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。

首先是严格控制预制墩身的结构尺寸，采用刚度较大的钢底模及整体式钢侧模，严格控制预制墩身底面平整度、墩身高度和垂直度；其次是在承台顶面安装由六个混凝土短柱构成的支承导向定位装置，混凝土短柱顶部采用斜靠背形式，并能支承墩身重量，既能保持墩底与承台间的净空高度，又能在墩身就位过程中起导向对位作用。导向定位装置是在墩身安装前精心安装的，不仅要保证六个混凝土短柱的支承面标高差小于限值，而且短柱安装位置要控制其相对位置的准确度。安装时，墩身内壁在导向斜面的引导下落在短柱支承面上，墩身即被导向定位装置限定在正确位置上，对部分钢筋进行焊连后即可保证墩身安全稳定，而后即可浇筑混凝土墩座。

5，大型混凝土箱梁场内运输技术

东海大桥非通航孔桥面主要是跨度为60m和70m的预应力混凝土连续箱梁，采用单幅单孔整跨预制简支变连续的施工工艺。全桥共670片混凝土大箱梁，每片吊重分别为1600t和2000t。箱梁从制梁台座到出海码头，需要经过一次横移，一次纵移，再次横移等三次运输，其中纵移距离最长达600多米，在预制场内长距离大量运输体积庞大、重量达2000t的混凝土箱梁在国内尚属首次。施工中采用了滑移运输方案，无需配备众多的大型吊运设备，场地需要加固的范围较小，运输中安全可靠。该方案主要为：

（1）每片箱梁采用两端各一台滑移式钢制横移台车运输，在每台横移台车顶部的箱梁端部腹板下方安装两台800吨千斤顶，每个台车下部对准千斤顶的部位安装滑移装置。

（2）箱梁预制采用高位制梁方式，箱梁装车无需大型吊机。预制箱梁的底模采用中间段固定、两端活动的形式，箱梁制成后拆除两端活动底模，横移台车滑至箱梁下部就位，台车上千斤顶将箱梁顶起并脱离制梁台座，横移台车即可载梁，实现了箱梁的横移运输。

（3）采用纵向滑移道低于横向滑移道的布置方式和将横移台车载梁一并滑移至纵移台车上的方法，解决了运输中方向转换问题。关键是纵移台车上铺设的横向滑道必须与场地上的横向滑道在平面及立面上精确匹配，使其平整顺直，以保证载梁的横移台车能顺利滑移到纵移台车上。

（4）台车滑移装置中的摩擦副选择是滑移运输中的关键技术问题。摩擦副材料应有较高的强度及较小的压缩量，同时应能在较高温度下保持摩擦系数稳定且不变形，因此对摩擦副材料的选择提出了更高的要求。大桥选用了MGB高分子材料与镜面不锈钢板组合的摩擦副，其性能优良，满足了箱梁运输的要求。

6，整跨混凝土箱梁的海上安装施工技术

东海大桥非通航孔60m、70m预应力混凝土箱梁采用浮吊架设。在海上整孔架设大体积、大吨位的混凝土箱梁的做法国内没有先例，需要合理解决吊装设备和安装工艺才能保证安装施工顺利实施。东海大桥施工中成功地解决了浮吊选型及在海洋环境中保证箱梁安装精度的架设工艺这两大关键技术问题。

60m箱梁选用国内现有的2500t扒杆式浮吊（大力号）、70m箱梁选用国内自行研制的中间起吊式2500t浮吊（小天鹅号）。扒杆式浮吊无自航能力，需要拖轮带航

并配备大型运梁驳船；中间起吊式浮吊具有吊和运两种功能，有自航能力并配有侧推装置，可原位转向，机动性能好，浮吊甲板上有存梁装置，可载梁航行。从箱梁架设的实际情况分析，扒杆式浮吊架梁进度与运梁驳数量关系较大，中间起吊式浮吊架梁进度与浮吊航速关系较大。

架设工艺的技术重点是解决浮吊架梁准确就位问题。由于箱梁位于不同的坡道上，架设落梁前需要调整箱梁形态。为保证架梁落位的准确性，采用了两种工艺装备，一种工艺是利用墩顶凹型槽口，在梁端底部安装楔形导向对中装置，临时支座采用砂箱，落梁就位时靠箱梁底楔形装置沿墩顶凹槽引导对位将箱梁落在砂箱上；另一种工艺是临时支座采用砂箱，但每个砂箱下设纵横移装置（纵横向千斤顶及滑移设施），浮吊架设时要求落梁后位置偏离设计位置不超过20cm，然后起动纵横移装置将箱梁调至准确位置。

7，跨海大桥的防腐和提高结构耐久性的成套技术

东海大桥设计基准期为100年，这在我国桥梁建设中是首次提出的。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。根据结构安全使用100年的要求，经过专门的课题分析研究，我们采用了一整套的结构防腐和提高耐久性的措施，主要是：尽量避免结构形成锈蚀通道；提高混凝土密实度；改善工作性能；根据不同的环境，选择合适的钢筋保护层厚度；预留钢结构腐蚀厚度；水中钢管桩采用牺牲阳极保护等。

根据总体的防腐和提高结构耐久性的思路，在工程中采取了以下的措施：

陆上段：主要采用掺粉煤灰和磨细矿粉的Ⅰ型改性混凝土；控制混凝土中钢筋保护层ａ>3cm；控制混凝土裂缝宽度b<0.1mm等措施。

钢管桩：主要采用牺牲阳极的阴极保护办法；增加钢管桩钢板的腐蚀厚度3mm；钢管桩在水位变化区的部分采用环氧重防腐等措施。

潮差和浪溅区：主要采用掺粉煤灰、磨细矿粉和硅粉的Ⅱ型改性混凝土；控制混凝土中钢筋保护层ａ>8cm；控制混凝土裂缝宽度b<0.1mm等措施。

大气区：主要采用掺粉煤灰、磨细矿粉和硅粉的Ⅱ型改性混凝土；控制混凝土中钢筋保护层ａ>5cm；控制混凝土裂缝宽度b<0.1mm等措施。

钢结构主梁：主要采用钢结构表面喷涂金属涂层和重防腐涂层；增加结构钢板的腐蚀厚度3mm；钢结构主梁采用全封闭结构，内部采用除湿系统等措施。

8，重交通、高腐蚀条件下的高等级沥青桥面技术

东海大桥是洋山港区的集装箱卡车专用通道，通行的车辆中85%以上为重型集卡车，且沥青桥面铺装层暴露在海洋大气环境中，受到紫外线、盐雾、雨水等的侵袭，因此要求沥青桥面铺装能适应重交通、高腐蚀的条件。同时，为保护混凝土箱梁免受盐份的侵蚀，要求铺装层具有防水渗透的性能，以保障路面与桥梁结构的承载能力和耐久性能。

经过大量的试验研究，我们采用了双层式组合结构，即下层为浇注式沥青混凝土、上层为SMA，采用这种新型的高等级沥青桥面技术，可以达到抗水损、阻止水渗透、高耐久性、高承载能力的作用，从而保证东海大桥在重交通、高腐蚀条件下的正常使用功能。

9，防止集装箱卡车落海的柔性防撞护栏技术

东海大桥作为港区专用道路，集装箱车占绝大多数，还有少部分社会车辆。既要防止大车撞断护栏翻出桥面，又要阻止小车穿过护栏或被护栏弹回引起二次事故。因此，护栏的设计不能过于强大，又要有一定的刚度。我们创造性地引入刚柔相济的设计理念，采用了混合式防撞护栏：即护栏下部采用刚性混凝土护墙，以防止小车钻出护栏、或被反弹；上部采用柱－管结构，以确保结构具有较好的延展性，吸收大车撞击所产生的能量，避免大车弹回或落海。栏杆总高度1.55m左右，可有效防止集卡翻出桥面。

10，跨海大桥的交通和警示照明技术

东海大桥的照明建设在满足交通功能的基本要求的同时，也创造性地运用了先进的LED技术满足大桥的警示和景观要求：即除了桥面交通照明外，还用LED勾勒出大桥的整体轮廓，在晚上漆黑一片的茫茫大海中以一条蓝色光带，为过往船舶指明前方的构筑物。全桥照明工程简洁大气，色彩典雅和谐，在东海万顷碧波之中蜿蜒伸展，宛如一条姿态矫健的蛟龙越海而出，在海上腾舞，形成一道宏伟壮观、气势非凡的独特景观，大桥侧面的蓝色光带映衬出海洋的雄壮之美。

四、实践体会

东海大桥是国内第一座真正意义上的跨海大桥。由于目前在设计、施工、建设管理等方面普遍缺乏跨海大桥工程的经验，因此对设计、施工方案的不断优化创新，充分吸取国际上成熟的经验就显得尤为重要，特别是设计方案要充分与施工方案紧

密结合，以不断优化设计和选择合理可行的施工工艺。通过对设计阶段和工程实施阶段的工作实践，我们得出如下几点体会：

（１）跨海大桥的建设要充分吸取国外成熟的经验，在建设过程中不断优化设计与施工方案。

（２）外海作业环境恶劣，工程建设受气象、海况影响相当大，造成可作业时间短、工程风险大。因此，工程方案的安全性、可操作性、稳定性显得尤其重要。

（３）东海大桥的施工是一项开创性工作，没有施工技术的创新不可能保证大桥的施工安全及质量，要充分发挥技术创新的作用，合理选定施工工艺。

（４）建设跨海大桥首要的问题是海上施工设备能力，要加大设备的投入，提高设备的能力及其抗风浪等级。安全是建设跨海大桥的必要保证，在设备能力可行的前提下，尽量加大结构跨径，减少水中基础的工作量。

作者简介：

1．黄融上海市深水港工程建设指挥部大桥分指挥部指挥

出生年月：1960年7月职称：教授级高级工程师

毕业院校：83年2月毕业于同济大学道路与桥梁工程专业学位：工学学士

通信地址：上海市南汇区南芦公路2192号（美芦苑）大桥分指挥部邮编：201306