香港新悬索桥--青龙大桥的初步设计

　　简介： 青龙大桥横跨大屿山的拐石和青龙头之间的马湾海峡。这处的海峡宽约1400m．是大多数来往香港水域和珠江三角洲船只必经之地。这地点直接位于赤蜡角香港国际机场的航道下，因为有海洋和航空的航道限制，所以桥塔和桥面高度受到严格限制。由于需要较长的净跨及较矮的桥塔可行的解决方法是使用主跨长1300～1450m的吊桥。
　　关键字：悬索桥 初步设计
　　一、引言
　　连接香港岛至离岛大屿山的“青屿干线”已于1997年顺利通车。“青屿干线”由全世界最长汽车与火车共用的吊桥-青马大桥及斜拉桥一汲水门大桥组成。干线通车后三年，香港特别行政区政府积极进行归划与兴建第二条连接大屿山的桥梁。该桥梁将成为香港未来西部公路的主要一部分，南面连接至香港岛，北面则与行将兴建的跨境通道相连。
　　这命名为青龙大桥的初步设计已于 1999年完成，详细设计亦于本年年初开始进行，工程预计于2002年动工，约2007年竣工。桥梁位于新的香港国际机场航道之下，飞机航道严重限制了桥塔高度。其次由于桥梁横跨香港最繁忙水道——马湾航道之上，海上航道亦限制了桥身的高度及位置。基于上述限制，青龙大桥将会以一座主跨1418m长的吊桥形式兴建，这跨度比青马大桥还要长41m.由于桥塔高度限制，桥梁将会有一个异常大的跨度与垂度比率，加上桥梁两旁的陡斜地形．导致桥梁的设计亦比较特别地附有很短的旁跨。
　　本文件描述了1999年完成的大桥各个部份的初步设计，更引伸至最近研究中的桥面设计，预计新的设计比初步设计更先进，提供更优良的空气动力所需要的稳定程度。
　　完成后，青龙大桥将会位于全世界长主跨吊桥的第三位，两桥梁所处的位置，不论从海、陆、空皆可清楚看见。大桥更身处香港三大吊体系桥梁之分：即青马大桥，汲水门大桥，及汀九桥。此处亦将成为全世界同类大桥密度最高的地方。
　　1.背景
　　1979年的“青衣至大屿山干线可行性研究”（Lantau FIXed Crossing Feasibility Study）指出，有需要建设两条连接道，连接北大屿山和本港其余地区。第一条连接路称为“青屿干线”（Lantau Link），已于 1997年 5月22日通车。
　　1992年的“第二次整体运输研究更新本”（Updating of the Second Comprehensive Transport Study）再度研讨这交通需求，并已预测如要应付建议中大屿山的新发展，当局便须于2006年前建成第二条连接以 1995年的“全港发展策略重研”（Territorial Development Strategy Review）预测，全港人口在 2011年将达到 750万～810万。此报告预测新界西北部人口将会大幅增长，导致该发展区与市区的交通需求大增。交通预测显示，当局有需要以新干线连接大屿山与元朗，称为十号干线——北大屿山至元朗公路（Route 10- North Lantau to yuen Long Highway），这条干线与十号干线——港岛至大屿山连接路（Route 10——HongKong Lantau Link）、连接坚尼地城至香港仔段的七号干线（Route 7）、后海湾干线（Deep Bay Link）和深圳西部通道（Shenzhen Western Corridor）将形成一条重要的“西部公路”（Western Highway），连接港岛与深圳蛇口。
　　1995年5月，路政署委聘顾问公司进行“深井连接路可行性研究”（Sham Tseng Link Feasibility Study）。这报告建议在大屿山东北部的海角——拐石兴建一座跨海大桥横跨马湾海峡，将十号干线接驳到北面的青龙头地段，又由于地势的关系，大桥的旁跨将直接大榄隧道，隧道将在繁忙的屯门公路下横越，路线再如北面走。
　　1998年3月，路政署委聘顾问公司进行“十号干线（北大屿山至元朗公路）勘察及初步设计工作”，以重新研讨可行性研究的结果，并且更准确地确定土地需求，勘察这条路线对环境、海事、排水、交通及其它地区的影响，以及开始进行这项目工程的初步设计工作。青龙大桥的初步设计及环境影响评估亦在这阶段进行，全部过程亦与1999年11月完成。
　　2.勘察及初步设计工作目标
　　大桥的勘察及初步设计工作的主要目标，是查核可行性研究中对兴建青龙大桥的建议。亦会考虑到建议可行性研究中的实际要求，建议可行路线、配置和设计，提出对该项目完善而具成本效益的初步设计，并已落实为该项目作进一步的详细设计。
　　为要在设计阶段达到以上目标，在勘察及初步设计工作内，顾问公司进行了各方面的影响评估．以确保本项目在兴建和通车阶段，皆能达到政府的所有要求、标准、指引。本项目所需要的土地将会根据“道路（工程、使用及补偿）条例”在实报上公报有关项目，最后还要建立有关的工程范围定义、实际估价和批核程序，并要订定建筑、管理、运作和维修的策略。
　　二．青龙大桥初步设计
　　1.设计规定
　　此桥是双程三线分隔行车道，每条行事道有 11m宽。旁跨会建设 3.3m宽的路肩。大桥主跨则只能容纳1m宽的路肩。桥上没有行人路和单车径等设施。
　　由于大桥位于机场及马湾海峡的航道中。大桥的设计受制于以下两项规限：
　　（l）香港机场（管制障碍物）法例，限制了青龙大桥的桥塔高度，在桥塔设计的位置，北面桥塔的净空为+175m，而南面则为+184m.加上有需要预留适当的空间以作兴建桥塔之用，故此桥塔的实际高度只能限制在+169m（北面）及+178m（南面）。
　　（2）在海面上，为了维持马湾海峡的航道畅通，桥身的高度不能低于+62.1m（主水平基准）。至于风速研究方面；一项由加拿大安大略省西大学风动力研究中心进行的风环境研究，建议青龙大桥的风速设计，以重现期为120年作设计标准，应设定每小时桥面平均风速为45m／s.
　　桥梁的断面形状复杂，故此用纯理论分析方法求解作用于桥梁上的气动力及风致振动响应相当困难。故此设计中为解决其抗风性能时，包括了详尽的风洞模型测试。风洞模型测试，亦在加拿大安大略省西大学风动力研究中心进行：测试项目包括主梁节段模型作气动及非气动弹性响应测试；另外又以地型模型进行了风洞实验，和测试整体模型的气动弹性，包括全桥完成状态、架设状态、及独立桥塔状态等。
　　地震设计方面，则将会以香港现有及源自广东省地震局的地震资料及反应港作为基准。大桥设计将采用地震峰值加速度为0.07g，比青马大桥所采用的0.05g为高。
　　2.总体设计
　　青龙大桥桥梁的主跨为1418m.因为旁跨是弯曲的，所以不能由主线直接承载，而支持点是来自下面的桥墩。马湾海峡两旁的土地峻峭，这是唯一可行的方法。青龙大桥的轮廓，主要由桥塔及锚碇的位置所制定。
　　3.桥塔
　　因为屯门公路和大榄涌隧道相近，所以北桥塔会建在龙涛花园西面的浅水地带。预计地基将包含预制的混凝土流箱，先将沉箱拖运到适当位置，然后沉下至已预备好的岩床。桥塔会受到填海和海堤保护。以防止来往船只碰撞。
　　南桥塔则建于接近前滨的拐石山岬上，约离海边 50m.此桥塔的地基在+25m（主水平基准面），建于广阔的石层之上。海岸线将会得以保留。
　　初步设计已确定了桥塔会用混凝土兴建和用滑模法来建筑。桥塔支柱之间近塔顶和桥面以下兴建混凝土的门式横梁。至于混凝土的规格则会在详细设计时制定，以确保混凝土的耐久性能适应海洋环境。
　　4.锚锭
　　北面的锚锭位于屯门公路以南一个弃置的石矿场。由于距离屯门公路及即将兴建的大榄涌隧道非常接近，这个锚锭采用一个隧道形式的锚锭。减少庞大的岩石挖掘。方法是利用该处优良的岩石，将缆索直接固定在岩石中，减少与大榄桶隧道人口和通风大楼的分界面。大桥的主钢缆将在锚锭（约20m宽、35m长、27m深）内分为多组散开。各级钢索将会穿过岩石中预钻的洞孔，直接牢固在地下约对20～40m深的的三条横向坑道内（坑道均长60～80m）。
　　南面锚锭的位置是根据南桥塔和公路路线而决定。在兴建锚锭之前，五鼓岭将需要进行削平工程，将地面降至（65以主水平基准面）。因为工地相对来说不受限制，所以可采用重量形的锚锭。锚锭约80m宽、60m长及46m深），足可容纳一座七层高的大厦。图3及图4介绍了北锚锭和南锚锭的立体图。
　　5.主跨
　　主跨采用箱形钢桥身的设计，其桥面采用了正交双向的钢板，有38m宽，5m深，并在桥身中央设有一个3.5m宽的通风口，提供桥身在空气动力所需要的稳定程度。桥身是由钢架和每隔 4.5m的横隔梁支援的，以求能同时符合经济和实用效益。
　　选用的主梁在风洞测试中，在紊流或均匀流风场中，于不同的风攻角下，成功达致设计所需的抖振风速。
　　主梁宽 38m，深5m，梁中设有 3.5m宽的气孔，及竖折流板（以阻碍气流）高于桥面1m，并附设有预应力钢缆护栏及维修横梁路轨。
　　桥梁主跨由每18m的悬垂缆索承载，共78条，约每四个横隔梁就有一个，桥面则架设在桥塔横梁上的轴承。主跨的总长度为1，418m，即77 * 18m＋2*16m.
　　由于桥塔高度受飞机航道限制，因此主线的垂度较理想的设计为小（主跨/垂度的比率约为15），造成主缆直径异常的大。主跨和旁跨的主缆直径是1018mm和1042mm，设计是使用强力的钢丝，以预制缆束方法建造。初步设计亦考虑其他建造方法如空中绞织方法来建造。
　　悬垂缆索是镀锌钢缆，将会回挂在主缆的缆箍上，以便承载钢制桥身。
　　6.旁跨
　　旁跨的设计是采用预应力混凝土箱形梁。旁跨能够配合公路的弧度，可独立于主跨而建筑。北跨的总长度为190m，为了避免桥墩影响桥塔附近的青山公路，遂分成三段路跨，即75m，65m及 50m三段。其中较长的两段将预留加阔路肩及路面，作为维修大榄涌隧道所需的汇流／分流地段。而南面只有一段长 180m的路跨。
　　7.运作和维修
　　在运作或维修阶段将会采用交通控制及监察系统来调节桥上的交通。桥中有检查和维修专用的通道，大桥的结构健全监控系统的主要条件亦已确定。
　　三、青龙大桥-新构思的主梁
　　1.前言
　　完成初步设计后，香港特别行政区政府于本年二月，委任新的顾问工程公司为青龙大桥进行详细设计、制订工程合约、甄选适合的承建商进行兴建、及监查工程的进行。
　　新的顾问工程公司建议为青龙大桥的主梁，采用一种崭新的主梁，暂订名为“第三代主梁”（G3主梁），预计G3主梁校初步设计的主梁有更佳的抗风表现。图5展示新主梁的横切面。这设计原自意大利 Messina Crossing的主梁设计，设计在欧洲经过长时间的测试，证明有非常优良的抗风表现。在高速下，主梁的两个箱形钢桥身会保持上下振动，并不依靠传统主梁的的扭力系统来抵抗风速。
　　2、G3主梁的优点
　　倘若可证实G3主梁能够改善桥梁的空气动力中的稳定性，预计将会有以下显著的优点：
　　（1）G3主梁将会较初步设计的主梁为轻，不单可节省主梁的成本，更可减轻主钢缆、悬垂缆索、桥塔、锚锭及地基的负荷。
　　（2）流线型的G3主梁，使空气阻力减至最低。G3主梁的抗风表现亦可从流动解析（computational Fluid Dynamic）所引证。
　　（3）浅薄的G3主梁可改善青龙大桥的主缆垂度．从而减轻主缆的负重，及桥塔和锚锭的负荷。
　　（4）较薄的G3主梁可以采纳多种不同的桥梁建设方法，方便了制造及装配的程度。
　　（5）较薄的G3主梁可以在工厂内以半自动化机械制造，有较佳的品质控制和保证。
　　（6）预计桥梁能以较便宜和较短的建筑时间完成。
　　3.抗风设计
　　G3主梁的风洞节段模型测试，正在加拿大安大略省西大学风动力研究中心进行。从初步的风洞测试结果，G3主梁的空气动力稳定性得以引证。当然，测试仍在早期阶段。详细的设计还有待进一步的探讨和确立。
　　四、结论
　　前文详细描述了香港特别行政区政府，采取了一系列的程序，将一项主要道路桥梁工程，从构思逐步迈向建设。在青龙大桥设计方面，从传统的桥架设计，吸取经验，引进其他先进理论，配合详尽的实验测试，开拓新的吊桥主梁概念。从青龙大桥开始，G3主梁将会被广泛注意，只要配合不同理论的引证，预计在很短的未来，G3主梁将会成为新一代悬索大桥的研究焦点。