港珠澳跨海大桥的技术创新

Dr.王慧东东教教授石家庄庄铁道道大学学桥梁梁工程程系2016年6月港珠澳澳大桥的的技术术创新新目录录项目概概况建设条条件特特点及及要求求总体设设计思思想及及方案案主体工工程关关键技技术工程进进展及及计划划目录录项目概概况建设条条件特特点及及要求求总体设设计思思想及及方案案主体工工程关关键技技术施工技技术与与装备备香港珠海澳门港珠澳澳大桥桥是““一国国两制制”框框架下下、粤粤港澳澳三地地首次次合作作建设设的超超大型型跨海海交通通工程程。全全桥全全长约约56km，总投投资约约1051亿人民币币。—工程概概况港珠澳澳大桥桥东连连香港、西西接珠珠海/澳门，，穿越伶伶仃洋洋,是我国国继三峡工工程、、青藏藏铁路路、南水北北调、、西气气东输输、京沪高高铁之之后又又一重重大基础设设施项项目，，是集集桥、、岛、、隧为为一体体的超超级交交通集集群工工程，，三地地总投投资超超过1000亿元人人民币币，计划2016年底建建成通通车。1.项目概概况1.项目概概况香港接接线香港口口岸主体工工程珠海澳澳门口口岸澳门接接线珠海接接线目录录项目概概况建设条条件特特点及及要求求总体设设计思思想及及方案案主体工工程关关键技技术施工技技术与与装备备⑴三地技技术标标准存存在差差异，，需协协调统统一：：①一桥连连三地地，是是一国国两制制条件件下大大型跨跨界工工程；；②三地技技术标标准存存在差差异；；③对比三三地标标准，，对需需统一一标准准部分分遵循循“就就高””原则则，如如设计计寿命命，桥桥面宽宽度等等。2.建设条条件特特点及及要求求2.建设条条件特特点及及要求求⑵海上条条件复复杂，，安全全管理理极具具挑战战：①地处外外海，，气象象水文文条件件复杂杂；②航线复复杂、、流量量大，，海上上安全全管理理难度度大；；③热带气气旋影影响十十分频频繁，，风力力大。。2.建设条条件特特点及及要求求2.建设条条件特特点及及要求求⑶环保要要求高高：①穿越中中华白白海豚豚保护护区，，环保保要求求高；；②工程建建设需需尽量量减少少阻水水效应应；③离岸远远，海海上施施工工工期长长，人人员多多，职职业健健康管管理难难度大大。2.建设条条件特特点及及要求求2.建设条条件特特点及及要求求⑷设计寿寿命120年：①按就高高原则则，遵遵照香香港规规范确确定，，项目目设计计寿命命120年；②海洋气气候对对结构构具有有腐蚀蚀性。。2.建设条条件特特点及及要求求2.建设条条件特特点及及要求求目录录项目概概况建设条条件特特点及及要求求总体设设计思思想及及方案案主体工工程关关键技技术施工技技术与与装备备⑴桥、岛岛、隧隧总体体布置置尽量量减少少阻水水效应应，减减少工工程建建设对对水流流场的的影响响。3.1总体设设计思思想3.总体设设计思思想及及方案案①人工岛岛-10等深线线外;②减少少人人工工岛岛长长度度;③增大大桥桥梁梁跨跨径径；；⑵总结结提提升升跨跨海海桥桥梁梁建建设设经经验验，，依依托托国国家家工工业业实实力力，，全全面面实实现现“工厂厂化化、、大大型型化化、、标标准准化化、、装装配配化化”工法法，，减减少少海海上上作作业业时时间间及及作作业业量量，，降降低低安安全全风风险险、、减减少少对对海海洋洋环环境境影影响响，，提提高高并并保保证证工工程程质质量量。。立足足科科技技创创新新，，整整合合国国际际资资源源及及成成熟熟经经验验，，自自力力更更生生，，自自主主建建设设。。3.1总体体设设计计思思想想3.总体体设设计计思思想想及及方方案案3.2海中中主主体体工工程程总总体体设设计计方方案案3.总体体设设计计思思想想及及方方案案香港港段段工工程程———香港港政政府府负负责责⑴口岸岸人人工工岛岛填填海海筑筑岛岛130公顷顷；；⑵12公里里香香港港段段桥桥梁梁。。主体体工工程程———三地地共共同同出出资资⑴三座座通通航航孔孔桥桥；；⑵14公里里深深水水区区非非通通航航孔孔桥桥；；⑶5公里里浅浅水水区区非非通通航航孔孔桥桥；；⑷6公里里长长沉沉管管隧隧道道；；⑸2座各各10万平平米米离离岸岸人人工工岛岛。。珠澳澳口口岸岸人人工工岛岛———208公顷顷填填海海筑筑岛岛珠海海接接线线———14公里里桥桥、、隧隧、、路路。。香港港口口岸岸建建成成效效果果图图3.总体体设设计计思思想想及及方方案案填海海造造地地130公顷顷，，采采用用碎碎石石桩桩作作为为围围堤堤地地基基加加固固（（不不挖挖泥泥）），，格格型型钢钢板板桩桩（（预预制制安安装装））作作为为岛岛壁壁结结构构，，回回填填砂砂后后加加固固形形成成陆陆域域。。香港港侧侧桥桥梁梁建建成成效效果果图图3.总体体设设计计思思想想及及方方案案12.6公里里六六车车道道高高速速公公路路标标准准，，75米等等跨跨预预应应力力混混凝凝土土连连续续梁梁，，节节段段预预制制箱箱梁梁悬悬拼拼安安装装；；墩墩身身预预制制安安装装（（或或现浇浇）），预预制制外外壳壳+现浇浇承承台台，钻钻孔孔桩桩。。3.总体体设设计计思思想想及及方方案案3.总体体设设计计思思想想及及方方案案海底底沉沉管管隧隧道道建建成成效效果果图图受香香港港机机场场航航空空限限高高要要求求，，主主航航道道处处需需做做隧隧道道，，沉管管段段总总长长5664m，世界界最最长长公公路路沉沉管管隧隧道道，，唯唯一一深深埋埋大大回回淤淤沉沉管管隧隧道道，，共分分33节，每节节长180m，宽37.95m，高11.4m，单节重重约7.4万吨，最大沉放放水深44m。采用工厂厂法进行行沉管管管节预制制，管节节在全室室内环境境下制造造，实现现标准化化流水作作业；管节的起起浮、出出坞、下沉利利用大型型专业化化设备，，实现7万吨级沉沉管40米水下厘厘米级对对接精度度。3.总体设计计思想及及方案3.总体设计计思想及及方案东西隧道道人工岛岛建成效效果图东西人工工岛各10万平米，，西岛为为养护管管理功能能，东岛岛兼旅游游功能。。3.总体设计计思想及及方案两岛面积积约10万m2，离岸20km，水深约约10m，软土层层厚度20～30m，采用直径径22m钢圆筒插插入不透透水粘土土层形成成止水型型岛壁结结构，回回填砂形形成陆域域，实现快速速成岛；；采用塑料料排水板板联合降降水预压压方案进进行软基基处理，最大超超载比达达2.1，加快地地基固结结沉降完完成。①西岛钢圆筒61个，东岛钢圆圆筒为59个。单个圆圆筒直径22.0m，圆筒壁壁厚16mm，筒高40米，筒重445t～507t。②圆筒在上上海工厂厂内标准准化制作作，大型型船舶运运输，现现场采用用八锤联联动系统统振沉；；③可在开工工9个月内完完成一个个岛的填填筑。3.总体设计计思想及及方案3.总体设计计思想及及方案青州航道道桥建成成效果图图主跨458米双塔双双索面钢钢箱梁斜斜拉桥，，六车道道高速公公路标准准，混凝凝土与钢钢结合索索塔，平平行钢丝丝斜拉索索，钻孔孔嵌岩桩桩基础。。3.总体设计计思想及及方案深水区110米等跨非非通航孔孔钢箱梁梁桥建成成效果图图110米等跨钢钢箱连续续梁桥，，单墩整整幅梁，，箱梁整整孔安装装，预制制混凝土土墩台，，预制安安装，钻钻孔嵌岩岩桩基础础。①墩身工厂厂分段预预制、浮浮运就位位、浮吊吊安装；；②钢箱梁工工厂110米制造、、运输到到位、浮浮吊安装装；③利用专业业制造厂厂、大型型运输船船、大型型浮吊。。3.总体设计计思想及及方案3.总体设计计思想及及方案江海直达达船航道道桥建成成效果图图主跨258米三塔单单索面钢钢箱梁斜斜拉桥，，钢索塔塔，平行行钢丝斜斜拉索，，混凝土土承台，，钻孔嵌嵌岩桩基基础。3.总体设计计思想及及方案九州航道道桥建成成效果图图主跨268米双塔单单索面钢钢箱梁斜斜拉桥，，钢索塔塔，平行行钢丝斜斜拉索，，混凝土土承台，，钻孔嵌嵌岩桩基基础。3.总体设计计思想及及方案近珠海岸岸85米等跨非非通航孔孔桥建成成效果图图85米等跨组组合连续续梁桥，，单墩双双幅梁，，混凝土土桥面板板与钢箱箱一起整整孔安装装，预制制混凝土土墩台，，预制安安装，钻钻孔嵌岩岩桩基础础。3.总体设计计思想及及方案①墩身工厂厂分段预预制、浮浮运就位位、浮吊吊安装；；②组合梁85米制造、、运输到到位、浮浮吊分幅幅安装；；③利用专业业制造厂厂、大型型运输船船、大型型浮吊。。3.总体设计计思想及及方案珠澳口岸岸人工岛岛建成效效果图3.总体设计计思想及及方案目录录项目概况况建设条件件特点及及要求总体设计计思想及及方案主体工程程关键技技术施工技术术与装备备4.主体工程程关键技技术1.桥梁工程程关键技技术在于于：⑴埋置式承承台设计计及安装装；⑵预制墩台台拼装及及接缝处处耐久性性保证；；⑶曲线型钢钢塔线形形控制；；⑷宽大箱梁梁整孔安安装；⑸海洋环境境超长叠叠合梁耐耐久性保保证；⑹超长钢桥桥面铺装装方案选选择与质质量保证证。1.沉管隧道道工程关关键技术术在于：：⑴实现纵向向均匀沉沉降的隧隧道基础础设计及及施工质质量保证证；PHC桩高压旋喷桩SCP+堆载预压SCP天然地基基4.主体工程程关键技技术⑵深埋大回回淤荷载载下合理理管节结结构设计计；⑶管节及接接头构造造与防水水设计；；⑷特长海底底隧道防防灾与救救援设计计；⑸隧道结构构与机电电工程综综合平衡衡设计；；⑹海洋环境境下结构构耐久性性设计；；⑺超长沉管管线形控控制；4.主体工程程关键技技术⑻沉管管管节工厂厂化预制制及质量量保证；；4.主体工程程关键技技术⑼外海超超大沉管管深水无无人沉放放技术；；4.主体工程程关键技技术⑽专用用设备研研发与保保障；溜管式抛抛夯一体体船定深平挖挖抓斗船船（金雄雄号）多耙头基基槽清淤淤船平台式整整平船4.主体工程程关键技技术⑽专用用设备研研发与保保障；混凝土搅搅拌、制制冰、运运输及布布料系统统管节同步步顶推系系统全断面液液压自动动模板系系统4.主体工程程关键技技术⑽专用用设备研研发与保保障；拉合系统统声纳测控控系统精调系统统压载系统统大马力全全回转起起锚艇安装船4.主体工程程关键技技术3.隧道人工工岛工程程关键技技术在于于：⑴采用深插插式大圆圆筒设计计，实现现快速成成岛;⑵大圆筒制制造、运运输、打打设及精精度控制制；⑶挤密砂桩桩软土加加固方案案设计与与施工控控制；⑷利用深插插钢圆筒筒实施整整岛止水水；⑸大超载比比堆载预预压加固固岛内地地基。4.主体工程程关键技技术目录录项目概况况建设条件件特点及及要求总体设计计思想及及方案主体工程程关键技技术施工技术术与装备备5.工程进展展及计划划香港口岸人工岛填海工程在施工岛壁结构香港侧桥梁正在进行预制厂建设，准备桩基础施工5.工程进展展及计划划主体工程岛隧工程2011年完成双岛成岛，2012年开始沉管预制、基础施工，沉放准备，2013年5月、6月完成首两节沉管安装，截至目前已完成四节沉管安装5.工程进展展及计划划主体工程桥梁工程正在进行桩基础施工、墩台预制、钢梁、钢塔制造等工作5.工程进展展及计划划珠澳口岸岸人工岛岛填海，，2009年12月15日开始施施工正在在进行软软基加固固；珠海接线线的控制制性工程程，隧道道也在施施工中。。港珠澳大大桥计划划2016年底建成成通车。。5.工程进展展及计划划非通航孔桥施工海上施工钢管复合桩施工承台墩身安装组合梁架设构件预制桥面板预制钢梁组拼组合梁组合承台墩身预制—非通航孔孔桥施工工—非通航孔孔桥施工工-桩基灌注桩基基混凝土土采用全自自动导向向架，3次精确定定位插打打钢桩非通桩基施工装配式钻钻孔平台台复合桩钢钢管制造造—非通航孔孔桥施工工-墩台施工工非通墩台安装围堰运输输与安装装承台安装装墩帽安装装组合梁架设组合梁运运输组合梁出出海组合梁海海上运输输组合梁架架设—非通航孔孔桥施工工方案-组合梁架架设组合梁场场内移运运钢管桩插插打—九洲航道道桥施工工方案-基础施工工钻孔桩施施工九洲桥基础施工钢管桩插插打围堰下放放九洲航道道桥施工工—九洲航道道桥施工工方案-墩台及塔塔柱施工工上塔柱及主梁施工钢混结合合段节段段吊装上塔柱整整体吊装装大节段运运输大节段架架设通航区通航区九洲航道道桥主梁梁大节段段安装架架设总体体方案—九洲航道道桥施工工方案-主梁施工工非通航孔孔桥及九九洲航道道桥施工工场景—主要施工工方案主要资源源配置情情况—主要资源源配置情情况主要机械设备汇总表名称单位数量备注中山基地120t/150t龙门吊台2/3组合梁组合及承台墩身预制用100t龙门吊/40m台4桥面板吊装用2700t横移台车台4组合梁、承台墩身横移2800t纵移台车台1组合梁、承台墩身纵移混凝土搅拌站套12HZS120+2HZS180海上施工小天鹅艘1非通航孔桥钢桩打设、承台墩身吊装天一号艘1组合梁架设海天3艘1海上混凝土供应海天4艘1海上混凝土供应华尔辰艘1围堰吊装、桩的打设、墩帽墩身吊装大桥雪浪艘1钢桩打设人工岛混凝土搅拌站套12HZS180CB05进场施工工人员约约3283人，施工工船舶70余艘，施施工设备备50余套。—大型设备备配置情情况大型设备备配置情情况船舶名称称：“华尔辰辰”；起吊重量量：主钩：2×600t；起升高高度：80m。副钩：400t，起升高高度：120m，全回转转。起吊方式式：主钩中心心起吊；；作业吃水水：3.2m；主要作业业：围堰的整整体拼装装、吊运运、安装装;复合桩钢钢管插打打;部分墩身身、墩帽帽的吊装装。先进设设备：：配有德德国MENCK公司1900s液压锤锤打桩桩锤。。—大型设设备配配置情情况大型设设备配配置情情况船舶名名称：：“小天天鹅””；起吊重重量：：2900t起吊方方式：：主钩中中心起起吊;起吊高高度：：41m；作业吃吃水：：3.5m；主要作作业：：围堰的的整体体拆除除、吊吊运、、安装装；复复合桩桩钢管管的插插打;承台、、墩身身、墩墩帽的的吊装装。大型设设备配配置情情况船舶名名称：：“天一一号””；起吊重重量：：3000t起吊方方式：：主钩中中心起起吊;起吊高高度：：60m；作业吃吃水：：4m；主要作作业：：组合梁梁架设设。—大型设设备配配置情情况大型设设备配配置情情况—大型设设备配配置情情况船舶名名称：：“海天天3”；主要作作业：：海上混混凝土土施工工供应。船舶名名称：：“大桥桥雪浪浪”；；主要作作业：：钢桩桩打设设。大型设设备配配置情情况—大型设设备配配置情情况设备名名称：：“横移移台车车”；；主要作作业：：承台、、墩身身、墩墩帽的的横向向移运运。载荷荷：：2700t。设备名名称：：“纵移移移台台车””；主要作作业：：承台、、墩身身、墩墩帽及及组合合梁的的纵向向移运运。载荷荷：：2800t。—大型设设备配配置情情况大型设设备配配置情情况中山基基地混混凝土土搅拌拌站（2HZS120+2HZS180）人工岛岛混凝凝土搅搅拌站站（2HZS180）施工关关键技技术及及新工工艺（（6项关键技术术+2套新工艺））：㈠、非通航航孔桥钢管管复合桩施施工关键技技术；㈡、承台+底节墩身整整体快速施施工工艺；；㈢、承台+底节墩身预预制施工关关键技术；；㈣、埋置式式承台安装装关键技术术；㈤、组合梁梁整孔制造造新工艺；；㈥、组合梁梁施工关键键技术；㈦、九洲航航道桥上塔塔柱整体吊吊装关键技技术；㈧、九洲航航道桥大节节段施工关关键技术。。—施工关键技技术及新工工艺1、非通航孔桥桥钢管复合桩施工工关键技术术钢管复合桩桩施工关键键技术：1、复合桩钢钢管保障120年使用寿命命的施工措措施：①采用高性性能防腐涂涂层;②牺牲阳极极阴极保护护系统。2、钢管插打打精度保证证措施：采用新研发发的全自动动多向调节节导向架，，保证平面面位置：50mm以内，垂直直度：1/250以内。3、在有孤石石、探头石石及倾斜岩岩面情况下下进行钢管管插打及钻钻孔施工。—钢管复合桩桩施工关键键技术牺牲阳极阴阴极保护防腐涂装精确定位插插打2、承台+底节墩身整体快速施施工工艺承台+底节墩身整整体快速预预制工艺流流程绑扎底四层层钢筋绑扎承台其其余钢筋承台钢筋整整体移运至至预制台座座绑扎墩身钢钢筋将墩身钢筋筋吊装至承承台钢筋上上固定，合合模混凝土浇筑筑并养护整体移运至至存放台座—承台+底节墩身整整体快速预预制施工工工艺承台钢筋绑绑扎台座墩身钢筋绑绑扎台座承台墩身预制台座吊装底层钢钢筋承台钢筋移移运吊装墩身钢钢筋构件存放—承台+底节墩身整整体预制施施工关键技技术承台+底节墩身整整体预制工工艺流程混凝土浇筑筑模板合模3、承台+底节墩身整体预制施施工关键技技术—承台+底节墩身整整体预制施施工关键技技术承台+底节墩身整整体预制施施工关键技技术：1、全自动液液压模板系系统：实现承台及及底节墩身身一次浇注成型。。2、钢筋分块块绑扎、整整体快速安装成成型技术；；4、浪溅区以以下墩身外外层钢筋采采用不锈钢钢筋。3、C50海工大体积积混凝土一一次浇注，，并确保承承台、墩身身无裂纹技技术；—承台+底节墩身整整体预制施施工关键技技术4、埋置式承台台安装关键技技术—埋置式承台台安装施工工关键技术术埋置式承台台安装施工工关键技术术：1、采用新型型、装配式式钢套箱围围堰施工①围堰的作作用：有效效的保证了了承台预留留孔混凝土土在施工养养护期间免免受海洋环环境下潮汐汐、波浪力力等荷载的的反复作用用，确保预预留孔混凝凝土的质量量。—埋置式承台台安装施工工关键技术术埋置式承台台安装施工工关键技术术：1、采用新型型、装配式式钢套箱围围堰施工②围堰的最最大特点：：围堰采用用特殊结构构形式，使使围堰能在在承受径向向荷载同时时、在径向向仍具有一一定弹性。。围堰既可可采用分块块安装施工工，也可采采用整体安安装施工；；以适用恶恶劣的海上上施工环境境。埋置式承台台安装施工工关键技术术2、在恶劣的的环境下实实现承台及及底节墩身身的精确安安装：在桩头设置置可调装置置实现承台台平面偏差差在±10mm以内；竖向高差在在±10mm以内。—埋置式承台台安装施工工关键技术术5、组合梁整孔孔制造新工工艺钢槽梁厂内组拼组合梁整孔孔制造新工工艺：钢槽梁板单单元制造钢槽梁组拼拼钢槽梁喷涂涂钢槽梁线形形监控—组合梁整孔孔制造新工工艺组合梁整孔孔组合组合梁桥面面板湿接缝缝浇注组合梁整孔孔制造新工工艺：—组合梁整孔孔制造新工工艺桥面板预制制桥面板存放放组合梁组合6、组合梁施工工关键技术术-组合梁施工工关键技术术组合梁施工工关键技术术：1、钢槽梁板单元机械械化、自动化生产产技术：采用板肋专专用组装机机、门式多多电极焊接接专机、横横隔板焊接接机器人等等机械化、、自动化设设备生产加加工板单元元，对板单单元质量有有更好的保保证。-组合梁施工工关键技术术组合梁施工工关键技术术：2、钢槽梁整孔孔拼接技术术：通过采用“板单元制作作→制造分分段制作→→制造分段段接长→预预拼装”的施工方案案，实现了了钢槽梁整整孔制作技技术。3、总拼自动化化焊接控制制技术:①腹板立位位对接数字字化焊接机机器人技术术;②无盲区自自动小车焊焊接技术，，焊枪可旋旋转270°。-组合梁施工工关键技术术组合梁施工工关键技术术：4、无损伤制造造技术：钢槽梁总拼拼制造时，，通过设置置卡具、临临时工装、、顶推装置置等自约束束与它约束束相结合的的措施，实实现了钢槽槽梁总拼场场地真正意意义上的““无马”制制造，从而而避免了码码板对母材材的损伤，，提高了工工作效率。。-组合梁施工工关键技术术组合梁施工工关键技术术：5、焊接数字化化群控技术术：需要采用手手工半自动动焊工艺时时，采用焊焊接数字化化群控技术术，对焊接接过程的电电流、电压压及焊接速速度有效控控制。能实实现对施焊焊电流、电电压、施焊焊速度等参参数实现在在线监控，，确保焊接接质量的可可控性、可可追溯性。。组合梁施工工关键技术术：6、钢槽梁组组拼线形控控制技术：：①根据钢槽梁的制造线线形设计制制作钢槽梁总拼胎架架，在总拼拼胎架周边边设置“三三纵一横””的测量塔塔及测量水水准点，形形成钢槽梁线形控制制测量网，，确保钢槽梁的制造线线形。②立体阶梯推推进式总拼,并制定相应的的焊接变形形控制技术术，减小钢钢槽梁制造过程程中焊接变变形对线形形的影响。钢槽梁线形形控制技术术纵向测量塔塔横向测量塔塔梁段匹配段段-组合梁施工工关键技术术组合梁施工工关键技术术：7、钢槽梁整整孔涂装技技术：制作合理的的工艺流程程，事组合合梁钢梁在在每道程序序中快速有有效的进行行完毕。-组合梁施工工关键技术术桥面板钢筋筋整体吊运运桥面板浇注注8、组合梁海海工C60混凝土桥面面板的预制制技术：桥面板采用用环氧钢筋筋，桥面板板制造精度度要求高(mm)：板厚(0，+4);板长、宽:±4;对角线高差差:±5；板底平整度度:±1;侧向弯曲矢矢度：＜5。桥面板钢筋筋绑扎组合梁施工工关键技术术：-组合梁施工工关键技术术9、钢槽梁采采用集束式式剪力钉与桥面板组合合技术：试验目的：：①保证橡胶胶条120年使用要求求及压缩量量达到40%；②合适选择择填充材料及施工工工艺；③确定填充充料操作方方法，检验填充料料与桥面板板间的密实性。桥面板预留留孔钢筋复复杂组合梁施工工关键技术术：-组合梁施工工关键技术术粘贴橡胶条条、涂抹填填充料灌注水泥浆浆试块吊装钻孔孔取取芯芯芯芯样样组合合梁梁施施工工关关键键技技术术:采用用普普通通砂砂浆浆、、环环氧氧砂砂浆浆、、灌灌浆浆料料、、结结构构胶胶试试验验。。-组合合梁梁施施工工关关键键技技术术10、组组合合梁梁在在组组合合台台座座上上组组合合时时的的线线性性控控制制技技术术：：采用用四四点点支支撑撑调调节节进进行行线线形形调调整整。。11、组组合合梁梁整整联联拼拼接接技技术术：：①为为改改善善负负弯弯矩矩区区受受力力，，负负弯弯矩矩区区桥桥面面板板采采用用滞滞后后结结合合与与支支点点升升降降法法拼拼接接组组合合梁梁。。②钢钢槽槽梁梁预预