山區(qū)高速公路總體設(shè)計與工程實踐

馮心宜

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司，廣州 510507)

0 引言

至2020年底，廣東省高速公路通車總里程已突破1萬km，特別是粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)的高速公路密度已在世界各大城市群中居于前列。根據(jù)廣東省最新的高速公路網(wǎng)規(guī)劃，尚有近5 000km高速公路有待建設(shè)。未來廣東的新建高速公路，多位于粵東西北等山區(qū)，而粵東西北山區(qū)地形地貌條件變化較大，地質(zhì)條件復(fù)雜，新建高速公路往往橋隧比例較高，設(shè)計實施難度大，對總體設(shè)計方案的合理性提出了更高的要求。

1 路線總體的多方案比選

多方案比選是山區(qū)高速公路總體設(shè)計的精髓。特別是在項目初步設(shè)計階段，應(yīng)針對路線區(qū)域的自然生態(tài)環(huán)境、地形、地質(zhì)等條件，按擬定的控制點由面到帶、由帶到線、由淺入深、由整體到局部進(jìn)行比較、優(yōu)化和論證。本文以某高速公路項目為例進(jìn)行比選說明。

1.1 路線方案布設(shè)概況

某項目路線長61.484km，初步設(shè)計階段對總體路線進(jìn)行了多方案充分比選，擬定了貫通線K線、以及局部比較的C1～C10線等共11個路線方案，所研究的路線方案總長度為推薦路線方案的近三倍。同時作為山區(qū)高速公路，路線方案的比選應(yīng)充分考慮項目的工程地質(zhì)條件、技術(shù)指標(biāo)、路線安全性等因素，而不局限于工程規(guī)模的比選。

1.2 典型路線方案比選

K線與C8線方案是項目在穿越山脈路段的隧道方案比選線路，其中C8線長14.95km，對應(yīng)K線長14.563km。初步設(shè)計階段通過大范圍地質(zhì)調(diào)繪、物探以及地質(zhì)鉆探等綜合勘察手段，初步摸清了兩個方案的主要工程地質(zhì)條件，對比情況見表1。

表1 K線與C8線主要工程地質(zhì)條件對比

同時，由于本路段路線方案均屬于越嶺線，K線路線短、高差大，且隧道洞口高程較C8線隧道洞口高出約30m，導(dǎo)致K線平均縱坡較大。本路段C8線平均縱坡1.77%、坡長為6 550m，而對應(yīng)的K線平均縱坡2.22%、坡長為6 300m。C8線線形指標(biāo)安全性優(yōu)于K線。

兩個方案的主要工程規(guī)模對比見表2。

表2 K線與C8線主要工程規(guī)模比較

經(jīng)綜合比較，C8線方案雖隧道長度較相對應(yīng)的K線長1 536m，且存在一處特長隧道，工程造價較K線高4 216.87萬元，但C8線工程地質(zhì)條件好，路線安全性等方面均優(yōu)于K線，因此初步設(shè)計階段以隧道長、造價高的C8線作為本路段的推薦方案。

1.3 建設(shè)期及運營期的現(xiàn)場驗證

在項目施工圖設(shè)計階段，通過對C8線進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察，印證了初步設(shè)計階段推薦結(jié)論的合理性。C8線特長隧道方案地質(zhì)條件良好，II級圍巖長度約占隧道總長的70%；同時良好的隧道圍巖條件，不僅保證了施工進(jìn)度、節(jié)省了工程造價，更是為施工質(zhì)量及施工安全提供了充分的保障。該特長隧道從開工至貫通僅歷時20個月，施工進(jìn)度快，施工質(zhì)量、安全、造價等均可控，還獲得國家優(yōu)質(zhì)工程獎。

本路段通車運營后，由于縱坡相對較平緩，路線技術(shù)指標(biāo)相對較高，因此運營安全性良好，大型車輛的通行也較為順暢。

2 路線平縱橫協(xié)同設(shè)計

2.1 路線平縱橫協(xié)同設(shè)計的提出及應(yīng)用

早期山區(qū)高速公路項目施工圖階段的路線設(shè)計，一般均采用1:2 000地形圖進(jìn)行紙上定線，并根據(jù)地形圖上拾取的縱斷面及橫斷面地面線數(shù)據(jù)，綜合研究確定路線線位，再進(jìn)行野外實地縱橫地面線測量，最終提交平縱橫設(shè)計圖紙，并依此開展結(jié)構(gòu)物細(xì)部設(shè)計。但由于1:2 000地形圖精度有限，不能準(zhǔn)確反映橋臺、擋土墻等構(gòu)筑物的實際地形情況，以及陡坎、溝渠等實際地物情況，導(dǎo)致實地測量結(jié)果與地形圖反映結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，紙上確定的總體方案可能欠合理，需要重新調(diào)整線位再重新進(jìn)行地面線測量，不僅反復(fù)工作量大，且難以一次性調(diào)整到位。在現(xiàn)場施工過程中，往往因圖紙與實際地形不吻合造成設(shè)計變更。

為更好地進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計，確?？傮w方案合理，某山區(qū)高速公路項目采用機載激光雷達(dá)掃描技術(shù)進(jìn)行地形測量。通過該技術(shù)能在設(shè)計階段同時獲取影像和點云數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到高清正射影像及數(shù)字高程模型，能夠精確反映地形復(fù)雜地區(qū)的地貌及高程變化情況，消除人工測量誤差。圖1為某橫斷面中點云數(shù)據(jù)拾取的地表水溝示意。

圖1 某橫斷面圖中的地表水溝

通過該新技術(shù)的應(yīng)用，可結(jié)合總體設(shè)計需要，在精確的縱橫地面線數(shù)據(jù)上反復(fù)優(yōu)化調(diào)整路線平面線位，進(jìn)行平縱橫三維協(xié)同的精細(xì)化設(shè)計，使項目總體設(shè)計方案更加合理。

如某項目國道跨線橋橋臺位于陡坡之上(圖2)，通過平縱橫三維協(xié)同的精細(xì)化設(shè)計，可將橋臺位置準(zhǔn)確放置在填挖交界位置(圖3)，避免在陡坡處設(shè)置臺前錐坡，減少了施工期常見的工程變更；同時將橋臺設(shè)置于挖方段，也從根本上減少了運營期由于臺背不均勻沉降引起的橋頭跳車現(xiàn)象。

圖2 某國道跨線橋橋位平面

圖3 某跨線橋橋臺橫斷面

2.2 建設(shè)期及運營期的現(xiàn)場驗證

上述橋臺位置的平縱橫協(xié)同設(shè)計，是該山區(qū)高速公路項目的典型橋臺處理方式。由于平縱橫設(shè)計的精細(xì)化，項目施工期工程變更少，方案性的設(shè)計變更遠(yuǎn)低于全省平均水平，總體勘察設(shè)計質(zhì)量可控。

項目通車運營后，以上橋臺的典型處理方式通過了重載車輛比例高及節(jié)假日交通流量大的檢驗，沿線各橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，橋頭跳車現(xiàn)象少。

3 勘察成果與總體設(shè)計的結(jié)合

山區(qū)高速公路的總體設(shè)計，需充分加強與地質(zhì)勘察成果的結(jié)合，在定線階段，應(yīng)保障地質(zhì)調(diào)繪工作的深度。特別是對于部分挖方邊坡高度小于30m、未定義為高邊坡、未開展專項工點勘察及設(shè)計的路段，這些路段一般地質(zhì)調(diào)繪及鉆探工作相對較薄弱，一旦遇到不良地質(zhì)體，則后續(xù)容易引發(fā)大的設(shè)計變更，由小邊坡演化為大邊坡。

如某項目在設(shè)計階段由于勘察深度不足，未發(fā)現(xiàn)在K4前后路段為煤系地層，因此按常規(guī)路段確定路線方案，設(shè)置了一處三級挖方邊坡。

施工過程中，由于煤系地層邊坡穩(wěn)定性差，導(dǎo)致發(fā)生滑塌(圖5)。根據(jù)本路段的地形條件及總體設(shè)計方案，若在路線定線階段提前掌握地質(zhì)情況，則完全可以將路線往前進(jìn)方向左側(cè)進(jìn)行偏移，將挖方調(diào)整為填方，則可避免開挖此不良地質(zhì)邊坡。

圖4 某項目K4附近路段路線

圖5 某路段煤系地層邊坡滑塌

而另一項目，在K99前后路段，原設(shè)計方案也是采用挖方邊坡通過，但在下階段通過詳細(xì)地質(zhì)調(diào)繪，發(fā)現(xiàn)路線前進(jìn)方向右側(cè)為古滑坡及古堆積體(圖6)，因此將線位往左側(cè)偏移，將挖方路段調(diào)整為填方，同時也起到反壓穩(wěn)定古滑坡體的作用，并順利實施。

圖6 某路段古滑坡及古堆積體

因此,總體選線階段應(yīng)重視地形、地貌分析及調(diào)查，以工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)繪為主，結(jié)合鉆探、物探、挖探等綜合勘察手段，對工程穩(wěn)定性進(jìn)行定性與定量評價，避免漏判。

4 山間軟土路基總體處置方案

與珠江三角洲地區(qū)的深厚軟土不同，廣東省山區(qū)高速公路的軟土地基一般多分布在山間洼地，以淺層軟土為主，一般采用挖除換填處理。但對于部分多年水塘路段，也可能存在部分深厚軟土，須采用復(fù)合地基處理。而山間軟土路基的總體處置方案，比起沉降控制，穩(wěn)定性的分析更應(yīng)引起關(guān)注。穩(wěn)定性控制主要體現(xiàn)在兩方面：一是山間陡坡路基路側(cè)存在臨空面。山間溝谷多有魚塘，而當(dāng)路基征地范圍未完全覆蓋整個魚塘范圍，且路基填土較高時，應(yīng)在總體設(shè)計階段，盡可能同步對魚塘做填平處理，增加用地設(shè)置反壓護(hù)道，消除臨空面。二是復(fù)合地基的樁長控制，若采用剛性樁方案，樁體應(yīng)盡可能多地打入持力層，否則在陡坡路段隨著地下水的流動、加載導(dǎo)致的土體變形，極易影響樁體垂直度，從而引發(fā)復(fù)合地基整體失效。

如某項目在山間洼地設(shè)置有三級高填方邊坡，路線左側(cè)填土未完全覆蓋路側(cè)較深魚塘，也未在總體設(shè)計中將外側(cè)魚塘納入項目征地范圍(圖7)。

圖7 某山區(qū)魚塘路段的高填方路基

本路段軟土路基采用素混凝土樁復(fù)合地基處理，樁底持力層為硬塑狀粉質(zhì)粘土層。而在路基即將填筑至設(shè)計標(biāo)高時，由于持續(xù)幾天的強降雨，山間地下水在橫坡作用下的流動，導(dǎo)致本路段復(fù)合地基持力層軟化，引起了路基垮塌(圖8)。

圖8 某路段軟土路基總體設(shè)計方案不當(dāng)引起垮塌

本路段的設(shè)計變更方案，一是對路線左側(cè)魚塘進(jìn)行了補征地，并且通過棄土填平，消除了路側(cè)臨空面，也對既有路基起到反壓護(hù)道的作用；二是通過打設(shè)管樁，增加樁長至原粉質(zhì)粘土層下方的全風(fēng)化層，確保了復(fù)合地基的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

合理的總體設(shè)計對山區(qū)高速公路的建設(shè)起著重要作用，因此在設(shè)計過程中，不僅應(yīng)加強路線的多方案比選，更要重視路線的精細(xì)化設(shè)計。作為總體設(shè)計人員，還應(yīng)熟練掌握項目的總體地質(zhì)情況，充分利用地質(zhì)勘察成果，在總體設(shè)計中提前繞避不良地質(zhì)路段；對于無法繞避的路段，應(yīng)在路線平縱設(shè)計、橫斷面填筑及用地寬度處理等方面，論證合理的總體處置方案，確保工程項目的順利實施。