汶馬高速公路總體設(shè)計(jì)與技術(shù)創(chuàng)新

陳朝暉 何云勇,2 劉 平

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

汶川至馬爾康高速公路地處四川盆地西北邊緣與青藏高原東緣交錯(cuò)接觸帶；起點(diǎn)順接已建成通車的映秀至汶川高速公路，路線沿國(guó)道G317線走廊，途經(jīng)汶川、理縣、馬爾康，止于四川省阿壩藏族羌族自治州州府馬爾康，路線總長(zhǎng)170 km。汶馬高速公路具有“高寒、高海拔、高烈度，地形地質(zhì)條件復(fù)雜”的特點(diǎn)，本文總結(jié)了項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)思路，針對(duì)路線長(zhǎng)大下坡，高烈度地區(qū)橋梁、隧道抗震，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害處治，狹窄地形條件下互通式立交布設(shè)等方面，提出了創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，該成果可供高烈度高山峽谷區(qū)高速公路設(shè)計(jì)參考。

1 項(xiàng)目特點(diǎn)及重難點(diǎn)

汶馬高速公路處于四川盆地與青藏高原東南緣過渡帶的高烈度艱險(xiǎn)山區(qū)，地形狹窄，地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線分布米亞羅斷裂和松崗斷裂，地層巖性以變質(zhì)巖為主，其中汶川至理縣段主要為志留—泥盆系千枚巖、變質(zhì)石英砂巖；理縣至馬爾康段主要為三疊系的變質(zhì)砂巖與板巖互層，夾千枚巖；地震動(dòng)峰值加速度為0.10g～0.20g，地震烈度為7度～8度。項(xiàng)目全線分布崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)災(zāi)害134處，處治難度大。

本項(xiàng)目鷓鴣山至汶川下行方向，存在局部長(zhǎng)大下坡，影響運(yùn)營(yíng)安全。汶馬高速公路橋隧比例高，橋梁占比35%、隧道占比57%，高烈度地震區(qū)橋梁、隧道抗震設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。另外，狹窄地形下互通式立交設(shè)計(jì)、基于地域文化的環(huán)保設(shè)計(jì)等也是本項(xiàng)目的難點(diǎn)。

2 總體設(shè)計(jì)思路

“安全至上”的安全設(shè)計(jì)。采用綜合的地質(zhì)勘察手段，查明沿線重大不良地質(zhì)，繞避(穿越)重大不良地質(zhì)災(zāi)害。采用運(yùn)行速度的設(shè)計(jì)方法動(dòng)態(tài)配置技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到路段內(nèi)運(yùn)行速度的均衡、協(xié)調(diào)，確保行車安全。采用加寬下坡側(cè)硬路肩并調(diào)整路肩的路面形式，建立積雪冰凍的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)等，保障冰雪下坡路段行車安全。

“全壽命周期成本”的經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)。結(jié)合項(xiàng)目的建設(shè)條件，合理運(yùn)用技術(shù)指標(biāo)，對(duì)汶川樞紐互通、獅子坪隧道、鷓鴣山隧道以及理縣、米亞羅等城鎮(zhèn)過境路段，進(jìn)行多層次精細(xì)化方案比選，降低建設(shè)規(guī)模、減小實(shí)施難度、控制工程造價(jià)是關(guān)鍵。

“保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源”的生態(tài)設(shè)計(jì)。通過合理運(yùn)用技術(shù)指標(biāo)、路線方案優(yōu)選、分項(xiàng)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)等，最大限度地保護(hù)環(huán)境，避免或減少挖方、棄方及棄渣規(guī)模；合理布設(shè)棄土、棄渣場(chǎng)地，保護(hù)沿線環(huán)境、維護(hù)沿線生態(tài)；充分利用暴雨流量較小的平緩支溝合理進(jìn)行高填路堤設(shè)計(jì)，利用平緩地形填筑加寬路基兼作為臨時(shí)停車區(qū)或應(yīng)急避難場(chǎng)，利用隧道出渣作為自采筑路材料，盡量消化路基棄方及隧道出渣。

以精細(xì)化為手段的“新技術(shù)新方法”創(chuàng)新設(shè)計(jì)。采取“空—地”一體的綜合勘察方法，以收集區(qū)域地質(zhì)資料和外業(yè)地調(diào)測(cè)繪為主，輔以必要的鉆探、物探和坑槽探工作，掌握沿線的地質(zhì)災(zāi)害情況，開展多層次精細(xì)化的方案比選，運(yùn)用成熟措施治理一般災(zāi)害，創(chuàng)新的檔防結(jié)構(gòu)治理高位崩塌，提高道路的防災(zāi)減災(zāi)能力，實(shí)現(xiàn)生命線“避風(fēng)險(xiǎn)、保安全、降造價(jià)”的建設(shè)目標(biāo)。

3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新

3.1 長(zhǎng)大下坡路段運(yùn)營(yíng)安全設(shè)計(jì)對(duì)策

路線縱面高程從汶川1 320 m上升到鷓鴣山3 226 m，高差大，海拔高。受高山分割影響，沿線氣候條件差異大，面臨長(zhǎng)大下坡影響高速公路運(yùn)營(yíng)安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

路線縱面設(shè)計(jì)首先合理選定鷓鴣山越嶺隧道的進(jìn)出口高程，降低高差。其次變長(zhǎng)大連續(xù)下坡為非連續(xù)下坡，縱斷面在獅子坪隧道設(shè)計(jì)插入3 km以上的緩坡或反坡進(jìn)行分段，實(shí)現(xiàn)非連續(xù)化下坡，從而提高行車的安全性。第三，以服務(wù)區(qū)或停車區(qū)進(jìn)行分段，實(shí)現(xiàn)非連續(xù)化下坡。在長(zhǎng)下坡路段設(shè)置服務(wù)區(qū)、停車區(qū)，為大貨車試剎車、治超標(biāo)檢測(cè)、加水降溫以及疲勞駕駛休息提供場(chǎng)地條件，必要時(shí)可強(qiáng)制載重大貨車進(jìn)入服務(wù)區(qū)或停車區(qū)檢查休息，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)區(qū)或停車區(qū)將連續(xù)長(zhǎng)下坡變?yōu)榉沁B續(xù)化，并輔以剎車失靈緊急撤離車道，使長(zhǎng)下坡路段運(yùn)營(yíng)中各種不安全因素得到有效控制。第四，增加下行車道數(shù)，在獅子坪隧道進(jìn)口端停車區(qū)外，利用硬路肩，并加寬1.25 m，使下坡方向增加一個(gè)車道，由兩車道變?yōu)槿嚨?，以較小的工程規(guī)模，增加一條車道，冬季可讓大貨車靠最右側(cè)分段分道行駛[1]。第五，加強(qiáng)交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)，達(dá)到提高營(yíng)運(yùn)安全的目的。

3.2 典型地質(zhì)災(zāi)害防治創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1)滑坡處治。

汶馬高速公路工程地質(zhì)條件復(fù)雜，高原高寒施工環(huán)境惡劣，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了H形圓形截面抗滑樁，提升圓形抗滑樁抗彎能力，采用機(jī)械成孔，降低了施工難度，節(jié)約了施工工期，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。如圖1所示，H形圓形截面抗滑樁在汶馬高速克枯滑坡、維關(guān)滑坡、GZK99+438～GZK99+531斜坡高填路堤等工點(diǎn)得到了推廣和應(yīng)用，效果良好。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)的抗滑樁錨索框架梁剛?cè)峤M合支護(hù)結(jié)構(gòu)，將剛性抗滑樁和柔性錨索有效結(jié)合，減小了抗滑樁的樁長(zhǎng)及截面，提高了抗滑樁的適用性及作用效果。如薛城互通C匝道右側(cè)高邊坡處治。

2)泥石流處治。

基于泥石流活動(dòng)與分布規(guī)律進(jìn)行選線，針對(duì)山區(qū)道路泥石流成災(zāi)特點(diǎn)，提出了道路泥石流治理模式，設(shè)計(jì)采用了泥石流翼型墩匯流結(jié)構(gòu)、速排結(jié)構(gòu)、消能結(jié)構(gòu)等方式，在彭家河壩泥石流進(jìn)行成功運(yùn)用。如圖2所示，彭家河壩泥石流溝采用明洞+抗滑樁+排導(dǎo)槽+臨河樁基托梁擋墻+頂沖護(hù)岸結(jié)合標(biāo)示標(biāo)牌等綜合處治，取得良好的效果。

3)高位崩塌危巖處治。

創(chuàng)新提出了一種復(fù)雜山區(qū)橋隧連接結(jié)構(gòu)，包括防落石高填明洞、明洞回填土石、EPS、輪胎緩沖層、黏土隔水層等緩沖層。如圖3所示，桑坪隧道進(jìn)口邊仰坡陡峻，危巖發(fā)育，防落石高填明洞提高了抗災(zāi)能力。

為降低落石對(duì)行車影響，設(shè)計(jì)整幅路基的牽手式防落石柔性鋼棚洞。如圖4所示，該防護(hù)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)交錯(cuò)布置的防護(hù)棚、基座組及減振單元，通過共同作用抵抗危巖落石的威脅。汶馬高速公路K59+800～K60+400右側(cè)危巖處治設(shè)計(jì)，采用了該種防護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道連拱明洞相接，減小危巖落石對(duì)行車的威脅，效果良好[2]。

3.3 橋梁創(chuàng)新設(shè)計(jì)

針對(duì)高烈度、高海拔地區(qū)復(fù)雜條件下的互通橋梁設(shè)計(jì)難題，同時(shí)原創(chuàng)研發(fā)和采用了多種鋼結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)，通過結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化與設(shè)計(jì)創(chuàng)新，提高橋梁施工效率、抗災(zāi)能力，降低工程造價(jià)。汶川克枯大橋位于汶川縣境內(nèi)，是汶馬高速的重要工點(diǎn)，距離龍門山活動(dòng)斷裂帶約4 km，50年超越概率2%的地震動(dòng)峰值加速度達(dá)0.35g。設(shè)計(jì)上，該橋從結(jié)構(gòu)、材料、體系三個(gè)不同維度，提出抗震技術(shù)的成套解決方案，共同提升了橋梁的抗震能力。采用的高強(qiáng)輕質(zhì)鋼管混凝土橋梁，與預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋比較，減少混凝土用量55%；與鋼結(jié)構(gòu)橋梁比較，減少鋼材用量38%，節(jié)約了資源，保護(hù)了環(huán)境。

橋梁抗震設(shè)計(jì)提出“中震可修、大震不倒”的思路，支座采用鉛芯、高阻尼等新型耗能支座；上部構(gòu)造輕型化、防止落梁措施、長(zhǎng)橋變短橋等新理念、新思路[3-6]。

為進(jìn)一步探索藏區(qū)在復(fù)雜山區(qū)地形、惡劣氣候、生態(tài)脆弱、高烈度地震、材料、人工成本逐年增加等建設(shè)條件下的適宜中小跨徑橋型結(jié)構(gòu)，汶川克枯、下莊特大橋根據(jù)橋位建設(shè)條件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)論證，確定主梁、橋墩采用鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)。

3.4 隧道創(chuàng)新設(shè)計(jì)

采用“預(yù)留加固空間、消能層設(shè)計(jì)、小段澆筑”的結(jié)構(gòu)型式穿越活動(dòng)斷裂技術(shù)。汶川1號(hào)隧道有茂汶斷裂的西支(F1)在隧道洞身段通過，該斷裂具備全新世活動(dòng)性，屬逆斷兼右旋走滑性質(zhì)，平均滑動(dòng)速率為：水平0.9 mm/年～1.1 mm/年，垂直0.9 mm/年～1.1 mm/年。根據(jù)其百年位移量，對(duì)活動(dòng)斷裂180 m段落采用“預(yù)留加固空間、消能層設(shè)計(jì)、小段澆筑”的結(jié)構(gòu)型式。內(nèi)空斷面整體擴(kuò)大40 cm，采用雙層鋼筋混凝土二次襯砌，在兩層二次襯砌之間設(shè)置25 cm厚泡沫混凝土作為消能隔離層，分小段(9 m一模)澆筑二次襯砌并設(shè)置5 cm寬的減震縫。

巧借國(guó)道架便橋，永臨結(jié)合建通道，“長(zhǎng)隧短打”保工期。獅子坪隧道是汶馬高速公路控制性工程之一，長(zhǎng)13.1 km，埋深1 300 m，進(jìn)口海拔為2 500 m，出口海拔為2 600 m，為省內(nèi)最長(zhǎng)、通風(fēng)規(guī)模最大的高海拔隧道。該隧道山體渾厚，坡體無(wú)深切溝谷，且海拔高，無(wú)法設(shè)置斜井及豎井。從洞口施工，需要的工期超長(zhǎng)。為解決中間段施工通道橫跨獅子坪水庫(kù)的問題，設(shè)計(jì)修建了一座90 m的隧道及長(zhǎng)353 m的索道橋作為施工便橋，該索道橋?yàn)閬喼拮铋L(zhǎng)；設(shè)置了3處通風(fēng)橫洞，分別長(zhǎng)2.4 km，1.5 km，1.6 km，將這個(gè)隧道分成3.3 km，3.0 km，4.5 km及2.3 km共四段。設(shè)計(jì)時(shí)按照“長(zhǎng)隧短打”的指導(dǎo)思想，3個(gè)通風(fēng)橫洞貫通后均參與主線隧道施工。相較于只由主線隧道進(jìn)出口進(jìn)行施工，節(jié)約工期3年。

設(shè)置多功能交通轉(zhuǎn)換帶，“長(zhǎng)隧短運(yùn)”安全防災(zāi)與養(yǎng)護(hù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。為改善超特長(zhǎng)隧道防災(zāi)救援與維修的交通轉(zhuǎn)換條件，在洞內(nèi)設(shè)置了2處交通轉(zhuǎn)換帶。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生交通事故或需檢修封道時(shí)，通過交通轉(zhuǎn)換帶，大大降低了對(duì)向車輛行駛的距離，提升了交通安全系數(shù)。

3.5 互通式立交創(chuàng)新設(shè)計(jì)

汶川至馬爾康高速公路針對(duì)地形地質(zhì)所限造成沿線服務(wù)管理設(shè)施布設(shè)場(chǎng)地困難，創(chuàng)新互通與服務(wù)管理設(shè)施的填方綜合體設(shè)置技術(shù)，在保障合理交通組織的基礎(chǔ)上，充分利用互通區(qū)較好的場(chǎng)地條件、匝道間空地，綜合布設(shè)服務(wù)及管理設(shè)施，自造和集約用地，滿足沿線服務(wù)設(shè)施和立交的布設(shè)。

3.6 藏羌風(fēng)情景觀創(chuàng)新設(shè)計(jì)

構(gòu)建一條藏羌文化風(fēng)情生態(tài)走廊，建設(shè)“原上珠鏈、美麗高速”。讓駕乘人員在汶馬高速全程既能欣賞到民族與現(xiàn)代元素撞擊的色彩之美，混凝土樸實(shí)無(wú)華、自然沉穩(wěn)的莊重之美，又能感受到獨(dú)特絕美的自然風(fēng)光和羌藏文化的魅力，讓人們?cè)谶@條蜿蜒盤旋的“云上高速”上獲得獨(dú)特的藝術(shù)享受[7]。

提出基于地域文化基因的景觀創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如圖5所示，在古城隧道內(nèi)繪制一幅初夏317線的畫卷，通過洗墻燈色彩渲染，營(yíng)造走向的曙光意境，提升隧道通行的安全性和舒適性。

如圖6所示，獅子坪隧道進(jìn)口段以明亮的燈光投射在秋林水墨畫上，駕乘人員不至于枯燥乏味而疲勞，最重要的是特殊的光影段把13 km特長(zhǎng)隧道分成了5個(gè)不同的部分，從深秋到寒冬，使駕乘感覺在相對(duì)短的隧道穿行。

4 結(jié)語(yǔ)

汶川至馬爾康高速公路地形狹窄、地質(zhì)條件復(fù)雜，項(xiàng)目建設(shè)面臨路線長(zhǎng)大下坡，地質(zhì)災(zāi)害處治難度大，橋隧比例高，抗震設(shè)防要求高等諸多難題。本文從項(xiàng)目重難點(diǎn)切入，總結(jié)了總體設(shè)計(jì)原則，提出了長(zhǎng)大下坡安全運(yùn)營(yíng)設(shè)計(jì)對(duì)策，創(chuàng)新了崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害處治設(shè)計(jì)方法，研究了橋梁、隧道抗震設(shè)計(jì)措施，提出了基于地域文化基因的景觀設(shè)計(jì)理念，研究成果可供高烈度高山峽谷區(qū)高山公路設(shè)計(jì)參考。