中国第一座外海跨海大桥-东海大桥工程的技术创新

中国第一座外海跨海大桥－东海大桥工程的技术创新黄融提要：本文通过对东海大桥工程概况的简要介绍，以及对东海大桥工程中的主要技术创新作了简要的描述，着重提出了外海跨海大桥的建设所需要重点研究的几个主要问题。

目前，在跨海大桥建设领域，我国无论是在设计理论、技术规范还是施工技术、施工设备等方面均还存在欠缺，需要在技术创新方面不断加大力度，以全面提升我国桥梁建设的水平。

关键词：东海大桥概况工程特点工程技术创新东海大桥工程是上海国际航运中心洋山集装箱深水枢纽港区的重要配套工程，建成后为洋山深水港区集装箱的陆路集疏运和供水、供电、通讯等提供服务。

连接远离陆域逾31km的外海孤岛，地处海洋环境，是我国目前最长、也是我国第一座真正意义上的外海跨海大桥。

东海大桥工程的开工建设，标志着我国桥梁建设真正从江河跨向了海洋，进入了一个全新的未知领域，体现了中国桥梁建设者的胆略和水平。

东海大桥工程主要从三个方面进行了创新和实践：一是从设计施工的技术方案上进行了创新，二是从施工所用的成套设备上进行了创新，三是从海上施工安全的措施上进行了创新。

我们的体会是，只有依靠不断技术创新，通过组织攻关形成技术优势，才能解决在海洋环境中桥梁施工的关键问题，最终实现快速、安全、高质量地建设好我国第一座外海跨海大桥的目标。

东海大桥工程的建成，充分体现了我国二十一世纪的建桥水平，同时也为今后我国跨海工程的建设积累了宝贵的经验。

一、东海大桥工程概况东海大桥工程起始于上海南汇芦潮港，跨越杭州湾北部海域，在浙江省嵊泗县崎岖列岛的小洋山岛登陆，全长约32.5km。

大桥标准桥宽31.5m，分上下行双幅桥面，采用双向六车道加紧急停车带的高速公路标准，设计行车速度80km/h，设计荷载等级为汽车－超20级、挂车－120，并按全桥集装箱重车满布，车辆轴距为10m 进行计算复核。

大桥设计基准期为100年，按地震烈度7度进行抗震设防。

大桥浅滩段上部结构以30m多跨连续预应力混凝土等高度箱梁结构为主，梁高1.6m。

基础采用Φ600mmPHC管桩。

大桥浅海段由26孔50m多跨连续预应力混凝土等高度箱梁组成，梁高3.0m，桩基主要采用Φ1600mm钻孔灌注桩和Φ1200mmPHC管桩。

大桥跨海非通航孔段分为60m和70m跨径区段，共计333孔，下部结构的桩型主要选用Φ1500mm的钢管桩，上部结构主梁采用简支变连续的多跨等截面预应力混凝土连续箱梁，60m梁高3.5m，70m梁高4.0m。

大桥设1000t级辅通航孔一处，跨径布置为80+140+140+80m，通航净高25m；500t级辅通航孔二处，跨径布置分别为70+120+120+70m和90+160+160+90m，通航净高17.5m。

辅通航孔上部结构为预应力混凝土变截面连续箱梁，下部结构为Φ2500mm的钻孔灌注桩。

大桥主通航孔的通航能力为5000t级，采用双塔单索面叠合梁斜拉桥结构，跨径布置为73+132+420+132+73m，通航净高40m，主墩按10000t级防撞能力设计。

桩基采用Φ2500mm的钻孔灌注桩，桩长约120m，主塔为倒Y型钢筋混凝土结构，塔高150m，塔柱为变截面。

主梁为目前国际上首次采用的钢箱—混凝土叠合梁。

大乌龟岛～颗珠山岛之间约1.2km的海堤为目前中国第一条高速公路海堤，采用抛石斜坡堤结构，塑料排水板地基加固。

颗珠山岛～小洋山岛之间约1.6km为颗珠山斜拉桥，主桥为双塔双索面叠合梁斜拉桥结构，跨径布置为50+139+332+139+50m，桩基采用Φ2500mm钻孔灌注桩，主塔为H型钢筋混凝土结构，塔高100m，主梁采用钢—混凝土叠合梁。

引桥部分采用50m跨径的多跨预应力混凝土连续箱梁，梁高3.0m，基础采用Φ1500mm钢管桩和Φ2500mm大直径钻孔嵌岩桩。

二、大桥工程的特点和主要技术措施东海大桥是我国在建的第一座外海跨海大桥，工程具有鲜明的特殊性，主要表现在：建设条件相当复杂：大桥地处外海，受海洋风、浪、流、潮、雾、雨等环境因素的影响较大，年有效作业天数少于50%。

建设规模巨大：大桥全长约32km，其中海上段约25.3km，工程将在海上利用打桩船施打各类桩基5700多根；利用海上平台等施工钻孔灌注桩700多根；海上预制安装桥墩达822个；海上预制安装单跨60～70m，重达1600～2000t的箱梁670片；海上移动模架或挂篮现浇各类箱梁140孔；全桥共计使用混凝土约138万m3。

工艺内容繁多：整座大桥包括两座大跨度海上斜拉桥、三座大跨度的预应力混凝土连续梁桥、大量的海上整跨简支变连续的非通航孔桥、在水深超过15m处筑起的长达1.2km的国内第一条高速公路海堤、开山320万m3建成的面积达35万m2的沈家湾大型构件预制场等等。

防腐要求高：东海大桥设计基准期为100年，设计基准期100年我们可以理解为：在正常养护条件下，100年内大桥结构混凝土中的钢筋不生锈或钢结构表面不锈蚀，能够保证结构的安全使用。

在外海建造跨海大桥缺乏成熟的经验及规范依据，同时外海环境对结构的防腐和耐久性也提出了更高的要求。

工程作业设备需求量多、投资压力大：东海大桥桥线长，结构形式多样且施工全面铺开，区域内的工程设备需求量非常大，打桩船、混凝土搅拌船、塑料排水板插板船及其它各类配套船舶共200多条分布在不同的作业点，包括全旋转打桩船－“天威”号（排水量7400t、桩架总高度85m）、运架一体中心起吊的2500t浮吊－“小天鹅”号、悬臂起吊的2500t浮吊－“大力”号等。

同时，海上各种作业平台、施工栈桥和作业码头等工程必不可少辅助设施的工程量也非常之大，各类临时工程设施的用钢量约达10万吨以上。

在东海大桥工程中仅各类设备的投入量就达10亿元以上。

工期压力大：东海大桥2002年6月底正式开工，为适应洋山深水港开港的迫切要求，东海大桥必须在2005年底建成通车，总工期3.5年，与国外同类型跨海工程相比，工期要求相当高。

管理跨度大、难度高：大桥建设管理是个庞大系统工程，建设期间需要将施工组织管理、质量管理、海上船机安全管理、测量控制管理和工程信息管理等进行综合，运营期间也应考虑交通管理、航行管理、海关、边防管理等多种因素，加上恶劣的海况条件与台汛影响，管理任务异常繁重。

三、东海大桥工程的主要技术创新1，海上施工的测量定位技术在外海建造跨海大桥，茫茫大海上不可能像陆域那样布设点位众多的测量控制网，而且测量控制点只能是从大陆单侧向外延伸，用常规的陆域测量网布设方式是根本无法达到桥梁工程建设所需精度的。

大桥最先开始施工的是非通航孔桥墩Φ1500mm钢管桩的沉桩工程，打桩船在海上沉桩，不仅需要解决水位变化条件下快速进行桩位平面坐标定位和斜桩的方向定位问题，还要在沉桩过程中实时动态跟踪监测桩顶标高。

为实现海上打桩快速定位和工期要求，我们利用先进的GPS－RTK技术，结合海上打桩工艺的具体情况，研制了一套“海上GPS打桩定位系统”，该系统的使用取得以下几个效果：一是做到了对船体位置与型态的全方位监测和实时修正定位计算误差；二是通过由GPS对桩位坐标的直接测控，达到了较高的精度要求；三是实现了打桩过程中对桩顶标高实时、连续和动态监测；四是做到了自动通过桩锤中心位置与设计位置之间偏差的计算来调整船位，使船舶定位简捷、准确。

通过这套系统的使用，较好地解决了海上打桩快速测量定位问题并使测量结果达到了较高的精度，从根本上攻克了海上打桩的关键技术难题。

在海上沉桩测量系统准确定位的基础上，我们利用已完成的海上桥墩墩位（或桩位），采用先每隔2km设一测量控制网、再每隔1km、再每隔500m这样不断缩小间隔距离的层层推进测量控制方法，不断修正控制网精度，从而确保了大桥全线的定位精度，达到了很好的使用效果，为大桥顺利建成奠定了坚实的基础。

2，利用导管架建造海上施工平台的技术东海大桥主通航孔斜拉桥主塔采用Φ2500mm钻孔灌注桩，承台采用49.8×27.4×6m的钢筋混凝土结构。

墩位处海域受潮汐和风浪影响较大，流速超过2.5m/s，水深超过12m。

在这样的自然海况条件下，采用江河中常用的支架或船机施工方法根本无法进行，必须建造海上施工平台。

经过对海上平台施工方案的全面比较，我们借鉴了海上石油平台的建造经验并结合施工的具体要求，开创性地运用了导管架与浮箱结构相结合的施工方案。

即先在工厂用钢管焊接成整体式空间桁管结构，将桁管架运输至墩位吊装就位并直接插入海底，然后在竖向钢管中插入定位桩，形成桥墩承台一端的施工平台；在桥墩承台的另一端同样用桁管架组成另一施工平台。

同时在工厂制作浇筑混凝土承台的双壁钢套箱，在套箱底板上的钻孔桩位处开孔插入2.8m直径的钢护筒，连接护筒与套箱形成整体结构（类似于蜂窝状），巧妙地利用水中的浮力拖运至墩位，再牵引至已施工完成的两个平台间临时固定，而后在套箱护筒中插入2.5m直径的钻孔桩护筒，形成导管浮箱施工平台。

这样，在短短两个月时间内，我们在海上建成了面积达5000m2的施工平台。

由于该结构刚度大、抗风浪及潮流能力强，而且是将钻孔桩护筒与承台套箱有机地结合成整体，不仅节省了工期而且结构更安全。

该项方法在东海大桥工程施工中得到广泛的推广。

3，混凝土套箱承台施工技术东海大桥非通航孔桥墩承台共有700余个，基础为Φ1500mm钢管桩且均为斜桩。

桥墩承台施工受海域风、浪、流的影响大，如何确定在恶劣海况条件下的承台施工方案，不仅是保证承台本身安全和质量的重要课题，也是确保全桥总工期的关键所在。

经过对各种施工方案的全面综合比较，我们采用了刚度大、变形小、抗风浪能力好的带钢底板的混凝土套箱。

在混凝土套箱内安装一套可拆式多功能平面钢构梁，该梁的功能是多用的，它是套箱起吊安装的扁担梁，还是承台施工过程中将套箱及封底砼重量传递于钢桩的承重梁，又是套箱底板吊杆的承重梁。

利用平潮水流冲击力小的时段进行套箱安装，就位时钢构梁可以立即与桩顶焊接，在四根承重桩之间形成平面支撑体系。

此外，还可以较快的速度将全部钢桩与钢构梁之间进行连接，并在套箱底板与桩间安装封孔板及加强支撑，使套箱通过平面钢构梁和底板与全部钢桩形成了可靠受力体系，保证了套箱和群桩的整体性，较好地解决了施工中的难题，达到了保证结构安全和确保施工快捷的目的。

4，桥墩墩身一体化施工技术东海大桥非通航孔共有800余个墩身，均采用整体预制安装一体化的方案施工，每个墩身高约12m左右，重约300t，在外海岛屿上预制完成后，经专用码头吊运出海，采用大型浮吊安装。

墩身为箱形断面，预制墩身与承台之间以现浇混凝土湿接头连接。

经过多种方案的全面论证，决定采用严控预制墩身的结构尺寸、在承台顶预先安装支承导向定位装置和墩顶支承垫石、混凝土后浇的综合技术措施。