杭州灣跨海大橋工程案例分析

大型工程集成創(chuàng)新案例分析杭州灣跨海大橋LOGO組員：余治國張平張光雄黃柏松工程建設(shè)總貌

杭州灣跨海大橋北起嘉興海鹽市，南至寧波慈溪市，全長36公里，是目前世界上已建成的最長跨海大橋。大橋由327米長的南北引橋、1486米長的南北通航孔橋和34.187公里長的高架橋面組成。大橋設(shè)計(jì)壽命100年，可抵御12級臺風(fēng)和強(qiáng)烈海潮沖擊。橋面為雙向六車道高速公路，路基寬度35米，設(shè)計(jì)時速100公里，兩邊有3米寬的緊急停車帶。大橋北岸連接線總長29.1公里接入滬杭高速，南岸連接線總長55.3公里接入寧波繞城高速。橋體和連接線的建設(shè)總經(jīng)費(fèi)預(yù)算為160億元。大橋建成使寧波到上海的公路行程比原來縮短120多公里，行車時間縮短到2小時左右，平均每年可節(jié)省運(yùn)費(fèi)數(shù)十億元。工程建設(shè)總貌

這項(xiàng)世界級的偉大工程從醞釀籌建到完成建設(shè)歷時15年，大致可以分為前期工作10年和正式建設(shè)5年兩個時期。該工程于1993年開始籌建，2003年6月8日正式動工。經(jīng)過中鐵大橋局、中鐵二局、中鐵四局、廣東長大、中港二航局等單位近萬施工大軍5年奮戰(zhàn)，2007年6月26日大橋貫通，2008年5月1日北奧運(yùn)會前杭州灣跨海大橋正式通車。杭州灣跨海大橋?qū)ν苿娱L三角區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有極其重要的意義。大橋打通了江浙滬兩省一市沿海地區(qū)的大通道，連成了長三角區(qū)域的綜合交通運(yùn)輸體系，區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的各種要素、各類人才、各項(xiàng)技術(shù)流動更為便捷，上海作為國際金融、貿(mào)易、航運(yùn)中心的功能得到更好發(fā)揮，浙江產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，寧波－舟山港地位得到提升，有力地支撐了世界第六大經(jīng)濟(jì)群的崛起。大橋成為我國橋梁從江河走向海洋的代表作，具有里程碑式的意義。工程環(huán)境特點(diǎn)（工程建設(shè)難點(diǎn)）

杭州灣海域氣候復(fù)雜多變，臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、雷暴及突發(fā)性小范圍災(zāi)害性天氣時有發(fā)生，與巴西亞馬遜河口、印度恒河口被并稱為世界三大強(qiáng)潮海灣。海域?qū)捔魉偌?，最大流速達(dá)每秒6米；每天有兩次漲潮落潮，最高潮水位達(dá)7.2米，潮水落差4到6米；平均每年夏季有2次以上臺風(fēng)光顧；惡劣的施工條件使全年有效工作日不足180天。海基軟土層厚、持力層深，南北兩岸水深和岸線情況不同，特別是南岸灘涂長，施工條件復(fù)雜，采用常規(guī)設(shè)計(jì)方案和施工方法難以滿足工期要求。南岸灘涂有多個區(qū)域富集淺層天然氣，危及施工安全；還有大氣和海水的嚴(yán)重環(huán)境腐蝕問題。面對重重困難和挑戰(zhàn)，建設(shè)者發(fā)揮聰明才智，開展集成創(chuàng)新，攻克了一個又一個的難關(guān)，創(chuàng)造了世界建橋史上的偉大奇跡。大橋設(shè)計(jì)上的集成創(chuàng)新

１）橋身設(shè)計(jì)

大橋總長３６公里，設(shè)計(jì)者把橋身設(shè)計(jì)成俯視為Ｓ形，蜿蜒橫跨杭州灣。Ｓ形設(shè)計(jì)是為了讓海水順利流過橋梁下方，使大橋?qū)λ呐c潮汐的影響降至最低。同時能夠讓駕駛員在又直又長的路面上不感覺單調(diào)，避免走神或者瞌睡。為進(jìn)一步防止司機(jī)視覺疲勞，大橋還把兩側(cè)的金屬護(hù)欄從南至北漆成赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色，每５公里一種。如果從遠(yuǎn)處的水面上看，整座大橋就如一條橫臥海上的“七彩長虹”。大橋中部離南岸約１４公里處建了一個面積約萬余平方米的海中平臺，用匝道與大橋相連。平臺上建有觀光塔，游客可以俯瞰大橋的雄姿和波瀾壯闊的大海。體現(xiàn)科技與人文結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)被完美地集成到了跨海大橋橋身上。２）橋塔設(shè)計(jì)

橋塔與橋身一樣直觀。根據(jù)海水深度，杭州灣跨海大橋設(shè)有南北兩個航道橋。南航道橋通航標(biāo)準(zhǔn)３０００噸，設(shè)計(jì)為主跨３１８米Ａ型獨(dú)塔（高２０２米）雙索面鋼箱梁斜拉橋；北航道橋通航標(biāo)準(zhǔn)３５０００噸，開始設(shè)計(jì)為主跨４４８米Ａ型雙塔（高１８７米）雙索面鋼箱梁斜拉橋。后來發(fā)現(xiàn)如果北航道橋用Ａ字型塔，它在海上的基礎(chǔ)臺面將達(dá)長１００米寬３８米，差不多一個足球場大小，不但造價高，在惡劣海面上施工的風(fēng)險也大大增加。于是設(shè)計(jì)人員提出新的方案，把北航道橋塔改成中間大下面小的鉆石型，以減少水中承臺面積，降低施工代價。大橋設(shè)計(jì)上的集成創(chuàng)新３）風(fēng)障設(shè)計(jì)杭州灣海域除了霧氣、大雨外，還有一個特點(diǎn)是風(fēng)也很大。據(jù)歷史測量數(shù)據(jù)報告，這里８級以上的風(fēng)力屬于正常。橋上過大的橫風(fēng)，對汽車特別是大客車、面包車行駛帶來很大危險。工程技術(shù)人員在大橋兩側(cè)欄桿上增加長２米、寬２０厘米的圓弧形風(fēng)障，風(fēng)障是中間有空隙的擋板，既能夠?yàn)楦咚傩旭偟能囕v減少橫風(fēng)干擾，也保證了風(fēng)障自身安全。在杭州灣跨海大橋上行車，即使遇到１１級大風(fēng)，車輛受到的影響也只相當(dāng)于８級風(fēng)。４）淺層天然氣處理大橋施工中還遇到了杭州灣土層中蘊(yùn)含天然氣的難題，將鋼樁打入這類土層極為危險，失控噴出的天然氣可能侵蝕橋梁地基，一有火花，還會點(diǎn)燃天然氣，引發(fā)爆炸。另外，如果淺層天然氣噴發(fā)將造成土層擾動，不僅對鉆孔樁施工及橋基穩(wěn)定性有較大危害，而且會影響棧橋施工及大橋建成后運(yùn)營安全。為了解決這個問題，指揮部曾去曼哈頓向美國人取經(jīng)，但是外國人拿不出辦法，橋梁施工專家轉(zhuǎn)向咨詢在海上開采石油的中國專家，結(jié)果發(fā)明了“控制性放氣法”：找出天然氣最密集的區(qū)域，將裝有壓力閥的細(xì)管鉆入天然氣礦床，讓天然氣慢慢排出降低壓力；在氣量不大的區(qū)域則用勘探孔直接放氣。集成了來自國內(nèi)的他山之石，問題迎刃而解。大橋施工中的集成創(chuàng)新

杭州灣兩岸水深和岸線情況不同，在“一切從實(shí)際出發(fā)”、“具體情況具體分析”的思想指導(dǎo)下，工程采取了與傳統(tǒng)“設(shè)計(jì)決定施工”不同的思路，創(chuàng)造性地提出“施工決定設(shè)計(jì)”的原則。

南岸是淺海灘涂區(qū)域，淺灘軟土層厚度超過３０米，下方巖石層又深達(dá)１６０多米，南岸橋墩施工采用的是鉆孔灌注樁技術(shù)。北岸一側(cè)是深海區(qū)，水流湍急，不具備現(xiàn)場澆筑樁基的條件，只能靠打樁。若采用混凝土預(yù)制樁，管徑將達(dá)１．６米，長度近百米，重量超百噸，預(yù)制拼接難度大，在浪高流急的杭州灣還極易失穩(wěn)，且國內(nèi)沒有現(xiàn)成的打樁設(shè)備。另外，前期地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)土層中有１０米厚的“鐵板沙”，將會阻攔樁基穿透，可能出現(xiàn)混凝土預(yù)制樁被打裂但仍不能到位的情況。經(jīng)過反復(fù)論證比較，專家組突破歐美國家的有關(guān)規(guī)范，決定在深海區(qū)舍棄混凝土預(yù)制樁，采用鋼管樁。

大橋鋼管樁樁長為７１到８９米，最長一根有３０層樓高７０噸重；樁徑為１．５米和１．６米，比大餐桌還大；總用鋼達(dá)３７萬噸，為世界之最。工程技術(shù)人員查閱了大量資料，經(jīng)過無數(shù)次試驗(yàn)，借鑒軍人打綁腿一圈一圈往上卷的方法，創(chuàng)造性地提出了整樁內(nèi)外螺旋焊接技術(shù)。并進(jìn)行長達(dá)一年的技術(shù)檢驗(yàn)，確認(rèn)焊縫沒有出現(xiàn)開裂，能夠保證工程需要。大橋材料上的集成創(chuàng)新１）混凝土材料

杭州灣地區(qū)的海水和大氣鹽霧中含有較高的氯離子，侵入橋墩混凝土縫隙中，會導(dǎo)致鋼筋嚴(yán)重銹蝕而膨脹，使混凝土保護(hù)層大面積開裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。工程技術(shù)人員經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)研究，發(fā)明了增加混凝土密實(shí)性的技術(shù)，解決了這一難題。具體方法是：在一般混凝土材料中，摻入一定比例的粉煤灰和細(xì)磨礦渣粉，制成高密實(shí)性的海工混凝土。這種混凝土能夠有效延長氯離子到達(dá)鋼筋表面并達(dá)到臨界值的時間，其抗氯離子性能是一般混凝土的３－４倍，從而使大橋鑄就了百年不壞的“金剛身”。在使用海工高性能混凝土的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員還對腐蝕嚴(yán)重的部位和特殊構(gòu)件，采用了環(huán)氧涂層鋼筋、電流陰極防護(hù)等多項(xiàng)防腐技術(shù)，使大橋設(shè)計(jì)的１００年壽命有了可靠保障，也充分體現(xiàn)了集成創(chuàng)新的思想。大橋材料上的集成創(chuàng)新２）鋼管樁材料

大橋深海區(qū)采用的是超大超長鋼管樁，如何防腐？國際上一般做法是加厚管壁，如美國重修舊金山大橋時所用的鋼管樁厚度為７．５厘米。據(jù)測算，鋼管樁在海水中每年的腐蝕厚度是０．２毫米，按百年壽命設(shè)計(jì)，需要加厚管壁２厘米。這不但大大提高了工程成本，也將給施工帶來巨大困難，國內(nèi)也還沒有將如此厚的鋼板制成鋼管的能力。工程技術(shù)人員又經(jīng)過無數(shù)次試驗(yàn)，最后采用了２．３厘米厚度的鋼管樁。同時，技術(shù)人員還在鋼管樁上集成了涂層保護(hù)和陰極保護(hù)的防腐技術(shù)，對鋼管樁涂裝三層熔融環(huán)氧粉末，給每根鋼管樁焊一塊可以定期更換的陽極板以吸收海水中的陰離子。防腐技術(shù)的集成應(yīng)用，既保證了工程質(zhì)量，又大大降低了成本。大橋集成創(chuàng)新方法的啟示２）鋼管樁材料

大橋深海區(qū)采用的是超大超長鋼管樁，如何防腐？國際上一般做法是加厚管壁，如美國重修舊金山大橋時所用的鋼管樁厚度為７．５厘米。據(jù)測算，鋼管樁在海水中每年的腐蝕厚度是０．２毫米，按百年壽命設(shè)計(jì)，需要加厚管壁２厘米。這不但大大