深海珊瑚礁地质建设条件下大桥设计方案

摘要：王飞 张焕春中交公路规划设计院有限公司摘 要：中马友谊大桥连接马尔代夫首都马累和机场岛，最大水深达46 m,且为珊瑚礁地质，波浪周期长，处于高温、高湿和高盐度极端腐蚀环境，航空限高严苛。针对上述特殊的建设条件，阐述了各项有针对性的设计方案，...

王飞 张焕春

中交公路规划设计院有限公司

摘 要：中马友谊大桥连接马尔代夫首都马累和机场岛，最大水深达46 m,且为珊瑚礁地质，波浪周期长，处于高温、高湿和高盐度极端腐蚀环境，航空限高严苛。针对上述特殊的建设条件，阐述了各项有针对性的设计方案，解决上述难题，并成功实施，为今后的跨海桥梁设计提供参考和经验。

关键词：跨海大桥设计;珊瑚礁地质;长周期波涌浪;腐蚀环境;耐久性设计;

1 项目概况

1.1项目介绍

中马友谊大桥位于马尔代夫北马累环礁，跨越噶杜海峡，连接环礁上的首都马累岛和机场岛，是马尔代夫最重要的岛屿连接线工程，也是我国“21世纪海上丝绸之路”重点项目之一。

本项目路线全长2 km, 其中桥梁长度1.39 km, 桥梁起点桩号K0+100,终点桩号K1+490,桥跨布置18×30 m(引桥)+(100 m+2×180 m+140 m+100 m+60 m)(主桥)+3×30 m(引桥)。主桥为六跨组合混合梁V形墩刚构桥，桥长760 m; 引桥为30 m预应力混凝土I型梁桥，桥长630 m; 两侧接线长610 m; 宽度为21.0 m。

1.2技术参数

大桥的技术参数见表1。

表1 中马友谊大桥技术参数 导出到EXCEL

2 技术难点

(1)环境保护和景观要求高。

马尔代夫是世界知名的旅游胜地，大桥紧临进出马尔代夫的门户——马累机场，大桥不仅要满足交通功能，还应与周边环境、景观协调。另外，当地提倡全民环保意识，有较严格的环境保护措施。

(2)珊瑚礁地质特性复杂。

桥位区海峡内海床覆盖层较薄，下覆珊瑚礁灰岩。珊瑚礁灰岩力学强度不高，工程性能差异性大、变异性较强，如图1所示。国内外缺乏类似地质条件的大型桥梁基础建设经验，无现成的可直接利用的资料、勘察设计规范和施工规范，对珊瑚礁的工程特性缺乏系统的认识。

图1 珊瑚礁地质钻芯 下载原图

(3)水文条件复杂。

海域内水深流急、浪大、波浪周期长，而且桥位区水下地形较陡且地形起伏很大，如图2所示，深海涌浪进入浅水区后破碎，波浪变形剧烈，波浪作用强烈，复杂的水文条件给项目前期研究环境影响评价、海洋水文研究、测量和地质勘察等工作带来困难，也给大桥主体结构设计及施工带来较大的挑战。

(4)机场限高影响大。

拟建大桥桥位离机场跑道很近，机场现有跑道对大桥及接线道路的限高要求高，如图3所示，因此机场现状及规划、航空限高是影响大桥方案的重要因素。

(5)结构耐久性及后期维护要求高。

桥位区高温、高湿、海水含盐量高，腐蚀环境较国内沿海更严峻；同时，受项目附近机场航空限高的影响，大桥高度较低，桥梁大部分结构位于腐蚀严重或极端严重环境。另外，当地工程建设水平比较落后，相关工程技术人员和桥梁维护养护经验和设备缺乏。因此本项目桥梁结构的耐久性就成为亟待解决的关键问题之一。大桥水域盐度见表2。

图2 项目建设区域水下地形 下载原图

图3 航空限高 下载原图

单位：m

表2 各跨海大桥水域盐度比较 % 导出到EXCEL

3 设计应对方案

中马友谊大桥处于远洋深海无遮掩环境，建设条件复杂，技术难度高。该项目面临深水及长周期波涌浪、珊瑚礁地质、高温高湿和高盐度极端腐蚀环境的耐久性设计，航空限高要求严，环保要求高，建筑材料缺乏等诸多难点，无参考经验可循。为解决相关技术难题和困难，在工可和方案设计阶段，设计单位牵头联合7家国内著名科研单位和高等院校开展了多项专题研究，确定了大桥设计标准和设计方案。

3.1深水及长周期波水文条件下设计方案

项目跨越噶杜海峡，最大水深达46 m, 水下边坡陡峭，周边珊瑚岛礁纵横分布，地形起伏剧烈；同时桥位区水文条件非常复杂，在季风影响下，海域峡道水流明显，呈现潮小流急现象；桥位区域波浪高大且周期长，波浪周期达15 s以上，受地形影响破波区域广且破坏力极强。在此峡道及破波区恶劣条件下，船机设备精确定位和作业难度极大，水上作业天数明显受限，给设计和施工带来极大的挑战。

为应对上述建设条件，设计方案采用100 m+2×180 m+140 m+100 m+60 m六跨叠合混合梁V形刚构桥，从设计方案角度有效解决了如下问题，如图4所示。

图4 V腿及三角区箱梁施工方案 下载原图

(1)采用大跨结构跨越深水区，减少深水基础数量；并采用大直径群桩基础，不仅大幅降低了深水涌浪作用下的桥梁位移，还减小了水上施工工作量，降低施工风险。

(2)V形三角区段设计为混凝土结构，更能保证浪溅区的耐久性；同时，无需船机精确定位吊装作业，解决了长周期波作用的施工问题。

(3)上部主梁跨中区段采用叠合梁方案大幅减轻结构自重，使结构受力更为合理，有效避免了大跨径预应力混凝土刚构的通病；同时，跨中叠合梁段采用“化整为零”的小节段预制吊装方案，合理解决了长周期波作用下结构吊装问题，有效地避免大构件吊装以及精确定位和施工作业的风险。

3.2珊瑚礁地质条件下的设计方案

本项目工程地质为珊瑚礁灰岩，不同于普通岩土，具有密度低、孔隙大、结构性强、脆性大、强度各向异性显著的特点。这些特征与礁灰岩原生生物成岩的复杂性、胶结程度、后期成岩作用环境的变化直接关联，显示出极为复杂的岩土工程特性。境内外缺乏类似地质条件下建造大型桥梁的经验，无直接可以利用的现成资料、勘察设计规范和施工规范，对珊瑚礁的工程特性缺少系统的认识。采取以下设计对策。

(1)在工可研、工程地质详勘阶段，开展工程物探、珊瑚礁岩土特性地质专题研究、陡峭珊瑚礁边坡稳定性分析、地质钻探及试验等专题工作，全面揭示了大桥工程地质特点、珊瑚礁岩土工程特性等，提出了珊瑚礁地质条件的地层分类和判定方法等。

(2)利用地质勘察及研究成果，有针对性地进行大桥基础设计，推荐了合理的施工方案。

(3)针对珊瑚礁灰岩的局部空洞性质，设计要求采取桩底压浆工艺，不仅能提高珊瑚礁灰岩基础承载力，还能有效控制群桩基础的沉降。

(4)提出在施工建设期间安排试桩工作，试验验证桩基承载能力、研究确定合适的施工工艺。

3.3高温、高湿和高盐度极端腐蚀环境桥梁结构耐久性设计方案

马尔代夫属典型的热带海洋性气候，桥位区高温、高湿、海水含盐量高，平均气温高达28.3℃,平均湿度为74%～89%,海水平均盐度达3.305%。与我国西沙群岛相比，马尔代夫温度更高、湿度更大，氯离子浓度和活动更为突出，腐蚀环境更为恶劣，按照ISO 12944-2:2017第2部分腐蚀环境分类的规定为CX级的极端腐蚀大气环境。特别是受机场航空限高的影响，大桥高度较低，桥梁大部分结构位于腐蚀严重或极端严重环境。因此，本项目在热带海洋环境下的桥梁结构的耐久性就成为亟待解决的关键问题之一。

为确保大桥100年的设计使用寿命，根据全桥的腐蚀环境及腐蚀特点，大桥混凝土结构采用了海工高性能混凝土和适当增加保护层厚度的基本防腐措施，以及不同结构部位增加必要的防腐蚀专项附加措施等组合式耐久性设计新理念，如主桥桩基、承台、V形墩、混凝土主梁除了采用海工高性能混凝土并适当增加保护层厚度的基本防腐措施外，还分别增加了水下区保留永久性钢护筒、不锈钢网片+涂覆硅烷、钢筋阻锈剂+透水模板布+涂覆硅烷、钢筋阻锈剂+涂覆硅烷等作为附加防腐措施，并要求在有代表性的结构部位预埋混凝土结构腐蚀监测元件，进行混凝土氯离子腐蚀进程监测，以此指导大桥全寿命周期的维修养护工作；钢主梁创新性地采用高抗腐蚀性能的高镍耐候钢，引入免维护设计思想，节约桥梁全寿命周期成本。

为应对严峻的腐蚀环境，最大限度地提高结构耐久性，减少后期养护工作量，节约桥梁全寿命周期成本，钢结构主梁采用了耐腐蚀性能更强的镍系耐候钢材。结合项目建设需求，联合科研院校、多家国内钢铁企业完成服役环境下的氯离子沉积率测试，以及Q235钢、普通耐候钢、3%Ni钢的实验室模拟加速试验和大气暴露试验，取得了热带海洋环境下不同钢材的大气腐蚀定量数据，为中马友谊大桥钢材和防腐方案的确定及服役寿命和安全的评估提供了支撑。综上，以3%Ni镍钢为基础，同时依靠防腐涂层就成为中马友谊大桥最为合理、安全的耐久性方案，该实施方案能解决当前对热带海洋环境认识、腐蚀研究不足的问题，从全寿命角度看也是经济的方案。

3.4复杂水文环境及严苛的航空限高条件下组合设计方案

桥位海域具有水深、流急、波高大、波浪周期长等复杂水文环境，桥位登陆点地形起伏很大，水下地形较陡，深海涌浪进入浅水区后破碎，波浪变形剧烈，波浪作用强烈。同时，大桥桥位距离马累国际机场跑道很近，航空限高异常严格，最严苛的区域限高仅为5 m, 使得机场岛引桥桥面及引堤路面设计高程受到限制，高度较低。因此，控制桥面及引堤路面“上水”,保证交通安全，同时确保桥梁结构在波浪力作用下的结构安全，是设计阶段重点解决的关键问题之一。

为解决上述问题，有针对性地开展了波浪整体物理模型试验、桥墩波流力模型试验研究、机场岛引桥及引堤波浪局部整体物理模型试验、引堤波浪断面物理模型试验等试验工作，对比研究了延长引堤减少引桥长度、在外海侧打入一排大直径桩基消浪等比较方案，以及最终实施的设计方案。由于机场侧海底地形陡峭、水深变化大、波浪周期长、波流力大等原因，上述防浪挡浪比较方案存在工程实施难度大、工程量大、造价高等问题，因此，最终采用了“引堤消浪结构+桥梁结构承受波浪力”组合设计方案。

4 结语

(1)本项目研究紧密结合工程实际，针对深水长周期波涌浪条件下的设计方案，合理解决了长周期波作用下结构吊装问题，有效地避免大构件吊装以及精确定位和施工作业的风险，对施工安全管理起到了指导作用，证明了成果的有效性和适宜性。

(2)针对珊瑚礁地质问题，提出有针对性的基础设计方案，并在施工建设期间安排试桩工作，试验验证桩基承载能力、研究确定合适的施工工艺，这对在珊瑚礁地质上修建特大型桥梁发挥了重要的作用。随着大桥桩基成功完成，在世界范围内，首次解决了珊瑚礁地质特征研究和特大型桥梁桩基设计与施工技术。

(3)耐久性设计方案考虑了马尔代夫社会经济状况相对落后的情况，符合尽量采用更可靠、更具耐久性的措施，以简化维护工作，降低运营养护成本的目标，给项目带来了可观的经济效益和社会效益。

(4)“引堤消浪结构+桥梁结构承受波浪力”组合设计方案在设计高水位100年一遇波浪作用下，各桥位处波面最大高程均低于桥面护栏实心段顶高程，桥面无上水，且桥梁结构受力满足规范要求，引堤及引桥运营情况良好。

参考文献

[1] 援马尔代夫马累-机场岛跨海大桥项目工可研究报告[R].2015.

[2] 援马尔代夫马累-机场岛跨海大桥项目方案设计[R].2015.

[3] 吴伟，刘波，等.高镍钢在马尔代夫中马友谊大桥适用性评估报告[R].2019.