虎門二橋工程位於珠江三角洲核心區域，上游距珠江黃埔大橋約20公里，下游距虎門大橋約10公里。虎門二橋工程全線採用雙向八車道高速公路標準，設計時速為100公里每小時。項目批覆概算111.8 億元，批覆工期5年，已於2014年開工建設，預計2019年5月通車。
虎門二橋工程主線均採用橋樑方式建設，設置跨江特大橋兩座。兩座超千米級特大跨度懸索橋同時建設屬世界首次。
面臨的主要技術挑戰
建設條件的挑戰
虎門二橋位於沿海臺風多發區，設計基本風速34.4m/s，顫振檢驗風速63.3m/s。河道為潮汐河道，鹹淡水交替。地質條件為珠江口軟土地質，自上而下地層主要包括：第四系全新系海陸交互相(Q4mc)淤泥(淤泥質土)、粉質黏土及砂土、第四系更新系沖積相(Q3al)淤泥質土、粉質黏土及砂土、圓礫土和殘積相(Qel)粉質黏土，基岩為白堊系白鶴洞組泥岩、泥質粉砂岩、中砂岩。基本地震烈度為VII度。大沙水道和坭洲水道均為國家I級航道，通航尺度為大沙水道橋1114m寬×49m高、坭洲水道橋1154m寬×60m高。
軟土地層對地連牆錨碇基礎提出了較大挑戰。錨碇基坑規模大,外徑90m,相當於15個標準籃球場大小,基坑外側淤泥厚度≥20m,開挖深度28m,基坑距離珠江大堤≤30m。
超大跨徑的挑戰
虎門二橋共設置兩座跨江大橋，分別是：採用雙塔雙跨懸索橋（主跨658+1688+522m）的坭洲水道橋，採用雙塔單跨懸索橋（主跨360+1200+480m）的大沙水道橋；引橋採用30m～62.5m跨徑的預應力混凝土橋。
主跨1688m的坭洲水道橋建成後將成為世界第一跨度鋼箱梁懸索橋，在各類懸索橋中主跨僅次於日本明石海峽大橋和楊泗港大橋，位居世界第三、國內第二。超大跨徑導致主纜纜力達10萬噸，對高強鋼絲索股和縱橫向結構體系的協調受力提出了很高的需求和要求。
高效建設的挑戰
自2014年正式開工，需要在5年時間內完成兩座主跨千米以上懸索橋及數公里的引橋施工，工期緊，任務重，對工程的高效建設提出了挑戰和需求，迫切需要研究短線匹配法、清水混凝土、精細化施工和BIM等技術。
長壽耐久的挑戰
虎門二橋車流量大、貨車多、防腐要求高、夏季暴雨颱風頻發、運營條件惡劣，對橋樑的長壽耐久提出了很高的挑戰，迫切需要開展包括多股成品索錨固系統、主纜檢查車、鋼結構主動防腐技術在內的耐久性技術研究工作。
關鍵技術創新成果
鑑於項目成果較多，本文選取有代表性的1960MPa鋼絲索股技術、多股成品索式預應力錨固系統、結構體系與關鍵裝置、基於BIM的建養一體化平臺等4項成果作簡要介紹。
1960MPa鋼絲索股技術
隨著長江經濟帶、粵港澳大灣區等國家戰略的實施，結合國家提出的“一帶一路”倡議，未來越江跨海的纜索橋樑（懸索橋、斜拉橋等）會越來越多，橋樑跨度不斷增加，纜索結構不斷向輕質、高強方向發展，對橋樑纜索用關鍵原材料——熱鍍鋼絲，提出了更高的性能要求，採用新一代超高強度熱鍍鋼絲降低纜索自重，是國際大跨度橋樑纜索技術發展的趨勢。
2009年，兩座主跨超千米的懸索橋（其中一座主跨1688m居國內第一、世界第二）——虎門通道二橋啟動建設。此時，國產1770MPa主纜鋼絲逐步推廣應用，國內外也有一些涉及1960MPa（2000MPa）鋼絲科研試驗的文章、專利和科研成果，但沒有系統的記錄和資料。國產橋樑纜索和鋼絲製造發展到這裡形成了一個技術瓶頸，主要是國產盤條成分和組織都難以在原技術路線上提升，國內洞庭湖大橋設計用1860MPa鋼絲和港珠澳大橋計劃應用1860MPa鋼絲，都需要進口盤條加工或進口鋼絲。
國際首次實現1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲和主纜索股研發，並在大跨度懸索橋1688mm虎門二橋項目坭洲水道橋應用30000餘噸（韓國在2015年約6000噸1960MPa超高強度鋼絲應用於主跨1150m的蔚山大橋主纜，扭住指標為12次，低於本項目的14次），編制了部標準《橋樑用熱鍍鋅鋁合金鋼絲》和國家標準《鋅鋁合金鍍層鋼絲纜索》，實現了盤條、鋼絲、索股製造全鏈國產化，技術具國內領先、國際先進水平；其中鋼絲、索股質量指標和用量是國際領先。相對1770MPa鋼絲可以節省約11%的鋼絲用量，減小了大跨度懸索橋塔錨結構、索鞍索夾結構重量，大大減小懸索橋上部結構製造安裝的施工難度和工程量，是一項兼有結構創新和材料創新的成果。標誌中國高強度橋樑纜索盤條、鋼絲、纜索製造業的技術國際領先，從材料和纜索結構上奠定了進一步提高懸索橋的跨越能力，提高了中國橋樑走向世界的核心競爭能力。經中國公路學會組織的科技成果評價會議審查，該研究達到國際領先水平。
（1）開發研製出多種1860MPa、1960MPa鍍層鋼絲用盤條配方，開發應用了多種有效的大直徑高強度盤條韌化處理技術，其中EDC技術國際領先、離線韌化處理技術和設備應用國內首創。實現了橋樑纜索用1960MPa超高強度熱鍍鋼絲盤條國產化；掌握了橋樑纜索用1960MPa超高強度熱鍍鋼絲在各加工工序中的性能變化規律，試驗研究了合理的1960MPa鍍層鋼絲生產工藝參數。
（2）開發出了橋樑纜索用1960MPa的高強度、高韌性、高耐久性鋅鋁合金鍍層鋼絲，其抗拉強度滿足1960--2160MPa以上，扭轉次數≥14，彈性模量值相對以前國產鍍鋅鋼絲平均值略有提高。實現1960MPa鋼絲批量化生產，並實現項目3萬噸級實橋應用。
（3）開發出了1960MPa主纜索股錨具、錨固技術，完善了制索工藝，使1960MPa主纜索股的錨固效率達到95%以上。研製出的1960MPa索股的靜載性能良好，最大靜荷載≥95%標稱破斷荷載，靜載延伸率≥2%，彈性模量≥95%鋼絲彈性模量。30000餘噸3000餘米長127絲1960MPa鋼絲索股製造安裝質量優良。
（4）研製應用的1960MPa鍍層鋼絲和主纜索股抗疲勞性能優異，1960MPa鍍層鋼絲經美國檢測試驗，動靜載性能優於國際相關標準。主纜索股動載試驗在應力上限0.40和0.45σb、應力幅200MPa-250MPa條件下、疲勞應力循環次數達到和超過200萬次。
坭洲水道橋1960MPa索股架設完成
多股成品索式錨碇預應力錨固系統
大跨徑懸索橋錨碇錨固系統經歷了鋼框架、粘結式預應力錨固系統及可更換預應力錨固系統等多個發展階段。鋼框架系統受力複雜，用鋼量大；粘結式預應力錨固系統不可更換、難以監測；可更換預應力錨固系統對夾片式錨具的可靠性要求較高，安裝過程中夾片式錨具的防腐及防滲漏施工工藝要求較高。由於工程上使用的錨固系統都有其各自的缺點，因此，為了克服上述錨固系統的缺點，提高錨固系統可靠性、簡化施工工藝、確保運營養護階段更換便利，實現較優的全生命週期效益，依託虎門二橋主跨1688m的坭洲水道橋和主跨1200m的大沙水道橋兩座千米級懸索橋，由業主與中交公路規劃設計院有限公司、柳州歐維姆機械股份有限公司聯合開發了一種新型的可更換多股成品索式預應力錨固系統。
針對虎門二橋錨固系統的技術要求，採用需求分析、技術攻關、與現有系統對比分析和依託工程模擬試驗驗證的技術路線，開展了可更換多股成品索式錨碇預應力錨固系統設計方法研究、防腐性能研究、關鍵施工工藝研究和監測方法研究，研發了新型錨固系統及其施工工藝。首次提出了可更換多股成品索式錨碇預應力錨固系統的結構設計方案，成品索索體採用多層防護，錨頭密封性好，整體防腐性能優越，使用壽命可達50年以上。形成了可更換多股成品索式錨碇預應力錨固系統的施工安裝工藝，成品索為工廠化生產，錨固性能可靠，現場工作量小，質量易保證。試驗驗證了多股成品索式錨碇預應力錨固系統的更換工藝，該錨固系統可在不影響車輛通行的情況下，逐根更換成品索。
本項目採用現場調研、理論分析、模型試驗及工程驗證等，對可更換多股成品索式錨碇預應力錨固系統進行了系統研究，取得以下創新性成果：
（1）國際首次提出了可更換多股成品索式錨碇預應力錨固系統的結構設計方案。
（2）成品索索體採用多層防護，錨頭密封性好，整體防腐性能優越，使用壽命可達50年以上。
（3）形成了可更換多股成品索式錨碇預應力錨固系統的施工安裝工藝，成品索為工廠化生產，錨固性能可靠，現場工作量小，質量易保證。
（4）試驗驗證了多股成品索式錨碇預應力錨固系統的更換工藝，該錨固系統可在不影響車輛通行的情況下，逐根更換成品索。
本項目研發的可更換多股成品索式預應力錨固系統直接在虎門二橋中得到應用，填補了國內空白，造價比灌注一般防腐油脂方案低 17.4%（節省1968萬元），比灌注專用防腐油脂方案低 14.2%（節省1539萬元）。且灌注一般油脂方案因其防漏施工要求高導致施工成本較高；如出現油脂滲漏，還需進行補灌補漏等維修工作，運營維護成本較高；且一般油脂的防腐性能相對較差，需更換的可能性更大、次數更多。多股成品索方案相對另外兩種方案，防腐性能最好，需更換的可能性最小，運營維護成本最低。因此，從全壽命週期成本考慮，多股成品索方案具有明顯的優勢。
可更換多股成品索
結構體系與關鍵裝置
虎門二橋坭洲水道橋在活載、溫度、大風、地震作用等組合下，縱向變形量達到2.6m，對梁端伸縮裝置的規模提出了很高要求，大風、地震作用下，大橋受力性能差，對結構尺寸和基礎也提出了更高要求。
由業主與中交公路規劃設計院有限公司聯合開展研發工作。在縱向提出了靜力限位-動力阻尼結構體系，綜合了彈性約束及阻尼約束的優點，有效控制梁端縱向位移、減小伸縮裝置規模，伸縮裝置最大伸縮梁有效降低了40cm，提高了耐久性和行車安全性，降低了維修養護成本。
本項目設計為8車道，按規範最多佈置10車道荷載比較重，橋位10米處設計風速達到34.4m。橋樑長、活載和風荷載大都會造成較大的梁端位移，給虎門二橋尤其是坭州水道橋樑端伸縮縫的設計、生產和耐久性帶來嚴峻挑戰，亟需提出一種合理結構體系和研發出一個裝置，解決梁端位移較大的技術難題。
大跨漂浮體系懸索橋在活載、縱向大風、溫度、地震等荷載作用下，主樑的梁端位移過大，虎門二橋坭洲水道橋在最不利靜力工況下樑端伸縮裝置變形達到2640mm，世界上尚未有能生產如此大規模的伸縮裝置廠家，較大的梁端變形對大橋的耐久性及後期檢修帶來較大挑戰和風險。另外，超大跨懸索橋橫向採用剛性約束將導致橫向荷載作用下主樑與橋塔之間剛性碰撞，產生加到的反力以及主樑橫向地震力直接傳遞到塔底，對大橋抗震性能要求高。本項目在約束體系方面取得以下成果：
（1）國內首次提出了適宜大跨徑懸索橋靜力限位-動力阻尼的縱向體系，能夠有效控制梁端縱向位移、減小伸縮裝置規模，最大伸縮量從2640mm降到2240mm，減小約15%。
（2）國內首次提出了大跨徑懸索橋塔梁間橫向減震耗能體系，能夠有效改善橋樑橫向受力性能，能夠保證主樑與支座始終緊密貼合，且具有自復位功能，提高行車舒適性。
（3）2640mm降到2240mm，減小約15%，降低造橋成本約500萬元；另外，伸縮裝置規模降低還可顯著提高橋樑的耐久性，降低後期維修成本產生的經濟效益不可估量。
大跨度橋樑在國內外未來跨越大江和海灣的特大型複雜橋樑建設中有著廣泛的應用前景。本課題研發的大跨徑懸索橋適宜縱、橫向結構體系，將進一步拓展大跨徑橋型的應用空間，增強我國大跨徑橋樑的設計能力，為我國“一帶一路”等國家重大戰略的實施，打造“中國橋樑”名片提供較好的技術支撐。
虎門二橋在建設之初就確立了“安全耐久、環保節約、科技創新、至臻建設、爭創魯班獎和詹天佑獎、創平安工程”的建設目標。科技創新始終是項目建設單位重點主抓的工作。通過全面的科研規劃、細緻的科研管理與執行、堅持科研與生產的緊密結合，科研成果對工程切實起到支撐作用，部分研究成果達到了國際領先水平。研發的1960MPa主纜鋼絲索股、多股成品索、BIM建養一體化平臺等技術，具有廣闊的推廣和應用價值，有力促進了我國在超大跨度懸索橋方面的技術進步。
作者 / 張太科
作者單位 / 廣東省公路建設有限公司虎門二橋分公司
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