污染、水深與結構埋深等原因，明挖方案基本不可行。

（2）該區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、盾構隧道這幾種方案在技術上可行，制約實施的主要因素是方案造價過高。

（4）管線隨橋敷設方案，在造價方面優勢明顯，而且施工過程簡單，能有效避免水中施工的風險及不利因素，但該方案限制條件較多，需滿足相關運營要求方可采用。

（5）架設管廊橋方案，工藝成熟、施工簡便、造價不高，適用于對景觀無特殊要求的區域。

綜合比較，管線隨橋敷設與架設管廊橋這兩種方案均具有可行性，需對其進行方案深化后進一步比選。

2.2 廊橋一體方案制定

通島橋連接島嶼與內陸，負責島內供給的管線（電力、通信、給水、再生水、污水、熱力、燃氣等）其特點是管線種類多、體量大，布設遠比常規管線過橋布設方式復雜。對幾種管線過橋方案進行布置與比選[1]：

（1）預制管廊方案

如圖2 所示的斷面及圖3 的模型。機動車道采用預制小箱梁結構，兩側的人行及非機動車道采用預制管廊結構，將管線布置于廊內，實現了管線與橋梁結構分離，運營安全、檢修方便。鋼筋混凝土管廊箱室自帶保溫功能，對管線抗凍十分有利，同時也阻擋了海洋環境對管線的腐蝕作用。但管廊箱室體量較大，預制結構運輸吊裝難度較高。

圖3 預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，燃氣吊于遠端懸臂下，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。這種布置結構輕巧、檢修方便、造價較低，但管線布置較分散，后期檢修、換管不方便。鋼結構吊架暴露在海洋環境中，需要經常刷防腐漆，養護成本較高。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）預制管廊+橋側人行道方案

圖6 所示為預制管廊+橋側人行道方案斷面圖。

圖6 預制管廊+橋側人行道方案斷面圖（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構人行橋布置于橋側，功能清晰、造型新穎景觀好。但鋼結構人行橋后期養護成本較高，人行舒適度也不如橋面步道，且人行道布置于橋梁一側，與道路銜接需增加過街設施。圖7 所示為澳大利亞Andurah Traffic Bridge，將人行道布置于橋側下方，其建成時間為2017 年，長度是230 m。

圖7 澳大利亞Andura h Tra ffic Bridge

這3 種方案中，吊架方案造價低于另外兩個預制管廊方案，在建設階段有較大經濟性優勢。但吊架方案的抗凍性及耐久性較差，后期養護費用較高；吊架穩定性也不佳，難以承受大體量的壓力管線。綜合考慮功能、耐久性、可實施性及景觀等主要因素，最終選用預制管廊方案，采用廊橋一體的架設方式。

2.3 管廊梁型選取

預制管廊方案選定后，如何制定合適的梁型成為了接下來工作的重點。根據已有的預制管廊及橋梁項目經驗，提出以下幾種可行的方案。

（1）普通混凝土整體式預制箱梁

管廊梁體采用普通混凝土整體式預制箱梁，如圖8 所示，造價不高、結構整體性好、施工方便、保溫及防腐蝕性能也比較好，但30 m 預制梁吊裝重量達到300～400 t，運輸及吊裝難度較大。

圖8 預應力混凝土預制管廊斷面

（2）高性能材料整體式預制箱梁

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制梁可降低重量1/3 以上，且防腐蝕性能較好，是理想的預制管廊的材料。但其造價較高，難以大規模采用。鋼殼混凝土性能優于普通預制混凝土結構，能有效降低結構自重，造價增加也不太多，但其外包鋼板存在海洋環境下的耐久性問題。

（3）鋼混凝土組合結構整體式預制箱梁

受啟發于城市立交常用的鋼混凝土組合箱梁，預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置數量，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與吊裝重量，但鋼結構保溫性能差，耐久性也不如混凝土結構。鋼混凝土組合預制管廊效果圖如圖9 所示。

圖9 鋼混凝土組合預制管廊

（4）拼板式預制箱梁

預制管廊工法中有一種拼板式預制方案，將管廊拆分成多個預制板，吊裝就位后再現澆連接段形成整體截面[3]，如圖10 所示。管廊標準斷面按30 m計，拆分后可將單板控制在100～200 t，采用常規機械即可運輸及架設。但該方案需要將預制板吊裝就位后在橋上現澆濕接段形成整體斷面，并分多次張拉鋼束，這對于海上施工來說難度較大，且施工周期較長。

圖10 拼板式預制裝配管廊

考慮到實施難度，梁體整體預制式方案更具可行性，而采用普通混凝土預制梁造價最低。為減少結構吊裝重，可通過張拉預應力來減少板厚，并通過優化廊內管線及空間布置來減少箱室凈尺寸，最終將吊裝重量控制在300 t 左右，使后續運輸及吊裝方案可行[4]。

2.4 管線布置分析

選定了方案及梁型后，還需要分析各過橋管線的性質及特點，確保各管線均能合理布設、順利實施，且滿足運營期間的安全及管養方便。該橋上共有電力、通信、給水、再生水、污水、熱力、燃氣管線。出于橋梁安全性考慮，《城市橋梁設計規范（2019 版）》（CJJ 11—2011）3.0.19 規定：不得在橋上敷設污水管、壓力大于0.4 MPa 的燃氣管和其他可燃、有毒或腐蝕性的液、氣體管。條件許可時，在橋上敷設的電信電纜、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 燃氣管必須采取有效的安全防護措施。需在滿足規范的前提下在合適的位置布設各管線。

（1）電力、電信

電力管線為10 kV 配電電纜，通信管線包含移動、聯通、電信，采用光纖敷設。電力及通信管線在廊內可利用支架敷設在結構側墻。

（2）給水、再生水

給水與再生水均為常規帶壓管線，在廊內可利用支墩敷設在結構底板。

（3）污水

《城市橋梁設計規范（2019 版）》（CJJ 11—2011）3.0.19 規定：不得在橋上敷設污水管。3.0.19 條文說明中表示：對于超過本條規定的管線，如因特殊需要在橋上或地下通道內通過，應作可行性、安全性專題論證，并報請主管部門批準。本橋污水管線為島上排污使用，設計為帶壓管線，管材采用襯塑復合鋼管，利用托臂敷設在側墻或利用支墩敷設在底板。在項目設計過程中，甲方需對設計提出的污水管線過橋方案委托專門的安評單位編制專項安全可行性報告，并通過評審后方可實施。

（4）熱力

過橋熱力管線為2×DN500，橋上布設一處大推力固定支墩，其余支墩為滑動墩及導向墩。大推力支墩采用H 型鋼固定支架，單個支點傳給結構的最大順橋向水平推力190 kN，全跨水平推力達到1 060 kN，需要用該水平推力對所在跨的橋梁下部結構抗進行抗彎、抗剪復核，還需要根據各支點傳給預制管廊板的彎矩對結構進行局部抗彎能力復核及加強。其余滑動墩及導向墩作用力相對較小，但也需逐個復核。

（5）燃氣

本項目過橋燃氣管壓力為0.4 MPa，可在橋上敷設。因燃氣管線具有一定危險性，不適宜與其他管線共艙，應單獨敷設，且盡量布置在不封閉的空間。結合已有工程案例及進一步分析，做出以下幾種方案進行比選。

a.燃氣管線布置于橋面步道外側，增加一道護欄作為防護措施。這種方案安裝及檢修方便。但需多設置一排欄桿，并占用一部分人行道寬度（見圖11）。

圖11 燃氣管線布置于橋面步道外側

b.燃氣管線布置于管廊懸臂下。如圖12 所示，燃氣單獨布置比較安全，且綜合造價低、管線隱蔽、外形美觀。但布置在橋面以下，后期檢修不便，吊架自身也需經常維護。

圖12 燃氣管線布置于管廊懸臂下方案

c.燃氣管線布置于管廊側面，設置檢修平臺。如圖13 所示，燃氣單獨布置比較安全，且檢修方便。但此方案增加造價較多，鋼結構檢修平臺影響橋梁整體景觀，且存在耐久性問題。

圖13 燃氣管線布置于管廊側，設置檢修平臺方案

d.燃氣管線布置于鋼箱型空心地袱內（見圖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構單獨設計及施工，增加了造價，且同樣存在耐久性問題。

圖14 燃氣管線布置于鋼箱型空心地袱內方案

e.燃氣管線采用海底定向鉆施工。該方案燃氣管線單獨布置比較安全，對橋梁布置及整體景觀無影響，造價不高、施工快，但后期檢修不便。

以上幾種方案均有類似的成功應用項目案例。方案一養護、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營期間的安全，與各管線的產權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，燃氣單獨布置在橋面步道一側。

3 結語

在海洋環境下，隨橋管線的敷設方式直接影響建成后管線和橋梁的運營安全。在海螺島跨海大橋項目中，設計團隊經過反復論證，創新提出了廊橋一體的設計方案，并獲得專利授權。采用橋梁上部結構預制小箱梁結合預制管廊的方案，將管線布置于廊內，避免了明敷方式管線易受腐蝕、易受凍難題，同時方便管線及結構維護、保障橋梁運營安全。本橋型針對海螺島項目的特點開展設計，為同類跨河或跨海項目提供技術參考。