采用<<便航式跨海浮橋>>方案之(一)

吳清明四川省公路TRANBBS規劃勘察TRANBBS設計研究院（610041）

摘要：我國瓊州海峽的海水深度較大，采用橋梁和隧道的困難都很大，<<便航式跨海浮橋>>是一種簡便、實用和經濟的解決方案。本文對通航、潛浮隧道、浮橋、銜接橋和付航道橋的結構原理、設計、防護、TRANBBS施工和管理問題，提出初步的方案探討。
關鍵詞：通航潛浮隧道浮橋銜接橋付航道橋

在“橋梁與隧道工程網”上看到“大慶油田有限責任公司第七采油廠“工程TRANBBS技術大隊高大放的文章：”<<便航式跨海浮橋>>項目可行性初步分析”和”關于在瓊州海峽修建世界上第一個<<便航式跨海浮橋>>的建議”以后，感到問題提得很好，思路新穎，很有創意。我國瓊州海峽的海水深度較大，采用橋梁和隧道的困難都很大。若主航道采用潛浮隧道，付航道采用橋梁，中間采用浮橋相結合的形式；或采用潛浮隧道、浮橋和潛浮隧道的雙主航道組合方案，則困難較小，都比較經濟實用，很值得深入探討。

<<便航式跨海浮橋>>是利用浮力原理，設計原理和特點與船舶相同，對地基的依賴性小，不象橋梁和隧道完全支承于地基上。結構的受力直接和明確，荷載直接被船舶的浮力平衡，使用的材料較少，更經濟合理。潛浮隧道不是完全的懸浮，為方便隧道預制管節的安裝和定位，需要設置少量樁基作定位和支承活載。
本文以我國瓊州海峽的<<便航式跨海浮橋>>方案為例，對航道、潛浮隧道、浮橋、銜接橋和付航道橋的設計、預制、浮運、安裝、防護和管理問題，提出初步的方案探討。
一、航道
1、重要性
瓊州海峽是我國的內海，通航是重大的問題。作為海上TRANBBS交通要道，需要作詳細的調查研究，要與海運、海事、魚業、海軍、石油、國土、環保等多方面協商，經過國家主管部門確定，才能確定出合理的航道標準。主航道寬度擬為1500米，付航道寬度擬為300米。
2、方式
瓊州海峽采用<<便航式跨海浮橋>>方案，航道位置按通航需要、地形、地質條件和施工方案來確定。海峽的特點是寬達20公里，兩岸比較淺，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。海峽兩岸分別屬于廣東和海南省，為方便通航和管理，在廣東岸3500米設潛浮隧道作主航道，海南岸設橋梁3000米作付航道，中間深水段13500米作浮橋。采用潛浮隧道、浮橋和橋梁三種形式相組合，能夠充分利用地形條件，方便通航和施工。靠近兩岸設主、付航道，符合通常船舶偏于近岸航行的實際需要。亦可采用潛浮隧道、浮橋和潛浮隧道的組合方案，中間深水段13000米作浮橋，更方便通航。
3、要求
主航道上潛浮隧道的設置深度，應由船舶的吃水深度來定，滿足最大船舶和特殊的需要。30萬噸的超級油輪，吃水深度22.2米。考慮到將來的發展需要，預留一定的安全余地，深度以低潮位為準，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，考慮最大浪高3.3米，應按38.5米深的水壓力設計隧道。主航道最大水深為潛浮隧道的水平段，寬度按1500米考慮，出水坡段長度1000米，航道總寬度3500米，足以滿足通航的需要。付航道按通行5000噸級的船舶，通航孔設跨徑300米的橋梁，能夠滿足和方便通航的需要。
4、管理
主、付航道簡稱為北、南航道，專設航道的管理機構，航道的情況和管理規定應作公告和宣傳，并設電臺預警引導，必備應急救援設施。尤其應重視夜航標志，要加強對浮橋的保護，避免發生航行事故。
二、潛浮隧道
1、原理
隧道的橫斷面積大，浮力很巨大。假定為雙向6車道，采用矩形單箱雙室斷面，單室凈空為6x12米，單個車道寬度3.75米，鋼筋砼壁厚0.80米。每延米排水量為201噸，自重155噸，浮力46噸，浮力還能夠承受活載，故需要再加壓重才能下沉。由于活載的作用會引起浮力的變化，隧道內力也有變化，隧道仍然需要錨固。

所謂潛浮隧道是指水深在80米以內的淺海中，采用間距60米的雙柱式樁基排架，將隧道預制管節安放和固定于上，使施工比較方便。由于潛浮隧道的浮力巨大，隧道自重基本上已由浮力所平衡，活載由樁基承受。被固定的潛浮隧道穩定和承力可靠，方便預制隧道管節的拼裝，無防護麻煩，施工類同上海黃浦江沉管隧道。
2、樁基
在水深80米以內的淺海中，采用直徑3米的樁基，采用沖擊鉆機施工可行。鉆孔鋼護筒采用16毫米厚度船用鋼板卷制焊接，為加強鋼護筒的縱向剛度，可采用角鋼在筒內作縱向焊接加勁。樁基砼澆灌至設計標高以上1米，以后抽水鑿除樁頭砼，澆灌封頭砼和焊接鋼板。然后水下切割鋼護筒，浮吊安裝預制鋼筋砼蓋梁，并水下焊接固定。預制隧道管節安放在排架蓋梁上，再水下焊接固定。對于水深較淺時，樁基直徑可以減小。對于潛浮隧道的出水坡度段，樁基排架間距按需要作靈活調整。隧道與樁基排架相配合，使潛浮隧道的施工變得簡單易行，故潛浮隧道很有發展前景。
3、結構
由于潛浮隧道的排水量大，浮力也很大，需要很大的自重，才能潛入水中，很適合使用混凝土材料。采用單箱雙室的鋼筋砼斷面，施工預制簡便，內力可按箱形剛架計算。隧道潛浮較深，水壓力很大。普通鋼筋砼要開裂，不適合用在海水中作隧道。很適合采用預應力技術，防止鋼筋砼開裂，有利于防止隧道漏水，可減少普通鋼筋的用量。隧道頂、底板設橫向預應力束，邊墻設豎向預應力束，鋼絞線束隨水深壓力減小而減少，在框架節點設縱向預應力束加強其剛度。為保證潛浮隧道的絕對安全，采用10毫米厚度鋼板作內襯形成封閉鋼箱，起到防水和保險的作用，便于防漏搶修，并參與剛架受力，兼作澆筑砼的內模板使用。對鋼板內壁采用5厘米厚度鋼筋網和鋼絲網噴射砼作防火層，并分段設置自動控制的噴水滅火管線，起到防水、耐久和防火的安全作用。隧道要浮運就位安裝，必須在預制節段兩端設封頭端板，在接頭安裝處理好以后，再打通拆除封頭端板。為了方便拆除封頭端板，采用便于裝拆的鋼骨架和止水的鋼制正交異性板。隧道預制管節應從一端逐一拼裝，便于封頭端板拆除和重復使用，以降低工程造價。預制管節兩端鋼接頭的斷面尺寸和精度標準要嚴格，以便于安裝、接頭連接預應力張拉和焊接處理。
4、接頭
潛浮隧道分節段預制，以便預制和浮運安裝。為了便于安裝和拼接，隧道管節接頭部位應采用鋼板材料制造，預埋在鋼筋砼中，以便于內外焊接接頭連接鋼板。為了防止漏水，接頭加設橡膠止水密封墊層，采用張拉連接預應力。為了接頭安裝方便，還需要焊接導向、定位和連接裝置，完善安裝和拼接方案。隧道管節接頭的外部焊接鋼板和安裝鋼模板，并壓注砼以防護接頭鋼板的銹蝕。考慮在管節頂板開孔和安設豎向直徑為2米的鋼管井筒，形成沉箱，方便人和機具進入管節內，以方便隧道管節的接頭連接操作和施工處理。最后焊接鋼板和澆灌砼封閉孔口，切割和拆除鋼管井筒。潛浮隧道的接頭處理是關鍵技術，在水深40米以內作鋼板的切割和焊接是可行的，海洋救撈公司對水下安裝和割、焊有獨特的技術解決。
5、預制
潛浮隧道管節的接頭處理較麻煩，故隧道管節的劃分宜長，長度以120米左右為宜，
以減少接頭的數量。預應力混凝土隧道管節的重量巨大，達18642噸，無法采用機械移動。故適合采用在干船塢內預制，利用浮力可以比較方便的實現浮運。為了減小干船塢的深度，可以采用分兩期來預制，即先作下部和底板實現成船浮運，只需3.5米吃水深度，上部和頂板浮運出干船塢以后，再繼續完成預制成管。為了預制隧道管節，需要在海邊選擇適當的位置建設干船塢。可在廣州新建的龍穴島30萬噸干船塢預制。
6、出口
隧道出水口前的節段吃水深度較淺，呈現出半潛浮狀態，施工反而不方便，浮運和安裝除利用高潮位的有利條件外，還應加設輔助浮筒進行安裝，或者部分作成雙壁鋼套箱以減輕自重，安裝以后再澆灌砼。由于隧道的浮力減小，則應增加樁基排架數目，以支承隧道的重量。為了防避潮差和浪高，隧道要露出水面相當的高度，此部分類似箱形橋梁，重量都支承在樁基排架上，排架自然也需要加密。此部分可以采用浮吊安裝，或支架上現澆施工，為了減輕浮吊和支架的負擔，應分期完成，設計都應該考慮到施工和使用階段的各自特點。
7、通風、照明和排水
隧道的通風是極為重要的，故行車凈空高度設為6米，以便布置送、排風管道?！盫“形的隧道縱斷面，風壓問題很重要。照明更是必須重視的，可以改善行車條件和景觀，以方便行車。為了預防意外漏水，必須設置抽、排水設備和管道。通風、照明、防火和排水設施必須是經常和不間斷的，設備和電源應該采用雙套備用，這些都能辦得到。
8、管理
由于潛浮隧道很長，隧道的安全極為重要，故隧道應加強管理，必須有安全監控設備和安全事故應急設施，以保證交通安全。在隧道口應加寬建設管理設施平臺，也便于安裝通風、照明、排水和發電等設備。
三、浮橋
1、特點
浮橋利用了浮力原理，是科學和經濟實用的。只要解決了通航問題，浮橋作為解決跨越深海困難，無疑是優越的方案。浮橋是以船作橋，采用的是船舶原理和技術。浮橋要求船舶長、寬度和體積很大，排水量達萬噸以上，可獲得很大的穩定性和減少相互連接。浮橋的橋面寬度采用雙向6車道(0.5+16+2+16+0.5=35米)的標準，以免發生車道堵塞影響行車。浮船的長度定為150米，以減少伸縮縫，利于行車安全。浮橋的橋面采用整體現澆鋼筋砼板，面層為瀝青砼。橋面板即為浮船的甲板，它與船體桁架結合成為整體受力，結構的整體剛度大，自重很大，活載比例較小，集中力能夠雙向分散傳布至船體，故變形很小。

2、風浪影響
瓊州海峽受臺風的影響嚴重，瞬間最大風力12級，8級大風全年僅有6天時間，10級大風全年僅2天時間。臺風的破壞力量很大，是嚴重的自然災害，無法抗拒，只能防避。臺風到來時，需要封閉交通。風力對浮橋的影響，可設樁基或拋錨作定位和平衡穩定。錨拉鏈條長度受潮位變化的影響，在船上設置轉向定滑輪和吊重能夠自動調整。浮船的高度為4.5米，波浪最大高度達3.3米，橋面墻式護欄高度加高為1.6米，既為了防波浪，也為了保證行車的絕對安全。橋面板離水面的高度應為2米，則浮船的吃水深度2.2米。浮船的兩側作成流線型，起到預防和破浪的消能作用。波浪的能量很大，破壞的作用很大，是浮橋問題的關鍵。故對浮船兩側作加強處理，保證有足夠大的抗變形剛度。并采用設置鋼筋砼園形錐體，以削弱波浪的破壞能量，作為預防和防護措施。
3、結構
浮橋作用的浮船有其特點，船艙空間無使用要求，可自由設置縱、橫向加勁桁架。鋼筋砼橋面板的長、寬度都大，適宜設置縱、橫向加勁桁架來支承荷載和分散傳至船體，使船體形狀保持不變。加勁桁架的弦桿與橋面板和船體相結合，形成復合鋼管砼結構，成為雙向的板桁結構，整體的剛度很大。浮船起囤船的作用，加勁桁架起船舶龍骨的作用。加勁桁架采用復合鋼管砼，結構的整體剛度很大，加工焊接簡便，腹桿采用鋼絲網水泥砂漿作長效防護。浮船受車輛和風浪的作用，總縱向彎曲和橫向彎、扭變形較大，內力組合情況復雜。在縱向加勁桁架弦桿內加設預應力鋼絞線束，形成預應力復合鋼管砼桁架。整個船體都成為預應力結構，縱、橫向的抗彎、扭剛度都加大，可保證穩定與和安全。
浮船的關鍵是防護，船體鋼板和加勁肋型鋼適宜采用低合金的船用鋼板，具有較強的防腐能力，鋼板必須預留耐腐蝕的厚度。為了加強船體鋼板的防護，外表面焊接錨固鋼筋，采用8厘米厚度的鋼筋網和鋼絲網噴射砼，再用水泥砂漿抹光，形成復合鋼板砼結構?？稍鰪姶w鋼板的抗變形剛度，使鋼板厚度經濟合理。浮船劃分為幾大密閉隔倉，以備局部檢修和應急保險。船艙內空氣不流動，內壁鋼材腐蝕不嚴重，可采用環氧瀝青漆防護。亦可采用鋼筋網和鋼絲網噴射砼防護，實現浮船的長效防護。
4、預制
浮船體形很大，可以在船臺上建造船體，作好防護處理以后下水，再作橋面甲板。也可以利用預制潛浮隧道管節的干船塢進行預制，干船塢也作為浮橋的永久維修設施，以后可以再造新船，以防備萬一對浮橋進行維修更換。干船塢本身就是一個大型造船廠，可作為一個造船企業來生產經營，并回收建設船塢的投資?？稍趶V州新建的龍穴島30萬噸干船塢預制。
5、連接
浮船采用鉸連和橡膠減震連接，以適應浮船的浮動變形需要。結合考慮到浮船維修的可能性，采用拉、壓和減震組合的啞鈴形球餃連接，連接裝置構造簡單、安全可靠、經久耐用和裝拆更換方便。橋面采用標準的異型型鋼伸縮縫，可以保證行車的舒適。
6、照明
浮橋應設路燈照明，以改善行車的條件，保證行車的安全，也是浮橋的明顯標志，以免船舶夜間誤航和撞橋事故發生。
四、銜接橋梁

由于浮橋的高度隨潮位而變化，故必須設置銜接橋梁，以適應和滿足坡度的變化，改善行車的條件。潮位變化高度達3.6米，應設置80米跨徑的單孔橋梁，采用復合鋼管砼系桿拱較好。它的跨徑很大，抗風穩定性好，預制加工方便，也便于浮運安裝和架設施工，外形也美觀，無防護的麻煩。銜接橋梁由浮橋端部浮船設100米長度縱坡和作橋臺，支座最大支承壓力為3200噸，將浮橋端部浮船加寬和吃水加深1.2米解決，船內加勁桁架作特別加強。浮船能夠自動的適應潮位變化，實現縱坡的調節變化。
五、付航道橋梁
為了方便通航而設置的付航道橋梁，主孔跨徑300米，通航孔凈空高度為36.5米、寬度為180米，邊孔跨徑160米，引橋跨徑50米，可通行5000噸級船舶。采用復合鋼管砼組合桁架梁橋，橋面板形同箱形剛構橋，橋面下部結構采用復合鋼管砼桁架，實際形成為板桁結構，其自重較輕。它便于采用掛藍和預應力懸拼施工，并分鋼管、鋼管砼和外包鋼筋砼三個階段組合形成，施工安全方便，結構的韌性好，無防護麻煩。同樣應設置航道的管理和標志，以及夜間照明，以保證航行、行車和橋梁的安全。

六、造價估計
1、潛浮隧道、浮橋和橋梁組合方案
雙向6車道標準的橋梁造價，在珠江三角洲地區大約是：30、40米簡支梁橋為10萬元/延米，120米連續剛構橋為20萬元/延米，350米鋼箱梁斜拉橋為51萬元/延米。付航道橋引橋長3000米，造價2380x12+620x25=44060萬元。銜接橋梁長度160米，造價160x25=4000萬元。浮橋長度13340米，造價為13340x18=240120萬元。潛浮隧道長3500米，造價3500x30=105000萬元。20公里海峽寬度的橋梁、銜接橋梁、浮橋和潛伏隧道總造價，估計約44060+4000+240120+105000=393180萬元。再考慮6820萬元建設干船塢，整個工程的總造價約40億元人民幣，平均每公里造價約2億元人民幣。
本方案采用雙向6車道的35米寬度標準顯得過高，采用雙向4車道的25米寬度標準也可行，可以減小工程材料用量和施工難度。按橋寬度的比例作簡單折減，總造價估計約400000x25/35=285714萬元，平均造價約1.4286億元/公里。若不考慮寬度折減，也較經濟。
2、潛浮隧道、浮橋和潛浮隧道組合方案
浮橋長度13000米，造價為13000x18=234000萬元。潛浮隧道長7000米，造價7000x30=210000萬元。銜接橋梁長度160米，造價160x25=4000萬元。20公里海峽寬度的銜接橋梁、浮橋和潛伏隧道總造價，估計約234000+210000+4000=444000萬元。再考慮6000萬元建設干船塢，整個工程的總造價約45億元人民幣，平均每公里造價約2.25億元人民幣。
若采用雙向4車道的25米寬度標準，按橋寬度的比例作簡單折減，總造價估計約450000x25/35=321429萬元，平均造價約1.6072億元/公里。
七、結束語
采用<<便航式跨海浮橋>>是切實可行的新模式，其特點還有待于人們去認識。故浮橋是一種新觀念，設計上耐久、穩定、安全和經濟的浮橋，可稱為水上（稱藍色）公路。浮船的耐久性問題最為重要，采用砼作防護的復合鋼板結構，防護作用有保證。如瓊州海峽這樣的特殊情況，綜合采用潛浮隧道、浮橋和付航道橋梁的組合方案，發揮浮橋這種水上公路的特長，能夠減少技術難度，防護工作量少，是比較經濟合理的方案，這種模式對其它海峽也很有實用意義。
海南島是我國唯一地處熱帶氣候的地區，自然資源豐富的寶島，長夏無冬的旅游資源開發前景十分廣闊。海南省是泛珠三角區域經濟9+2的成員，今后隨著區域經濟的發展需要，瓊州海峽公路交通問題的解決，已不會很久遠了。工程的投資效益前景很好，采用杭州灣大橋的集資模式，資金來源也不難解決。有了耐久、安全、經濟和實用的方案，相信工程項目是會早日提上議事日程的。

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