港珠澳大桥的技术创新

Dr.王慧慧东东教教授授石家家庄庄铁铁道道大大学学桥桥梁梁工工程程系系2016年6月港珠珠澳澳大桥桥的的技技术术创创新新目录录项目目概概况况建设设条条件件特特点点及及要要求求总体体设设计计思思想想及及方方案案主体体工工程程关关键键技技术术工程程进进展展及及计计划划目录录项目目概概况况建设设条条件件特特点点及及要要求求总体体设设计计思思想想及及方方案案主体体工工程程关关键键技技术术施工工技技术术与与装装备备香港港珠海海澳门门港珠珠澳澳大大桥桥是是““一一国国两两制制””框框架架下下、、粤粤港港澳澳三三地地首首次次合合作作建建设设的的超超大大型型跨跨海海交交通通工工程程。。全全桥桥全全长长约约56km，总总投投资资约约1051亿人民民币币。。—工程程概概况况港珠珠澳澳大大桥桥东东连连香香港、、西西接接珠珠海海/澳门门，，穿越越伶伶仃仃洋洋,是我我国国继继三峡峡工工程程、、青青藏藏铁铁路路、、南水水北北调调、、西西气气东东输输、、京沪沪高高铁铁之之后后又又一一重重大大基础础设设施施项项目目，，是是集集桥桥、、岛岛、、隧隧为为一一体体的的超超级级交交通通集集群群工工程程，，三三地地总总投投资资超超过过1000亿元元人人民民币币，计划划2016年底底建建成成通通车车。1.项目目概概况况1.项目目概概况况香港港接接线线香港港口口岸岸主体体工工程程珠海海澳澳门门口口岸岸澳门门接接线线珠海海接接线线目录录项目目概概况况建设设条条件件特特点点及及要要求求总体体设设计计思思想想及及方方案案主体体工工程程关关键键技技术术施工工技技术术与与装装备备⑴三地地技技术术标标准准存存在在差差异异，，需需协协调调统统一一：：①一桥桥连连三三地地，，是是一一国国两两制制条条件件下下大大型型跨跨界界工工程程；；②三地地技技术术标标准准存存在在差差异异；；③对比比三三地地标标准准，，对对需需统统一一标标准准部部分分遵遵循循““就就高高””原原则则，，如如设设计计寿寿命命，，桥桥面面宽宽度度等等。。2.建设设条条件件特特点点及及要要求求2.建设设条条件件特特点点及及要要求求⑵海上上条条件件复复杂杂，，安安全全管管理理极极具具挑挑战战：：①地处处外外海海，，气气象象水水文文条条件件复复杂杂；；②航线线复复杂杂、、流流量量大大，，海海上上安安全全管管理理难难度度大大；；③热带带气气旋旋影影响响十十分分频频繁繁，，风风力力大大。。2.建设设条条件件特特点点及及要要求求2.建设设条条件件特特点点及及要要求求⑶环保保要要求求高高：：①穿越越中中华华白白海海豚豚保保护护区区，，环环保保要要求求高高；；②工程程建建设设需需尽尽量量减减少少阻阻水水效效应应；；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减少人人工岛岛长度度;③增大桥桥梁跨跨径；；⑵总结提提升跨跨海桥桥梁建建设经经验，，依托托国家家工业业实力力，全全面实实现“工厂化化、大大型化化、标标准化化、装装配化化”工法，，减少少海上上作业业时间间及作作业量量，降降低安安全风风险、、减少少对海海洋环环境影影响，，提高高并保保证工工程质质量。。立足科科技创创新，，整合合国际际资源源及成成熟经经验，，自力力更生生，自自主建建设。。3.1总体设设计思思想3.总体设设计思思想及及方案案3.2海中主主体工工程总总体设设计方方案3.总体设设计思思想及及方案案香港段段工程程——香港政政府负负责⑴口岸人人工岛岛填海海筑岛岛130公顷；；⑵12公里香香港段段桥梁梁。主体工工程——三地共共同出出资⑴三座通通航孔孔桥；；⑵14公里深深水区区非通通航孔孔桥；；⑶5公里浅浅水区区非通通航孔孔桥；；⑷6公里长长沉管管隧道道；⑸2座各10万平米米离岸岸人工工岛。。珠澳口口岸人人工岛岛——208公顷填填海筑筑岛珠海接接线——14公里桥桥、隧隧、路路。香港口口岸建建成效效果图图3.总体设设计思思想及及方案案填海造造地130公顷，，采用用碎石石桩作作为围围堤地地基加加固（（不挖挖泥）），格格型钢钢板桩桩（预预制安安装））作为为岛壁壁结构构，回回填砂砂后加加固形形成陆陆域。。香港侧侧桥梁梁建成成效果果图3.总体设设计思思想及及方案案12.6公里六六车道道高速速公路路标准准，75米等跨跨预应应力混混凝土土连续续梁，，节段段预制制箱梁梁悬拼拼安装装；墩墩身预预制安安装（（或现浇）），预制制外壳壳+现浇承承台，钻孔孔桩。。3.总体设设计思思想及及方案案3.总体设设计思思想及及方案案海底沉沉管隧隧道建建成效效果图图受香港港机场场航空空限高高要求求，主主航道道处需需做隧隧道，，沉管段段总长长5664m，世界最最长公公路沉沉管隧隧道，，唯一一深埋埋大回回淤沉沉管隧隧道，，共分33节，每每节长长180m，宽37.95m，高11.4m，单节节重约约7.4万吨，最大沉沉放水水深44m。采用工工厂法法进行行沉管管管节节预制制，管管节在在全室室内环环境下下制造造，实实现标标准化化流水水作业业；管节的的起浮浮、出出坞、下沉沉利用用大型型专业业化设设备，，实现现7万吨级级沉管管40米水下下厘米米级对对接精精度。。3.总体设设计思思想及及方案案3.总体设设计思思想及及方案案东西隧隧道人人工岛岛建成成效果果图东西人人工岛岛各10万平米米，西西岛为为养护护管理理功能能，东东岛兼兼旅游游功能能。3.总体设计思思想及方案案两岛面积约约10万m2，离岸20km，水深约10m，软土层厚厚度20～30m，采用直径22m钢圆筒插入入不透水粘粘土层形成成止水型岛岛壁结构，，回填砂形形成陆域，，实现快速成成岛；采用塑料排排水板联合合降水预压压方案进行行软基处理理，最大超载载比达2.1，加快地基基固结沉降降完成。①西岛钢圆筒61个，东岛钢圆筒筒为59个。单个圆筒筒直径22.0m，圆筒壁厚厚16mm，筒高40米，筒重445t～507t。。②圆筒在上海海工厂内标标准化制作作，大型船船舶运输，，现场采用用八锤联动动系统振沉沉；③可在开工9个月内完成成一个岛的的填筑。3.总体设计思思想及方案案3.总体设计思思想及方案案青州航道桥桥建成效果果图主跨458米双塔双索索面钢箱梁梁斜拉桥，，六车道高高速公路标标准，混凝凝土与钢结结合索塔，，平行钢丝丝斜拉索，，钻孔嵌岩岩桩基础。。3.总体设计思思想及方案案深水区110米等跨非通通航孔钢箱箱梁桥建成成效果图110米等跨钢箱箱连续梁桥桥，单墩整整幅梁，箱箱梁整孔安安装，预制制混凝土墩墩台，预制制安装，钻钻孔嵌岩桩桩基础。①墩身工厂分分段预制、、浮运就位位、浮吊安安装；②钢箱梁工厂厂110米制造、运运输到位、、浮吊安装装；③利用专业制制造厂、大大型运输船船、大型浮浮吊。3.总体设计思思想及方案案3.总体设计思思想及方案案江海直达船船航道桥建建成效果图图主跨258米三塔单索索面钢箱梁梁斜拉桥，，钢索塔，，平行钢丝丝斜拉索，，混凝土承承台，钻孔孔嵌岩桩基基础。3.总体设计思思想及方案案九州航道桥桥建成效果果图主跨268米双塔单索索面钢箱梁梁斜拉桥，，钢索塔，，平行钢丝丝斜拉索，，混凝土承承台，钻孔孔嵌岩桩基基础。3.总体设计思思想及方案案近珠海岸85米等跨非通通航孔桥建建成效果图图85米等跨组合合连续梁桥桥，单墩双双幅梁，混混凝土桥面面板与钢箱箱一起整孔孔安装，预预制混凝土土墩台，预预制安装，，钻孔嵌岩岩桩基础。。3.总体设计思思想及方案案①墩身工厂分分段预制、、浮运就位位、浮吊安安装；②组合梁85米制造、运运输到位、、浮吊分幅幅安装；③利用专业制制造厂、大大型运输船船、大型浮浮吊。3.总体设计思思想及方案案珠澳口岸人人工岛建成成效果图3.总体设计思思想及方案案目录项目概况建设条件特特点及要求求总体设计思思想及方案案主体工程关关键技术施工技术与与装备4.主体工程关关键技术1.桥梁工程关关键技术在在于：⑴埋置式承台台设计及安安装；⑵预制墩台拼拼装及接缝缝处耐久性性保证；⑶曲线型钢塔塔线形控制制；⑷宽大箱梁整整孔安装；；⑸海洋环境超超长叠合梁梁耐久性保保证；⑹超长钢桥面面铺装方案案选择与质质量保证。。1.沉管隧道工工程关键技技术在于：：⑴实现纵向均均匀沉降的的隧道基础础设计及施施工质量保保证；PHC桩高压旋喷桩SCP+堆载预压SCP天然地基4.主体工程关关键技术⑵深埋大回淤淤荷载下合合理管节结结构设计；；⑶管节及接头头构造与防防水设计；；⑷特长海底隧隧道防灾与与救援设计计；⑸隧道结构与与机电工程程综合平衡衡设计；⑹海洋环境下下结构耐久久性设计；；⑺超长沉管线线形控制；；4.主体工程关关键技术⑻沉管管节节工厂化预预制及质量量保证；4.主体工程关关键技术⑼外海超大大沉管深水水无人沉放放技术；4.主体工程关关键技术⑽专用设设备研发与与保障；溜管式抛夯夯一体船定深平挖抓抓斗船（金金雄号）多耙头基槽槽清淤船平台式整平平船4.主体工程关关键技术⑽专用设设备研发与与保障；混凝土搅拌拌、制冰、、运输及布布料系统管节同步顶顶推系统全断面液压压自动模板板系统4.主体工程关关键技术⑽专用设设备研发与与保障；拉合系统声纳测控系系统精调系统压载系统大马力全回回转起锚艇艇安装船4.主体工程关关键技术3.隧道人工岛岛工程关键键技术在于于：⑴采用深插式式大圆筒设设计，实现现快速成岛岛;⑵大圆筒制造造、运输、、打设及精精度控制；；⑶挤密砂桩软软土加固方方案设计与与施工控制制；⑷利用深插钢钢圆筒实施施整岛止水水；⑸大超载比堆堆载预压加加固岛内地地基。4.主体工程关关键技术目录项目概况建设条件特特点及要求求总体设计思思想及方案案主体工程关关键技术施工技术与与装备5.工程进展及及计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.工程进展及及计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.工程进展及及计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.工程进展及及计划珠澳口岸人人工岛填海海，2009年12月15日开始施工工正在进行行软基加固固；珠海接线的的控制性工工程，隧道道也在施工工中。港珠澳大桥桥计划2016年底建成通通车。5.工程进展及及计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—非通航孔桥桥施工—非通航孔桥桥施工-桩基灌注桩基混混凝土采用全自动动导向架，，3次精确定位位插打钢桩桩非通桩基施工装配式钻孔孔平台复合桩钢管管制造—非通航孔桥桥施工-墩台施工非通墩台安装围堰运输与与安装承台安装墩帽安装组合梁架设组合梁运输输组合梁出海海组合梁海上上运输组合梁架设设—非通航孔桥桥施工方案案-组合梁架设设组合梁场内内移运钢管桩插打打—九洲航道桥桥施工方案案-基础施工钻孔桩施工工九洲桥基础施工钢管桩插打打围堰下放九洲航道桥桥施工—九洲航道桥桥施工方案案-墩台及塔柱柱施工上塔柱及主梁施工钢混结合段段节段吊装装上塔柱整体体吊装大节段运输输大节段架设设通航区通航区九洲航道桥桥主梁大节节段安装架架设总体方方案—九洲航道桥桥施工方案案-主梁施工非通航孔桥桥及九洲航航道桥施工工场景—主要施工方方案主要资源配配置情况—主要资源配配置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进场施工人人员约3283人，施工船船舶70余艘，施工工设备50余套。—大型设备配配置情况大型设备配配置情况船舶名称：：“华尔辰””；起吊重量：：主钩：2×600t；起升高度：80m。副钩：400t，起升高度度：120m，全回转。。起吊方式：：主钩中心起起吊；作业吃水：：3.2m；主要作业：：围堰的整体体拼装、吊吊运、安装装;复合桩钢管管插打;部分墩身、、墩帽的吊吊装。先进设备：：配有德国MENCK公司1900s液压锤打桩桩锤。—大型设备配配置情况大型设备配配置情况船舶名称：：“小天鹅””；起吊重量：：2900t起吊方式：：主钩中心起起吊;起吊高度：：41m；作业吃水：：3.5m；主要作业：：围堰的整体体拆除、吊吊运、安装装；复合桩桩钢管的插插打;承台、墩身身、墩帽的的吊装。大型设备配配置情况船舶名称：：“天一号””；起吊重量：：3000t起吊方式：：主钩中心起起吊;起吊高度：：60m；作业吃水：：4m；主要作业：：组合梁架设设。—大型设备配配置情况大型设备配配置情况—大型设备配配置情况船舶名称：：“海天3”；主要作业：：海上混凝土土施工供应。船舶名称：：“大桥雪浪浪”；主要作业：：钢桩打设设。大型设备配配置情况—大型设备配配置情况设备名称：：“横移台车车”；主要作业：：承台、墩身身、墩帽的的横向移运运。载荷荷：2700t。设备名称：：“纵移移台台车”；主要作业：：承台、墩身身、墩帽及及组合梁的的纵向移运运。载荷荷：2800t。—大型设备配配置情况大型设备配配置情况中山基地混混凝土搅拌拌站（2HZS120+2HZS180）人工岛混凝凝土搅拌站站（2HZS180）施工关键技技术及新工工艺（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、全自动动液压模模板系统统：实现承台台及底节节墩身一一次浇注成型型。2、钢筋分分块绑扎扎、整体体快速安装装成型技技术；4、浪溅区区以下墩墩身外层层钢筋采采用不锈锈钢筋。。3、C50海工大体体积混凝凝土一次次浇注，，并确保保承台、、墩身无无裂纹技技术；—承台+底节墩身身整体预预制施工工关键技技术4、埋置式承承台安装关键键技术—埋置式承承台安装装施工关关键技术术埋置式承承台安装装施工关关键技术术：1、采用新新型、装装配式钢钢套箱围围堰施工工①围堰的的作用：：有效的的保证了了承台预预留孔混混凝土在在施工养养护期间间免受海海洋环境境下潮汐汐、波浪浪力等荷荷载的反反复作用用，确保保预留孔孔混凝土土的质量量。—埋置式承承台安装装施工关关键技术术埋置式承承台安装装施工关关键技术术：1、采用新新型、装装配式钢钢套箱围围堰施工工②围堰的的最大特特点：围围堰采用用特殊结结构形式式，使围围堰能在在承受径径向荷载载同时、、在径向向仍具有有一定弹弹性。围围堰既可可采用分分块安装装施工，，也可采采用整体体安装施施工；以以适用恶恶劣的海海上施工工环境。。埋置式承承台安装装施工关关键技术术2、在恶劣劣的环境境下实现现承台及及底节墩墩身的精精确安装装：在桩头设设置可调调装置实实现承台台平面偏偏差在±10mm以内；竖向高差差在±10mm以内。—埋置式承承台安装装施工关关键技术术5、组合梁整整孔制造造新工艺艺钢槽梁厂内组拼组合梁整整孔制造造新工艺艺：钢槽梁板板单元制制造钢槽梁组组拼钢槽梁喷喷涂钢槽梁线线形监控控—组合梁整整孔制造造新工艺艺组合梁整整孔组合合组合梁桥桥面板湿湿接缝浇浇注组合梁整整孔制造造新工艺艺：—组合梁整整孔制造造新工艺艺桥面板预预制桥面板存存放组合梁组合6、组合梁施施工关键键技术-组合梁施施工关键键技术组合梁施施工关键键技术：：1、钢槽梁梁板单元机机械化、、自动化生生产技术术：采用板肋肋专用组组装机、、门式多多电极焊焊接专机机、横隔隔板焊接接机器人人等机械械化、自自动化设设备生产产加工板板单元，，对板单单元质量量有更好好的保证证。-组合梁施施工关键键技术组合梁施施工关键键技术：：2、钢槽梁整整孔拼接接技术：：通过采用用“板单元制制作→制制造分段段制作→→制造分分段接长长→预拼拼装”的施工方方案，实实现了钢钢槽梁整整孔制作作技术。。3、总拼自动动化焊接接控制技技术:①腹板立立位对接接数字化化焊接机机器人技技术;②无盲区区自动小小车焊接接技术，，焊枪可可旋转270°°。-组合梁施施工关键键技术组合梁施施工关键键技术：：4、无损伤制制造技术术：钢槽梁总总拼制造造时，通通过设置置卡具、、临时工工装、顶顶推装置置等自约约束与它它约束相相结合的的措施，，实现了了钢槽梁梁总拼场场地真正正意义上上的“无无马”制制造，从从而避免免了码板板对母材材的损伤伤，提高高了工作作效率。。-组合梁施施工关键键技术组合梁施施工关键键技术：：5、焊接数字字化群控控技术：：需要采用用手工半半自动焊焊工艺时时，采用用焊接数数字化群群控技术术，对焊焊接过程程的电流流、电压压及焊接接速度有有效控制制。能实实现对施施焊电流流、电压压、施焊焊速度等等参数实实现在线线监控，，确保焊焊接质量量的可控控性、可可追溯性性。组合梁施施工关键键技术：：6、钢槽梁梁组拼线线形控制制技术：：①根据钢槽梁的制造造线形设设计制作作钢槽梁总拼胎胎架，在在总拼胎胎架周边边设置““三纵一一横”的的测量塔塔及测量量水准点点，形成成钢槽梁线形控控制测量量网，确确保钢槽梁的制造造线形。。②立体阶梯梯推进式总拼,并制定相应应的焊接接变形控控制技术术，减小小钢槽梁制造过过程中焊焊接变形形对线形形的影响响。钢槽梁线线形控制制技术纵向测量量塔横向测量量塔梁段匹配配段-组合梁施施工关键键技术组合梁施施工关键键技术：：7、钢槽梁梁整孔涂涂