圖1 福州至平潭鐵路線路平縱斷面示意圖
福平鐵路(福州至平潭) 起自福州站，途經福州南、長樂、長樂東、松下，並經松下建設跨海橋樑，最終抵達平潭，線路長度約88.5公里。該鐵路設計為雙線Ⅰ級鐵路，最高時速達200公里，總投資257.3億元。本項目於2013年10月動工建設，預計於2019年建成通車。建成後，平潭往返福州市區將縮短近20公里，半小時內可達福州，也使長樂、平潭與福州市區形成“半小時生活圈”，對進一步促進市縣兩級融合發展具有重要的意義。
平潭公鐵兩用大橋是福平鐵路、長樂至平潭高速公路的關鍵性控制工程，是我國首座公鐵兩用跨海大橋。
平潭海峽公鐵兩用大橋全長16.34公里，上層為時速100公里的6車道高速公路，下層是時速200公里的雙線I級鐵路。大橋起於長樂市松下鎮，從松下港規劃的山前作業區與牛頭灣作業區之間入海，經人嶼島、跨越松下港區元洪航道和古嶼門水道，再依次通過長嶼島和小練島，跨越大小練島水道抵達大練島，再跨越北東口水道從蘇澳鎮上平潭島，全長16.34公里。共設4座航道橋——元洪航道橋：132+196+532+196+132=1188m鋼桁斜拉橋，鼓嶼門水道橋：128+154+364+154+128=928m鋼桁梁斜拉橋，大小練島水道橋：80+140+336+140+80=776m鋼桁梁斜拉橋，北東口水道橋：92+168+168+92=520m混凝土連續剛構橋，引橋：根據墩高、水深、地質條件分別採用80m和88m的簡支鋼桁結合梁、64m和40m混凝土梁。
圖2 平潭海峽公鐵兩用大橋橋式立面佈置圖
圖3 海上公鐵兩用橋樑施工
難題的化解
跨海大橋的建設面臨惡劣的氣象環境、複雜的地質水文條件和海洋強腐蝕環境等眾多不利因素。針對此類特點，在總體設計中，選擇什麼樣的橋型、截面設計、橋跨佈置，才能滿足公鐵主要技術標準，最大限度減少海上作業，降低工程風險，加快工程進度？
建設條件
海峽中小島嶼、礁石分佈眾多，高程多為10～20m。海峽諸島嶼受風化剝蝕與海浪衝擊強烈，環島四周均堆積風化崩塌塊石，漲、落潮波流在橋位處相對強勁，沖刷強烈，海底地形起伏大，海水深度多在10～40m範圍。
工程區域為典型的海洋性季風氣候,季風與颱風活動頻繁,橋址區百年重現期十分鐘平均最大風速44.8m/s,橋址區全年有6級以上大風天氣300天以上,7級以上大風天氣約238天。
據平潭海洋站波浪觀測資料統計，平潭海洋站波浪常浪向為ESE向，頻率為79%；次常浪向為SSW、SW向，頻率為14％。實測H1/10波高最大4.3m，週期7.4s，年平均波高為1.1m，平均週期為5.4s。橋位處受潮汐作用，沖刷嚴重，設計最大流速為2.95m/s。
通航狀況：元洪航道為5萬噸級單孔雙向通航，通航尺度為461m×52.1m；鼓嶼門水道為5000噸級單孔雙向通航，通航尺度為246m×40.91m；大小練島水道為5萬噸級單孔單向通航，通航尺度為260m×52.1m；北東口水道為500噸級雙孔單向通航，通航尺度為75m×19.7m。結合海域水文條件，最高通航設計水位取+4.62m，最低通航設計水位為-3.40m。
圖4 通航狀況示意圖
該橋址處地質條件複雜，海床面極不平整，高差起伏大，覆蓋層不均。基岩主要為花崗岩、凝灰岩、英安巖和火山角礫岩。
線路平、縱斷面設計
跨海大橋平面線形力求平直順暢，儘量避免過多的彎折、繞行，以提升線路的服務水平，提高旅客的乘坐舒適度。儘量減少橋軸法線與水流交角，保證橋區船舶的順利航行，減小建橋對海流及海床的影響。
縱斷面設計：通航孔橋設計控制點高程主要受最高通航水位與通航淨高限制。鐵路縱坡按不大於13‰並在軌道溫度調節器位置處最大縱坡小於6‰。
橫斷面設計
平潭海峽大橋採用公鐵合建（雙線鐵路+6車道高速公路）形式跨越海峽，在橋樑橫斷面佈置時應充分注重鐵路、公路的線路技術標準、車道寬度、荷載特點、建築限界、水電管線、運營安全、後期養護等各方面特點，本著安全、適用、經濟、美觀、合理的原則統籌考慮，採用公路在上、鐵路在下的公鐵合建方式。
對於元洪航道橋、鼓嶼門水道橋與大小練島水道橋，其橫斷面採用帶副桁的“N”形桁架方案，其中有索區主樑桁高為13.5m，桁間距為15m，公路與鐵路均採用整體鋼橋面板；無索區主樑桁高為13.5m，桁間距為15m，公路採用結合梁，混凝土板厚30cm，鐵路採用整體鋼橋面板。
對於北東口水道橋與引橋，其橫斷面採用混凝土梁方案，上層的公路梁和下層的鐵路梁呈倒“品”字形佈置。公路橋面總寬35.5m，分兩幅佈置，中間淨距0.5m。鐵路線間距為4.4m，橋面總寬12.2m。
圖5 橫斷面示意圖
航道橋孔跨佈置
根據橋區碼頭、港口的建設現狀和遠期發展規劃，綜合考慮結構耐久性、經濟性等因素，元洪航道橋按5萬噸級單孔雙向通航，通航主跨取532m；鼓嶼門水道橋按5000噸級單孔雙向通航，通航主跨取364m；大小練島水道橋按5萬噸級單孔單向通航，通航主跨取336m。主橋分別選用（132+196+532+196+132）m、（128+154+364+154+128）m、（80+140+336+140+80）m的鋼桁梁斜拉橋。
北東口水道按單孔雙向500噸級航道設計能滿足港區未來的發展，按照交通運輸部對通航安全影響論證的審查意見，北東口水道通航孔主跨採用2×168m。對於主跨168m的公鐵兩用橋樑，因跨度不是很大，選擇混凝土結構比較經濟合理。同時因其剛度大、抗風能力強、耐久性好、後期維護少，故主橋選用（92+2×168+92）m的混凝土連續剛構橋。
圖6 北東口水道橋總體佈置圖
主橋結構設計創新
針對元洪航道橋、鼓嶼門水道橋與大小練島水道橋三座斜拉橋主塔結構設計，主塔為鋼筋混凝土結構，三座斜拉橋主塔高依次為221.5m、180.5m、173.5m。3座通航孔斜拉橋的基礎採用了超大直徑鑽孔樁，鼓嶼門水道橋的橋塔墩、輔助墩鑽孔樁基礎直徑為4.5m，大小練島水道橋的輔助墩鑽孔樁基礎直徑為3m，其餘的鑽孔樁基礎均為4.0m。4.0m、4.5m鑽孔樁，是世界上樁徑最大的橋樑工程樁。
北東口水道橋上部結構採用（92+2×168+92）m混凝土連續剛構，下部結構採用矩形或雙薄壁橋墩，鐵路橋墩高21.5m，公路橋墩高36m，鐵路及公路共用承臺基礎，施工水深約40m。鐵路、公路梁體採用縱、橫、豎三向預應力體系，公路橋分左右兩幅，結構對稱。
鐵路橋邊主墩採用圓端形雙壁墩，雙柱中心距離8.0m，淨距5.8m，墩身截面橫向9.6m，縱向2.2m，墩高均為22m。中主墩採用箱形截面，縱向10.2m，橫向8.5m，縱向壁厚2.2m，橫向壁厚1.6m，墩高22m。
公路橋邊主墩採用雙薄壁墩，縱向壁厚2.0m，橫向寬7.65m，其中6.65m的直段和1m的圓弧段，迎水面為圓弧，雙薄壁墩淨距為6m，中心距為8m。中主墩採用空心矩形墩，墩縱向10m，壁厚1.5m，橫向寬7.65m，靠線路外側壁厚2.65m，內側壁厚1.2m。邊主墩和中主墩高度均為35.904m。
圖7 北東口水道主墩墩身佈置圖
左右兩幅公路橋和中間鐵路橋共用基礎，兩個邊主墩承臺尺寸相同，每個承臺尺寸為長36.5m，寬23.9m，高6.0m，四角倒圓。每個承臺下設24根直徑為Φ3m的樁，樁基均按柱樁設計。
耐久性設計創新
平潭海峽公鐵兩用大橋工程規模宏大，橋址環境具有氯鹽侵蝕、化學侵蝕和鹽類結晶破壞的特點，建設條件複雜，海上施工難度大，結構設計基準期為100年。鋼筋混凝土結構量大，混凝土質量及其耐久性，對於保證整個結構的服役壽命以及服役期內的性能至關重要。現行《鐵路混凝土結構耐久性設計規範》（TB10005-2010）等技術規範（規程），已難以完全滿足本工程混凝土結構建設施工的需要。
浪濺區（水位變動區）混凝土採用表面防腐蝕塗裝，應能適應乾溼交替變化的環境，並應具有耐磨損、耐衝擊和耐候的性能。本工程採用表面塗層的構件，如表1所示。平潭海峽公鐵兩用大橋選用的混凝土表面塗裝的設計使用年限為20年，其體系組成如表2所示。
對主墩薄壁墩混凝土結構採用外加電流陰極保護。外加電流陰極保護系統是設計用來對混凝土結構中的鋼筋提供防腐蝕保護，使之免於受氯離子的侵害，從而延長整個結構的使用壽命。
圖8 主墩陰極保護示意圖
施工工藝創新
橋區為典型的海洋性季風氣候，風向季節性變化明顯，而且有熱帶氣旋、大風、暴雨、乾旱、雷暴、大霧等災害天氣。本橋的建設環境較為複雜，施工條件比較惡劣，年平均有效施工作業天數少，嚴重地制約了本工程的正常作業。
鑽孔平臺施工
深水區有覆蓋層基礎鑽孔平臺將鋼護筒作為承重結構。利用打樁船在低平潮期快速插打一組鋼管樁，採用槽鋼快速臨時連接，待所有鋼管樁、鋼護筒打設完成後採用平聯管進行永久連接。然後架設橫樑，安裝承重梁，鋪設分配梁、面板，最終形成一個完整的作業平臺。
深水淺/無覆蓋層基礎鑽孔平臺採用錨樁+鋼混組合式整體鑽孔平臺，即鋼管樁採用鋼筋混凝土灌注樁錨固，護筒利用“模袋圍堰+水下不離散混凝土”穩固，鋼管樁與護筒利用“Z”字形聯結系連接成整體，組成空間群樁共同受力。
鑽孔施工平臺管樁採用打樁船直接插打法施工，利用低平潮水位快速搭設起始平臺鋼管樁，迅速形成穩定單元體（4～6根一組，一個平潮期完成），臨時聯結系快速連接，並安裝永久聯結系形成錨樁平臺。錨樁完成後利用既有的穩定單元為起始平臺擴展成為支棧橋，支棧橋錨固穩定後插打鋼護筒，鋼護筒與支棧橋連接成整體，平臺形成後採取水下模袋圍堰，澆築不離散混凝土進行平臺穩固處理，保證施工平臺結構穩定。
圖9 海上獨立平臺水中搭設
圖10 裸岩初始平臺打樁及平聯
承臺施工
根據水深不同，承臺採用鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、鋼吊箱圍堰等不同形式。深水區鋼吊箱圍堰在鋼結構工廠加工，整體組拼後，船運至墩位處，利用大型浮吊整體起吊、下放、直接就位後，澆築封底混凝土，堰內抽水後進行承臺施工。
淺水區鋼板樁圍堰，通過棧橋運至墩位處，利用履帶吊機起吊，逐根插打至設計標高，後續施工工序與深水區吊箱圍堰相同。
圖11 千噸鋼吊箱吊裝
圖12 承臺施工
鋼桁樑架設施工
三座通航斜拉橋主樑均為帶副桁的板桁結合鋼桁梁結構，考慮到橋位處風力影響，為加快施工進度，減少中跨鋼桁樑架設時對航道的佔用時間，鋼桁梁採用大節段架設法進行施工，為滿足鋼桁樑架設的需求，研製了1艘吊重3600t、吊高110m的大型浮吊。鼓嶼門水道橋和大小練島水道橋兩座通航孔橋的邊跨及輔助跨鋼桁梁、三座通航孔橋的墩頂鋼桁梁均採用3600t浮吊架設。鋼桁梁節段最大長度為96m，重量達3000t以上。在設置墩旁托架後，最大限度地利用3600t浮吊進行整孔架設和大節段架設。
圖13 鋼桁樑架設
簡支梁節段預製施工
鐵路橋簡支梁跨度有64m與40m兩種，除第一孔和最後一孔40m梁外，均採用節段預製拼裝方案。64m梁縱向分為7個節段，節段長6.4～9.52m，溼接縫寬0.6m。40m梁縱向分為5個節段，節段長6.4～8.5m，溼接縫寬0.6m。單個節段最大重量為300t。節段在陸地梁場預製，淺水區通過已架鐵路樑上的運梁車、深水區通過運輸船運送至待架孔。利用64m鐵路箱梁造橋機（兼具40m樑架設功能）吊裝完一孔全部節段後，將各節段混凝土梁調整至設計位置，安裝溼接縫支架及模板，扎鋼筋，穿鋼絞線，現澆溼接縫成整孔箱梁，混凝土達到設計要求的強度後張拉梁內預應力束。
圖14 蘇澳預製梁場
平潭海峽公鐵兩用大橋為世界在建難度最大的海峽大橋，工程規模大，技術難度高，大橋全長16.34公里，是世界上最長的跨海峽公鐵兩用大橋，第一次在世界三大風口海域施工，突破了建橋禁區，實現了海峽建橋的跨越式突破。
作者 / 梁金寶 李喜平
作者單位 / 中鐵第四勘察設計院集團有限公司
中鐵建大橋設計研究院
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