武漢青山長江公路大橋路線總體設計

潘 丹

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢 430051)

武漢市現有的環線快速通道分別為內環、二環、三環和繞城高速，本項目位置圖見圖1。其中內環和二環主要服務于主城區；三環線是主城區外圍、新城組群間的快速通道，也是主城區唯一一條貨運快速環線和諸多出口公路交通轉換載體，交通壓力巨大；繞城高速位于新城組群的外圍，主要承擔長途過境交通，局部路段交通壓力日益增顯。現有交通布局難以適應城市空間發展戰略的需求。武漢市政府適時提出建設四環線高速公路的大舉措，加密“環線”、提高過江能力，構建新興產業及物流通道。

圖1 項目位置圖

四環線位于有三環和繞城高速之間，全長約146 km，有效銜接新城組群和多個產業園區、物流園區、鐵路站場及機場，并可實現多條高速公路、國省干道的交通轉換。

青山長江公路大橋是武漢市四環線工程的過江通道之一，位于武漢市洪山區、化工管委會及黃陂區境內，是四環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準設計，設計速度為100 km/h，橋梁標準橫斷面寬度41 m(不包括橋梁構造所需寬度)，橋梁荷載等級為公路-I級。設計最高通航水位為26.95 m(1985國家高程基準)，設計最低通航水位為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合梁斜拉橋，北汊副航道橋采用65 m+3×110 m+65 m連續梁橋，設大橋監控管理分中心1處、養護工區1處。

1 過江通道擬定

本項目過江通道選擇的基本原則：符合武漢市城市規劃及交通規劃總體方案，符合兩岸洪山區、黃陂區城鎮規劃；結合長江河段及兩岸地形特點，盡量減少長江大橋規模，減少耕地占用和拆遷；充分考慮四環線總體走向，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；協調水利及港務部門在水域、陸域范圍的已有規劃，盡量避免或減少對其干擾。工可階段根據四環線總體走向及建設條件，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港船舶橫駛區、現有碼頭、錨地有干擾，但深槽、斷面形態相對穩定，航道條件相對較優，與城市規劃的適應較好，避開了水源保護區，建設里程較短，投資較低，經規劃、港口有關部門確認并采取相關措施可保證建設實施條件。工可批復同意A線方案，該方案充分考慮了水文、通航、防洪、橋梁結構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

本項目起點接四環線東段(北湖至建設)，終點接四環線北段(武湖至吳家山)，長江大橋南北兩岸分別設置化工互通、漢施互通與規劃及既有道路連接。本項目依據投資規模、區域路網及實施條件等，與東段和北段進行建設界面劃分，明確起點為路線與乙烯快速路交叉點以南150 m，終點為路線與漢施公路交叉點以北500 m。化工互通、漢施互通分別計入東段和北段。由于本項目實施在前，路線總體布設需充分考慮與前后相鄰項目的線位銜接，并在接點附近預留設置互通的條件。起終點路線方案不能局限于接點處小范圍，而需對延伸段的路線方案進行整體研究。起點段研究范圍延伸至東段與外環連接的北湖樞紐，終點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 起點段延伸研究

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

圖3 路線平面布置圖(單位：m)

2.2 終點段延伸研究

終點延伸段路線布設主要控制因素有漢施公路和劉大路交叉處農科院基地項目群、農耕年華生態園、草湖濕地保護區、臺灣農業創業園等。為避免穿越農耕年華生態園，路線沿劉大路布線至生態園東北角設置漢施互通與劉大路連接，進而連接漢施公路。而后路線折向西，穿過農耕年華生態園與草湖濕地保護區核心區之間的實驗區(僅侵入生態園和實驗區角隅)，沿臺農創業園北側繼續向西展線至武英高速，終點路線方案見圖3。

3 路線平面設計

本項目路線全長為7.548 km。共設平曲線6個，路線最小轉角12°2′44.9″，平曲線最小半徑1 500 m，曲線占路線總長的78.14%。受工可批復的過江通道和東四環、北四環路線走向控制，起終點和跨江段位置明確，路線走廊相對狹窄，但兩岸接線條件復雜，區域內居民區、學校、廠礦企業、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點(路線平面布置見圖3)。如何在有限的空間內合理把控技術指標、靈活運用線形要素，盡可能減少對沿線相關單位及設施的影響，處理好與各重要節點之間的關系，是本項目平面設計的要點。

3.1 跨江段平面設計

工可批復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。跨江段的合理路線是與長江水流方向垂直，根據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超大跨徑特殊結構，主橋平面宜設計為直線。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角度，經過反復試線，最終在天興洲至北岸大堤之間設置不設超高的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，與江段地形相協調，增設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超高曲線上，對大跨徑寬幅連續梁結構安全更有利。

3.2 接線平面設計

3.2.1與80萬噸/年乙烯管廊交叉點的選擇

路線在起點附近上跨80萬t/年乙烯管廊和緊鄰的乙烯快速路，交叉點附近管廊沿線設置有多個供地方路通行的龍門架，考慮橋下管廊保護罩的設置條件，并降低橋梁高度，減小施工及運營期間的安全風險，同時考慮主線標高宜盡量壓低以利于化工互通匝道落地，路線宜從滿足設置保護罩長度的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基本唯一。

3.2.2路線與新港鐵路交叉點的選擇

路線在終點附近上跨新港鐵路橋，交叉點附近鐵路橋跨徑為24.8 m和32.6 m 2種，鐵路相鄰接觸網間距要求不大于50 m。經與鐵路管理部門多次溝通，路線與鐵路交叉點定于相鄰兩跨跨徑為24.8 m區段，即劉大路東側第三個橋墩處。鐵路需取消2×24.8 m橋梁中間一對接觸網，以降低本項目上跨橋梁的高度，減小橋梁施工安全風險，便于鐵路后期運營維護，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S型曲線的運用

北岸接線起點范圍受化工互通節點和管廊交叉點控制，中間段需繞避乙烯快速路與焦沙路之間多個家具廠和學校，終點段需與主航道橋軸線順接。平面經反復試線，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S形曲線，避讓了花樓村居民區、田田生態園、春牧禽苗、農科院基地項目，避開拆遷費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會中間穿過。設置連續S型曲線還達到了如下效果：北汊副航道橋采用不設超高圓曲線半徑；緩和曲線不進入主橋邊跨；路線與武湖堤、漢施公路正交；經過新港鐵路交叉點；終點跨漢施公路后盡早與劉大路并線，與四環北段起點對接。有資料提出，對于不設緩和曲線的圓曲線與設置緩和曲線的反向平曲線徑向銜接，條件受限不能設置直線時應對大半徑圓曲線設置緩和曲線，并對緩和曲線參數加以限制[2-3]。R=4 000 m(右偏)圓曲線終點從線形連續和運行安全的角度考慮設置了緩和曲線，緩和段設有80 m+120 m+80 m變截面連續箱梁跨武湖堤和江北快速路，該緩和段不設置超高漸變段[4]。

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

4 路線縱斷面設計

全線共設豎曲線變坡點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)

縱斷面設計主要控制因素有：起終點標高、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。縱斷面設計還應考慮長江大橋結構及景觀的要求，為兩岸城市規劃和發展預留空間，同時應滿足平縱線形組合要求，保證行車安全、舒適、平縱指標均衡協調，避免出現各種不良線形組合。

長江大橋縱斷面設計要點：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，本項目主橋對稱布置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、堤外引橋標高分別為64，40，23 m，橋面標高各相差1/3，形成縱面標高梯度，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的分段集中排水設計方案，于南北岸大堤外側及天興洲上各設置3處集水處理池，對應處縱斷面設置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，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置部分凹曲線，平曲線和豎曲線一一對應，利于引導駕駛員的視線。

5 路線橫斷面設計

5.1 標準橫斷面

本項目為雙向八車道高速公路，橋梁標準橫斷面布置：0.5 m防撞護欄+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防撞護欄，橋梁總寬41 m(不包括橋梁構造所需寬度)。

5.2 路拱橫坡的取值

JTG D20-2017 《公路路線設計規范》指出高速公路路拱橫坡取值與所在地區的降雨強度相關，結合本項目所在區域降雨強度情況，路拱橫坡采用2%。考慮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行分析。

1) 不同橫坡對路線平面設計的影響。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R=4 000 m右偏平曲線，圓曲線起點與主橋直線徑向相接，曲線不進入主橋范圍(采用2%路拱橫坡，設計速度100 km/h不設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，設計速度100 km/h不設緩和曲線最小圓曲線半徑為5 250 m，為保證曲線不進主橋范圍，分別布設了R=3 000 m、R=4 000 m、R=5 440 m等不同半徑指標的平面方案，結論是采用大于2.0%路拱橫坡，路線的平面布設與北汊通航孔、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、鐵路交叉節點調整、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。橋面設有橫坡、縱坡，橋面雨水是沿合成坡度方向向兩側排出，在其他條件一定的前提下，橋面橫坡的變化會導致橋面排水方向、排水歷程發生變化，導致路表的水膜厚度發生變化，進而影響到路表的摩擦系數(抗滑性能)，最終對行車安全性產生影響。作為影響安全性的重要且可實測的指標，目前國內外對水膜厚度及影響因素展開了研究，國內規范如《公路瀝青路面設計規范》、《公路排水設計規范》[7]有所提及，重慶交通大學及空軍工程大學進行了相關專題研究[8-9]，相關資料表明，橫坡由2%增大至2.5%，水膜厚度變化較小，對摩擦系數降低影響較小；即橫坡取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。項目所在區域多年平均降雨量約為1 200 mm，設計降雨重現期取20年，降雨歷時取10 min，根據2000年修編的漢口地區暴雨強度計算公式得設計暴雨強度為503 L/(s·hm2)。主橋范圍內橋面雨水通過橫坡匯集至主梁外側風嘴頂面的集水槽(寬0.4 m×高0.5 m)，再通過縱坡排至梁端接入地面沉淀池，集水槽外側板高出風嘴頂面10 cm，中跨(邊跨)每隔30 m(11.4 m)左右在集水槽側板開設泄水口，雨水超過流量部分直排入江；其余橋跨段落在緊貼外側防撞護欄設置寬0.3 m×深0.1 m鋼制縱向排水溝，設計采用二級排水(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；經驗算橋面排水方案滿足需要。

考慮前述三點，路拱橫坡采用2%更利于平面布設、不同橫坡(2%，2.5%)對橋面抗滑能力影響不大、橫坡2%對應的橋面排水方案滿足需要，同時經調研國內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 結語

本項目是武漢市四環線的重要組成部分，是連接四環東段和北段的跨江控制工程，橋位處建設條件復雜，路線總體方案布設控制和影響因素多。本項目路線總體設計充分考慮路線與相鄰路段的順適銜接，保證與已建及規劃道路的合理連接、與片區規劃路網協調一致，符合河勢、防洪、通航的要求，靈活運用線形指標，盡量減少拆遷，線形設計兼顧特大跨徑橋梁的結構設計和景觀要求，做到了平面順適、縱面均衡、復雜交叉節點橋跨布置合理。

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