廣東虎門第二公路通道（虎門二橋，現稱南沙大橋），是廣東省高速公路網規劃中連接珠江兩岸的重要過江通道。項目西起廣州市南沙區，對接珠二環南環高速（與京珠高速互通），向東跨越大沙水道、坭洲水道，穿過虎門港區後，終點於東莞沙田鎮對接規劃中的番莞高速（與沿江高速互通），全長12.891km，見圖1。
圖1 項目地理位置圖
該橋的主要技術標準如下：
1. 道路等級：高速公路
2. 設計速度：100km/h
3. 行車道數：雙向八車道
4. 路基寬度：41.0m
5. 設計荷載：公路-I級
6. 地震基本烈度：VII度
7. 設計洪水頻率：1/300
千米級懸索橋的選位
南沙大橋橋位選擇和橋跨佈置，要充分考慮水道的通航船舶等級、航道分佈情況和船舶通行密度，坭洲水道橋和大沙水道橋的橋位選擇與橋型方案、橋跨佈置是密不可分的。比如兩個水道通航情況複雜，橋樑主跨均超過千米，橋型也僅能在懸索橋和斜拉橋方案之間進行選擇，雖然在設計過程中曾有懸吊斜拉組合體系橋型方案，但終因為方案不成熟而被捨棄。
坭洲水道橋橋位選擇和橋跨佈置
橋位選擇
坭洲水道橋位處水面寬度約2.3km，橋軸線需要與水流和兩岸岸線基本正交，與上游的500kv過江電纜保持270m以上距離，且儘量遠離下游的西大坦作業區；東莞側登陸點設置在電塔和虎門港口作業區之間狹窄的走廊帶；海鷗島側錨碇需要避開水閘和大堤，故坭洲水道橋橋位選擇具有唯一性，見圖2。
圖2 坭洲水道橋位平面圖
通航要求
交通部批覆坭洲水道橋需滿足10萬噸雜貨船和5000噸散貨船同時雙向通航，通航淨空為單孔雙向1154m×60m。
橋跨佈置
考慮虎門港船舶進出港的要求，東塔須置於岸邊堤外淺水區，最高通航水位時可達塔位的最大船隻為空載3000t的內河船、平均潮水位時可達塔位的最大船隻為100t以下內河船，對港區作業影響較小，東塔距離航道170m，見圖3。
圖3 坭洲水道橋東塔位置圖
東塔位置和通航要求使得坭洲水道橋主跨不得小於1366m。如採用斜拉橋方案則長度遠遠超過目前世界最大跨徑斜拉橋俄羅斯島橋（1104m），以及國內最大跨徑斜拉橋蘇通大橋（1088m），設計和施工難度均較大，不可預見因素較多，亦存在很大的實施風險，技術尚不成熟還需要深入論證，因此選擇懸索橋方案更為合適。
如採用主跨1366m的懸索橋方案，則錨碇必須置於水中，水中錨碇阻水長度約為70m，對水道行洪納潮及河勢穩定影響巨大。水利主管部門反對在水中設置錨碇的橋型方案，因此只能進一步增大主跨跨徑，將西錨碇置於西側海鷗島岸上。
因此坭洲水道橋懸索橋西錨、東塔間距確定為2346m，選擇雙跨吊懸索橋的合理邊中跨比0.4，獲得主跨1688m雙跨吊懸索橋方案，見圖4。
圖4 主跨1688m雙跨吊懸索橋跨徑佈置圖
大沙水道橋位選擇和橋跨佈置
橋位選擇
大沙水道橋位受到坭洲水道橋位、過江電纜、兩岸控制點、新中國船廠、通航條件等因素影響，與八塘尾和小虎島需要保持一定距離，在東湧和海鷗島的登陸點擺動範圍小，在海鷗島上的線形迴旋餘地小，橋軸線的選擇範圍限制在八塘尾下游和小虎島的上游水域，初擬了北、中、南三個橋位進行選擇，見圖5。
圖5 大沙水道橋位方案平面圖
北橋位處河道較寬闊，沙灣水道和浮蓮崗水道尚未匯合，在兩河道之間的調頭區上游，兩航道可分別設置較小跨徑的橋樑，但是來往兩航道間船舶需要連續穿越橋孔，船撞風險較大，且路線距離上游的先進油庫不滿足300m淨距的要求，需要拆遷該油庫。
南橋位位於新中國船廠船舶出塢作業水域中，橋樑須一跨過江，由於與河道斜交角度較大，主跨達到1580m，造價較高。
經過分析，中橋位一跨跨越通航複雜的水域，既滿足沙灣水道、浮蓮崗水道、小虎西水道的通航要求，又避免與調頭區和船舶出塢作業水域衝突，滿足航道、海事、港口、船廠等各方面要求，岸上線位遠離北部的先進油庫，對既有建築拆遷影響很小，最終推薦中橋位方案。
通航要求
中橋位位於小虎島上游約345m處跨越大沙水道，該處上游為沙灣水道與浮蓮崗水道交匯口，下游為大沙水道與大虎西水道的分流口。
沙灣航道與浮蓮崗航道之間雖然不是航道，但位於新中國船廠6萬噸船塢新船出塢安全作業水域中，不容許設置橋墩，最終確定大沙水道通航淨空為單孔雙向1114m×49m。
圖6 大沙水道通航要求示意圖
橋跨佈置
根據通航需要，大沙水道橋跨徑在1200m以上，考慮到坭洲水道橋將採用懸索橋方案，為兩橋設計、施工、管養協調統一，推薦主跨1200m懸索橋作為大沙水道橋的推薦方案。
圖7 主跨1200m單跨吊懸索橋跨徑佈置圖
橋型的選擇
坭洲水道橋設計要點
坭洲水道橋跨徑佈置為658m+1688m+522m（鋼箱梁長度為548+1688），矢跨比1/9.5。在西塔處加勁梁連續，為半漂浮體系，東邊跨為錨跨，西邊跨和中跨均採用懸吊體系，過渡墩設限位拉索約束主纜位移。
主樑方案採用整體式鋼箱梁，梁高4m，寬44.7m，主纜橫向間距42.1m；索塔高260m，設三道橫樑。啞鈴形承臺厚7m，64根φ2.8m群樁基礎。主纜通長索股有252股，西邊跨另設6根背索，索股由127絲、φ5.30mm高強鋼絲組成。錨體順向長73.5m，橫向為整體式，外輪廓寬68m。地連牆外徑90m。
圖8 坭洲水道橋橋型佈置簡圖
大沙水道橋設計要點
大沙水道橋為單跨吊懸索橋,跨徑佈置為360+1200+480m，矢跨比1/9.5。
主樑斷面與坭洲水道橋相同。索塔高191.1m，設兩道橫樑。啞鈴形承臺厚6m，52根φ2.5m群樁基礎。主纜有169股，索股由127絲、φ5.20mm高強鋼絲組成。錨體順橋向長66.5m，橫橋向為分離式，單體外輪廓寬23m。地連牆外徑82m。
圖9 大沙水道橋橋型佈置簡圖
創新貫穿全壽命設計
易抗強風的整體式鋼箱梁
坭洲水道橋結構整體阻尼比小，剛度柔，橋位處顫振檢驗風速為63m/s，低於明石海峽大橋（78m/s）和西堠門大橋（79m/s）等外海橋位風速，可以探索通過改善主樑氣動外形，實現結構整體抗風穩定性是最有效的方法。本項目通過反覆試驗研究，不斷優化，最終確定採用整體式鋼箱梁。梁寬44.7m，兩側各設2.5m導流板（兼作檢修道），主纜橫向間距42.1，梁高4m，斜底板與平底板夾角17.3度。
根據風洞試驗報告，成橋狀態顫振臨界風速為78m/s，遠大於檢驗風速63m/s；並且沒有出現明顯的豎彎或扭轉渦激振動，滿足抗風要求。優化氣動外形後的整體式箱梁，可以同時解決顫振和渦振問題，而且具有重量更輕，橋樑規模更小，造價更經濟的特點。
深中通道伶仃洋大橋為主跨1666m懸索橋方案，顫振檢驗風速高達83.5m/s，也繼承南沙大橋採用了類似的整體鋼箱梁設計。在與南沙大橋鋼箱梁外形基本一致的基礎上，中央分隔帶內增設上中央穩定板，考慮檢修道軌道兼顧下穩定板功能。南沙大橋開啟的整體鋼箱梁創新設計，經伶仃洋大橋的經驗說明：整體鋼箱梁顫振臨界風速已經達到88m/s。這樣的能力已經可以適用絕大多數大跨懸索橋。
提高極限跨越能力的主纜索股技術
標準強度為1770MPa的高強鍍鋅鋼絲在國內外橋樑纜索上已得到廣泛應用，1860MPa和1960MPa的高強鋼絲在懸索橋主纜上的應用剛剛起步，國內懸索橋尚無應用。
南沙大橋創新性地開展了1960MPa級高強度鋼絲主纜索股技術的研究及應用，其主要技術創新點如下：
1.開發強度達到1250MPa以上的鋼絲盤條材料設計，並保證盤條具有良好拉拔性能的組織控制方法。實現了盤條高強度化的合金成分設計方法，掌握高碳盤條電磁攪拌、輕壓下關鍵控制技術，解決坯料成分偏析以及高索氏體化盤條控制冷卻技術。
2.掌握懸索橋主纜用1960MPa高強度熱鍍心率鋼絲，在各生產工序中的性能變化規律，制定合理的生產工藝參數。
3.開發出1960MPa懸索橋主纜用高強度鍍鋅鋁鋼絲，扭轉次數≥8次。
4.開發出適用於1960MPa懸索橋主纜索股的錨具，並通過成品索股疲勞試驗。
南沙大橋將開發出的1960MPa級主纜鋼絲應用到橋樑設計上，大大降低了懸索橋單位跨徑總自重，這有很多明顯的好處：一是進一步提高懸索橋的極限跨越能力；二是主纜鋼絲強度提高，而主纜鋼絲用量減少，雖然高強度鋼絲單價稍有提高，但是主纜總體造價大大降低；三是纜索系統各構件結構尺寸減小，降低工程材料用量和造價。
設計新穎的錨固系統
傳統的可更換預應力錨固系統需要在管道中灌注油脂，由於管道和錨頭密封性難以保證，多個項目出現油脂滲漏現象。除此之外，油脂還存在老化酸化的問題。
針對這一問題，本項目首次提出了採用可更換多束成品索錨固系統，索體採用擠壓錨成品索，錨固性能優於夾片錨，且不受環境、人員等因素影響。多重防護的成品索具有優異防腐性能，不需要在孔道內灌入油脂，不再有油脂滲漏的問題，同時降低了對施工的要求。多股成品索無須重型設備即可完成穿束和張拉，在不影響運營的條件下，方便而快捷地逐根更換，更換效率是傳統預應力錨固系統的5～7倍。
圖10 可更換多股成品索預應力錨固系統示意圖
智能集成主纜主動式防腐體系
為了保證和延長懸索橋的安全使用壽命，採用有效的主纜防護體系至關重要。南沙大橋採用全面集成主動式防腐體系：首先主纜和吊索鋼絲採用耐腐蝕性更為突出的鍍鋅鋁鋼絲，主纜鋼絲外面纏繞S形鋼絲，外層塗覆全新鎧裝系統，再配備全面智能的主纜內部幹空氣除溼系統。主要實現以下創新：
1.主纜吊索採用鍍鋅鋁鋼絲，大大提高自身耐腐蝕性能。
鹽霧試驗中，鋅鋁合金的腐蝕速率比純鋅慢2-3倍。南沙大橋（原虎門二橋）用鋅鋁合金鍍層鋼絲替代鍍鋅鋼絲，理論上可以延長大橋使用壽命一倍以上。
2.全面集成主動式防腐。
南沙大橋採用全面集成主動式防腐體系，不僅將傳統的鋼箱梁、錨室、鞍室及主纜採用除溼防腐，還創新性地將吊索、錨固索等關鍵部件進行了除溼防腐，從而實現了纜索系統的全面除溼防腐。同時，在各部位的除溼防腐中採用了全新的空氣流程設計，使全橋除溼系統形成一個相輔相成的整體，真正實現一個完整的全橋除溼防腐系統。
本項目採用集成除溼體系主要是因為橋樑各部分對幹空氣需求的巨大差異，南沙大橋創新性地採用整合設計，設備整合集中供氣。這一創新具有很多獨特的優勢，主要體現在以下幾個方面：
①設備進行整合，可以減少設備數量，降低總裝機容量及維護難度；
②整合後的設備採取備用自動切換設計，相當於增加了備用的除溼空間，大大提高了系統抵抗故障的能力；
③主纜使用的空氣量不足鋼箱梁的1‰，而且鋼箱梁內空氣保持在50%相對溼度以下，利用鋼箱梁空氣進行二次處理，將極大降低主纜除溼的能耗，對鋼箱梁的影響可以忽略不計；
④設備整合後，原有的除溼分區將由有組織空氣循環代替，並可以實現更多、更有針對性的循環方式，提高溼度均勻性，減少溼度控制的盲區；
⑤由於採用了有組織氣流的形式，對於後續的可能需求，例如錨頭、U肋內部等末梢的除溼防腐可能性，完全不用考慮設備的增加，只需對氣流組織進行調整，以極低的造價進行系統覆蓋的升級。
3.全新的鎧裝系統，提供更優異的防護性能。
南沙大橋主纜外層鎧裝採用高耐候長壽命主纜柔性密封防護體系，在已有密封防護體系成功應用的基礎上，結合S形纏絲及除溼系統使用趨勢，彌補日本柔性塗層體系不足，逐步改進，提出和研製的創新體系，滿足主纜長壽命防護需求。
合理結構體系及關鍵裝置研發
大橋結構系統採用了靜力限位-動力阻尼約束體系。即靜力工況下：在一定行程範圍d內塔梁間自由變形，當達到某一指定相對位移時，塔梁相對運動受到約束而限制主樑縱向變形；動力工況下阻尼器在其衝程範圍內正常工作。
針對靜力限位閾值d、限位剛度K、阻尼係數C、指數α開展研究，確定了大橋靜力限位-動力阻尼約束體系的最優參數，解決了南沙大橋（原虎門二橋）縱向梁端位移大的技術難題。
南沙大橋首次研發了碟形彈簧與動力阻尼組合的新型減震抗風支座，彌補了因傳統抗風支座與主樑之間存在一定的間隙，容易在大風、地震等作用下發生撞擊的缺點，改善了橋樑橫向靜動力受力性能。
複合地連牆錨碇基礎設計
重力式錨碇在進行整體穩定性分析時作為剛體考慮，且作為懸索橋下部構造中最重要的結構，任何滑移和傾覆都是不允許發生的。由於不考慮地下連續牆對錨碇承載力的提高，重力式錨碇一般規模巨大、造價較高。
圖11 坭洲水道橋西錨碇簡圖
南沙大橋單根纜力接近五萬噸，錨碇受荷大，以該工程為背景，主要創新點如下：
1.地下連續牆-錨碇協同工作機理
綜合相關規範中的簡化計算公式及三維有限元計算分析了地下連續牆所受土壓力、側摩阻力、結構抗剪強度，明確了複合錨碇基礎破壞模式、地下連續牆橫截面剪應力、基底摩阻力分佈規律；揭示了地下連續牆-錨碇協同工作模式下的荷載分擔比例及承載力組成，確定了各部分承載力簡化計算方法。
2.複合錨碇基礎承載力演化規律
明確了不同纜力、地下連續牆不同插入深度與岩層條件下基底摩阻力分佈規律、牆體抗剪強度發揮機理，以及土壓力、側摩阻力的演化規律，確定各部分承載力發揮程度；研究了設計參數敏感性、設計參數變化，對承載力發揮演化的影響。
3.複合錨碇基礎設計計算方法
基於地下連續牆、錨碇協同工作機理，揭示了地下連續牆、錨碇變位規律，形成了複合錨碇基礎考慮土壓力非線性變化的地下連續牆側壁摩阻力計算方法；提出了地下連續牆-錨碇基礎承載力計算模式、計算方法及相應的設計流程。將地下連續牆承載能力納入到錨碇基礎設計中，使錨碇基礎設計從傳統的剛體設計模式，轉化為複合基礎設計模式，屬國內外首次。
4.一整套複合地下牆錨碇基礎施工監控、質量檢測措施
以南沙大橋方案和地層條件為依託，結合複合錨碇基礎工作機理，提出了施工期及運營過程中的監測要求，以確保複合錨碇基礎的共同工作為目標，總結了相應的質量控制與檢測方法，確保項目建成後達到設計要求的使用狀態。
平穩安全的鋼箱梁檢查車
南沙大橋處於濱海腐蝕環境條件，為了保證橋樑100年的安全使用壽命，項目團隊創新性地研發了橋樑檢查車，具有多項創新特點：
1.檢查車超大超寬，實現鋼箱梁底面全覆蓋。
南沙大橋鋼箱梁全寬49.7m，檢查車兩側軌道間距28m，均為國內之最。
2.檢查車行駛速度快，大大提高了作業效率。
傳統檢查車的行駛速度是7.25m/min至10m/min，而南沙大橋樑外檢查車的行駛速度達到了18m/min，基本是原來的2倍。
3.驅動系統智能先進，穩定性好。
傳統大跨度橋樑梁外檢查車多采用滑導線取電方案，安裝困難、穩定性差、易受環境影響；南沙大橋檢查車採用鋰電池作為動力電源，清潔、環保，無噪音、無汙染，運行穩定性好。
4.三重製動系統，提高了檢查車安全性。
南沙大橋樑外檢查車共設計了三套制動方式，包括電機抱閘制動、電磁鐵頂軌制動和手動絲槓制動。三項制動能夠保證檢查車在不論是行走還是駐車時，均可隨時安全制動。
智能排水出良效
南沙大橋首次使用了橋面智能排水系統。智能排水系統由電控箱、緊急控制按鈕、電磁閥機構、預製式線性排水溝等部分組成。暴雨來臨時，雨水快速流入排水溝內，經洩水口排走。
當橋面有汙染物洩漏時，橋上智能排水系統啟動，現場人員通過按下護欄上的緊急控制按鈕，關閉橋面相關汙染區域的洩水口；或中央控制室人員通過監控觀察到汙染事故發生，遠程操作關閉橋面相關汙染區域的洩水口，確保汙染物流入排水溝槽內並儲存，同時通知相關單位進行橋面汙染物處理。待汙染物處理完畢後，現場相關人員可通過汙染區域內的緊急控制按鈕，或中央控制室人員通過遠程操作，打開原汙染區域內的排水閥，並解除警報。
圖12 排水系統電磁閥機構
BIM建養一體化應用
BIM應用立足於建造過程中的需求，開展BIM技術在施工圖深度檢查、精細化施工模擬和工程項目信息化管理等方面的應用研究。核心工作是在南沙大橋（原虎門二橋）打造基於BIM的特大型橋樑工程建養一體化的信息平臺，踐行“互聯網+交通基礎設施”理念。
BIM建養一體化應用實踐包括建設期和養護期兩部分內容，建設期BIM工作內容包括：
1.建立施工圖深度的3D結構模型，進行施工圖深度校核；
2.關鍵工程施工工藝模擬（海鷗互通+短線預製拼裝+懸索橋施工）；
3.懸索橋可視化施工監控；
4.全線交通工程三維可視化設計；
5.建設基於BIM的南沙大橋（原虎門二橋）項目信息化管理集成平臺和移動解決方案。
在上述工作基礎上，基於“物聯網+BIM”理念，結合南沙大橋（原虎門二橋）全壽命週期管理需求，項目組自主開發了虎門二橋全壽命週期BIM項目信息化集成平臺。
圖13 南沙大橋（原虎門二橋）全壽命週期BIM項目信息化集成平臺
當前，BIM平臺已實現了南沙大橋（原虎門二橋）形象進度遠程可視化管理，基於二維碼技術的預製梁廠動態管理，基於移動終端的質量/安全問題隱患實時排查，大跨徑懸索橋可視化施工監控，全線交通工程可視化展示與虛擬駕駛，等等。
本文刊載 /《橋樑》雜誌 2019年 第4期 總第90期
作者 / 吳明遠
作者單位 / 中交公路規劃設計院有限公司
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