港珠澳大桥混凝土结构120年使用年限耐久性问题及研究
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
二〇〇九年三月
二、工程方案概述
三、主要工作进展情况四、港珠澳大桥120年设计使用年限的耐久性问题及研究
路网关系图
南沙大桥
伶仃洋大桥
港珠澳大桥
工程可行性研究报告推荐方案推荐线位走向图
拟建港珠澳大
桥推荐线
位西隧道人工岛拟建香港口岸人工岛
珠海口岸人工
岛东隧道人工岛
珠海侧接
线
澳门口岸人工
岛榕树头岛
牛头岛
桂山岛
珠海侧接线拱北隧道（2.76KM）太澳高速南屏山隧道
(2740+350M)
高架桥
(约6KM)
香港接线规划图
项目特点超级项目
大型跨海陆路通道行业内最大的投资项目
跨界项目(一国两制三地)囊括了交通行业内路桥隧岛各项工程
台风/通航标准及海事安全/航空限高/白海豚法律体制/行政管理/基建程序/
技术标准体系/关税体制/货币体制/思维方式
主要技术标准
一、项目概况三、主要工作进展情况三、港珠澳大桥120年设计使用年限的耐久性问题及研究
推荐桥位（石散石湾优化北线～拱北/明珠）：海中长约35.578公里，隧道长
6.753公里，桥长28.825公里，其中香港界内桥梁长5.976公里；珠海接线长13.89公里，澳门口岸与大桥的连接桥为2条匝道，总长3.95公里。公澳门岸与大桥的连接桥为条道总长公
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
大桥海中桥隧主体工程范围：西起珠海/澳门口岸人工岛，东至粤港分界线,大桥海中桥隧主体工程范围西起珠海/澳门口岸人工岛东至粤港分界线长29.6公里；三地口岸及连接线由属地政府负责建造及营运，海中桥隧香港水域工程建造及营运模式同香港连接线，由香港政府负责。水域程建造及营运模式同香港连接线，由香港政府负责
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
海底隧道预想效果图
海底隧道推荐沉管方案,沉管隧道全长6753m，隧道最低标高-41.5m；港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
海底隧道出入口效果图
隧道人工岛布置方案之一
人工岛功能规划方案之一
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
隧道人工岛岛壁结构方案一（座床式）
隧道人工岛岛壁结构方案二(半圆体+后退式挡浪结构)
某港口防波堤半圆体混凝土构件预制场
青洲航道460米双塔斜拉桥
九洲航道250米连续刚构
江海直达船航道220米连续刚构
非通航孔桥70米预制吊装连续梁
一、项目概况二、工程方案概述
三、港珠澳大桥
120年设计使用年限的耐久性问题及研究
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
三、主要工作进展情况
（一）（二）
（三）
（四）
（五）
（六）工可评审总体方案深化研究与工程物理模型试验初步设计项目融资珠澳口岸其
他港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
一、项目概况二、工程方案概述
三、主要工作进展情况
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
耐久性研究的背景Ü港珠澳大桥跨越珠江伶仃洋海域，连接粤港港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，连接粤、港、澳三地，是目前中国交通项目中技术最复杂、建设难度及标准要求最高的工程之及标准要求最高的工程之一。大桥采用桥隧结合的形式，大桥采用桥隧结合的形式主体工程含桥梁、沉管隧道和人工岛，设计使用寿命为120年。拟采用的柔性管段结构不能外包防水。
因港珠澳大桥工程所处海洋环境对混凝土结构及钢结构具有强腐蚀性，耐久性是保证本工程达到120 年的设计使用寿命最关键技术之一，需要在初步设计阶段进行专题研究。Ü
Ü
工程耐久性研究的主要思路和内容1、腐蚀环境及混凝土原材料调研
2、耐久性评估
3、基于可靠度的港珠澳大桥混凝土结构基于可靠度的港珠澳大桥混凝土结构120年设计使用寿命耐久性设计技术研究
4、满足120 年设计使用年限的混凝土配制技术研究
5、混凝土结构裂缝控制技术研究
6、附加防腐蚀措施技术研究
7、确保确保120 120年使用寿命的关键施工工艺和施工质量控制技术
8、耐久性维护管理技术研究
(1) 腐蚀环境调查评估
a. 桥址周围腐蚀环境调查
b. 类似环境工程耐久性措施及标准调研
c. 确定港珠澳大桥不同腐蚀环境划分方法
d.
确定港珠澳大桥不同结构所处不同腐蚀环境及腐蚀等级
(2) 混凝土原材料调研
a. 按照工程材料就地取材的原则，调查港珠澳大桥附近地区的混凝土原材；地区的混凝土原材
b. 调查类似环境结构物（如香港新机场铁路沉管隧道，青马大桥在建的昂船洲大桥等）等原材料资料青马大桥，在建的昂船洲大桥等）等原材料资料；
c. 按照标准、规范对混凝土原材料进行检测、比选；d. 根据原材料取样全检结果，并综合考虑原材料的生产工艺、质量控制水平、生产规模、价格水平以及运输距离等因素为将来程选用提供依据
等因素，为将来工程选用提供依据
（1）混凝土结构组成部分的设计使用年限研究
a. 确定箱梁、沉管、承台、墩柱、主塔及其他组件的结构形式及其重要程度，是否可更换等；
b. 针对不同构件所处的腐蚀环境类型和腐蚀等级，确定港珠澳大桥遭受氯离子、碳化侵蚀和盐类结晶侵蚀的腐蚀劣化机理以及耐久性极限状态；
c.
确定正常使用极限状态与构件的设计使用年限。
（2）港珠澳大桥耐久性评估
a. 设计使用年限内构件材料退化机理评估设计使用年限内构件材料化机评估
b. 确定工程结构的耐久性失效标准
c. 在结构设计中的增加耐久性措施
d. 施工控制措施和要求
e.
建成后的耐久性维护管理制度和措施
3、基于可靠度的港珠澳大桥混凝土结构120年设计使用寿命耐久性设计技术
(1) () 暴露试验与工程调查成果的混凝土暴露试验与工程调查成果的混凝土“复原”试验复原试验
建立港珠澳大桥高性能混凝土耐久
性与暴露试验和工程调查结果之间的相
关性对NTbuild492、NTbuild443、关性，
ASTM
等测试方法进行试验研究比较，
确定用于混凝土结构耐久性关键控制指标
设计使用寿命耐久性设计技术
（2）建立耐久性设计方程
参考DuraCrete 、fib 等耐久性模型设计方程：
氯离子腐蚀：g =c c −c (x , t ) =c c d d d ⎡⎤⎢⎥d x d ⎢⎥, g ≥0−c s 1−erf ⎢t ⎥2⎥⎢d R t ⎥⎢⎣⎦碳化：g =x −
x (t ) =x −d d
c d 2⋅c R d s , ca
d
ca ⋅t ，g ≥0
设计使用寿命耐久性设计技术
（3）确定保证率95%的目标可靠度指标βt 针对不同构件的结构重要性程度、所处特定环境等级、全寿命等
周期耐久性措施和维修成本比较，参考Duracrete 和fib 成果，确定桥梁主体不同混凝土结构的耐久性极限状态和120年内耐久性不失效保证率为95%的目标可靠指标βt
；
设计使用寿命耐久性设计技术
（4）基于暴露试验与工程调查成果进行耐久性设计模型参数的取值①耐久性关键技术参数的特征值的确定和修正
对暴露试验、工程调查临界氯离子浓度C cr 、表面氯离子浓度C s 、氯离子扩散系数D 、扩散系数衰减值扩散系数衰减值n 、碳化系数、保护层厚度碳化系数保护层厚度X 等数据进行概率统计分析，得出各参数变量的概率分布函数，并由此确定各耐久性关键技术参数的特征值：
②耐久性关键技术参数的分项系数的确定和修正根据各参数分布函数和目标可靠度指标及可靠度分析确定各耐久性关键技术参数特征值对应的分析系数
设计使用寿命耐久性设计技术
（5）确定耐久性关键控制技术指标利用的基于可靠度的耐久性设方程，输入上述得出的耐久性关键技术参数特征之和分项系数，确定对应一定保护层的混凝土有效扩散系数，并根据类似环境暴露试验、工程调查的室内混凝土“复原”试验成果，确定满足120年使用寿命要求的混凝土耐久性质量控制指标
——扩散系数D 0；
——最小保护层厚度X 。
并结合施工要求，进一步提出满足耐久性要求的混凝土工作性控制指标
与抗裂性能指标。
4、120 年设计使用年限的混凝土配制
（1）原材料对混凝土性能影响的研究及原材料的质量控制指标；
（2）综合考虑混凝土工作性、抗裂性、耐久性的配合比综考虑凝作性抗裂性耐性
优选方法；
（3）抗裂性试验方法与抗裂性能评价指标研究
（4）高耐久混凝土基本配合比及其性能研究
（5）混凝土耐久性设计参数取值的优化
（6
）现场配合比设计及施工控制
5、混凝土结构裂缝控制技术
（1）裂缝宽度限制和抗裂验算，确保不影响结构耐久性；
（2）结合初步设计资料、优化构造设计。如尺寸的形状及分布、构造配筋位置、钢筋种类及使用量、构造缝的合理设置；
（3）材料优化及高抗裂混凝土配合比设计；
（4）降低约束度的施工养护措施，合理选择浇注方式，明确温）降低约束度的施工养护措施合理选择浇注方式明确温度控制方案以及必要的温度应变监测方案；
（5）采用有限元软件对（1-414）的内容进行抗裂性评估，并对温
）的内容进行抗裂性评估并对温控措施进行修正
(1)混凝土结构的外加防腐蚀措施设计
a. 确定混凝土外加防腐蚀措施的关键部位；
b. 确定大桥关键部位的外加防腐蚀措施的适用性，保护效果及全寿命成本分析
需要研究的防腐措施有：硅烷、涂层、外加电流阴极保护、环
氧涂层钢筋等、钢筋阻锈剂的应用、透水模板的应用等。
(2)钢构件的防腐蚀措施
a. 确定钢结构外加防腐蚀措施的关键部位；
b. 确定大桥关键部位的外加防腐蚀措施的适用性，保护效果及全寿命成本分析
需要研究的防腐措施有：热浸锌或热喷锌硅烷、包覆层、重防腐涂层
、外加电流阴极保护等。
7、确保120 年使用寿命的关键施工工艺和施工质量控制技术
（1）研究混凝土保护层质量控制指标及控制措施；
（2）改善耐久混凝土施工性能；
（3）研究施工缝接缝处理技术，加强新旧混凝土的结合和减少湿接头的收缩等；
（4）耐久性施工质量控制技术，如钢筋准确定位以及混凝
土的开裂控制等。
8、耐久性维护管理技术研究
（1）耐久性维护管理技术研究；
（2）耐久性检测试验实验室配置研究；耐性检测试实研究；
（3）对不同耐久性方案全寿命周期总成本进行分析；
（4）港珠澳大桥耐久性再设计处理预案研究；
（5）港珠澳大桥混凝土结构后续设计、施工与运营管理阶段研
究的技术要求。
谢谢！
港珠澳大桥混凝土结构120年使用年限耐久性问题及研究
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
二〇〇九年三月
二、工程方案概述
三、主要工作进展情况四、港珠澳大桥120年设计使用年限的耐久性问题及研究
路网关系图
南沙大桥
伶仃洋大桥
港珠澳大桥
工程可行性研究报告推荐方案推荐线位走向图
拟建港珠澳大
桥推荐线
位西隧道人工岛拟建香港口岸人工岛
珠海口岸人工
岛东隧道人工岛
珠海侧接
线
澳门口岸人工
岛榕树头岛
牛头岛
桂山岛
珠海侧接线拱北隧道（2.76KM）太澳高速南屏山隧道
(2740+350M)
高架桥
(约6KM)
香港接线规划图
项目特点超级项目
大型跨海陆路通道行业内最大的投资项目
跨界项目(一国两制三地)囊括了交通行业内路桥隧岛各项工程
台风/通航标准及海事安全/航空限高/白海豚法律体制/行政管理/基建程序/
技术标准体系/关税体制/货币体制/思维方式
主要技术标准
一、项目概况三、主要工作进展情况三、港珠澳大桥120年设计使用年限的耐久性问题及研究
推荐桥位（石散石湾优化北线～拱北/明珠）：海中长约35.578公里，隧道长
6.753公里，桥长28.825公里，其中香港界内桥梁长5.976公里；珠海接线长13.89公里，澳门口岸与大桥的连接桥为2条匝道，总长3.95公里。公澳门岸与大桥的连接桥为条道总长公
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
大桥海中桥隧主体工程范围：西起珠海/澳门口岸人工岛，东至粤港分界线,大桥海中桥隧主体工程范围西起珠海/澳门口岸人工岛东至粤港分界线长29.6公里；三地口岸及连接线由属地政府负责建造及营运，海中桥隧香港水域工程建造及营运模式同香港连接线，由香港政府负责。水域程建造及营运模式同香港连接线，由香港政府负责
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
海底隧道预想效果图
海底隧道推荐沉管方案,沉管隧道全长6753m，隧道最低标高-41.5m；港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
海底隧道出入口效果图
隧道人工岛布置方案之一
人工岛功能规划方案之一
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
隧道人工岛岛壁结构方案一（座床式）
隧道人工岛岛壁结构方案二(半圆体+后退式挡浪结构)
某港口防波堤半圆体混凝土构件预制场
青洲航道460米双塔斜拉桥
九洲航道250米连续刚构
江海直达船航道220米连续刚构
非通航孔桥70米预制吊装连续梁
一、项目概况二、工程方案概述
三、港珠澳大桥
120年设计使用年限的耐久性问题及研究
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
三、主要工作进展情况
（一）（二）
（三）
（四）
（五）
（六）工可评审总体方案深化研究与工程物理模型试验初步设计项目融资珠澳口岸其
他港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
一、项目概况二、工程方案概述
三、主要工作进展情况
港珠澳大桥前期工作协调小组办公室
耐久性研究的背景Ü港珠澳大桥跨越珠江伶仃洋海域，连接粤港港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，连接粤、港、澳三地，是目前中国交通项目中技术最复杂、建设难度及标准要求最高的工程之及标准要求最高的工程之一。大桥采用桥隧结合的形式，大桥采用桥隧结合的形式主体工程含桥梁、沉管隧道和人工岛，设计使用寿命为120年。拟采用的柔性管段结构不能外包防水。
因港珠澳大桥工程所处海洋环境对混凝土结构及钢结构具有强腐蚀性，耐久性是保证本工程达到120 年的设计使用寿命最关键技术之一，需要在初步设计阶段进行专题研究。Ü
Ü
工程耐久性研究的主要思路和内容1、腐蚀环境及混凝土原材料调研
2、耐久性评估
3、基于可靠度的港珠澳大桥混凝土结构基于可靠度的港珠澳大桥混凝土结构120年设计使用寿命耐久性设计技术研究
4、满足120 年设计使用年限的混凝土配制技术研究
5、混凝土结构裂缝控制技术研究
6、附加防腐蚀措施技术研究
7、确保确保120 120年使用寿命的关键施工工艺和施工质量控制技术
8、耐久性维护管理技术研究
(1) 腐蚀环境调查评估
a. 桥址周围腐蚀环境调查
b. 类似环境工程耐久性措施及标准调研
c. 确定港珠澳大桥不同腐蚀环境划分方法
d.
确定港珠澳大桥不同结构所处不同腐蚀环境及腐蚀等级
(2) 混凝土原材料调研
a. 按照工程材料就地取材的原则，调查港珠澳大桥附近地区的混凝土原材；地区的混凝土原材
b. 调查类似环境结构物（如香港新机场铁路沉管隧道，青马大桥在建的昂船洲大桥等）等原材料资料青马大桥，在建的昂船洲大桥等）等原材料资料；
c. 按照标准、规范对混凝土原材料进行检测、比选；d. 根据原材料取样全检结果，并综合考虑原材料的生产工艺、质量控制水平、生产规模、价格水平以及运输距离等因素为将来程选用提供依据
等因素，为将来工程选用提供依据
（1）混凝土结构组成部分的设计使用年限研究
a. 确定箱梁、沉管、承台、墩柱、主塔及其他组件的结构形式及其重要程度，是否可更换等；
b. 针对不同构件所处的腐蚀环境类型和腐蚀等级，确定港珠澳大桥遭受氯离子、碳化侵蚀和盐类结晶侵蚀的腐蚀劣化机理以及耐久性极限状态；
c.
确定正常使用极限状态与构件的设计使用年限。
（2）港珠澳大桥耐久性评估
a. 设计使用年限内构件材料退化机理评估设计使用年限内构件材料化机评估
b. 确定工程结构的耐久性失效标准
c. 在结构设计中的增加耐久性措施
d. 施工控制措施和要求
e.
建成后的耐久性维护管理制度和措施
3、基于可靠度的港珠澳大桥混凝土结构120年设计使用寿命耐久性设计技术
(1) () 暴露试验与工程调查成果的混凝土暴露试验与工程调查成果的混凝土“复原”试验复原试验
建立港珠澳大桥高性能混凝土耐久
性与暴露试验和工程调查结果之间的相
关性对NTbuild492、NTbuild443、关性，
ASTM
等测试方法进行试验研究比较，
确定用于混凝土结构耐久性关键控制指标
设计使用寿命耐久性设计技术
（2）建立耐久性设计方程
参考DuraCrete 、fib 等耐久性模型设计方程：
氯离子腐蚀：g =c c −c (x , t ) =c c d d d ⎡⎤⎢⎥d x d ⎢⎥, g ≥0−c s 1−erf ⎢t ⎥2⎥⎢d R t ⎥⎢⎣⎦碳化：g =x −
x (t ) =x −d d
c d 2⋅c R d s , ca
d
ca ⋅t ，g ≥0
设计使用寿命耐久性设计技术
（3）确定保证率95%的目标可靠度指标βt 针对不同构件的结构重要性程度、所处特定环境等级、全寿命等
周期耐久性措施和维修成本比较，参考Duracrete 和fib 成果，确定桥梁主体不同混凝土结构的耐久性极限状态和120年内耐久性不失效保证率为95%的目标可靠指标βt
；
设计使用寿命耐久性设计技术
（4）基于暴露试验与工程调查成果进行耐久性设计模型参数的取值①耐久性关键技术参数的特征值的确定和修正
对暴露试验、工程调查临界氯离子浓度C cr 、表面氯离子浓度C s 、氯离子扩散系数D 、扩散系数衰减值扩散系数衰减值n 、碳化系数、保护层厚度碳化系数保护层厚度X 等数据进行概率统计分析，得出各参数变量的概率分布函数，并由此确定各耐久性关键技术参数的特征值：
②耐久性关键技术参数的分项系数的确定和修正根据各参数分布函数和目标可靠度指标及可靠度分析确定各耐久性关键技术参数特征值对应的分析系数
设计使用寿命耐久性设计技术
（5）确定耐久性关键控制技术指标利用的基于可靠度的耐久性设方程，输入上述得出的耐久性关键技术参数特征之和分项系数，确定对应一定保护层的混凝土有效扩散系数，并根据类似环境暴露试验、工程调查的室内混凝土“复原”试验成果，确定满足120年使用寿命要求的混凝土耐久性质量控制指标
——扩散系数D 0；
——最小保护层厚度X 。
并结合施工要求，进一步提出满足耐久性要求的混凝土工作性控制指标
与抗裂性能指标。
4、120 年设计使用年限的混凝土配制
（1）原材料对混凝土性能影响的研究及原材料的质量控制指标；
（2）综合考虑混凝土工作性、抗裂性、耐久性的配合比综考虑凝作性抗裂性耐性
优选方法；
（3）抗裂性试验方法与抗裂性能评价指标研究
（4）高耐久混凝土基本配合比及其性能研究
（5）混凝土耐久性设计参数取值的优化
（6
）现场配合比设计及施工控制
5、混凝土结构裂缝控制技术
（1）裂缝宽度限制和抗裂验算，确保不影响结构耐久性；
（2）结合初步设计资料、优化构造设计。如尺寸的形状及分布、构造配筋位置、钢筋种类及使用量、构造缝的合理设置；
（3）材料优化及高抗裂混凝土配合比设计；
（4）降低约束度的施工养护措施，合理选择浇注方式，明确温）降低约束度的施工养护措施合理选择浇注方式明确温度控制方案以及必要的温度应变监测方案；
（5）采用有限元软件对（1-414）的内容进行抗裂性评估，并对温
）的内容进行抗裂性评估并对温控措施进行修正
(1)混凝土结构的外加防腐蚀措施设计
a. 确定混凝土外加防腐蚀措施的关键部位；
b. 确定大桥关键部位的外加防腐蚀措施的适用性，保护效果及全寿命成本分析
需要研究的防腐措施有：硅烷、涂层、外加电流阴极保护、环
氧涂层钢筋等、钢筋阻锈剂的应用、透水模板的应用等。
(2)钢构件的防腐蚀措施
a. 确定钢结构外加防腐蚀措施的关键部位；
b. 确定大桥关键部位的外加防腐蚀措施的适用性，保护效果及全寿命成本分析
需要研究的防腐措施有：热浸锌或热喷锌硅烷、包覆层、重防腐涂层
、外加电流阴极保护等。
7、确保120 年使用寿命的关键施工工艺和施工质量控制技术
（1）研究混凝土保护层质量控制指标及控制措施；
（2）改善耐久混凝土施工性能；
（3）研究施工缝接缝处理技术，加强新旧混凝土的结合和减少湿接头的收缩等；
（4）耐久性施工质量控制技术，如钢筋准确定位以及混凝
土的开裂控制等。
8、耐久性维护管理技术研究
（1）耐久性维护管理技术研究；
（2）耐久性检测试验实验室配置研究；耐性检测试实研究；
（3）对不同耐久性方案全寿命周期总成本进行分析；
（4）港珠澳大桥耐久性再设计处理预案研究；
（5）港珠澳大桥混凝土结构后续设计、施工与运营管理阶段研
究的技术要求。
谢谢！