上海长江大桥工程总体设计

一、上海长江大桥工程地位及作用

　　1.1　在上海高速公路网中的地位及对外连接的作用
　　上海崇明越江通道（又称：上海长江隧桥工程）是国家高速公路网上海——陕西（G40）高速公路上海市部分，是规划的上海－陕西高速公路的起点。工程起点位于浦东新区五号沟，与上海市A30高速公路相连，终点位于崇明岛陈家镇与规划崇启高速公路相接。
　　上海崇明越江通道工程全长25.5km。采用“南隧北桥”方案,其中上海长江大桥工程长16.63km，范围从长兴岛至崇明岛，跨越长江部分大桥长9.97km。
　　2004年12月28日上海崇明越江通道工程正式动工，2010年上海世博会以前将建成通车。
　　1.2　构建快速轨道交通网为促进崇明三岛联动发展，规划中提出轨道交通9号线向北延伸，经长兴岛登陆崇明。另外还设支线连接横沙岛。为有效利用土地资源，节省投资，规划建议轨道交通9号线跨江段与长江隧桥工程合建。上海长江大桥因此按预留轨道交通设计。
　　1.3　开发崇明，推动上海城乡一体化发展上海崇明越江通道能够沟通上海市区与崇明岛及横沙岛，完善上海市公路网结构和布局、综合开发二岛，推动上海城乡一体化发展。
　　1.4　推进长三角联动发展上海崇明越江通道建设将促进苏北地区经济发展，增加上海经济中心的辐射面，更有利于上海服务全国目标实现。
二、总体设计条件及要求
　　2.1　主要设计技术标准：
　　1）双向六车道高速公路，两侧设3m宽连续紧急停车带。
　　2）设计行车速度：100km/h。
　　3）路线宽度：大桥宽度33m（不含布索区），接线宽度33.5m。
　　4）桥梁结构设计荷载等级：公路－Ⅰ级。
　　道路路面设计轴载标准：BZZ—100。
　　钢桥面铺装轮载胎压设计荷载为1.0MPa。
　　5）地震烈度：按7度进行抗震设计。
　　2.2　两岸接线工程
　　接线工程由长兴岛接线工程和崇明岛接线工程组成。接线工程按双向六车道高速公路标准设计，设计行车速度100km/h。接线道路路基宽度33.5m，红线宽60m。
　　1）长兴岛接线工程长：2.20km，设长兴服务区、潘园公路立交、分离式立交、三孔和跨河桥等设施。
　　2）崇明岛接线工程长：4.64km，设陈海公路立交、分离式立交、三孔和跨河桥等设施。
　　2.3　航道及水文
　　1）主航道孔：3万吨级集装箱及5万吨级散货船单孔双向一处，副孔5000吨级船舶单向通航孔一处。辅航道孔（为崇明地方服务的涨潮沟）：3000吨级船舶双孔单向通航。
　　2）水文：潮流的运动形式为往复流，且落潮流历时长于涨潮流历时、落潮流流速大于涨潮流流速。


　　2.4　轨道交通过桥
　　2005年9月起，开展预留轨道交通的方案研究。2005年12月完成了方案研究报告，主要研究内容与结论：
　　1）进行了预留轨道交通车辆的选型和主要技术标准研究。
　　2）考虑长江大桥四个标段已经开工，为尽可能减小工程损失，节省投资，经多方案比较，推荐利用紧急停车带适当加宽，预留轨道交通空间的方案，报有关部门审批。
　　3）进行了轨道交通线形设计和道路、桥梁工程的调整设计方案研究。4）对预留轨道交通运行后，列车的走行性与乘客的舒适性等进行了初步论证，各项指标优良，满足要求。
　　2.5　交通量预测




　　项目预测年单向高峰小时交通流量公路服务水平计算表（设计车速100km/h）从预测交通量及饱和度、服务水平分析，上海长江隧桥工程采用双向六车道能够满足规范的要求，并且对交通量的进一步增长也具有一定的适应性，日常的运行也是可靠的。
　　2.6　运营及安全
　　对于本工程而言，属于大型桥梁和大型隧道工程，为保证大桥和隧道的合理使用年，保证大桥和隧道的运行安全，必须严格限制超重、超高及易燃易爆车辆的进入，做好超高、超重及危险品车辆疏散的方案，避免发生重大安全事故，确保大桥和隧道的自身安全和使用者安全。
三、建设规模
　　3.1　长江大桥工程建设标准长江大桥工程按双向六车道高速公路标准设计，设计行车速度100km/h。接线道路路基宽度33.5m，红线宽60m。
　　3.2　长江大桥工程项目组成
　　上海崇明越江通道工程，全长25.5km。采用“南隧北桥”方案,其中上海长江大桥工程长16.63km，范围从长兴岛长兴乡至崇明岛陈家镇。
　　1）长江大桥工程由接线段和长江越江桥段组成：
　　长兴岛接线工程长2.20km。工程项目包括路提段、潘园互通立交、二座跨河桥、三孔、长兴服务区、潘园立交收费站、立交管养中心等设施。
　　崇明岛接线工程长：4.64km。工程项目包括路提段、陈海互通立交、白陈和陈仿二座分离式立交、四座跨河桥、三孔、陈海立交收费站等设施。
　　长江大桥工程跨越长江桥段总长9.97km。大桥设主航道主孔一处、副孔一处；大桥设辅航道孔一处。
　　2）长江大桥其它配套工程长江大桥工程项目还包括：浦东五号沟管理中心、长兴管理养护中心、长兴小型服务区、安全设施、景观绿化、监控系统、通信系统、收费系统、服务设施、供配电照明系统、房屋建筑以及桥隧附属工程等。
　　3.3　长江大桥段占用土地情况
　　上海长江大桥工程中，长兴岛及崇明岛陆域红线宽度均为60m。长兴岛大堤内侧陆域部分长2680m；崇明岛陆域部分长5419m。
　　长兴岛陆域占用土地约439亩，基本为农田。
　　崇明岛陆域占用土地约599亩，基本为农田。
　　3.4　长江大桥主要工程量
　　跨越长江桥梁建设总面积34.23万m2；接线工程桥梁建设总面积7.89万m2；接线工程道路建设总面积21.91万m2。
四、长江大桥工程总体设计概况
　　4.1　长江大桥工程线形
　　1）平面线形
　　长江大桥合理路线是与长江流水方向垂直，根据专题研究报告提供的现场实测的枯洪季、涨落潮流速和流向，规划北港主通航孔枯洪季、涨落潮流速和流向差异是较大的。其中，枯季大潮涨潮和洪季大潮落潮流速最大，枯季小潮涨落潮的偏角最大。
　　以枯洪季、涨落潮的主流向和平均流速，作为未来北港主通航孔枯洪季、涨落潮流速和流向的主要特征。由此形成的流矢图，以及与桥梁轴线调整关系见图4-1和图4-2。




　　规划桥梁轴线方案的法线为124°（指北顺时针为正），即-56°,涨潮方向各涨潮主流向全部偏向桥梁轴线法线一边，偏角5°~21°，落潮方向各落潮主流向左右偏离桥梁法线，左右偏离范围在5°~21°。
　　通过分别对涨、落潮主流向与平均流速加权平均分析，涨潮加权平均主流向为312°，即-48°，偏离规划桥梁轴线法线顺时针方向8°；落潮加权平均主流向为126°，即-234°，偏离规划桥梁轴线法线顺时针方向2°。
　　通过对涨、落潮主流向和平均流速做综合加权平均分析，得到涨、落潮主流的加权平均流向为顺时针方向128°，逆时针方向52°，较规划桥梁轴线顺时针方向偏转4.5°。
　　通过对路线总体设计的慎重研究和综合分析，决定对桥梁轴线方案进行微调，桥梁轴线法线顺时针方向偏转4.5°。调整后北港长江大桥平面线形呈“S”型，增加了长江大桥平面的折点，增加了折点的偏角，增加了长江大桥的曲线长度，使长江大桥整体线形更加合理和美观，更有利于桥梁结构安全，有利于道路交通安全，更有利于平面线形和纵断面线形结合，能多视角展示长江大桥的雄姿。
　　长江大桥平面线形两端与陆域平面线形连线线位保持规划线位。
　　2）纵断面线形
　　纵断面设计关系到桥梁使用效果、安全、景观、造价等，主、辅通航孔为纵断面设计的重要的控制点，其间非通航孔设计了“高、中、低”三个方案，均满足设计规范要求。从桥梁线形组合、造价、景观和施工难易程度分析，三个方案比较如下：
　　长江大桥纵断面设计不但要满足高速公路对道路纵断面设计要求，又必须满足桥梁工程航道、最高水位与桥梁安全、桥梁造型与线形、桥梁景观、桥梁造价、桥梁施工方案等综合因素。在纵断面设计方案中，主通航孔和辅通航孔必须服从通航净空要求，设计变化余地不是很大。长江大桥纵断面设计关键在占北港桥梁总长86％非通航孔桥梁纵断面设计上，按非通航孔纵断面不同标高，可采用“低、中、高”三个方案。
　　“低”纵断面方案桥梁标高采用60m（主通航孔）、40m（辅通航孔）和非通航孔标高按满足结构安全标高控制取20m。第一段设计坡长1954m、纵坡度-2.5％；第二段坡长1044.54m、纵坡度-0.3％；第三段坡长1233.26m、纵坡度+2.0％。非通航孔桥面设计标高在20m以下桥长4300m。主桥、辅桥与非通航孔桥标高为60、40和20m，桥面标高各相差1/3，桥梁视觉效果合理；主桥两侧对称；桥梁纵坡有两个驼峰组成，桥面景观生动、流畅。
　　“中”纵断面方案桥梁标高采用60m（主通航孔）、40m（辅通航孔）和30m（非通航孔）。第一段设计坡长1425m、纵坡度-2.5％；第二段坡长2079m、纵坡度-0.3％；第三段坡长727m、纵坡度+2.0％。非通航孔桥面设计标高在30m以下桥长3000m。主桥、辅桥与非通航孔桥标高为60、40和30m；桥梁纵坡有两个驼峰组成，辅桥驼峰不明显，桥梁视觉效果欠佳。造价高于“低”方案。
　　“高”纵断面方案桥梁标高采用60m（主通航孔）、40m（辅通航孔），非通航孔纵断面由主辅通航孔标高直接连接。第一段设计坡长665m、纵坡度-2.5％；第二段坡长3567m、纵坡度-0.3％。非通航孔桥面设计标高在40m以下桥长3000m。非通航孔桥梁纵坡与主桥和辅桥直接连接；桥梁纵坡有一个长直大驼峰。桥梁高大，桥高与桥长比例不匀称。造价高于“低”、“中”方案。长江大桥桥梁纵断面设计方案，从桥梁造价、景观、施工难易程度、使用效果、安全、满足设计规范要求等因素分析，低”方案优于其他方案，长江大桥纵断面采用“低”方案。工程按推荐的纵断面“低”方案（方案一）实施。
　　4.2轨道交通预留设计主要技术标准
　　1)车辆尺寸轨道交通采用直线电机运载系统，车宽2.5m，高3.15m，长为16.5m。车厢内部高度2.1m。
　　2）限界：3.95×4.2m。
　　3）最高运行速度：90km/h。
　　4）最小平面曲线半径：100m。
　　5）最大坡度：8%。
　　6）列车编组：暂按10辆考虑，每辆车定员147人（头车）及162人（中间车）。
　　7）轴重：120kN。
　　8）轨道系荷载
　　33kN/m(单线),
　　66kN/m(双线)
　　4.3　断面布置
　　当上海市有关部门提出上海长江隧桥预留轨道交通的设计要求时，长江大桥部分桩基已经实施；主桥“人”字型主塔作为标志性景观方案已经确定。据此研究比选以下方案。
　　1）方案一：单层方案已实施桩基需向二侧移动距离较大，使废弃工程量较大；中间安排轨道交通，与主桥“人”字型主塔冲突；高速公路遇紧急情况时双向沟通不便；投资增加较大。
　　2）方案二：双层方案已实施桩基需向中间移动距离较大，使废弃工程量较大；双层方案与主桥“人字”型主塔冲突；投资增加较大。
　　3）方案三：错层方案错层方案与主桥“人字”型主塔冲突，与主桥方案较难结合。投资增加较大。
　　4）方案四：利用硬路肩加宽方案（推荐）
　　每侧硬路肩由3.0m加宽到4.15m，安排轨道交通。
　　优点：对桥梁结构变更影响较小；与已确定的主桥方案相容；高速公路与紧急情况双向沟通方便；投资增加较小。
　　缺点：实施轨道交通后，越江部分桥梁缺少硬路肩。
　　综合比选后，推荐方案四。对于缺少硬路肩的桥梁段，将采取加强监控、信息发布、引导及救援措施，应对桥梁发生紧急状态。
　　5）实施横断面
　　实施方案按轨道交通利用紧急停车带平面加宽的方案。非通航孔横断面，近期桥面设双向六车道，两侧设4.15m宽紧急停车带，标准横断面宽度35.3m。远期桥面设双向六车道与双线轨道交通，标准横断面宽度36.4m，见图4－3。

　　主航道桥标准横断面宽度51.5m，见图4－4

。

　　接线工程道路横断面，与隧道连接段路基宽35.5m；其余路段路基宽度33.5m，见图4－5。
　　4.4　桥梁设计方案
　　1）主通航孔桥梁分离式钢箱梁斜拉桥跨径为107+243+730+243+107m=1430m。主梁全宽45m，梁高4.0m。塔上索距2.5m，梁上索距15m。桥塔采用人字形。
　　2）辅通航孔结构：变截面连续梁桥8

　　跨径布置：80+140＋140+80m＝440m
　　3）非通航孔结构深水区桥梁：深水区非通航孔桥位于主通航孔桥两侧，总长3710m。采用105m跨径钢砼叠合梁方案。
　　浅水区：浅水区河床面较高、低潮时有出露，施工船只进出不便。采用预应力混凝土梁50m、70m二种跨度方案。
　　浅滩区桥梁：浅滩区位于南北两岸，长兴岛侧长750m，崇明岛侧长280m。采用50m跨度预应力混凝土连续梁方案。
　　陆上段引桥：采用30m跨度预应力混凝土连续梁方案。
　　接线道路桥梁采用简支T梁和简支空心板梁结构
　　4.5　路基路面设计
　　1）路基工程
　　工程需要大量土方，而长兴岛、崇明岛地势平坦、河塘水系发达，取土相对比较困难，且取土将占用大量耕地、造成生态破坏，另一方面，长兴岛和崇明岛三面环江，东临东海，伏卧在长江口海面上。
　　在工程施工招标以前，解决路基土方来源成为指挥部的一大难题。以往道路路基土源一般采取从农田取土或从别处采购的方法。由于上海适合做路基的土源只有表面2～3m厚，从农田取土将毁坏大量的农田，所以农田取土一般是结合开挖鱼塘，把原来的农田改为鱼塘，不然，就不能在农田中取土筑路基。从别处采购路基土价格较贵。设计考虑是否能有一种结合工程实际，既经济又就地取材的路基填料。通过调查和研究，长兴岛路基材料可以采用长江隧道开挖段挖出的土，经过计算，隧道开挖的土方量略大于道路路基需要的土方量，隧道开挖土的工程力学性能满足道路路基土的要求，长兴岛路基土源就顺利解决了。
　　崇明岛路基土源在哪？长江口岸江面开阔，粉细砂易淤积，如不及时清淤，容易堵塞河道，清淤后如不及时运走，随意堆积又不可避免占地；而崇明岛接线道路地理位置靠近海边，长江大量泥沙淤积，且水运交通运输较便捷，离码头不远；同时砂还具有水稳性好、沉降均匀，施工时受水和不利季节的影响小等特点。如采用长江口细砂作为路堤填料，对于疏浚航道，保护生态，减少道路修筑对当地资源和环境产生破坏，都能产生较好的综合经济效益。
　　由于目前填砂路基研究工作在国内开展得较迟，对于砂填料的路用性能、路基的压实工艺、边坡的防护等还缺乏系统深入研究，填砂路基尚未在国内得到大面积推广应用，所以结合本工程，我们开展了砂路堤的专项研究，研究成果将对缺土的上海道路建设具有重大的环保、经济上的现实意义和实用价值。通过填砂路堤的研究，克服了用细砂做路堤存在的难以压实、流沙稳定、沙粒松散和砂强度低的技术难关，掌握了长江细砂的工程特性、施工工艺和验收方法。上海长江口细砂路基研究获得成功，研究项目获2009年度上海市科委技术进步三等奖。
　　目前，在长江隧桥工程中已实施的砂路堤，完全符合高速公路工程技术标准和要求，路堤强度和路堤稳定性达到高速公路路基的要求，最新的检测数据显示，经过24个月的自然沉降后，路基已趋于稳定。
　　同时，细砂路基技术已经在上海市公路建设上推广，应用在A15高速公路和崇启通道高速公路建设中。
　　2）路面工程
　　长江大桥钢桥面铺装采用双层环氧沥青混凝土。汽车胎压采用1.0MPa。
　　长江大桥混凝土桥面铺装采用：下层浇注式沥青混凝土，上层改性沥青混凝土。
　　接线道路路面结构采用：40cm水泥稳定碎石基层，4+6+8沥青混凝土面层。
　　4.6　立交设计
　　1）长兴岛潘园公路立交单喇叭形立交，主要优点是：满足交通需求；交通主流向便捷、流畅；收费服务集中管理便利，造价经济。
　　2）崇明岛陈海公路立交双喇叭型立交，主要优点是：满足交通需求；交通主流向便捷、流畅；收费服务集中管理便利。
　　4.　7交通工程设计
　　1）设计内容
　　管理养护设施、安全设施、监控系统、通信系统、收费系统、服务设施、供配电照明系统、房屋建筑以及桥隧附属系统等。
　　2）管理组织模式
　　整个崇明越江通道设置一个管理公司.。管理中心设置地点在长兴岛（本越江通道中部），并与潘园收费站、养护工区进行联合设置。考虑到特大型隧道和桥梁的特殊性，在通道浦东侧设置管理站，在崇明岛陈海收费站设置部分救援设施。监控、通信、收费三中心10
联合设置在管理中心大楼内。
　　3）安全设施
　　设计内容：①交通标志；②标线（包括反光路标）；③护栏；④隔离栅；⑤防眩设施；⑥防落物网；⑦其它安全设施（包括防撞筒、隔离墩、轮廓标、里程牌、百米标记等）。
　　4）监控系统
　　通过各种交通信息的采集，实现交通诱导和控制的功能，保障正常的交通秩序。
　　（1）主要的控制方式
　　①主线通道方式诱导和控制；
　　②立交出口交通诱导控制；
　　③立交入口流入控制；
　　④与相接道路联动诱导和控制。
　　（2）隧道内交通事件工况分析
　　①一般轻度交通事故；
　　②中度交通事故；
　　③火灾事故的处理；
　　④其它事故的处理。
　　（3）桥梁段交通事件分析
　　①不良气象状态；
　　②发生交通事故；
　　③其他交通事件。
　　（4）交通工况分析和控制预案
　　①隧道内部分车道受阻，且对隧道交通影响较小；
　　②隧道内部分车道受阻，但对隧道交通影响较大；
　　③隧道内全部车道受阻；
　　④桥上部分车道受阻；
　　⑤桥上全部车道受阻。
　　5）收费系统
　　收费系统共设置潘园和陈海为匝道收费站，收费中心联合设置在监控中心内。
　　系统采用封闭式收费，通行券为非接触式IC卡，并兼容上海公共交通卡。
　　设置独立的半自动（MTC）和全自动（ETC）收费车道。
　　收费站设置独立匝道站功能，配备计算机网络、图像监视等。
　　6）服务设施
　　设长兴岛服务区，设置的设施有：餐饮、小型购物中心、卫生设施、休息大厅，以及加油站、修理站、停车场。
　　4.8　超限及危险品机动车通行管理措施
　　1）实施管理措施的意义
　　超重、超大车辆是我国高速公路严令禁止通行的机动车；易燃易爆机动车一般高速公路是准许通行的；危险品机动车在指定道路上通行。
　　长江隧桥工程属于大型桥梁和大型隧道工程，为确保大桥和隧道的合理使用年，保证大桥和隧道的运行安全，经研究决定，长江隧桥严格禁止超限、易燃易爆和危险品机动车通行。为此，长江隧桥管理要做好超高、超重及易燃易爆车辆管理和疏散工作。
　　2）管理措施方案超限、危险品机动车检查站与收费站合站建设，在收费岛前增设安全检查岛，对有疑问的机动车需经安全检查后，方可进入收费岛，再进入高速公路。
　　安全检查站除安全检查岛以外，需要增加以下设施：违规机动车留置场；回旋车道；检查人员办公场所等。
五、结束语
　　上海长江大桥经过建设者近5年的努力，不久即将竣工通车，将和长江隧道一起连接上海陆域与长兴、崇明，进而连接长江北岸江苏各地，起到开发长兴、崇明，辐射长三角的重大作用。总体设计中坚持精益求精、科学创新，在桥梁线形设计、桥轴线平面与水流关系的处理、平纵线形组合的美学及经济性论证、轨道交通预留空间设计、以及因地制宜采用筑路材料实践环保理念的设计等等方面，进行了精心设计及创新性的工作，是创造上海长江大桥精品工程的重要一环，亦可为其他特大型桥梁工程的总体设计提供借鉴与参考。