金門大橋工程-設計篇
前言
 |
|
| ▲ | 金門大橋地理位置圖 |
金門大橋西起烈嶼（小金門）后頭地區、東迄於金寧鄉湖下地區，跨越金烈水道銜接大、小金門島為台灣首座大規模跨海橋梁，主橋位於水深20~23m之深槽區，為5塔6 跨、主跨徑200 m之脊背橋，為國內跨徑最大脊背橋，橋塔造型由金門縣民票選符合當地高粱酒特色之穗心形，造型獨特世界首見。而金門地區屬花崗岩地質且覆土深度變化甚劇，大大增加工程設計及施工困難度，此外大橋工程尚需克服工址所在海域水深、潮差變化、海洋高腐蝕環境、氣象海象、航道需求等各種影響，可謂國內橋梁工程一大艱難挑戰。
本文將就金門大橋之設計與施工作一介紹。
工程設計
 |
一、幾何設計
金門大橋路線全長約5.4km，其中橋梁4.77 km，標準橋寬15m（含護欄），主橋段配合橋塔設置寬度為18.8m，行車速率設計為每小時六十公里。初期以兩車道加人行、自行車道佈設，並預留未來交通量成長，可調整為雙向四車道，將人行、自行車道移至橋面下之空間設計。
(一)設計速率：60 km/hr
(二)車道數：雙向共4車道
(三)橋面全寬：15m（標準段）、18.8m（主橋段）
(四)最大縱坡：2.7%
(五)最小曲率半徑：R=2,000m
二、橋梁設計
金門大橋橋梁型式考量沿線各路段海域位置、環境特性、施工條件、工期及工程經費等因素，區分為主橋段、邊橋段及引橋段，各段特性分述如下：
 |
(一)主橋段（里程STA.2k+640~3k+690）
主要跨越通航航道及平均水深20m~23m之深槽區，主橋型式除考量航道寬度跨徑需求外，尚須考量觀光需求，塑造金門地區另一優美新地標，提升金門觀光資源，另須兼顧施工性、經濟性等因素。為配合5,000GT 客貨輪航道寬度須求及深槽急流區域施工之施工困難度，主跨200m儘量減少落墩，採用6跨5塔預力混凝土箱型梁脊背橋型式，高粱穗心型橋塔造型為基本設計階段配合金門縣政府辦理由縣民票選決定。跨徑配置125+4@200+125=1050，結構系統中央三塔採剛性接合方式與橋墩連結，而外側兩橋塔及伸縮縫端橋墩則採雙向活動支承並以剪力鋼箱傳遞橫向力。上部結構預力混凝土箱形梁，採場鑄懸臂工法施工，每一懸臂段共21節塊，最小節塊長度3.25m，最大節塊長度5m，最大節塊重量約240噸。上部結構大梁為三孔預力箱型梁，寬度（含護欄）18.8m、懸臂板長3.25m、梁深3.3m~7m。
主橋橋塔高度由橋面至塔頂為31.5m，而自平均海平面EL.0起算最大橋塔高度為78.5m。
 |
|
| ▲ | 主橋橋塔透視圖 |
(二)邊橋段（STA.2k+280~2k+640及STA.3k+690~4k+050）
位於主橋兩側各一單元，皆位於深槽區，水深約20m，考量主橋跨徑銜接及海上基礎施工困難減少落墩數，採大跨徑配置以延伸主橋超大跨徑及銜接引橋中長跨徑，使橋跨由大而中到小配置。邊橋跨徑110m+150m+100m，為三跨連續場鑄預力箱型梁橋，寬度（含護欄）15m、懸臂板長3.25m、靠主橋側梁深為7.5m~3.3m、於引橋側為7.5m~3m、中間跨則為7.5m~3.3m，採懸臂施工法施工，中央兩橋墩採剛性接合方式與橋墩連結，伸縮縫端橋墩則採雙向活動支承並以剪力鋼箱傳遞橫向力，橋墩採矩形單柱式橋墩。
(三)引橋段（STA.0k+355~2k+280及STA.4k+050~5k+125）
位於邊橋兩側，銜接海上橋梁至陸域引道，為銜接海上橋梁至陸域引道，金門端引橋位於淺灘區水深約2 m，烈嶼端引橋位於礁岩區水深約2~13 m，考量經濟性及施工性，採用中跨徑35m~50m、3m梁深之預力箱形梁橋，以支撐先進工法施工，橋墩採矩形單柱式橋墩。
三、基礎設計
依據設計階段大地調查鑽探結果發現：深槽區花崗岩岩盤深度變化劇烈，以樁號里程STA.2k+320、2k+880、3k+440為例，同一里程相距25m，岩盤深度差異10m以上，而岩盤風化程度差異亦大。若採沉箱基礎，坐底穩定性及施工性不佳，若採鋼管樁井筒式基礎，鋼管樁需打設入岩，樁長差異大其施工性不佳且成本高，因此金門大橋基礎採用全套管場鑄混凝土基樁，其樁徑配合橋梁型式荷重需求於主橋段、邊橋段、引橋段分別為2.5m、2m及1.5m。
而橋墩樁帽高程之選擇主要考量景觀及施工性，若純以景觀考量則以低潮位時亦不露出水面為宜，因此假設樁帽頂高程設於低潮位下1m，考慮潮差約6.3m、浪高1.5m、樁帽厚度5m，則施工中樁帽擋水鋼模高度約需14m，其所受反覆水壓力高，需增加額外內撐系統且止水不易，而長期處於深水下作業，大大增加施工困難度且品質不易控制，風險亦大。另施工中基樁完成但尚未澆注樁帽時，會因樁帽鋼模浮力作用而承受拉拔力，而樁帽高程越低、浮力越大所造成之拉拔力越大。因此在兼顧施工性與景觀性考量下，深槽區主橋段與邊橋段樁帽底部設於最低潮位下1m，確保基樁樁體於低潮位亦不出露，避免樁體因漲退潮潮差變化，處於乾溼交替、易受海浪飛沫影響之極嚴重鹽害區。而引橋段則因樁帽厚度小、水深較淺，故於任何潮位均不露出樁帽。
 |
四、跨海大橋防蝕考量
考量金門大橋屬跨海大橋位於海水中及近海岸受海水飛沫影響，屬嚴重腐蝕環境，所擬定之防蝕策略包括：（1）混凝土採用Ⅱ型中度抗硫水泥，並添加高爐石粉及(或)飛灰等礦物摻料，或採用IS(MS)型爐石水泥或IP(MS)型卜作嵐水泥等水硬性混合水泥，以抵抗海水中硫酸鹽侵蝕，並增加混凝土緻密性；（2）橋梁下部結構(不包含橋台)之基樁、基礎、墩柱、橋塔及上部結構之箱型梁，混凝土配合設計於56天以內齡期之混凝土抗氯離子穿透能力，需符合CNS 14795混凝土抗氯離子穿透能力試驗法—通過電荷量表示法表1“低”以下之標準(通過電荷量≦2,000)滲透試驗，以確保混凝土緻密性，降低氯離子滲透機率；（3）依據交通部98 年頒「公路橋梁設計規範」極嚴重鹽害區之規定加大混凝土鋼筋保護層厚度；（4）水溶性氯離子含量規定細粒料依CNS 13407細粒料中水溶性氯離子含量試驗法規定或經工程司認可之鹽份測定儀測定且其精度應達小數點後第三位(即0.001%)，混凝土則依CNS 13465新拌混凝土中水溶性氯離子含量試驗法規定測定，所測得值需符合下表規定，減少鋼筋鏽蝕可能性；（5）橋墩及基礎樁帽採用環氧樹脂包覆或熱浸鍍鋅之防蝕鋼筋，以防止鋼筋鏽蝕；（6）大梁採全預力設計（即無張力設計），避免產生裂縫以阻止氯離子滲入侵蝕鋼筋；（7）脊背橋之鋼纜鋼絞線經熱浸鍍鋅處理並以小套管包覆保護並熱融與鋼絞線密接，其間空隙以防護保護油脂填滿，鋼腱外套管採高密度聚乙烯管(HDPE)，防止鋼纜遭受侵蝕。
水溶性氯離子含量標準表
|
||
預力混凝土 |
鋼筋混凝土 |
|
細粒料 |
<0.012% |
<0.024% |
混凝土 |
<0.15kg/m3 |
<0.30kg/m3 |