崇启通道 (上海段) 北支大桥桥梁总体设计

崇启通道 (上海段) 北支大桥桥梁总体设计
袁慧玉
【摘要】This paper introduces the overall design of bridge located at the river regime evolution area in the upper reaches of Changjiang River and in the reclamation range of North Branch. Based on the conclusions of two monographic studies, the reasonable spans and the relevant anti-scouring measures are taken to achieve the economic rationality of the design. At the same time, this paper also introduces the scheme comparison of bridge spanning the existing dike in order to obtain the more economic and reasonable scheme.%介绍了针对桥址处于长江上游河势演变区域以及北支口围垦范围内的桥梁总体设计.根据两个专题研究的结论, 选择合理跨径以及相应的抗冲刷措施以达到设计的经济合理性.同时也介绍了桥梁跨越已有大堤时的方案比选, 以取得更经济合理的方案等内容.
【期刊名称】《城市道桥与防洪》
【年(卷),期】2019(000)003
【总页数】5页(P83-86,目录11)
【关键词】大桥总体设计;桥墩冲刷、淤积;大堤保护;土体塑性流动;耐久性
【作者】袁慧玉
【作者单位】上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海市 200092
【正文语种】中文
【中图分类】U442.5+5
1 工程概况
崇明至启东长江公路通道工程（以下简称“崇启通道”）起始于崇明越江通道（上海长江隧桥）终点，往北跨越长江北支后与江苏宁通启高速公路顺接，是沪崇苏越江通道的重要组成部分，也是国家高速公路网沪陕高速公路G40的重要组成部分。

本工程建成后将进一步增强苏北地区、山东半岛与上海浦东机场、洋山深水港之间的联系，促进上海航运中心的建设及地区一体化的联动发展。

崇启通道工程主线全长51.763 km，按省界划分为上海段与江苏段，其中主通航
孔位于江苏省内。

上海段位于上海市崇明岛，工程全长30.735 km，其中长江北
支大桥上海段，从内陆起坡，分别跨越四通港大堤、规划随塘河及规划中缩窄大堤后止于沪苏省界，全长约2.3 km。

设计速度100 km/h，按双向六车道布置，路
桥同宽。

桥面分上下行两幅桥，单幅桥宽15.5 m，全桥总宽33 m。

横断面布置为：0.5 m（防撞栏杆）+15.0 m（机动车道+紧急停车带）+2.0 m（中央分隔带）+15.0 m（机动车道+紧急停车带）+0.5 m（防撞栏杆）=33.0 m，桥梁横断面
布置图如图1所示。

2 建设条件
崇启通道上海段工程桥位区位于上海市东北部长江北支的中段，由于上游河势演变以及北支口围垦等因素的影响，北支河床处于不断萎缩和淤积的过程之中，并向涨潮槽发展。

目前，桥位靠近省界约800 m左右范围已处于沙洲上，地面标高
2.5～
3.5 m，再往上海方向至四通港大堤1 100 m左右范围为浅滩区，水面标高
4.4～3.4 m，水深3.7～1.6 m，四通港大堤以内已全部淤积至滩面，高程约3.8 m。

图1 桥梁横断面布置图（单位：cm）
3 设计思路
根据崇启通道所处的地理位置、工程规模，以及北支大桥总体构思和上海段桥梁的工程特点，设计立足于“技术先进、安全可靠、耐久适用、经济合理、环境保护”的基本原则。

在设计中借鉴了国内外特大型跨海大桥特别是东海大桥、上海长江大桥等的建桥实践及成功经验。

并针对该工程的自然条件和周边环境，综合考虑不同区段的工程规模与不同设备的使用效率，因地制宜、区别对待地进行桥梁结构设计。

在满足桥梁交通使用功能的前提下，力求造型美观，各区段风格一致，横断面形式基本相同，立面线形流畅，总体上与周围环境相协调。

同时充分重视水环境和自然景观的保护，力求将其影响降低到最低限度，并且选择合适的结构形式与施工方法，以降低工程造价。

考虑到桥址处于长江入海口附近，受盐水入侵长江口的影响，具有一定的腐蚀性。

设计从结构形式、材料应用、防腐措施选择等方面综合考虑，采用整体性强、耐久性好的结构构件，满足设计使用年限100 a的要求。

同时考虑到桥跨结构长期营
运的耐用性，基础设计需考虑河势及崇明北沿促淤圈围工程对桥梁基础的影响情况，设计从结构选型上应满足保证施工速度快、结构可靠、造价节省的技术要求。

4 总体设计
4.1 桥型及跨径布置
在进行桥梁总体方案设计时，考虑到施工受潮位、河势、水文、气象等的影响较大，桥位处较大范围内常水位时为浅滩区，高水位时又为浅水区，故基础、下部结构和上部结构的施工安装都必须针对这些特点分别选择合适的施工工艺和施工机具。

同时，又要兼顾全线工程工期的要求，为此，工程分为五个区段，从上海往江苏方向分别如下：
（1）起坡段
采用30 m跨径的等高度预应力混凝土连续梁。

该段桥面较低，地面已成陆，对地基进行加固处理后，可以采用满堂支架或少支架法施工。

（2）跨四通港大堤段
采用三跨斜交等高度预应力混凝土连续梁跨越。

考虑到工期紧张，可采用支架加贝雷梁的方法现浇。

（3）浅滩区
该段范围内共有28孔50 m等高度预应力混凝土连续梁，每7孔为一联，占工程总量的61%，该段的施工进度控制了整个长江北支大桥上海段工程的工期进展。

考虑到桥位处施工船只无法进行船吊等操作，故采用造桥机移动模架逐孔现浇法施工。

（4）跨规划中缩窄大堤段
该段采用主跨150 m的三跨变高度预应力混凝土连续梁。

采用挂篮悬臂浇筑的施
工方法。

（5）接江苏省段
该段采用三跨50 m等高度预制节段拼装预应力混凝土连续梁，与江苏段合作施工，采用架桥机逐跨节段拼装法施工。

4.2 规划中缩窄大堤建成前后对北支大桥引桥上海段桥墩的冲淤影响
为了分析桥墩附近在规划中缩窄大堤建成前与建成后的水流及冲刷情况，委托有关单位对崇启通道长江北支大桥引桥上海段工程的冲淤特征及其基础局部冲刷进行专题研究。

通过水流试验、动床物理模型试验、局部冲刷试验，以及三维泥沙模型分析表明：建桥后，崇启通道长江北支大桥引桥上海段区域淤积更为明显；再加上缩窄围垦后，其前沿即桥位区冲淤变幅较小，仍呈现微淤态势。

局部冲刷及冲刷范围有限，建议崇启通道长江北支大桥引桥上海段区域可不采取防护措施。

该专题研究结论为之后的工程设计与建设提供科学依据，也为施工阶段施工组织提供水域内水文条件，同时也降低了工程造价，免去了桥墩防冲刷的措施费用。

4.3 跨四通港大堤跨径的确定
4.3.1 方案比选
四通港大堤将长江北支大桥南引桥分隔为陆域段与浅滩区，在其南侧（内侧）为地势较平缓的陆地区域；其北侧（外侧）为河床面较高的滩涂区域，河床低潮时有露出，不便施工船只进出。

四通港大堤与桥轴线斜交25.04°，堤脚宽约49 m（包括抛石区）。

该大堤目前为一线大堤，但是当距省界300 m左右的规划中缩窄大堤
建成后，即退位为二线大堤。

考虑到工程经济性，并结合类似工程经验（东海大桥及长江大桥均以50 m跨度跨越大堤），同时考虑斜交影响，跨越四通港大堤跨径取52 m，采用错幅布置的等高度预应力混凝土连续梁方案。

内侧桥墩设在内坡上，外侧桥墩设在堤脚的一层薄的抛石外，跨径组合为50
m+52 m+42 m。

连续梁采用斜交正做的方法，承台长边平行于堤轴线，墩身轴
线与上部结构垂直，与承台轴线成25.04°的斜交角。

由于大堤堤顶标高较高为7.7 m，为了减少桥墩承台施工对已建大堤内坡的开挖，将承台底标高尽量抬高，底面高程为4.4 m，因此承台顶面高程为6.9 m，略低于大堤堤顶标高。

采用支架现场浇注的施工方法可以满足两年施工工期的要求。

方案平面、立面布置示意图分别如图2和图3所示。

图2 52 m跨径方案平面布置示意图（单位：m）
图3 52 m跨径方案立面布置示意图（单位：m）
在工程初步设计阶段，还考虑了桥墩完全跨越大堤的比选方案。

该方案最小跨径需要70 m，跨径组合为40 m+70 m+40 m。

桥梁也采用错幅布置的方式，主墩承台与大堤轴线平行布置，与桥墩轴线成25.04°的斜交角，主墩支点处梁高4.1 m，跨中梁高2 m，支点向跨中梁底以抛物线型进行过渡。

该方案桥型布置分别如图4
和图5所示。

图4 70 m跨径方案平面布置图（单位：m）
图5 70 m跨径方案立面布置图（单位：m）
两个方案从结构外形、施工便捷、对大堤的影响及工程造价等方面进行了比选，具体内容详见表1。

经比选，虽然52 m跨径连续梁有一个墩位于大堤内坡上，基础施工对大堤会有影响，但是通过大堤保护措施可以保证大堤的安全。

而且，在工程造价上52 m连续梁方案加上大堤保护的造价比主跨70 m的三跨连续梁仍低5.0%。

同时考虑到桥
梁景观及施工工期等因素，采用52 m跨径三跨等高度连续梁方案。

4.3.2 大堤保护方案
该工程北侧桥桩落在老促淤堤外侧一层抛石护滩外，对新建大堤外侧基本没有影响，但南侧桥桩落在堤身内坡上，为了确保大堤的渗透稳定，需采取措施保护大堤，以保证大堤安全。

保护方案是将承台的施工平台与基坑围护结构结合起来形成封闭的防渗墙，以达到保护大堤的作用。

表1 跨四通港大堤桥梁方案综合比较表比较项目跨径组合：50 m+52 m+42 m
变高预应力混凝土连续箱梁平面布置错幅，承台斜交，墩正交错幅，承台斜交，墩正交墩与堤关系一墩在内坡，另一个在迎水坡堤脚抛石区外桥墩不设在堤身范围内上部施工支架现浇挂篮悬臂浇筑下部施工围护结构+承台仅承台施工工期
较短较长景观效果结构等高，协调、美观结构变高，协调性较差跨径组合：40
m+70 m+40 m桥梁总长 144 m 150 m上部结构等高预应力混凝土连续箱梁护堤措施内坡上桥墩位置与堤顶道路之间设防渗墙不需要采取措施对堤影响较大
较小工程费用 1.0 1.05
具体方法如下：先在围护结构以外5 m宽范围用土回填到堤顶形成承台施工平台，再在围护结构外侧用两排ø1 000 mm@800 mm旋喷桩形成封闭的防渗墙。

经计
算，防渗墙穿透②3-2层砂质粉土，底高程为-15.0 m。

因承台开挖施工需要，基坑底高程为4.4 m，外侧的围护结构需抵抗3.6 m高的堤身土。

经计算，-2.00 m 高程以上高压旋喷桩围护结构（含防渗墙）厚度需4.2 m，其中靠外海侧及两侧-2.00 m高程以下防渗墙厚度为2 m。

具体布置如图6和图7所示。

图6 工程措施立面示意图（单位：m）
图7 工程措施平面示意图（单位：m）
4.4 跨规划中缩窄大堤跨径的确定
为满足崇明岛百年－遇的防洪标准，规划上考虑在距省界约300 m处修建中缩窄大堤，而本工程桥梁线位正好跨过该规划大堤，桥轴线与其斜交约15.86°，且该大堤后于该工程桥梁建设。

由于此处淤泥较深，且为软基，未来大堤的修建不可避免地会对已建桥梁的基础产生不利影响。

为了确保桥梁在100 a使用年限内的安全，同时为跨规划大堤跨径布置提供一个科学的依据，委托专业研究单位进行关于后建大堤对已建桥梁桩基影响的专题研究分析。

专题研究根据桥位处地质勘测资料，采用二维平面有限单元法和三维空间有限差分法进行规划大堤和邻近桥梁桩基整体建模分析。

考虑到地基加固费用大，而中缩窄大堤尚处于规划初期，没有实施的具体时间，故本专题主要研究以下三个方面：（1）在不加固地基的情况下，不同桥梁跨径时，规划大堤对已建桥梁桩基影响的数值模拟及分析；
（2）在不加固地基的情况下，考虑大堤建成后有堆载的情况，对桩侧负摩阻进行分析；
（3）在加固地基的情况下，规划大堤的建设对桥梁桩基影响的数值模拟及分析。

据此，从中选择合适的跨径以保证未来规划大堤建设不会引起桥梁桩基过大的附加变形和附加弯矩，确保桥梁的安全使用。

为此对120 m、140 m、150 m和160 m四种跨径进行了分析。

分析结果显示：
桥位处淤泥层较厚，将来建堤会引起土体塑性流动，产生侧向位移及出现土体塑性区。

同时根据大堤横剖面图，规划中缩窄大堤堤底宽71.7 m，再考虑抛石挤淤及施工空间的需要，若采用较小的跨径120 m，则需采用地基处理措施对地基土进行加固，以减小桥位区的土体侧移量，避免对已建桥梁基础的不利影响。

否则需加大主跨跨径，减少土体的侧向位移、避免土体塑性流动和破坏或减小土体塑性区的范围，确保桥梁结构的安全。

因此，需要在桥梁跨度与降低围堤不利影响之间寻找一个平衡点，以达到工程造价上最为经济节约的目的。

综合考虑了全桥经济性、整体性、结构合理性、施工可控性后，确定采用主跨150 m，跨径组合为90 m+150 m+90 m的三跨变高度预应力混凝土连续梁，与江苏段通航孔的钢结构变高度连续梁遥相呼应。

施工方法采用挂篮悬臂浇筑，以适应浅水区不方便有支架施工的现状。

桥型布置详见图8。

图8 150 m跨径方案立面布置图（单位：m）
4.5 结构耐久性设计
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2012），崇启通道北支大桥引桥上海段桥梁工程环境类别为II类，全桥均采用混凝土结构。

结构耐久性设计参考了已建长江大桥的经验，通过高性能混凝土的良好耐久性和适当的混凝土保护层厚度实现。

高性能混凝土在配制上要求：低水胶比，选用优质原材料，并在除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物掺合料，同时匹配以高性能混凝土减水剂，以满足混凝土的耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性等要求，使其具有低渗透、低缺陷、高密实等方面的性能。

合理的保护层厚度和质量也是高性能混凝土需要考虑的重点。

但保护层厚度并不能不受限制的任意增加。

当保护层厚度过厚时，由于混凝土材料本身的脆性和收缩会导致混凝土保护层出现裂缝，反而削弱其对钢筋的保护作用，而且对于大型混凝土
构件来说，外围保护层厚度的增加也意味着构件自重的急剧增长。

因此，在设计中必须根据工程的实际需要设置合理的保护层厚度。

针对不同的桥梁部位，区别对待。

该工程主要构件保护层厚度设计如下：
（1）桩基：基本处于泥下或水下，采用加大保护层厚度和保留施工钢护筒的方法达到桩身混凝土的防腐要求。

桩基钢筋净保护层厚度取7 cm。

（2）承台桥墩：基本处于干湿交替区域，采用高性能混凝土，并增加钢筋保护层厚度，最外层钢筋的净保护层厚度取5 cm。

（3）主梁：基本处于大气区，根据上海长江大桥的经验，采用高性能混凝土，主筋的净保护层厚度取40 cm，箍筋取30 mm。

（4）支座等附属结构钢材：采用耐候钢等优质钢，并加设防护罩等措施。

5 结语
崇明至启东长江公路通道北支大桥上海段工程的设计经验可为以后类似的跨现有一级大堤以及桥位位于后期有堆载、围堤的工程提供参考。