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摘 要：虎门二桥通过两座千米级的特大桥连接珠江两岸的广州南沙与东莞沙田，是广东省高速公路网的重要通道。文章通过分析虎门二桥工程的项目特点，研究解决了项目路线总体设计中面临的特大桥桥位选择、起终点车道平衡、特大高差互通立交设置、分离式特大桥中央分隔带开口等技术难题。项目路线总体设计统一协调了路线设计与特大桥桥位、互通立交方案、起终点衔接、交通安全的关系，可供类似工程借鉴。
关键词：虎门二桥;特大桥;路线设计;关键技术;
1 项目概况
虎门二桥跨越珠江口的大沙水道、海鸥岛、坭洲水道，连接珠江两岸广州南沙与东莞沙田，是广东省高速公路网中珠江两岸的重要通道。项目的建设，对于缓解虎门大桥交通压力、改善珠江东西两岸交通流、完善广东省高速公路网、保障珠江两岸交通安全，均衡珠江两岸经济发展、实施广东省《珠江三角洲地区改革发展规划纲要》、实现国家粤港澳大湾区战略起到至关重要的作用。
虎绝地卡盟门二桥距珠江上游黄埔大桥约20km，距下游虎门大桥约10km。全线(主线)采用桥梁方案，其中跨越坭洲水道、大沙水道采用两座大跨径悬索桥。项目于2013年底完成先行工程施工图设计并开工建设，于2018年底完成主体工程施工。
项目位于珠江水道下游，地貌为三角洲冲积平原，全部为第四纪沉积层所覆盖。地势低洼平坦，河道弯曲，河流分支复合频繁。主要河流为珠江口的坭洲水道、大沙水道，河面宽广呈喇叭形，水系发达，河网密布，水量大，径流量变幅大。坭洲水道桥所在位置河宽约2300m，河底地形呈现出中间深、两边浅态势，过渡较为平滑，最深处水深达24m左右。大沙水道桥所在位置河宽约1500m，平均水深约7.5m。
鉴于项目的重要功能，结合交通量及建设条件，经综合论证，项目采用了较高的技术标准。如表1。
表1 虎门二桥项目主要技术指标表 下载原图
项目起于南沙区东涌镇，接广州绕城公路南段和广澳高速公路(京港澳高速公路并行线)，跨越坭洲水道、大沙水道止于东莞市沙田镇，接广深沿江高速公路。项目路线全长12.886km，采用设计速度100km/h的双向八车道高速公路技术标准。主线全线均采用桥梁方式建设，共设置跨江大桥两座，分别是:坭洲水道桥采用主跨1688m双塔双跨悬索桥(主桥长度548 1688m)，为世界最大跨径钢箱梁悬索桥。大沙水道桥采用主跨1200m双塔单跨悬索桥;引桥主要采用30～62.5m跨径的预应力混凝土桥。设有东涌(枢纽)、骝东(规划预留)、海鸥岛、沙田(枢纽)四座互通立交。
2 项目路线总体设计关键技术2.1 特大桥桥位选择
虎门二桥航道桥有坭洲水道桥和大沙水道桥。桥位选择和桥跨布置充分考虑了路线总体走向、桥区地质、水道的通航等级、航道分布和船舶通行密度，与工程有关的规划和现状条件，通道共走廊情况、防洪需求、结构安全、环境敏感区、施工、管养等建设条件。
坭洲水道桥位处水面宽度约2.3km，桥梁纵轴线宜与洪水主流流向和两岸岸线基本正交、悬索桥锚碇均置于大堤以外并远离大堤以满足防洪要求;其墩台沿水流方向的轴线应与最高通航水位时的主流方向一致、宜减少通航水域中设置桥墩、悬索桥索塔桥墩宜设置于浅水区以满足通航要求;与共走廊的上游走向平行的500kv过江架空输电线路保持塔高度270m以上距离;尽量远离下游的西大坦作业区;东莞侧登陆点设置在电塔和虎门港口作业区之间狭窄的走廊带;海鸥岛侧锚碇需要避开水闸和大堤，坭洲水道桥桥位选择具有唯一性。
大沙水道桥的桥轴线受到坭洲水道桥桥位、过江电缆、两岸控制点、新中国船厂、通航条件等多种因素影响。大沙水道桥位于沙湾水道和浮莲岗水道的汇流处，桥位北侧两水道间设有调头区。桥位南侧的小虎岛上建有新中国船厂，船厂生产六万吨级海轮出船口正对大沙水道桥桥位，船舶下水后需要在桥下回旋，并在小虎岛西侧的小虎西水道舾装。桥位与八塘尾和小虎岛需要保持一定距离，在东涌和海鸥岛的登陆点摆动范围小，在海鸥岛上的线形回旋余地小，桥轴线的选择范围限制在八塘尾下游和小虎岛的上游水域。广州侧岸边的油码头和海鸥岛上的沙南小学等关键点需要绕行避让。同时需要考虑与起点南环高速和坭洲水道桥的衔接，综合多种因素最终确定大沙水道桥桥位。
2.2 路线设计
项目路线设计考虑以下因素:(1)统一协调路线与桥涵、互通式立体交叉等构造物的位置和高程关系;(2)线形应连续流畅，视野开阔、视线诱导良好，宜采用较高平曲线指标;特大桥主桥两锚碇之间、主桥主跨尽可能布置在直线段上，以利于结构受力;主线不设超高圆曲线、最大纵坡采用高一个设计速度档次即120km/h标准;(3)纵断面不宜设计成平坡或凹曲线，以利于桥面排水和行车安全;(4)主桥航道桥梁纵断面布置应满足通航标准，主跨尽可能采用跨中对称人字形纵坡以实现宏伟景观;(5)引桥纵断面应满足下穿道路净空需求、防洪需求。
项目路线全长12.886km，共设置平曲线交点4处，平均每公里交点0.310处，平曲线最小半径为2000m，不设超高最小半径为5500m，路线最大纵坡为2.5%(坭洲水道特大桥路段)，最短坡长956.037m，凸形竖曲线最小半径28000m，凹形竖曲线最小半径24000m，共设变坡点8处，平均每公里变坡次数0.621次。
2.3 项目起终点车道平衡设计研究
作为粤港澳大湾区重要的基础设施和珠江两岸稀缺的过江通道，虎门二桥采用双向八车道高速公路标准，整体式路基宽度41m，桥梁宽度40.5m(桥梁范围土路肩宽2×0.50m)。但起终点对接的国道主干线广州绕城公路南环段、莞番高速公路均采用双向六车道高速公路标准，标准整体式路基宽度33.5m，桥梁宽度33.0m(桥梁范围土路肩宽2×0.50m)。需要处理好起终点车道平衡设计。
本项目起终点车道平衡设计研究成果如下:(1)主线基本车道数的增减在起终点枢纽互通节点处;(2)结合起终点互通形式、匝道车道数及交通量分布，实现主线基本车道数的增减;(3)基本车道数的增减由双车道入口辅助车道延伸而成;(4)起点东涌枢纽立交(图1)往主桥匝道采用同侧合并入口形式，基本车道增加采用双车道入口直接式;终点沙田枢纽立交(图2)匝道往主桥采用同侧连续入口形式，基本车道增加采用双车道入口平行式;(5)起点东涌枢纽立交、终点沙田枢纽立交出口匝道均采用同侧合并出口形式，起终点基本车道数的减少采用双车道出口直接式;(6)互通立交采用高一个设计速度档次即120km/h的变速车道长度。
图1 项目起点东涌枢纽主交形式 下载原图
2.4 特大高差互通立交设计研究
海鸥岛互通为项目与海鸥岛连接的一座服务性立交，该互通特点如下:(1)互通位于珠江口两座通航净空较高的特大桥之间，地面与主桥存在50多米的高差;(2)规划部门要求互通满足交通转换功能，适应一定的通行能力和服务水平;(3)立交匝道几乎全部是桥梁结构，设计施工较为复杂，同时空间布置优化余地较大;(4)作为珠江口的高耸结构，应注重互通立交的景观设计。
图2 终点沙田枢纽主交形式 下载原图
图3 螺旋式环形互通平面与横断面示意图 下载原图
在该立交的设计中，研究了多种新型螺旋形互通立交布置方案。螺旋形立交具有克服大高差、增大匝道长度、减缓匝道纵坡、布置紧凑、节省用地的特点，而且造型美观，结构对称，行车转向明确。
其中，螺旋式环形立交需要设置复杂的双层或多层框架墩，设计施工较为复杂。最后实施采用新型螺旋式定向型互通立交方案，通过匝道布置空间优化调整，避免了深厚软基路段多层框架桥的设计与施工难度。各转向匝道设计速度均为40km/h，最大纵坡为3.99%(入口上坡匝道)，环形匝道下坡匝道最大纵坡为3.5%。与海鸥公路相接的连接线及收费站布置于主线桥下，进一步节省用地，互通立交占地仅约15.0hm2。
2.5 分离式特大桥中央分隔带开口设计研究
项目主线全线采用桥梁方式建设，其中，主桥钢箱梁结构采用整体式断面，引桥混凝土结构采用左右幅分离式断面。受钢箱梁中央分隔带开口可移动防撞栏设置复杂因素的影响，未在主桥设置中央分隔带开口。考虑到项目前后衔接的国道主干线广州绕城公路南环段、莞番高速公路较长距离内均采用采用分离式桥梁断面，不能像常规道路工程在整体式路基设置中央分隔带开口。为确保在紧急救援和抢险时充分发挥高速公路的生命通道作用，方便应急情况下交通事故处理车辆、急救车辆通行，以及维修、养护单侧公路施工封闭车道时，通过开口到反方向车道临时通行，本项目在广东省内首次研究设置了分离式特大桥中央分隔带开口。
中央分隔带开口位置的选择考虑如下:(1)开口段位于东涌枢纽立交主线终点、沙田枢纽立交起点位置，满足《公路路线设计规范》互通立交前后、位于坭洲水道桥和大沙水道桥前后的设置要求;(2)两开口位置大于2km，距离海鸥岛互通立交分别约5.0km和5.5km，可以结合海鸥岛互通立交供维修、养护、应急抢险时使用;(3)两开口段位于桥梁“低墩区”小箱梁结构位置，桥面结构中央分隔带横向联系相对其他路段容易实现;(4)东涌枢纽立交段开口位于平曲线R=5500m、纵坡2%的直线纵坡段上;沙田枢纽立交段开口位于平面直线上，纵面纵坡1%、半径R=24000m凹形竖曲线上，行车视距均良好。
中央分隔带开口长度的选择考虑如下:(1)有研究表明中央分隔带开口宽度越大，交通转换时行车轨迹越顺适、适应的交通量越大。但是，由于中央分隔带开口临时开放时，要方便开口护栏的开启与关闭、具有可移动性;因此，发生碰撞时，中央分隔带开口护栏各结构组成部分可能存在飞散、对碰撞车辆或他车辆产生损坏、对周围行人造成伤害的情况，所以中央分隔带开口宽度不能太长。(2)《公路路线设计规范》要求中央分隔带开口宽度不宜超过40m，省内新建高速公路路基段中央分隔带开口宽度多用30～40m。(3)东涌互通位置中央分隔带开口处最外侧车道调头外半径R=16.75m，沙田互通位置为R=20.83m;东涌段、沙田段中央分隔带开口宽度B=30m或40m，均可满足《公路路线设计规范》，五种设计车辆调头所需的最小转弯半径和和车身外廓转向需要。综合选定中央分隔带开口宽度采用30m。
图4 螺旋式定向型互通平面与横断面示意图 下载原图
左右幅衔接方式:开口段设于30m跨径范围，上部结构采用预制小箱梁，四跨一联简支变桥面连续，下部结构采用大挑臂盖梁薄壁墩或柱式墩，左右幅刚度有一定差异。在此结构上设置活动式护栏，结构设计上难度较大:左右幅的连接若采用纵向伸缩缝，则结构之间相互影响小，但对开口式护栏设计要求较高，除满足防撞能力要求外尚需适应左右幅变形差异，设计难度大，且无现成产品资料参考，需进行碰撞试验，代价较高。研究决定采用左右幅箱梁刚接的构造方案，活动式护栏采用承插式构造，较好的解决了左右幅不等刚度条件下上部结构刚接的设计难题。
图5 海鸥岛立交实施方案平面图 下载原图
3 结论
虎门二桥作为粤港澳大湾区发展规划中首个投入使用的“超级工程”，路线总体设计协调了路线设计与特大桥桥位、起终点衔接、互通立交方案、交通安全的关系，有如下研究成果可供类似工程借鉴:
(1)特定的特大桥桥位选择和桥跨布置应充分考虑路线总体走向、桥区地质、水道的通航等级、航道分布和船舶通行密度，与工程有关的规划和现状条件，通道共走廊情况、防洪需求、结构安全、环境敏感区、施工、管养等建设条件。
(2)面对重要通道主线基本车道数的增减情况，建议在起终点枢纽互通节点处，结合互通形式、匝道车道数及交通量分布，实现主线基本车道数的增减;基本车道数的增减由双车道入口辅助车道延伸而成;基本车道增加可采用双车道入口直接式或平行式;基本车道数的减少可在出口匝道采用同侧合并为双车道出口的直接式;有条件尽量采用较长变速车道长度。
(3)螺旋形立交具有克服大高差、增大匝道长度、减缓匝道纵坡、布置紧凑、节省用地的特点，而且造型美观，结构对称，行车转向明确，在特大高差、用地受限情况下具有较大优势。同时，设计吃鸡小号批发网时应注意环形匝道半径不宜过小，纵坡不宜过大，预留适当的硬路肩宽度，有条件时环形匝道桥外侧采用通透性较好的金属梁柱式护栏。
(4)为确保在紧急救援和抢险时充分发挥高速公路的生命通道作用，有必要在互通立交前后、特殊特大桥前后设置中央分隔带开口;对与特大桥梁，建议开口段位于桥梁“低墩区”小箱梁结构、平纵指标较高、视距开阔位置;八车道中央分隔带开口长度综合考虑通行能力、活动式防撞栏功能、左右幅分离式桥梁构造连接等进行确定;采用左右幅箱梁刚接构造、承插式活动护栏，能较好地解决左右幅不等刚度条件下上部结构刚接的设计难题。
参考文献
[1] 公路路线设计规范JTG D20-2017.
[2] JTG T D81-2017，公路交通安全设施设计细则．
[3] 广东省公路勘察规划设计院有限公司．虎门二桥工程初步设计．2013.
