挑战突破两千米的双层悬索桥——狮子洋大桥管理与科技创新

狮子洋通道位于粤港澳大湾区核心区域，是世界上首条双层复合跨海公路通道。项目上游距南沙大桥3.6km，下游距虎门大桥7.7km，西接广中江高速，经广州市南沙区大岗镇、东涌镇和黄阁镇，跨越珠江口，向东经东莞沙田镇和虎门镇，接常虎高速，全长约35km。项目的建设是贯彻落实《粤港澳大湾区发展规划纲要》，构建“一核一带一区”区域发展格局的重要举措。项目控制性工程——狮子洋大桥采用主跨2180m单跨吊16车道双层钢桁梁悬索桥方案，是世界上首次突破两千米级规模的双层悬索桥梁，建成后将创造双层桥梁主跨跨径、索塔高度、锚碇直径、主缆缆径、车道数5个方面世界第一。

图1 狮子洋通道区位图

图2 狮子洋大桥效果图

项目特点

建设条件恶劣

项目位于珠三角沿海地带，不仅要应对台风多发、高温多雨等极端天气带来的挑战，还需克服软基深厚、海洋腐蚀等不利地质环境的影响，对项目施工及工程防灾减灾和结构耐久性设计提出了极高的要求。

工程规模宏大

项目全长约35公里，主桥狮子洋大桥主跨2180米，横跨广州、东莞两岸及珠江主航道，规模世所罕见。超大工程规模对资源、质量、工期、环境、协调以及风险控制等方面提出了极高的挑战。

技术挑战众多

狮子洋大桥作为世界上首座超两千米级双层悬索桥，从结构设计、工艺工法、施工装备等方面均无先例可循。为了填补该领域的空白，项目需在大尺度桥梁技术标准、结构体系静动力性能、高性能组合材料结构、智能建造与工艺装备、长寿命防灾减灾控制等诸多技术方面实现创新突破。

以科学管理实现高质量建设

创新设计管理模式

为了充分吸纳不同设计单位的理念、技术水平和经验，从而在设计过程中获得更多、更全面的设计思路。项目创新性地采用平行设计、平行咨询的设计管理模式，在项目的总体方案及初步设计阶段，引入了中交公路规划设计院有限公司、中铁大桥勘测设计院集团有限公司、丹麦COWI公司等多家国内外优秀设计单位进行平行设计。不同设计单位良性竞争、互学互鉴，减少了单一设计单位在设计中可能出现的错误和纰漏，并通过比较、分析、筛选和优化，最终整合形成最适合项目的推荐桥型方案。此外，在施工图设计阶段，各设计单位之间还进行互为咨询、相互校验，进一步提高了设计方案的合理性和设计质量。该模式充分发挥了各设计单位的专业优势，共同推动项目的顺利实施。

丹麦COWI方案

公规院方案

大桥院方案

图3 总体方案平行设计

精细化技术方案管理

项目积极探索高质高效的工作模式，建立了主桥标重大技术方案相互咨询机制，推动主桥标各施工标和监理标成立技术咨询专家团队，对重大技术方案编制进行深度审核把关，保障方案的科学性与合理性达到精益求精标准。此外，项目制定了施工方案闭环管理制度，通过“后台精准指导，前端精细执行”的模式，精准控制施工方案实施过程，显著提升重大技术方案的实施水平，从而坚实保障工程的核心安全。

全寿命数字化管理

传统的工程项目管理方式已难以满足狮子洋大桥超大规模现代工程的高质量建设需求。为此项目研发了BIM融合的数字建管平台，构建项目全寿命周期“一套模型、一套数据”，推动公路建、管、养、运全流程的数字化转型。通过应用智能化制造，构建钢桁桥梁数字化智能制造生产线，将机器视觉技术、群控技术、数字化管理等先进技术应用于自动化生产管理全过程，推动提升了钢桁梁制造智能化、自动化水平，提质增效，促进国家桥梁工业自动化水平提升转型升级。

图4 数字建管平台

图5 智能化生产线

以科技创新实现高水平突破

狮子洋大桥技术难度极高，国内外鲜有工程案例可供参考，现有规范无法覆盖设计需求。项目针对性组织开展了超大跨悬索桥合理刚度标准、桥梁抗风、钢混组合索塔受力性能、火灾防控与消防等专题研究，并联合一流高校、科研机构、设计、施工、制造等单位开展技术攻关，并加强科研全过程管理，支撑设计与施工，将形成超2000米级双层悬索桥的设计、施工、制造指南和中国技术标准，引领国家高端桥梁产业链技术进步。

技术标准创新

针对国内外现行标准在超2000米双层钢桁梁桥设计领域的空白，项目系统研究了超2000米级悬索桥技术标准体系，首次提出超2000米双层悬索桥的合理刚度指标，确定了满足行车安全及舒适条件下的挠跨比限值为：竖向1/155、横向1/82，相比现行规范得到了极大的降低（现行规范要求分别为1/250、1/150）；建立了适用于超大跨双层悬索桥的车辆荷载模型，为大桥设计荷载取值标准提供了科学依据；针对1.5米级大直径主缆设计参数取值和性能及可靠度研究，采用全寿命评估和可靠度分析的方法，制定了针对狮子洋大桥主缆系统的设计参数，提出了适宜的主缆安全系数，以实现全寿命期的结构安全、经济和耐久的要求，弥补了现行相关规范的技术空白。

防灾减灾及工程耐久

1.狮子洋大桥抗风性能研究

狮子洋大桥跨度超过我国桥梁抗风规范使用的跨度范围，且处于强台风频发区，如何保证桥梁抗风性能是确保大桥未来安全运营的关键技术问题。项目组织同济大学、西南交通大学、湖南大学、长安大学等多家权威单位平行开展了研究。在主缆方案比选阶段，为验证双主缆大幅风振效应现象机理，开展了并置单侧双缆方案的干扰效应和尾流驰振研究，覆盖测力、测压和测振多尺寸维度风洞试验工况，在国际上首次成功实现了超雷诺数临界区（Re=6.67E5>5.0E5）状态的物理试验模拟，明确了单侧双缆方案的尾流驰振和气动干扰影响，最终选用单侧单缆方案。同时，项目通过主缆节段和气弹模型、加劲梁节段模型及全桥气弹模型等大量风洞试验，为主缆和加劲梁气动选型提供了有力支撑，通过实验筛选出优越的缆型和梁型断面（不额外设置抗风措施），相比于同跨径悬索桥，其扭转频率从0.15Hz提高到0.24Hz，显著提高颤振稳定性。

单侧双缆方案

单侧单缆方案

主缆气弹模型风洞试验

加劲梁节段模型风洞试验

图6 抗风性能研究

2.火灾防控与应急处置技术

目前国内外相关超大跨桥梁防火消防领域的研究存在技术标准和理论方法缺失等问题，项目首次从钢桁梁火灾热释放模型、温度场演化、结构响应与破坏、烟气毒害威胁四个层面，系统性开展双层桥火灾风险评估与防控研究.通过极限火灾规模、关键构件受火灾变机理的研究以及结构火灾试验的结果分析，得到了双层悬索桥结构的受火极限状态（临界温度、耐火时间），制定了主桥/引桥抗火防护设计范围、设防标准，建立了桥梁关键构件的抗火技术体系，研发了新型消防应急技术及装备。研究成果直接支撑了狮子洋大桥火灾防控与应急设计，也为同类桥梁工程的火灾防控与应急设计提供了科学支撑，引领了超大跨悬索桥抗火理论和火损防控技术的发展。

图7 火灾温度场分布大尺寸真火试验

3.耐久性技术

狮子洋大桥东、西锚碇场区地下水量丰富，承压水位较高，锚固系统最低点位于地下水位以下15m，且地下水具有强腐蚀性，耐久性问题不容忽视。项目深入开展了锚碇结构多级防护技术的专项研究，创造性地提出了“四道防线”式的锚碇耐久性设计方案，并首次在锚固系统采用1Ni耐候钢，为锚碇及锚固系统构筑起坚实的防护体系，为狮子洋大桥的长期稳定运行提供强有力的保障。

图8 锚碇耐久性设计四道防线

为保证狮子洋大桥运营期间的安全，项目开展了巡检作业智能化研究，形成了基于机器视觉的主体构件智能巡检方案。根据狮子洋大桥巡检需求分析成果，制定了巡检策略，可及时了解各部件及设施的安全运营情况，及早发现可能出现的突发事件。

新结构新材料研究

1.钢板-混凝土组合索塔

项目采用了钢板-混凝土组合索塔的新结构形式，针对其结构性能及作用机理不明确问题，开展了足尺桥塔塔壁纯弯、压弯试验，探究了钢板-混凝土组合索塔结构协同受力性能和破坏机理，建立了钢板-混凝土组合结构承载力机理模型和计算分析方法，拓展了钢混组合结构设计理论与方法，形成了钢板-混凝土组合索塔整套设计、制造、施工指南与标准。同时，项目在国际上首次研发了组合桥塔用C80高强混凝土，并提出了合理配合比及控制指标，研发了高强、高弹、高稳健、低收缩C80专用混凝土。为解决索塔内部复杂构造引起的施工技术难题，项目组织开展了主塔节段足尺模型试验研究，验证和明确了专用混凝土施工工艺及关键参数，为钢板-混凝土组合索塔的高质量施工提供了支撑依据。

图9 钢板-混凝土组合索塔构造示意图

图10 足尺模型试验

2.宽幅双层板桁结合钢桁梁

宽幅双层板桁结合钢桁梁结构受力行为与常规桁梁桥有所不同，在国内外鲜有应用案例。为探明该类加劲梁的传力机理，解决结构高效承载以及装配施工等一系列关键且复杂的技术问题，项目开展了宽幅双层板桁结合钢桁梁结构性能与关键技术研究。通过密横梁桥面系、钢桁梁节段、关键连接节点力学性能试验及节段与节点的拼接试验，探明了加劲梁的刚度储备及影响因素，建立了该类加劲梁的简化计算方法，并优化了加劲梁标准节段吊装拼接连接构造及加劲梁构件的加工制作与构件组拼工艺，并首次将环槽铆钉应用于桁梁关键受力构件连接。

图11 加劲梁节段缩尺模型试验

新装备新工艺研发

1.超高钢板-混凝土组合索塔工业化智能建造关键技术及装备

目前超高组合桥塔结构施工建造仍以节段简化固定平台、人员高空作业模式为主，工作效率低，安全风险高。为了提升组合桥塔建造的智能化、工业化水平，项目开展了索塔钢结构节段智能制造及预拼装、超高钢板混凝土组合索塔节段快速安装、C80高稳健低收缩混凝土浇筑、超高钢板混凝土组合索塔智能化检测监测、钢板-混凝土组合结构索塔服役阶段温度应力与变形分析、钢板-混凝土组合结构索塔施工建造阶段大体积混凝土温度峰值预测与结构变形分析控制等研究，为超高钢板混凝土组合索塔工业化智能建造提供技术支撑。

图12 一体化施工平台

2.临海富水区超大尺度锚碇快速高质量建造关键技术

狮子洋大桥锚碇基础直径达到130m，最大开挖深度56.3m，属于超大超深基坑，且锚碇紧邻珠江大堤，基坑施工安全风险较高，为此项目开展了超大尺度锚碇快速高质量建造关键技术研究，采用集成光纤光栅传感的GFRP自感知筋材智能监控技术，提出了超大规模地连墙结构自感知智能监控技术，建立超大规模地连墙计算理论模型，实现地连墙结构的自感知智能监控，保证现场施工安全；结合渗流计算成果与现场数据对比，研发了防渗体渗漏隐患开挖前的隐患测试与精准定位技术，用于渗漏预判与突发渗漏治理；现场开展了填芯混凝土智能浇筑系统、内衬高效施工、钢筋部品化等多方面高效智能建造实践，为锚碇基础的安全、高效建设提供支撑。

图13 网片部品成型

3.超大直径缆索工业化智能制造及架设关键技术与装备

狮子洋大桥主缆长约3.85km，主缆直径达1.5m，最大索夹长度达到3.3m，突破了现有悬索桥制造和架设规模。超大的建设规模和复杂的建设环境给猫道设计及施工、索鞍及主缆制造、主缆架设等带来了诸多技术挑战。为此项目开展了超长超宽猫道设计与施工关键技术、超大跨径主缆索股高精度制造、索鞍索夹制造、主缆快速架设关键技术研究及装备研发。为提升大直径主缆紧缆和索夹紧固效果，项目创新性地提出多次紧缆、紧缆缠丝同步及紧缆索夹张拉同步的施工工艺，并开展了紧缆缠丝一体机、同步张拉索夹螺杆装置等关键装备的开发，推动了桥梁装备的产业升级。

图14 紧缆缠丝一体机

4.超2000米级双层钢桁梁智能制造及架设技术与装备研究

狮子洋大桥加劲梁标准节段长为32m，重约1200t，其制造、施工难度大，钢桁梁吊装的设备研发、钢桁梁节段的制造和运输、重大设备吊装安全均为项目的控制重难点。项目开展了双层钢桁梁智能制造技术及关键装备、双层钢桁梁大节段快速智能吊装技术及关键装备等研发，开展了双层钢桁梁建造全过程智能监测及控制技术研究，为双层钢桁梁智能制造及架设提供了坚实的技术支撑。

图15 缆载吊机

狮子洋通道作为粤港澳大湾区的新珠江口过江通道，不仅是交通基础设施建设的里程碑，更是管理与科技创新的典范。针对狮子洋大桥的重点和难点，以管理创新为核心，项目以科技创新为驱动，攻克了双层钢桁梁悬索桥结构体系、超高组合索塔、超大直径主缆等一系列技术难题，填补了国内外在该领域的空白，为超大跨悬索桥的建设贡献了智慧与力量。未来狮子洋大桥的建成，不仅将打造人民满意的交通工程，更将成为交通强国的示范工程，引领国家高端桥梁建造能力水平迈上新台阶，也将为全球桥梁建设贡献中国智慧和中国方案。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2024年 第2期 总第118期

作者 / 李剑

作者单位 / 广东湾区交通建设投资有限公司

编辑 / 陈晨

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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