摘要
为提升城镇密集区公路绿色建造水平，结合南（沙）—中（山）高速的项目特点及工程需求，将绿色发展理念贯彻到公路设计、施工、运营、养护和管理的全寿命周期，重点研发了公路桥群工业化智能建造、公路资源综合利用、滨海湿地区公路环境保护与粤港澳大湾区交旅融合设计等四类十项创新技术。其中，预制梁环形生产线、非标准八车道等为项目特色首创技术，初步构建了典型城市群绿色桥群公路技术体系，并对未来重点发展方向进行了展望，以期丰富和完善粤港澳大湾区绿色公路技术体系，为其他高度城镇化区域可持续发展提供参考。
Abstract
In order to improve the green construction level of highways in dense urban areas， the project characteristics and engineering requirements of the Nansha-Zhongshan Expressway were analyzed， and the concept of green development was implemented in the whole life cycle of highway design， construction， operation， maintenance， and management. The research and development of ten innovative technologies in four categories were highlighted， including industrial intelligent construction of highway bridges， comprehensive utilization of highway resources， environmental protection of highways in coastal wet areas， and integrated design of transportation and tourism in the Guangdong-Hong Kong-Marco Greater Bay Area. Among them， the prefabricated beam annular production line and non-standard eight-lane were the unprecedented technologies first used in the project. In addition， the technical system of green highway bridges in typical urban agglomerations was initially constructed， and the key development directions in the future were prospected to enrich and improve the technical system for green highway construction in the Guangdong-Hong Kong-Marco Greater Bay Area. This provided a reference for the sustainable development of other highly urbanized regions.
0 引言
随着中国城镇化建设从快速发展转向高质量发展，绿色基础设施建设成为城市群可持续发展的重要内容[1]。绿色公路是交通基础设施领域践行国家生态文明战略的具体抓手，一直受到行业的高度重视。交通运输部在“十二五”期间就设立了鹤大高速等 20 个绿色公路主题性项目开展试点[2]，积极探索绿色公路创建模式，随后发布了《关于实施绿色公路建设的指导意见》[3]和《绿色公路建设技术指南》 （DB14/T2315—2021）[4]，并设立长益高速[5]、万洋高速[6]等 33 个绿色公路典型示范工程，旨在指导绿色公路建设全面开展。陕西省等省份也设立了绿色公路示范工程[7]，取得了很好的试点示范效果。后期，交通运输部又印发《绿色交通“十四五”发展规划》[8]，提出要优化空间结构，着力深化绿色公路建设。
广东省作为中国高速公路通车总里程第一大省，历来重视绿色公路建设，在中国率先发布了《广东省推进绿色公路建设实施方案》和《广东省绿色公路建设技术指南（试行）》，先后设立了两批绿色公路典型示范工程建设[9]。在具体项目层面，依托广梧高速[10-11]、广佛肇高速[12]、潮惠高速[13]、惠清高速[14]、云茂高速[15] 等循序渐进地开展了山区绿色公路建设探索，在机荷高速[16]、河惠高速进行了改扩建公路绿色转型实践，并且凭借港珠澳大桥[17-18]、深中通道[19] 等超级工程引领了跨海交通集群工程绿色公路创新技术的国际风向，但目前对于粤港澳大湾区更普遍的城镇密集区绿色公路建设的经验和案例相对缺乏。
南中高速是国家高速公路网 G2518、粤高速 S78 的重要组成部分，起于南沙港快速路的新垦互通，终于新隆枢纽互通，与江中高速顺接，并与广澳高速交叉，通过万顷沙互通接深中通道，路线总长 32.4 km，采用双向六车道，设计速度 100 km/h，批复概算 200.48 亿元，于 2020 年开工建设，计划 2024 年建成通车。项目地处粤港澳大湾区核心位置，土地资源高度稀缺，路线途经区域内永久基本农田保护区分布广、连片程度较高，保护率达 80% 以上，是未来城市群公路全线高架高速发展新模式的典型代表。项目穿越了小榄水道、鸡鸦水道和两处饮用水源二级保护区，途经万顷沙海洋特别保护区和南沙湿地等多处环境敏感点，分布有南沙水鸟世界、南沙湿地、滨海红树林森林公园、百亩葵园等丰富的大湾区特色旅游资源，开展绿色公路建设具有重要的示范意义和标杆作用，已被列为广东省第二批绿色公路示范工程。因此，在新时期开展全生命周期的绿色公路建设要求下[20]，结合南中高速沿线人文和自然资源，从智能制造、资源节约、环境友好和交旅融合等方面进行创新探索，以期树立粤港澳大湾区公路高质量发展典范，为其他典型城市群地区公路绿色化建设提供参考借鉴。
1 公路桥群工业化智能建造
1.1 预制梁环形生产线
南中高速设计制梁总量近 13 000 榀，若采用传统制梁工艺，不仅占地多，而且生产周期长，将严重制约施工进度。为解决预制梁板生产组织问题，南中高速借鉴生产车间流水线作业模式，研发了预制梁环形生产线（图1），包括混凝土运输系统、自行式台车、固定液压模板、智能蒸养系统、专用回路、横移换轨摆渡车等。混凝土运输系统通过加高定制混凝土搅拌站及设置鱼雷罐环形轨道，实现多个鱼雷罐体同时运输；每条生产线配置 4 个自行式台车，可实现混凝土浇筑、蒸气养生、张拉压浆、移运 4 个主要工序同步流水作业，确保每条线每天产能 1 榀；侧模采用液压不锈钢模板整体拆合模，作业人数减少 22%，梁表面光洁度可达镜面效果；智能温控蒸养系统采用天然气养生，使单片梁养生周期从 10 d 降至 1 d，混凝土抗压强度 24 h 可达标准养护 28 d 水平；每 4 条生产线中间设置 1 条专用回路，使自行式台车在生产线循环运转，大幅提升了台座利用率和生产效率；横移换轨摆渡车配备液压顶升系统，将自行式台车顶升，完成横移换轨后放下台车。
图1 桥梁环形生产线工艺
Figure1 Bridge annular production line process
采用人工智能、工业机器人、毫米级数控加工设备、PLC 控制等集成钢筋智能加工云系统，实现钢筋智能下料与加工、智慧配送与管理（图2），比传统钢筋加工降低人工 400%、工效提高 300%。采用遗传算法自动优化配料，使钢筋切割按长短科学搭配，实现自动套料，材料损耗率降低 10% 以上。采用智能排产与存梁系统，按施工顺序合理安排制梁，随时查询制梁进度，实现梁场智能管理。依托环形生产线建立永久桥梁生产研发基地，未来还将服务于周边交通建设及产业发展。
图2 钢筋下料智能优化
Figure2 Intelligent optimization of steel bar unloading
1.2 钢箱梁智能制造
为提高钢箱梁制作水平，南中高速通过各类自动化、智能化的生产线和专用胎型模具使用，构建以板材智能下料切割、板单元智能焊接、节段智能总拼、钢箱梁智能涂装以及智能管控系统为核心的“四线一系统”智能制造新模式。板材智能切割生产线，通过下料设备与工控网的互联管理，实现设备状态采集、作业状态反馈、自动分解套料、切割任务远程下发、工时物量统计分析等功能，完成智能喷码划线、智能切割与坡口开制；采用板单元智能焊接机器人，建立焊缝地图，集成焊接缝设计、实施结果与验收等信息，实时控制施焊过程参数，判断焊接结果与焊接稳定性，实现重要焊缝焊接质量永久可追溯；利用 3D 测量技术采集几何参数，自动生成三维实体模型，与 BIM 模型拟合，对比检查修整，模拟试装验证，提高钢箱梁安装精度；外表面喷砂采用小车式喷砂机器人，外表面热喷涂采用轨道式机器人（图3），喷涂质量和效率大幅提升。智能管控系统融合了下料、加工、拼装、涂装等多个生产环节的数据，能从系统读取生产计划和工艺参数，跟踪零部件转序过程，自动进行齐套检查，实现准确调度，智能排产。
图3 钢箱梁外表面智能喷涂
Figure3 Intelligent spraying on outer surface of steel box girder
1.3 多功能智能造塔平台
为提高南中高速百米高塔的建设品质，项目综合筑塔机和液压自爬模体系的优点并引入信息化技术，研发了多功能智能造塔平台，主要由一体化模架系统、智能布料系统、智能养护系统及智能控制系统等组成。研发了造塔平台多功能一体化模架系统 （图4），设伸缩平台适应塔身截面收缩，具备塔身截面及弧形段自适应功能，实现整体爬升自动纠偏及调整（图5），可显著提高爬升效率、精度，增强稳定性及抗风能力；研制了 3D 打印智能浇筑系统，使布料机可根据设定的轨迹及速度自动化布料浇筑，提高浇筑质量及效率；发明了混凝土喷雾智能养护系统，可在塔柱侧面帷幕封闭的条件下智能喷雾养生，提高养护质量并避免水资源浪费；建立了结构状态及作业过程智能控制系统，对千斤顶油温油压、架体应力及变形、混凝土温控、环境参数及作业人员异常情况等实现远程实时化、可视化监测，实现智能监测及智能控制。多功能智能造塔平台将桥塔高空现场施工打造为竖向移动工厂，将绝大部分钢筋绑扎转入地面工厂，将施工全过程的人、机、料、物、法、环等要素进行全方位实时监测控制，提高索塔施工效率，增强索塔施工安全，提升索塔品质。
图4 一体化模架系统构造
Figure4 Integrated mold frame system construction
图5 自动爬模监测
Figure5 Automatic climbing monitoring
2 城镇区公路资源综合利用
2.1 通道资源集约利用
项目沿线城镇高度密集，人口密度大，土地开发程度高，路网密集，从立体空间和平面空间两方面着手，最大限度利用有限的通道资源。
为充分利用市政道路上方空间，通过在市政道路中央分隔带布墩，采用中央墩大悬臂结构（图6），与地方辅道同步施工，推动高速公路和地方道路上下分层、共同建设，为高速公路与地方道路和地方规划协调统一开创了新发展方向，实现通道资源共享，助力构建粤港澳大湾区综合立体交通网络。
考虑到与南中高速相接的道路现状或规划基本为双向八车道及以上，为最大限度发挥高速公路走廊的通行能力，从交通特性、运行速度、行驶轨迹、行车安全性等方面开展了 3 个非标准八车道横断面方案（表1）综合比选，最终确定方案是通过压缩右侧硬路肩以增加一条车道的方案 3，横断面设置满足标准要求，交通特性更优，虽然损失部分外侧车道宽度，但保障足够的硬路肩宽度，保证外侧车辆自由流速度，为行车提供相对高的侧向余宽，为驶出行车道车辆提供恢复正常行驶更大的容错空间，也为故障车辆紧急停车提供相对高的部分宽度（图7）。该方案在受主线桥梁总宽度制约情况下，充分提升项目通行效率，有效缓解未来通行服务压力。
图6 中央墩大悬臂结构
Figure6 Large cantilever structure of central pier
表1 非标准八车道横断面比选
Table1 Comparison and selection of cross-sectional for non-standard eight-lane
图7 选定的双向八车道横断面方案（单位:cm）
Figure7 Selected two-way eight-lane cross-section scheme (unit:cm)
2.2 土地资源节约设计
在南中高速前期规划、设计阶段，充分考虑了大湾区寸土寸金的实际情况，并优化设计方案，最大限度节约土地资源。
在工可阶段，从占地规模、土地类型、维持地块完整性等方面对项目起点和终点进行充分论证，按照减少地块切割、减少拆迁和减少总体建设规模原则，主线长度由 35.5 km 优化至 32.4 km，共减少占地约 346 666.666 7 m2。原方案主线约 15 km 路段及万顷沙支线约 5 km 可做路基，但最终选择了全线架设桥梁方案，虽然增加了建设投资，却可减少占地约 599 333.333 3 m2。
在初设阶段，将工可设计的 3 个互通（图8）设计优化为双层 T 形+半 T 形复合枢纽互通（图9），并充分利用立交范围内匝道空隙布设匝道，实现三车道匝道及三车道出入口综合使用，将项目建设对周边环境与土地的影响降到最低，共节约占地约 183 333.333 3 m2。此外，项目施工便道共选择利用国省道和地方既有道路 19.45 km。
图8 新垦—福安枢纽互通工可方案
Figure8 Construction feasibility scheme of Xinken-Fuan hub interconnection
图9 新垦—福安枢纽互通初设方案
Figure9 Preliminary scheme of Xinken-Fuan hub interconnection
2.3 装配化临建设施
公路施工临建设施作为工程建设前置工程，其建设速度与使用便捷性直接影响整个工程的施工效率。南中高速建设过程中的房屋、便道、便桥等临建设施均采用“搭积木”式的装配化建设，用后可拆除再利用。项目驻地办公楼、住宿楼、附属用房均采用打包式箱房，箱房模块化设计成标准零部件，装饰、装潢以及配套功能全部在工厂预制完成，现场组装或者整体吊装到位即可入住，平均缩短工期 20 d，还可提供舒适便捷的工作生活环境。施工便道采用装配式混凝土路面，水上施工钢栈桥（图10）采用装配式结构，提前在工厂生产，运送至现场拼装，使用后拆除再次利用，平均每跨可节省 1 d 工期，而且还可保证便道质量，提高资源集约利用水平。
图10 装配式施工平台与钢栈桥
Figure10 Prefabricated construction platform and steel trestle bridge
3 公路与滨海湿地环境和谐共生
3.1 施工期水环境保护
为保障沿线饮用水源保护区、红树林、湿地公园及海洋保护区等敏感水环境，项目采取了一系列技术措施：涉水桥墩施工先用钢管圆筒套住桥墩，在钢管外围设置气泡生成管道，以一定频率通入压缩空气形成密集气泡产生扰动、声响及低频振荡，以恐吓、阻拦水生生物接近，并避开底栖生物繁殖期、鱼类产卵期、浮游动物快速生长期时段等作业；通过设计优化采用高架桥方案，减少占用红树林树种影响范围约 66 500 m2，施工前对桥梁桩基位置精准放线，对桩基位置处的红树林物种进行移植；在湿地公园区域施工便道两侧坡脚处，纵向搭设高出水面 50 cm 的围蔽木桩（图11），在木桩内侧挂设透水土工布，对路面径流净化处理后再进入湿地区域，有效防止水质污染；桥梁泥浆采用泥浆脱水技术，首先投加脱水剂、脱色剂等进行两次脱水处理，再加入固化剂、絮凝剂进行固液分离与浓缩，浓缩泥浆脱水后压滤成泥饼，清液回收利用。
图11 湿地路段防水木桩围蔽
Figure11 Waterproof wooden pile enclosure for wetland road sections
3.2 高架桥排水生态化设计
由于项目区域降雨量大，沿线河网密布，鱼塘众多，跨越海域，全线高架结构综合防排水要求高，因此开展了排水差异化专项设计。对跨越小榄水道、鸡鸦水道等地表水Ⅱ类水体、万顷沙海洋保护区等水环境敏感路段采用智能化水环境风险防控技术，突发环境风险事故时通过监控中心远程切换阀门，让泄漏危化品流入事故沉淀池；正常降雨时初期雨水收集并经隔油沉淀后，定期排空，确保事故时有足够的应急容积。跨越南沙湿地公园路段，采用应急池+人工湿地处理工艺，既可有效净化桥面径流雨水，又可提升路域景观效果。互通立交环内因地制宜设置生态塘，可实现立交范围排水汇集贮存，而且与塘中水生植物、鱼类、水鸟等共同构成湿地生态系统，实现公路建设与自然环境和谐统一。
4 大湾区核心区交旅融合发展
4.1 桥梁景观设计创作
南中高速是大湾区核心地带连接广州和中山两大城市的重要高速公路，项目建设应考虑将沿线旅游资源串联互动，展示粤港澳大湾区高质量发展的时代气息。在项目建设过程中，开展了专项景观设计提升，提取南海丝绸之路、粤绣、醒狮、中山故里等地域文化元素，以“七星联珠，双子耀湾”为设计主题，两座特大斜拉桥犹如绣花针，将七大重要工程节点串联一线，助力打造湾区特色地标性工程（图12）。
图12 全线景观设计构思
Figure12 Whole landscape design concept
横门西特大桥为中国国内最大跨径的独塔双索面斜拉桥，主跨（390+324）m，索塔利用硬朗直线由底部收束至桥面舒张，于桥塔中部汇聚形成“宝瓶”，造形简洁、线条柔美，颇具浑然天成之姿（图13）。
洪奇门特大桥为主跨 520 m 的大跨度双塔双索面半漂浮体系钢箱梁斜拉桥，主梁采用扁平流线形整幅式钢箱梁，斜拉索采用扇形布置，空间双索面，A形塔设计灵感源自水滴和木棉花，从水滴形态抽取曲线造型元素，融入木棉花元素进行桥塔塔头设计，形如木棉花开，造型轻巧活泼、挺拔秀美，寓有“润泽湾区”之意。
图13 横门西特大桥效果图
Figure13 Rendering of Hengmen West Grand Bridge
4.2 服务区旅游服务功能拓展
万顷沙服务区是南中高速唯一的服务区，是连接深中通道的前站，毗邻 2025 年粤港澳全运会主场馆等超大型城市综合体，地理位置非常重要，它具备得天独厚的条件，使得服务区能够充分发挥其旅游服务拓展功能。服务区周边南沙水鸟世界、南沙湿地、红树林森林公园、百亩葵园等旅游资源丰富，可提供丰富多样的旅游体验。万顷沙服务区建筑设计充分结合海边渔村生活场景，采取拟生建筑外观，对南沙海上岛屿元素进行抽象演变，简化提取岛屿自然形态，融入建筑外观，形成与周边环境相融合的浪漫景观，实现人与生态和谐共生的同时，彰显浓郁的地域文化气息（图14）。服务区计划打造集休闲、娱乐、智能停车、新能源利用及旅游集散中心等服务于一体的商业综合体，将服务区建设成为融入湿地景观的生态服务区、周边旅游资源的展示窗口、公路旅游的网红打卡地，促进路衍经济发展，树立广东省交旅融合典范。
图14 服务区岛屿拟生建筑设计概念图
Figure14 Conceptual design of simulated architecture of island in service area
5 结论
（1）随着《交通强国建设纲要》《国家综合立体交通网规划纲要》颁布实施，对城镇密集区绿色公路建设提出了新的要求，除了考虑常规的生态保护、污染防治、节能减排、品质提升等内容外，更要高度关注国土空间立体综合利用、公路与自然和谐发展、交通与旅游、新能源融合发展等方面，赋予绿色公路更加丰富的内涵，成为交通行业落实国家生态文明战略的重要抓手。
（2）南中高速以新发展理念为指引，开展了构建城市群绿色公路技术探索实践，初步构建了工业化智能建造、资源综合利用、湿地环境保护与交旅融合设计等 4 类技术体系，尤其是预制梁环形生产线、非标准八车道、防水木桩围蔽保护湿地等首创技术，很好地提高了工程外在形象和内在品质，提升了路域资源的综合利用水平，保护了沿线脆弱的滨海湿地环境，升级了公路基础设施服务能力，充分发挥对旅游产业发展的路衍经济效应。
（3）除了南中高速结合自身项目特点和工程需求所实施的绿色公路创新技术以外，城镇密集区公路绿色建造还可因地制宜地考虑双层高速公路、噪声污染综合防治、服务区污水减污降碳协同增效、高速公路服务设施与城市道路共享共用等先进理念与技术，充实形成城镇密集区绿色公路建设技术体系，为珠三角、长三角、京津冀、成渝经济圈等城市群的绿色公路建设提供经验，助力实现交通行业绿色转型升级发展。
