采用<<便航式跨海浮桥>>方案之(一)

吴清明四川省公路TRANBBS规划勘察TRANBBS设计研究院（610041）

摘要：我国琼州海峡的海水深度较大，采用桥梁和隧道的困难都很大，<<便航式跨海浮桥>>是一种简便、实用和经济的解决方案。本文对通航、潜浮隧道、浮桥、衔接桥和付航道桥的结构原理、设计、防护、TRANBBS施工和管理问题，提出初步的方案探讨。
关键词：通航潜浮隧道浮桥衔接桥付航道桥

在“桥梁与隧道工程网”上看到“大庆油田有限责任公司第七采油厂“工程TRANBBS技术大队高大放的文章：”<<便航式跨海浮桥>>项目可行性初步分析”和”关于在琼州海峡修建世界上第一个<<便航式跨海浮桥>>的建议”以后，感到问题提得很好，思路新颖，很有创意。我国琼州海峡的海水深度较大，采用桥梁和隧道的困难都很大。若主航道采用潜浮隧道，付航道采用桥梁，中间采用浮桥相结合的形式；或采用潜浮隧道、浮桥和潜浮隧道的双主航道组合方案，则困难较小，都比较经济实用，很值得深入探讨。

<<便航式跨海浮桥>>是利用浮力原理，设计原理和特点与船舶相同，对地基的依赖性小，不象桥梁和隧道完全支承于地基上。结构的受力直接和明确，荷载直接被船舶的浮力平衡，使用的材料较少，更经济合理。潜浮隧道不是完全的悬浮，为方便隧道预制管节的安装和定位，需要设置少量桩基作定位和支承活载。
本文以我国琼州海峡的<<便航式跨海浮桥>>方案为例，对航道、潜浮隧道、浮桥、衔接桥和付航道桥的设计、预制、浮运、安装、防护和管理问题，提出初步的方案探讨。
一、航道
1、重要性
琼州海峡是我国的内海，通航是重大的问题。作为海上TRANBBS交通要道，需要作详细的调查研究，要与海运、海事、鱼业、海军、石油、国土、环保等多方面协商，经过国家主管部门确定，才能确定出合理的航道标准。主航道宽度拟为1500米，付航道宽度拟为300米。
2、方式
琼州海峡采用<<便航式跨海浮桥>>方案，航道位置按通航需要、地形、地质条件和施工方案来确定。海峡的特点是宽达20公里，两岸比较浅，中部水深在120~150米左右，平均水深50米，最大浪高3.3米，潮位差3.6米。海峡两岸分别属于广东和海南省，为方便通航和管理，在广东岸3500米设潜浮隧道作主航道，海南岸设桥梁3000米作付航道，中间深水段13500米作浮桥。采用潜浮隧道、浮桥和桥梁三种形式相组合，能够充分利用地形条件，方便通航和施工。靠近两岸设主、付航道，符合通常船舶偏于近岸航行的实际需要。亦可采用潜浮隧道、浮桥和潜浮隧道的组合方案，中间深水段13000米作浮桥，更方便通航。
3、要求
主航道上潜浮隧道的设置深度，应由船舶的吃水深度来定，满足最大船舶和特殊的需要。30万吨的超级油轮，吃水深度22.2米。考虑到将来的发展需要，预留一定的安全余地，深度以低潮位为准，航道采用水深24米可行。隧道高度采用7.6米，隧道底的最小水深31.6米。最大潮水位差3.6米，隧道底的最大水深35.2米，考虑最大浪高3.3米，应按38.5米深的水压力设计隧道。主航道最大水深为潜浮隧道的水平段，宽度按1500米考虑，出水坡段长度1000米，航道总宽度3500米，足以满足通航的需要。付航道按通行5000吨级的船舶，通航孔设跨径300米的桥梁，能够满足和方便通航的需要。
4、管理
主、付航道简称为北、南航道，专设航道的管理机构，航道的情况和管理规定应作公告和宣传，并设电台预警引导，必备应急救援设施。尤其应重视夜航标志，要加强对浮桥的保护，避免发生航行事故。
二、潜浮隧道
1、原理
隧道的横断面积大，浮力很巨大。假定为双向6车道，采用矩形单箱双室断面，单室净空为6x12米，单个车道宽度3.75米，钢筋砼壁厚0.80米。每延米排水量为201吨，自重155吨，浮力46吨，浮力还能够承受活载，故需要再加压重才能下沉。由于活载的作用会引起浮力的变化，隧道内力也有变化，隧道仍然需要锚固。

所谓潜浮隧道是指水深在80米以内的浅海中，采用间距60米的双柱式桩基排架，将隧道预制管节安放和固定于上，使施工比较方便。由于潜浮隧道的浮力巨大，隧道自重基本上已由浮力所平衡，活载由桩基承受。被固定的潜浮隧道稳定和承力可靠，方便预制隧道管节的拼装，无防护麻烦，施工类同上海黄浦江沉管隧道。
2、桩基
在水深80米以内的浅海中，采用直径3米的桩基，采用冲击钻机施工可行。钻孔钢护筒采用16毫米厚度船用钢板卷制焊接，为加强钢护筒的纵向刚度，可采用角钢在筒内作纵向焊接加劲。桩基砼浇灌至设计标高以上1米，以后抽水凿除桩头砼，浇灌封头砼和焊接钢板。然后水下切割钢护筒，浮吊安装预制钢筋砼盖梁，并水下焊接固定。预制隧道管节安放在排架盖梁上，再水下焊接固定。对于水深较浅时，桩基直径可以减小。对于潜浮隧道的出水坡度段，桩基排架间距按需要作灵活调整。隧道与桩基排架相配合，使潜浮隧道的施工变得简单易行，故潜浮隧道很有发展前景。
3、结构
由于潜浮隧道的排水量大，浮力也很大，需要很大的自重，才能潜入水中，很适合使用混凝土材料。采用单箱双室的钢筋砼断面，施工预制简便，内力可按箱形刚架计算。隧道潜浮较深，水压力很大。普通钢筋砼要开裂，不适合用在海水中作隧道。很适合采用预应力技术，防止钢筋砼开裂，有利于防止隧道漏水，可减少普通钢筋的用量。隧道顶、底板设横向预应力束，边墙设竖向预应力束，钢绞线束随水深压力减小而减少，在框架节点设纵向预应力束加强其刚度。为保证潜浮隧道的绝对安全，采用10毫米厚度钢板作内衬形成封闭钢箱，起到防水和保险的作用，便于防漏抢修，并参与刚架受力，兼作浇筑砼的内模板使用。对钢板内壁采用5厘米厚度钢筋网和钢丝网喷射砼作防火层，并分段设置自动控制的喷水灭火管线，起到防水、耐久和防火的安全作用。隧道要浮运就位安装，必须在预制节段两端设封头端板，在接头安装处理好以后，再打通拆除封头端板。为了方便拆除封头端板，采用便于装拆的钢骨架和止水的钢制正交异性板。隧道预制管节应从一端逐一拼装，便于封头端板拆除和重复使用，以降低工程造价。预制管节两端钢接头的断面尺寸和精度标准要严格，以便于安装、接头连接预应力张拉和焊接处理。
4、接头
潜浮隧道分节段预制，以便预制和浮运安装。为了便于安装和拼接，隧道管节接头部位应采用钢板材料制造，预埋在钢筋砼中，以便于内外焊接接头连接钢板。为了防止漏水，接头加设橡胶止水密封垫层，采用张拉连接预应力。为了接头安装方便，还需要焊接导向、定位和连接装置，完善安装和拼接方案。隧道管节接头的外部焊接钢板和安装钢模板，并压注砼以防护接头钢板的锈蚀。考虑在管节顶板开孔和安设竖向直径为2米的钢管井筒，形成沉箱，方便人和机具进入管节内，以方便隧道管节的接头连接操作和施工处理。最后焊接钢板和浇灌砼封闭孔口，切割和拆除钢管井筒。潜浮隧道的接头处理是关键技术，在水深40米以内作钢板的切割和焊接是可行的，海洋救捞公司对水下安装和割、焊有独特的技术解决。
5、预制
潜浮隧道管节的接头处理较麻烦，故隧道管节的划分宜长，长度以120米左右为宜，
以减少接头的数量。预应力混凝土隧道管节的重量巨大，达18642吨，无法采用机械移动。故适合采用在干船坞内预制，利用浮力可以比较方便的实现浮运。为了减小干船坞的深度，可以采用分两期来预制，即先作下部和底板实现成船浮运，只需3.5米吃水深度，上部和顶板浮运出干船坞以后，再继续完成预制成管。为了预制隧道管节，需要在海边选择适当的位置建设干船坞。可在广州新建的龙穴岛30万吨干船坞预制。
6、出口
隧道出水口前的节段吃水深度较浅，呈现出半潜浮状态，施工反而不方便，浮运和安装除利用高潮位的有利条件外，还应加设辅助浮筒进行安装，或者部分作成双壁钢套箱以减轻自重，安装以后再浇灌砼。由于隧道的浮力减小，则应增加桩基排架数目，以支承隧道的重量。为了防避潮差和浪高，隧道要露出水面相当的高度，此部分类似箱形桥梁，重量都支承在桩基排架上，排架自然也需要加密。此部分可以采用浮吊安装，或支架上现浇施工，为了减轻浮吊和支架的负担，应分期完成，设计都应该考虑到施工和使用阶段的各自特点。
7、通风、照明和排水
隧道的通风是极为重要的，故行车净空高度设为6米，以便布置送、排风管道。”V“形的隧道纵断面，风压问题很重要。照明更是必须重视的，可以改善行车条件和景观，以方便行车。为了预防意外漏水，必须设置抽、排水设备和管道。通风、照明、防火和排水设施必须是经常和不间断的，设备和电源应该采用双套备用，这些都能办得到。
8、管理
由于潜浮隧道很长，隧道的安全极为重要，故隧道应加强管理，必须有安全监控设备和安全事故应急设施，以保证交通安全。在隧道口应加宽建设管理设施平台，也便于安装通风、照明、排水和发电等设备。
三、浮桥
1、特点
浮桥利用了浮力原理，是科学和经济实用的。只要解决了通航问题，浮桥作为解决跨越深海困难，无疑是优越的方案。浮桥是以船作桥，采用的是船舶原理和技术。浮桥要求船舶长、宽度和体积很大，排水量达万吨以上，可获得很大的稳定性和减少相互连接。浮桥的桥面宽度采用双向6车道(0.5+16+2+16+0.5=35米)的标准，以免发生车道堵塞影响行车。浮船的长度定为150米，以减少伸缩缝，利于行车安全。浮桥的桥面采用整体现浇钢筋砼板，面层为沥青砼。桥面板即为浮船的甲板，它与船体桁架结合成为整体受力，结构的整体刚度大，自重很大，活载比例较小，集中力能够双向分散传布至船体，故变形很小。

2、风浪影响
琼州海峡受台风的影响严重，瞬间最大风力12级，8级大风全年仅有6天时间，10级大风全年仅2天时间。台风的破坏力量很大，是严重的自然灾害，无法抗拒，只能防避。台风到来时，需要封闭交通。风力对浮桥的影响，可设桩基或抛锚作定位和平衡稳定。锚拉链条长度受潮位变化的影响，在船上设置转向定滑轮和吊重能够自动调整。浮船的高度为4.5米，波浪最大高度达3.3米，桥面墙式护栏高度加高为1.6米，既为了防波浪，也为了保证行车的绝对安全。桥面板离水面的高度应为2米，则浮船的吃水深度2.2米。浮船的两侧作成流线型，起到预防和破浪的消能作用。波浪的能量很大，破坏的作用很大，是浮桥问题的关键。故对浮船两侧作加强处理，保证有足够大的抗变形刚度。并采用设置钢筋砼园形锥体，以削弱波浪的破坏能量，作为预防和防护措施。
3、结构
浮桥作用的浮船有其特点，船舱空间无使用要求，可自由设置纵、横向加劲桁架。钢筋砼桥面板的长、宽度都大，适宜设置纵、横向加劲桁架来支承荷载和分散传至船体，使船体形状保持不变。加劲桁架的弦杆与桥面板和船体相结合，形成复合钢管砼结构，成为双向的板桁结构，整体的刚度很大。浮船起囤船的作用，加劲桁架起船舶龙骨的作用。加劲桁架采用复合钢管砼，结构的整体刚度很大，加工焊接简便，腹杆采用钢丝网水泥砂浆作长效防护。浮船受车辆和风浪的作用，总纵向弯曲和横向弯、扭变形较大，内力组合情况复杂。在纵向加劲桁架弦杆内加设预应力钢绞线束，形成预应力复合钢管砼桁架。整个船体都成为预应力结构，纵、横向的抗弯、扭刚度都加大，可保证稳定与和安全。
浮船的关键是防护，船体钢板和加劲肋型钢适宜采用低合金的船用钢板，具有较强的防腐能力，钢板必须预留耐腐蚀的厚度。为了加强船体钢板的防护，外表面焊接锚固钢筋，采用8厘米厚度的钢筋网和钢丝网喷射砼，再用水泥砂浆抹光，形成复合钢板砼结构。可增强船体钢板的抗变形刚度，使钢板厚度经济合理。浮船划分为几大密闭隔仓，以备局部检修和应急保险。船舱内空气不流动，内壁钢材腐蚀不严重，可采用环氧沥青漆防护。亦可采用钢筋网和钢丝网喷射砼防护，实现浮船的长效防护。
4、预制
浮船体形很大，可以在船台上建造船体，作好防护处理以后下水，再作桥面甲板。也可以利用预制潜浮隧道管节的干船坞进行预制，干船坞也作为浮桥的永久维修设施，以后可以再造新船，以防备万一对浮桥进行维修更换。干船坞本身就是一个大型造船厂，可作为一个造船企业来生产经营，并回收建设船坞的投资。可在广州新建的龙穴岛30万吨干船坞预制。
5、连接
浮船采用铰连和橡胶减震连接，以适应浮船的浮动变形需要。结合考虑到浮船维修的可能性，采用拉、压和减震组合的哑铃形球饺连接，连接装置构造简单、安全可靠、经久耐用和装拆更换方便。桥面采用标准的异型型钢伸缩缝，可以保证行车的舒适。
6、照明
浮桥应设路灯照明，以改善行车的条件，保证行车的安全，也是浮桥的明显标志，以免船舶夜间误航和撞桥事故发生。
四、衔接桥梁

由于浮桥的高度随潮位而变化，故必须设置衔接桥梁，以适应和满足坡度的变化，改善行车的条件。潮位变化高度达3.6米，应设置80米跨径的单孔桥梁，采用复合钢管砼系杆拱较好。它的跨径很大，抗风稳定性好，预制加工方便，也便于浮运安装和架设施工，外形也美观，无防护的麻烦。衔接桥梁由浮桥端部浮船设100米长度纵坡和作桥台，支座最大支承压力为3200吨，将浮桥端部浮船加宽和吃水加深1.2米解决，船内加劲桁架作特别加强。浮船能够自动的适应潮位变化，实现纵坡的调节变化。
五、付航道桥梁
为了方便通航而设置的付航道桥梁，主孔跨径300米，通航孔净空高度为36.5米、宽度为180米，边孔跨径160米，引桥跨径50米，可通行5000吨级船舶。采用复合钢管砼组合桁架梁桥，桥面板形同箱形刚构桥，桥面下部结构采用复合钢管砼桁架，实际形成为板桁结构，其自重较轻。它便于采用挂蓝和预应力悬拼施工，并分钢管、钢管砼和外包钢筋砼三个阶段组合形成，施工安全方便，结构的韧性好，无防护麻烦。同样应设置航道的管理和标志，以及夜间照明，以保证航行、行车和桥梁的安全。

六、造价估计
1、潜浮隧道、浮桥和桥梁组合方案
双向6车道标准的桥梁造价，在珠江三角洲地区大约是：30、40米简支梁桥为10万元/延米，120米连续刚构桥为20万元/延米，350米钢箱梁斜拉桥为51万元/延米。付航道桥引桥长3000米，造价2380x12+620x25=44060万元。衔接桥梁长度160米，造价160x25=4000万元。浮桥长度13340米，造价为13340x18=240120万元。潜浮隧道长3500米，造价3500x30=105000万元。20公里海峡宽度的桥梁、衔接桥梁、浮桥和潜伏隧道总造价，估计约44060+4000+240120+105000=393180万元。再考虑6820万元建设干船坞，整个工程的总造价约40亿元人民币，平均每公里造价约2亿元人民币。
本方案采用双向6车道的35米宽度标准显得过高，采用双向4车道的25米宽度标准也可行，可以减小工程材料用量和施工难度。按桥宽度的比例作简单折减，总造价估计约400000x25/35=285714万元，平均造价约1.4286亿元/公里。若不考虑宽度折减，也较经济。
2、潜浮隧道、浮桥和潜浮隧道组合方案
浮桥长度13000米，造价为13000x18=234000万元。潜浮隧道长7000米，造价7000x30=210000万元。衔接桥梁长度160米，造价160x25=4000万元。20公里海峡宽度的衔接桥梁、浮桥和潜伏隧道总造价，估计约234000+210000+4000=444000万元。再考虑6000万元建设干船坞，整个工程的总造价约45亿元人民币，平均每公里造价约2.25亿元人民币。
若采用双向4车道的25米宽度标准，按桥宽度的比例作简单折减，总造价估计约450000x25/35=321429万元，平均造价约1.6072亿元/公里。
七、结束语
采用<<便航式跨海浮桥>>是切实可行的新模式，其特点还有待于人们去认识。故浮桥是一种新观念，设计上耐久、稳定、安全和经济的浮桥，可称为水上（称蓝色）公路。浮船的耐久性问题最为重要，采用砼作防护的复合钢板结构，防护作用有保证。如琼州海峡这样的特殊情况，综合采用潜浮隧道、浮桥和付航道桥梁的组合方案，发挥浮桥这种水上公路的特长，能够减少技术难度，防护工作量少，是比较经济合理的方案，这种模式对其它海峡也很有实用意义。
海南岛是我国唯一地处热带气候的地区，自然资源丰富的宝岛，长夏无冬的旅游资源开发前景十分广阔。海南省是泛珠三角区域经济9+2的成员，今后随着区域经济的发展需要，琼州海峡公路交通问题的解决，已不会很久远了。工程的投资效益前景很好，采用杭州湾大桥的集资模式，资金来源也不难解决。有了耐久、安全、经济和实用的方案，相信工程项目是会早日提上议事日程的。

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