图1 福州至平潭铁路线路平纵断面示意图
福平铁路(福州至平潭) 起自福州站，途经福州南、长乐、长乐东、松下，并经松下建设跨海桥梁，最终抵达平潭，线路长度约88.5公里。该铁路设计为双线Ⅰ级铁路，最高时速达200公里，总投资257.3亿元。本项目于2013年10月动工建设，预计于2019年建成通车。建成后，平潭往返福州市区将缩短近20公里，半小时内可达福州，也使长乐、平潭与福州市区形成“半小时生活圈”，对进一步促进市县两级融合发展具有重要的意义。
平潭公铁两用大桥是福平铁路、长乐至平潭高速公路的关键性控制工程，是我国首座公铁两用跨海大桥。
平潭海峡公铁两用大桥全长16.34公里，上层为时速100公里的6车道高速公路，下层是时速200公里的双线I级铁路。大桥起于长乐市松下镇，从松下港规划的山前作业区与牛头湾作业区之间入海，经人屿岛、跨越松下港区元洪航道和古屿门水道，再依次通过长屿岛和小练岛，跨越大小练岛水道抵达大练岛，再跨越北东口水道从苏澳镇上平潭岛，全长16.34公里。共设4座航道桥——元洪航道桥：132+196+532+196+132=1188m钢桁斜拉桥，鼓屿门水道桥：128+154+364+154+128=928m钢桁梁斜拉桥，大小练岛水道桥：80+140+336+140+80=776m钢桁梁斜拉桥，北东口水道桥：92+168+168+92=520m混凝土连续刚构桥，引桥：根据墩高、水深、地质条件分别采用80m和88m的简支钢桁结合梁、64m和40m混凝土梁。
图2 平潭海峡公铁两用大桥桥式立面布置图
图3 海上公铁两用桥梁施工
难题的化解
跨海大桥的建设面临恶劣的气象环境、复杂的地质水文条件和海洋强腐蚀环境等众多不利因素。针对此类特点，在总体设计中，选择什么样的桥型、截面设计、桥跨布置，才能满足公铁主要技术标准，最大限度减少海上作业，降低工程风险，加快工程进度？
建设条件
海峡中小岛屿、礁石分布众多，高程多为10～20m。海峡诸岛屿受风化剥蚀与海浪冲击强烈，环岛四周均堆积风化崩塌块石，涨、落潮波流在桥位处相对强劲，冲刷强烈，海底地形起伏大，海水深度多在10～40m范围。
工程区域为典型的海洋性季风气候,季风与台风活动频繁,桥址区百年重现期十分钟平均最大风速44.8m/s,桥址区全年有6级以上大风天气300天以上,7级以上大风天气约238天。
据平潭海洋站波浪观测资料统计，平潭海洋站波浪常浪向为ESE向，频率为79%；次常浪向为SSW、SW向，频率为14％。实测H1/10波高最大4.3m，周期7.4s，年平均波高为1.1m，平均周期为5.4s。桥位处受潮汐作用，冲刷严重，设计最大流速为2.95m/s。
通航状况：元洪航道为5万吨级单孔双向通航，通航尺度为461m×52.1m；鼓屿门水道为5000吨级单孔双向通航，通航尺度为246m×40.91m；大小练岛水道为5万吨级单孔单向通航，通航尺度为260m×52.1m；北东口水道为500吨级双孔单向通航，通航尺度为75m×19.7m。结合海域水文条件，最高通航设计水位取+4.62m，最低通航设计水位为-3.40m。
图4 通航状况示意图
该桥址处地质条件复杂，海床面极不平整，高差起伏大，覆盖层不均。基岩主要为花岗岩、凝灰岩、英安岩和火山角砾岩。
线路平、纵断面设计
跨海大桥平面线形力求平直顺畅，尽量避免过多的弯折、绕行，以提升线路的服务水平，提高旅客的乘坐舒适度。尽量减少桥轴法线与水流交角，保证桥区船舶的顺利航行，减小建桥对海流及海床的影响。
纵断面设计：通航孔桥设计控制点高程主要受最高通航水位与通航净高限制。铁路纵坡按不大于13‰并在轨道温度调节器位置处最大纵坡小于6‰。
横断面设计
平潭海峡大桥采用公铁合建（双线铁路+6车道高速公路）形式跨越海峡，在桥梁横断面布置时应充分注重铁路、公路的线路技术标准、车道宽度、荷载特点、建筑限界、水电管线、运营安全、后期养护等各方面特点，本着安全、适用、经济、美观、合理的原则统筹考虑，采用公路在上、铁路在下的公铁合建方式。
对于元洪航道桥、鼓屿门水道桥与大小练岛水道桥，其横断面采用带副桁的“N”形桁架方案，其中有索区主梁桁高为13.5m，桁间距为15m，公路与铁路均采用整体钢桥面板；无索区主梁桁高为13.5m，桁间距为15m，公路采用结合梁，混凝土板厚30cm，铁路采用整体钢桥面板。
对于北东口水道桥与引桥，其横断面采用混凝土梁方案，上层的公路梁和下层的铁路梁呈倒“品”字形布置。公路桥面总宽35.5m，分两幅布置，中间净距0.5m。铁路线间距为4.4m，桥面总宽12.2m。
图5 横断面示意图
航道桥孔跨布置
根据桥区码头、港口的建设现状和远期发展规划，综合考虑结构耐久性、经济性等因素，元洪航道桥按5万吨级单孔双向通航，通航主跨取532m；鼓屿门水道桥按5000吨级单孔双向通航，通航主跨取364m；大小练岛水道桥按5万吨级单孔单向通航，通航主跨取336m。主桥分别选用（132+196+532+196+132）m、（128+154+364+154+128）m、（80+140+336+140+80）m的钢桁梁斜拉桥。
北东口水道按单孔双向500吨级航道设计能满足港区未来的发展，按照交通运输部对通航安全影响论证的审查意见，北东口水道通航孔主跨采用2×168m。对于主跨168m的公铁两用桥梁，因跨度不是很大，选择混凝土结构比较经济合理。同时因其刚度大、抗风能力强、耐久性好、后期维护少，故主桥选用（92+2×168+92）m的混凝土连续刚构桥。
图6 北东口水道桥总体布置图
主桥结构设计创新
针对元洪航道桥、鼓屿门水道桥与大小练岛水道桥三座斜拉桥主塔结构设计，主塔为钢筋混凝土结构，三座斜拉桥主塔高依次为221.5m、180.5m、173.5m。3座通航孔斜拉桥的基础采用了超大直径钻孔桩，鼓屿门水道桥的桥塔墩、辅助墩钻孔桩基础直径为4.5m，大小练岛水道桥的辅助墩钻孔桩基础直径为3m，其余的钻孔桩基础均为4.0m。4.0m、4.5m钻孔桩，是世界上桩径最大的桥梁工程桩。
北东口水道桥上部结构采用（92+2×168+92）m混凝土连续刚构，下部结构采用矩形或双薄壁桥墩，铁路桥墩高21.5m，公路桥墩高36m，铁路及公路共用承台基础，施工水深约40m。铁路、公路梁体采用纵、横、竖三向预应力体系，公路桥分左右两幅，结构对称。
铁路桥边主墩采用圆端形双壁墩，双柱中心距离8.0m，净距5.8m，墩身截面横向9.6m，纵向2.2m，墩高均为22m。中主墩采用箱形截面，纵向10.2m，横向8.5m，纵向壁厚2.2m，横向壁厚1.6m，墩高22m。
公路桥边主墩采用双薄壁墩，纵向壁厚2.0m，横向宽7.65m，其中6.65m的直段和1m的圆弧段，迎水面为圆弧，双薄壁墩净距为6m，中心距为8m。中主墩采用空心矩形墩，墩纵向10m，壁厚1.5m，横向宽7.65m，靠线路外侧壁厚2.65m，内侧壁厚1.2m。边主墩和中主墩高度均为35.904m。
图7 北东口水道主墩墩身布置图
左右两幅公路桥和中间铁路桥共用基础，两个边主墩承台尺寸相同，每个承台尺寸为长36.5m，宽23.9m，高6.0m，四角倒圆。每个承台下设24根直径为Φ3m的桩，桩基均按柱桩设计。
耐久性设计创新
平潭海峡公铁两用大桥工程规模宏大，桥址环境具有氯盐侵蚀、化学侵蚀和盐类结晶破坏的特点，建设条件复杂，海上施工难度大，结构设计基准期为100年。钢筋混凝土结构量大，混凝土质量及其耐久性，对于保证整个结构的服役寿命以及服役期内的性能至关重要。现行《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB10005-2010）等技术规范（规程），已难以完全满足本工程混凝土结构建设施工的需要。
浪溅区（水位变动区）混凝土采用表面防腐蚀涂装，应能适应干湿交替变化的环境，并应具有耐磨损、耐冲击和耐候的性能。本工程采用表面涂层的构件，如表1所示。平潭海峡公铁两用大桥选用的混凝土表面涂装的设计使用年限为20年，其体系组成如表2所示。
对主墩薄壁墩混凝土结构采用外加电流阴极保护。外加电流阴极保护系统是设计用来对混凝土结构中的钢筋提供防腐蚀保护，使之免于受氯离子的侵害，从而延长整个结构的使用寿命。
图8 主墩阴极保护示意图
施工工艺创新
桥区为典型的海洋性季风气候，风向季节性变化明显，而且有热带气旋、大风、暴雨、干旱、雷暴、大雾等灾害天气。本桥的建设环境较为复杂，施工条件比较恶劣，年平均有效施工作业天数少，严重地制约了本工程的正常作业。
钻孔平台施工
深水区有覆盖层基础钻孔平台将钢护筒作为承重结构。利用打桩船在低平潮期快速插打一组钢管桩，采用槽钢快速临时连接，待所有钢管桩、钢护筒打设完成后采用平联管进行永久连接。然后架设横梁，安装承重梁，铺设分配梁、面板，最终形成一个完整的作业平台。
深水浅/无覆盖层基础钻孔平台采用锚桩+钢混组合式整体钻孔平台，即钢管桩采用钢筋混凝土灌注桩锚固，护筒利用“模袋围堰+水下不离散混凝土”稳固，钢管桩与护筒利用“Z”字形联结系连接成整体，组成空间群桩共同受力。
钻孔施工平台管桩采用打桩船直接插打法施工，利用低平潮水位快速搭设起始平台钢管桩，迅速形成稳定单元体（4～6根一组，一个平潮期完成），临时联结系快速连接，并安装永久联结系形成锚桩平台。锚桩完成后利用既有的稳定单元为起始平台扩展成为支栈桥，支栈桥锚固稳定后插打钢护筒，钢护筒与支栈桥连接成整体，平台形成后采取水下模袋围堰，浇筑不离散混凝土进行平台稳固处理，保证施工平台结构稳定。
图9 海上独立平台水中搭设
图10 裸岩初始平台打桩及平联
承台施工
根据水深不同，承台采用钢板桩围堰、钢套箱围堰、钢吊箱围堰等不同形式。深水区钢吊箱围堰在钢结构工厂加工，整体组拼后，船运至墩位处，利用大型浮吊整体起吊、下放、直接就位后，浇筑封底混凝土，堰内抽水后进行承台施工。
浅水区钢板桩围堰，通过栈桥运至墩位处，利用履带吊机起吊，逐根插打至设计标高，后续施工工序与深水区吊箱围堰相同。
图11 千吨钢吊箱吊装
图12 承台施工
钢桁梁架设施工
三座通航斜拉桥主梁均为带副桁的板桁结合钢桁梁结构，考虑到桥位处风力影响，为加快施工进度，减少中跨钢桁梁架设时对航道的占用时间，钢桁梁采用大节段架设法进行施工，为满足钢桁梁架设的需求，研制了1艘吊重3600t、吊高110m的大型浮吊。鼓屿门水道桥和大小练岛水道桥两座通航孔桥的边跨及辅助跨钢桁梁、三座通航孔桥的墩顶钢桁梁均采用3600t浮吊架设。钢桁梁节段最大长度为96m，重量达3000t以上。在设置墩旁托架后，最大限度地利用3600t浮吊进行整孔架设和大节段架设。
图13 钢桁梁架设
简支梁节段预制施工
铁路桥简支梁跨度有64m与40m两种，除第一孔和最后一孔40m梁外，均采用节段预制拼装方案。64m梁纵向分为7个节段，节段长6.4～9.52m，湿接缝宽0.6m。40m梁纵向分为5个节段，节段长6.4～8.5m，湿接缝宽0.6m。单个节段最大重量为300t。节段在陆地梁场预制，浅水区通过已架铁路梁上的运梁车、深水区通过运输船运送至待架孔。利用64m铁路箱梁造桥机（兼具40m梁架设功能）吊装完一孔全部节段后，将各节段混凝土梁调整至设计位置，安装湿接缝支架及模板，扎钢筋，穿钢绞线，现浇湿接缝成整孔箱梁，混凝土达到设计要求的强度后张拉梁内预应力束。
图14 苏澳预制梁场
平潭海峡公铁两用大桥为世界在建难度最大的海峡大桥，工程规模大，技术难度高，大桥全长16.34公里，是世界上最长的跨海峡公铁两用大桥，第一次在世界三大风口海域施工，突破了建桥禁区，实现了海峡建桥的跨越式突破。
作者 / 梁金宝 李喜平
作者单位 / 中铁第四勘察设计院集团有限公司
中铁建大桥设计研究院
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