武漢青山長江公路大橋路線總體設(shè)計

潘 丹

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 武漢 430051)

武漢市現(xiàn)有的環(huán)線快速通道分別為內(nèi)環(huán)、二環(huán)、三環(huán)和繞城高速，本項目位置圖見圖1。其中內(nèi)環(huán)和二環(huán)主要服務(wù)于主城區(qū)；三環(huán)線是主城區(qū)外圍、新城組群間的快速通道，也是主城區(qū)唯一一條貨運(yùn)快速環(huán)線和諸多出口公路交通轉(zhuǎn)換載體，交通壓力巨大；繞城高速位于新城組群的外圍，主要承擔(dān)長途過境交通，局部路段交通壓力日益增顯?，F(xiàn)有交通布局難以適應(yīng)城市空間發(fā)展戰(zhàn)略的需求。武漢市政府適時提出建設(shè)四環(huán)線高速公路的大舉措，加密“環(huán)線”、提高過江能力，構(gòu)建新興產(chǎn)業(yè)及物流通道。

圖1 項目位置圖

四環(huán)線位于有三環(huán)和繞城高速之間，全長約146 km，有效銜接新城組群和多個產(chǎn)業(yè)園區(qū)、物流園區(qū)、鐵路站場及機(jī)場，并可實現(xiàn)多條高速公路、國省干道的交通轉(zhuǎn)換。

青山長江公路大橋是武漢市四環(huán)線工程的過江通道之一，位于武漢市洪山區(qū)、化工管委會及黃陂區(qū)境內(nèi)，是四環(huán)線東北段跨越長江的控制性工程。橋址距上游天興洲公鐵長江大橋約7.5 km，距下游陽邏長江大橋約12.0 km。

項目按雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計速度為100 km/h，橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度41 m(不包括橋梁構(gòu)造所需寬度)，橋梁荷載等級為公路-I級。設(shè)計最高通航水位為26.95 m(1985國家高程基準(zhǔn))，設(shè)計最低通航水位為9.33 m；跨天興洲南汊橋梁通航凈高在設(shè)計最高通航水位以上不小于24 m，同時不低于上下游相鄰橋梁實際通航凈高，主通航孔單孔雙向通航凈寬不小于529 m；跨天興洲北汊橋梁通航凈高在設(shè)計最高通航水位以上不小于18 m，單孔單向通航凈寬不小于68 m。

路線全長7.548 km，全線均為橋梁，其中長江大橋全長4 373.6 m，南汊主航道橋采用350 m+938 m+350 m的雙塔雙索面鋼箱及鋼箱結(jié)合梁斜拉橋，北汊副航道橋采用65 m+3×110 m+65 m連續(xù)梁橋，設(shè)大橋監(jiān)控管理分中心1處、養(yǎng)護(hù)工區(qū)1處。

1 過江通道擬定

本項目過江通道選擇的基本原則：符合武漢市城市規(guī)劃及交通規(guī)劃總體方案，符合兩岸洪山區(qū)、黃陂區(qū)城鎮(zhèn)規(guī)劃；結(jié)合長江河段及兩岸地形特點(diǎn)，盡量減少長江大橋規(guī)模，減少耕地占用和拆遷；充分考慮四環(huán)線總體走向，便于東段和北段的順暢銜接；符合河勢、防洪、通航的要求，減少對河勢的改變，保證河段行洪和堤防防汛的安全，保證船舶的通航安全；協(xié)調(diào)水利及港務(wù)部門在水域、陸域范圍的已有規(guī)劃，盡量避免或減少對其干擾。工可階段根據(jù)四環(huán)線總體走向及建設(shè)條件，在天興洲公鐵大橋至陽邏長江大橋間自上而下擬定了天興洲洲尾(A線)及陽邏彎道(B線)2個通道方案進(jìn)行比選，路線通道方案圖見圖2。

圖2 路線通道方案圖

與B線方案相比，A線方案橋位雖與武鋼工業(yè)港船舶橫駛區(qū)、現(xiàn)有碼頭、錨地有干擾，但深槽、斷面形態(tài)相對穩(wěn)定，航道條件相對較優(yōu)，與城市規(guī)劃的適應(yīng)較好，避開了水源保護(hù)區(qū)，建設(shè)里程較短，投資較低，經(jīng)規(guī)劃、港口有關(guān)部門確認(rèn)并采取相關(guān)措施可保證建設(shè)實施條件。工可批復(fù)同意A線方案，該方案充分考慮了水文、通航、防洪、橋梁結(jié)構(gòu)需求及兩岸接線條件，為最終實施的過江通道方案。

2 路線起終點(diǎn)

本項目起點(diǎn)接四環(huán)線東段(北湖至建設(shè))，終點(diǎn)接四環(huán)線北段(武湖至吳家山)，長江大橋南北兩岸分別設(shè)置化工互通、漢施互通與規(guī)劃及既有道路連接。本項目依據(jù)投資規(guī)模、區(qū)域路網(wǎng)及實施條件等，與東段和北段進(jìn)行建設(shè)界面劃分，明確起點(diǎn)為路線與乙烯快速路交叉點(diǎn)以南150 m，終點(diǎn)為路線與漢施公路交叉點(diǎn)以北500 m?；せネāh施互通分別計入東段和北段。由于本項目實施在前，路線總體布設(shè)需充分考慮與前后相鄰項目的線位銜接，并在接點(diǎn)附近預(yù)留設(shè)置互通的條件。起終點(diǎn)路線方案不能局限于接點(diǎn)處小范圍，而需對延伸段的路線方案進(jìn)行整體研究。起點(diǎn)段研究范圍延伸至東段與外環(huán)連接的北湖樞紐，終點(diǎn)段研究范圍延伸至北段與武英高速連接的白沙灣樞紐。

2.1 起點(diǎn)段延伸研究

受青山橋過江通道、城市規(guī)劃、路網(wǎng)等因素控制，起點(diǎn)延伸段只能利用武鋼與規(guī)劃化工新城之間的空間展線，起點(diǎn)與繞城高速交叉無法利用現(xiàn)有北湖互通，考慮原位新建Y形樞紐。青化路為青山區(qū)主要貨運(yùn)通道，為避免與其干擾，路線在青化路東側(cè)布設(shè)，以避讓駕駛員培訓(xùn)學(xué)校、北湖加工廠、物流園區(qū)、北湖工業(yè)園等，貼近北湖邊緣盡量減少占壓水域，與八吉府街交叉處設(shè)置北湖互通，而后路線沿武鋼灰渣運(yùn)輸走廊東側(cè)布設(shè)，在武鋼自備電廠和挽月中學(xué)以東設(shè)化工互通連接綠色路，對接本項目起點(diǎn)，起點(diǎn)路線方案見圖3。

圖3 路線平面布置圖(單位：m)

2.2 終點(diǎn)段延伸研究

終點(diǎn)延伸段路線布設(shè)主要控制因素有漢施公路和劉大路交叉處農(nóng)科院基地項目群、農(nóng)耕年華生態(tài)園、草湖濕地保護(hù)區(qū)、臺灣農(nóng)業(yè)創(chuàng)業(yè)園等。為避免穿越農(nóng)耕年華生態(tài)園，路線沿劉大路布線至生態(tài)園東北角設(shè)置漢施互通與劉大路連接，進(jìn)而連接漢施公路。而后路線折向西，穿過農(nóng)耕年華生態(tài)園與草湖濕地保護(hù)區(qū)核心區(qū)之間的實驗區(qū)(僅侵入生態(tài)園和實驗區(qū)角隅)，沿臺農(nóng)創(chuàng)業(yè)園北側(cè)繼續(xù)向西展線至武英高速，終點(diǎn)路線方案見圖3。

3 路線平面設(shè)計

本項目路線全長為7.548 km。共設(shè)平曲線6個，路線最小轉(zhuǎn)角12°2′44.9″，平曲線最小半徑1 500 m，曲線占路線總長的78.14%。受工可批復(fù)的過江通道和東四環(huán)、北四環(huán)路線走向控制，起終點(diǎn)和跨江段位置明確，路線走廊相對狹窄，但兩岸接線條件復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)居民區(qū)、學(xué)校、廠礦企業(yè)、高壓線密布，同時路線需跨越80萬t/年乙烯管廊、乙烯快速路、兩岸長江大堤、江北一級路、高壓線走廊、21號輕軌、新港鐵路等多個重要節(jié)點(diǎn)(路線平面布置見圖3)。如何在有限的空間內(nèi)合理把控技術(shù)指標(biāo)、靈活運(yùn)用線形要素，盡可能減少對沿線相關(guān)單位及設(shè)施的影響，處理好與各重要節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，是本項目平面設(shè)計的要點(diǎn)。

3.1 跨江段平面設(shè)計

工可批復(fù)的過江通道位于天興洲洲尾，路線依次跨長江南汊、天興洲、北汊，南汊為主通航孔，北汊為副通航孔?？缃蔚暮侠砺肪€是與長江水流方向垂直，根據(jù)前期專題研究提供的實測橋位河段枯、中、洪三級水位水流流速及流向，結(jié)合流矢圖確定橋軸線[1]。

南汊主航道橋采用主跨938 m超大跨徑特殊結(jié)構(gòu)，主橋平面宜設(shè)計為直線。南、北汊水流方向存在一定夾角，為避免在兩汊間形成小半徑曲線，保證主橋邊跨位于直線上，同時滿足北汊橋軸線相對水流法線方向的最小偏轉(zhuǎn)角度，經(jīng)過反復(fù)試線，最終在天興洲至北岸大堤之間設(shè)置不設(shè)超高的R=4 000 m的右偏圓曲線。

跨南汊的直線和跨北汊的R=4 000 m圓曲線直曲相連，于天興洲形成折點(diǎn)，與江段地形相協(xié)調(diào)，增設(shè)曲線后跨江段整體線形更加流暢，更有利于平縱面線形的組合，視覺和景觀效果更好，同時，北汊副航道橋和跨堤孔橋位于不設(shè)超高曲線上，對大跨徑寬幅連續(xù)梁結(jié)構(gòu)安全更有利。

3.2 接線平面設(shè)計

3.2.1與80萬噸/年乙烯管廊交叉點(diǎn)的選擇

路線在起點(diǎn)附近上跨80萬t/年乙烯管廊和緊鄰的乙烯快速路，交叉點(diǎn)附近管廊沿線設(shè)置有多個供地方路通行的龍門架，考慮橋下管廊保護(hù)罩的設(shè)置條件，并降低橋梁高度，減小施工及運(yùn)營期間的安全風(fēng)險，同時考慮主線標(biāo)高宜盡量壓低以利于化工互通匝道落地，路線宜從滿足設(shè)置保護(hù)罩長度的2個龍門架之間穿過，路線與管廊交叉方案見圖4。綜合以上因素，路線與管廊的交叉點(diǎn)基本唯一。

3.2.2路線與新港鐵路交叉點(diǎn)的選擇

路線在終點(diǎn)附近上跨新港鐵路橋，交叉點(diǎn)附近鐵路橋跨徑為24.8 m和32.6 m 2種，鐵路相鄰接觸網(wǎng)間距要求不大于50 m。經(jīng)與鐵路管理部門多次溝通，路線與鐵路交叉點(diǎn)定于相鄰兩跨跨徑為24.8 m區(qū)段，即劉大路東側(cè)第三個橋墩處。鐵路需取消2×24.8 m橋梁中間一對接觸網(wǎng)，以降低本項目上跨橋梁的高度，減小橋梁施工安全風(fēng)險，便于鐵路后期運(yùn)營維護(hù)，路線與鐵路交叉方案見圖5。

圖5 路線與新港鐵路交叉示意圖(單位：m)

3.2.3連續(xù)S型曲線的運(yùn)用

北岸接線起點(diǎn)范圍受化工互通節(jié)點(diǎn)和管廊交叉點(diǎn)控制，中間段需繞避乙烯快速路與焦沙路之間多個家具廠和學(xué)校，終點(diǎn)段需與主航道橋軸線順接。平面經(jīng)反復(fù)試線，采用R=2 200 m(左偏)～R=1 500 m(右偏)～R=1 500 m(左偏)的連續(xù)S形曲線較好地解決了前述問題，同時使化工互通主線、跨堤橋、灘橋范圍采用了相對較大的圓曲線半徑，保證路線與武惠堤正交，且緩和曲線不進(jìn)入主橋邊跨。

南岸接線采用R=4 000 m(右偏)～R=2 200 m(左偏)～R=1 500 m(右偏)的連續(xù)S形曲線，避讓了花樓村居民區(qū)、田田生態(tài)園、春牧禽苗、農(nóng)科院基地項目，避開拆遷費(fèi)用較高的維爾福種苗基地，路線從拆遷難度相對較小的漢臺農(nóng)會中間穿過。設(shè)置連續(xù)S型曲線還達(dá)到了如下效果：北汊副航道橋采用不設(shè)超高圓曲線半徑；緩和曲線不進(jìn)入主橋邊跨；路線與武湖堤、漢施公路正交；經(jīng)過新港鐵路交叉點(diǎn)；終點(diǎn)跨漢施公路后盡早與劉大路并線，與四環(huán)北段起點(diǎn)對接。有資料提出，對于不設(shè)緩和曲線的圓曲線與設(shè)置緩和曲線的反向平曲線徑向銜接，條件受限不能設(shè)置直線時應(yīng)對大半徑圓曲線設(shè)置緩和曲線，并對緩和曲線參數(shù)加以限制[2-3]。R=4 000 m(右偏)圓曲線終點(diǎn)從線形連續(xù)和運(yùn)行安全的角度考慮設(shè)置了緩和曲線，緩和段設(shè)有80 m+120 m+80 m變截面連續(xù)箱梁跨武湖堤和江北快速路，該緩和段不設(shè)置超高漸變段[4]。

可見，當(dāng)路線里程較短、平面控制因素較多、曲線間直線長度無法滿足規(guī)范要求時，采用圓曲線半徑比小于2、緩和曲線參數(shù)比小于1.5的均衡連續(xù)的S形曲線是一種較好的布線思路。

4 路線縱斷面設(shè)計

全線共設(shè)豎曲線變坡點(diǎn)6個，最大縱坡1.938%，最短坡長503.6 m，凸形豎曲線最小半徑16 000 m，凹形豎曲線最小半徑14 000 m，豎曲線占路線總長的44.11 %，跨江段路線縱斷面方案見圖6。

圖6 跨江段路線縱斷面布置圖(長度單位：m)

縱斷面設(shè)計主要控制因素有：起終點(diǎn)標(biāo)高、長江大橋通航凈空、跨乙烯管廊與新港鐵路的安全凈空、交叉道路的凈空等?？v斷面設(shè)計還應(yīng)考慮長江大橋結(jié)構(gòu)及景觀的要求，為兩岸城市規(guī)劃和發(fā)展預(yù)留空間，同時應(yīng)滿足平縱線形組合要求，保證行車安全、舒適、平縱指標(biāo)均衡協(xié)調(diào)，避免出現(xiàn)各種不良線形組合。

長江大橋縱斷面設(shè)計要點(diǎn)：①主橋縱坡宜對稱布置，縱坡坡度宜控制在2%左右，豎曲線宜覆蓋主跨范圍，本項目主橋?qū)ΨQ布置1.797%雙向縱坡，凸型豎曲線半徑28 000 m；②主航道橋、副航道橋、堤外引橋標(biāo)高分別為64，40，23 m，橋面標(biāo)高各相差1/3，形成縱面標(biāo)高梯度，跨江段縱坡由南汊和北汊2個駝峰組成，橋梁景觀效果好；③全線因設(shè)S形曲線存在多個超高緩和段，最小縱坡按照0.5%控制；④考慮長江大橋集中排水要求，盡可能減少凹曲線平坡段對橋面排水的影響，凹曲線半徑不宜過大，合理控制切線長T的長度；⑤橋下凈空無限制路段，為獲得良好的視覺效果和便于橋下空間利用，橋下凈空按10 m控制[5]；⑥本項目采用橋面徑流截水管和地面處理系統(tǒng)的分段集中排水設(shè)計方案，于南北岸大堤外側(cè)及天興洲上各設(shè)置3處集水處理池，對應(yīng)處縱斷面設(shè)置3處凹曲線，保證截流管在處理池上方形成與橋面同樣的最低點(diǎn)，便于雨水收集[6]；⑦注重平縱配合和視覺效果。在兩岸大堤附近及天興洲段設(shè)置部分凹曲線，平曲線和豎曲線一一對應(yīng)，利于引導(dǎo)駕駛員的視線。

5 路線橫斷面設(shè)計

5.1 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

本項目為雙向八車道高速公路，橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置：0.5 m防撞護(hù)欄+3.25 m緊急停車帶+(4×3.75 m)行車道+0.75 m路緣帶+2.0 m中央分隔帶+0.75 m路緣帶+(4×3.75 m)行車道+3.25 m緊急停車帶+0.5 m防撞護(hù)欄，橋梁總寬41 m(不包括橋梁構(gòu)造所需寬度)。

5.2 路拱橫坡的取值

JTG D20-2017 《公路路線設(shè)計規(guī)范》指出高速公路路拱橫坡取值與所在地區(qū)的降雨強(qiáng)度相關(guān)，結(jié)合本項目所在區(qū)域降雨強(qiáng)度情況，路拱橫坡采用2%?？紤]大橋八車道超寬斷面的排水需要，從以下方面對路拱橫坡取值進(jìn)行分析。

1) 不同橫坡對路線平面設(shè)計的影響。長江大橋依次跨南汊、天興洲、北汊，南、北汊呈27°夾角，主橋段平面為直線，受北汊副通航孔、武湖堤、新港鐵路及沿線地物限制，主橋至北岸大堤段平面設(shè)R=4 000 m右偏平曲線，圓曲線起點(diǎn)與主橋直線徑向相接，曲線不進(jìn)入主橋范圍(采用2%路拱橫坡，設(shè)計速度100 km/h不設(shè)緩和曲線最小圓曲線半徑為4 000 m)。如采用大于2.0%的路拱橫坡，設(shè)計速度100 km/h不設(shè)緩和曲線最小圓曲線半徑為5 250 m，為保證曲線不進(jìn)主橋范圍，分別布設(shè)了R=3 000 m、R=4 000 m、R=5 440 m等不同半徑指標(biāo)的平面方案，結(jié)論是采用大于2.0%路拱橫坡，路線的平面布設(shè)與北汊通航孔、武湖堤、新港鐵路，以及沿線地物等控制因素適應(yīng)性均較差，會帶來副通航孔橋和跨堤橋需要加大跨徑、拆遷增加、鐵路交叉節(jié)點(diǎn)調(diào)整、超高漸變處橋梁扭矩較大受力不佳等影響。

2) 橫坡對抗滑能力的影響。橋面設(shè)有橫坡、縱坡，橋面雨水是沿合成坡度方向向兩側(cè)排出，在其他條件一定的前提下，橋面橫坡的變化會導(dǎo)致橋面排水方向、排水歷程發(fā)生變化，導(dǎo)致路表的水膜厚度發(fā)生變化，進(jìn)而影響到路表的摩擦系數(shù)(抗滑性能)，最終對行車安全性產(chǎn)生影響。作為影響安全性的重要且可實測的指標(biāo)，目前國內(nèi)外對水膜厚度及影響因素展開了研究，國內(nèi)規(guī)范如《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》、《公路排水設(shè)計規(guī)范》[7]有所提及，重慶交通大學(xué)及空軍工程大學(xué)進(jìn)行了相關(guān)專題研究[8-9]，相關(guān)資料表明，橫坡由2%增大至2.5%，水膜厚度變化較小，對摩擦系數(shù)降低影響較?。患礄M坡取2%，2.5%在極端暴雨情況下的路面抗滑能力差別不大。

3) 驗算橋面排水方案。項目所在區(qū)域多年平均降雨量約為1 200 mm，設(shè)計降雨重現(xiàn)期取20年，降雨歷時取10 min，根據(jù)2000年修編的漢口地區(qū)暴雨強(qiáng)度計算公式得設(shè)計暴雨強(qiáng)度為503 L/(s·hm2)。主橋范圍內(nèi)橋面雨水通過橫坡匯集至主梁外側(cè)風(fēng)嘴頂面的集水槽(寬0.4 m×高0.5 m)，再通過縱坡排至梁端接入地面沉淀池，集水槽外側(cè)板高出風(fēng)嘴頂面10 cm，中跨(邊跨)每隔30 m(11.4 m)左右在集水槽側(cè)板開設(shè)泄水口，雨水超過流量部分直排入江；其余橋跨段落在緊貼外側(cè)防撞護(hù)欄設(shè)置寬0.3 m×深0.1 m鋼制縱向排水溝，設(shè)計采用二級排水(收集+直排)，橋面泄水孔間距4 m，每隔2個二級排水直排泄水孔設(shè)置1個一級排水的集中收集泄水孔；橫向排水管采用直徑200 mm鋼管，縱向排水管采用直徑200 mm PV管，雨水收集至橋墩處接入地面排水系統(tǒng)；經(jīng)驗算橋面排水方案滿足需要。

考慮前述三點(diǎn)，路拱橫坡采用2%更利于平面布設(shè)、不同橫坡(2%，2.5%)對橋面抗滑能力影響不大、橫坡2%對應(yīng)的橋面排水方案滿足需要，同時經(jīng)調(diào)研國內(nèi)已建及在建的八車道高速公路多采用2%路拱橫坡，綜合考慮確定本項目路拱橫坡采用2%。

6 結(jié)語

本項目是武漢市四環(huán)線的重要組成部分，是連接四環(huán)東段和北段的跨江控制工程，橋位處建設(shè)條件復(fù)雜，路線總體方案布設(shè)控制和影響因素多。本項目路線總體設(shè)計充分考慮路線與相鄰路段的順適銜接，保證與已建及規(guī)劃道路的合理連接、與片區(qū)規(guī)劃路網(wǎng)協(xié)調(diào)一致，符合河勢、防洪、通航的要求，靈活運(yùn)用線形指標(biāo)，盡量減少拆遷，線形設(shè)計兼顧特大跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計和景觀要求，做到了平面順適、縱面均衡、復(fù)雜交叉節(jié)點(diǎn)橋跨布置合理。

本文從路線平、縱、橫等方面對路線總體方案研究過程進(jìn)行了分析，就過江通道選擇、橋軸線擬定、連續(xù)S形曲線布設(shè)、跨江段縱面設(shè)計及路拱橫坡設(shè)置等問題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，可為同類特大型橋梁工程的路線總體設(shè)計提供借鑒和參考。