基于全生命周期的高速公路設計優(yōu)化探索

李振珂 王汝波 熊和 郭璞

關鍵詞 全生命周期;高速公路;設計優(yōu)化

中圖分類號 U412.366 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）04-0034-04

0 引言

進入21世紀以來，我國公路建設事業(yè)發(fā)展迅速，截至2018年底，我國公路總里程將近484.65萬km，其中高速公路14.26萬km。根據(jù)國家出臺的《國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013—2030年）》，要進一步加強區(qū)級聯(lián)系，豐富完善高速公路路網(wǎng)，提高通道水平，規(guī)劃遠期展望線約1.8萬km?！肮方ㄔO，設計先行”，加強設計創(chuàng)新、注重全生命周期設計、關注綠色公路設計、設計與施工深入融合設計等高速公路新的設計理念不斷發(fā)展，極大地推動了高速公路設計創(chuàng)新，促進了高速公路設計的整體效應、關聯(lián)效應。高速公路設計專業(yè)多、路線長，需要加強統(tǒng)籌規(guī)劃，注重全生命周期設計，加強優(yōu)化設計。

1 路線優(yōu)化設計

路線是高速公路的骨架也將直接影響整個公路的設計方案[1]。合理選定路線方案就是在確保安全、舒適、快速行車的基礎上，深入調(diào)查路線所經(jīng)過路段地形地貌、氣候條件、水文地質(zhì)等自然情況，在充分考慮工程造價的情況下，提升技術指標，并盡可能使路線短捷[2]。

1.1 平面線形設計

（1）基于全生命周期及減碳排放的設計理念，盡量選擇路線較短的方案，減少建設期工程量、運營的養(yǎng)護里程、車輛碳排放。高速公路平面線形的優(yōu)化還需與沿線城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的既有規(guī)劃結(jié)合，加強設計優(yōu)化與周圍景觀的協(xié)調(diào)設計，充分發(fā)揮公路的社會服務效益。

（2）平面線形應綜合考慮項目地形、周圍景觀、當?shù)丨h(huán)境等進行設計，高速公路一旦存在轉(zhuǎn)角，必須設置平曲線，半徑最大不應高于10 000 m，控制在9 000 m以內(nèi)為宜。

1.2 縱斷面設計

高速公路縱斷面設計是一個系統(tǒng)性工程，關乎路基填土高度、橋梁、互通規(guī)模等全局設計，應控制縱斷面變坡點與高程控制點重合，得到科學的、合適的高速公路縱斷面。

（1）縱坡是決定橋梁規(guī)模的主要因素，在滿足橋下凈空、通航、防洪等需求及相關規(guī)范的情況下，應盡可能采取較大縱坡，縮短坡長，提高臺背填土厚度，減少橋梁跨徑。橋頭縱坡應控制在2%～3%的范圍之內(nèi)，縱坡超過2.5%時，坡長不宜超過1 000 m。

（2）綜合考慮排水要求，通道、涵洞應盡可能降低標高，如果條件允許，可以適當下挖交叉道路，降低標高，一般平原地區(qū)通道底標高控制在超出地面0.2～0.3 m左右。對于被交路上跨主線的分離式立交，在滿足路基強度及穩(wěn)定性的前提下，應盡可能地降低路基高度。

1.3 路線優(yōu)化案例

某高速公路原線路方案路線于六漢溝河谷中部布線，向西設豐厚隧道穿山，隧道出口附近靠山布線，路線長度3.0 km。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研進行優(yōu)化設計，現(xiàn)右移平面35 m，于六漢溝河谷偏北側(cè)布線，向西設豐厚隧道穿山后線位右移25 m，減少隧道偏壓段長度，路線長度3.0 km，原方案與優(yōu)化方案對比情況如表1所示。

2 路基路面及排水設計

2.1 路基優(yōu)化設計

路基應綜合考慮沿線的氣候條件、地形、地質(zhì)情況、路基填料情況以及施工的便利性等分段進行方案設計。

不同的地質(zhì)條件、材料供應情況、施工條件等分段進行方案設計。

（1）應加強軟土路基處治方案優(yōu)化。當采用水泥攪拌樁處理軟土路基時，橋頭段樁間距宜為1.1～1.3 m，過渡段宜為1.3～1.6 m;當應用超載預壓方式處治軟土路基時，不同處治方案的交接長度宜為10～20 m，避免不均勻沉降引起的裂縫。

（2）在填塘路段、新老路基拼接路段，可采用土工格柵處治，但要根據(jù)具體情況進行設計，比如填塘路段，當填至近原地面時，可以鋪設1～2兩層的雙向土工格柵防止不均勻沉降;新老路基交界處填土高度大于3 m，填土時，可先布置2～3層單向土工格柵，再進行填土。

（3）高速公路路床、路基填料的摻料應根據(jù)土質(zhì)類別及實驗確定，而不是統(tǒng)一采用摻灰處治。路床80 cm內(nèi)的填料摻灰比例宜為5%～7%，路基中部填料的摻灰比例應控制在5%以內(nèi)。粘性土可摻適量水泥，降低摻灰比例，可以節(jié)約一定的造價。

2.2 路面優(yōu)化設計

路面應統(tǒng)籌考慮氣候條件、筑路材料、交通量、交通荷載等情況進行路面結(jié)構(gòu)層、厚度、使用壽命等優(yōu)化設計?？偟膩碚f，在所有的優(yōu)化設計方案中，一定要全面解決重載交通車輛的問題，消除早期水損害的影響。通過層層的優(yōu)化設計，合理配比混合料，從而更好地服務于后期的施工質(zhì)量[3]。

（1）路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，應從路面的抗車轍、水穩(wěn)定性、抗反射裂縫等方面進行優(yōu)化設計，應開展半剛性基層、混合式基層探索應用。

（2）加強路面材料研究，進一步提高材料參數(shù)測試質(zhì)量，提升環(huán)保型材料的應用水平。比如在立交匝道上通過橡膠粉瀝青路面的使用具有低碳環(huán)保、減少變形和抗疲勞開裂等諸多優(yōu)勢，能科學合理地減少路面出現(xiàn)的噪聲[4]。鋼渣瀝青混凝土、PE改性瀝青混凝土等環(huán)保型路面材料的應用，可以有效保護生態(tài)環(huán)境。

2.3 排水優(yōu)化設計

2.3.1 邊溝優(yōu)化設計

高速公路設計通常采用梯形邊溝，尺寸一般為底部寬為60 cm，上口寬為180 cm，一般能夠承受路面400 m的排水長度，對于平原地區(qū)或丘陵地區(qū)不適合，設計過于保守，且公路邊溝過寬影響高速公路的美觀。

根據(jù)相關規(guī)范，結(jié)合實際工作經(jīng)驗，一般地區(qū)高速公路，雙向四車道的梯形邊溝上口寬度不宜大于1.2 m;雙向六車道的梯形邊溝上口寬度不宜超過1.5 m;雙向八車道的梯形邊溝上口寬度不宜超過1.8 m。低填方及路塹邊溝采用暗埋邊溝比較合適。

2.3.2 中分帶盲溝

中央帶排水主要是為了排除中分帶表面的下滲水，雨水下滲土中需經(jīng)飽和，且滲水量有限，因此中分帶盲溝尺寸不宜過大。

中央分隔帶盲溝的大小宜在40×30 cm以內(nèi)，橫向過水管的布置應按80～100 m間隔較為合適，可以適當加密橫向過水管的間距，從而減少中央分隔帶盲溝尺寸。雨水量較大的地段可以適當加大中央分隔帶盲溝尺寸和橫向排水溝的間距，雨水量不大的路段可不設置中分帶排水。

3 橋涵設計

3.1 橋梁設計

3.1.1 優(yōu)化橋梁建筑高度

（1）主線橋梁線形應與路線布設相互協(xié)調(diào)，在被交路或者河流地方，可以適當改移，從而降低橋梁的交角及跨徑。

（2）對于既有的被交路是二級及以下的公路時，宜在中分帶設置橋墩，降低主線高速公路橋梁的跨徑及建筑高度。

（3）橋梁全長不大于120 m時，應優(yōu)先考慮采用先張法預應力混凝土簡支空心板，從而減小橋梁的建筑高度和橋長。

3.1.2 主梁設計

（1）為保障混凝土的施工質(zhì)量，現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的主筋布置間距應加以控制，一般不宜大于9 cm。不然應適當增大結(jié)構(gòu)尺寸或提高主筋的強度等級以保障受力。

（2）對于現(xiàn)澆預應力梁，當鋼束的張拉長度大于125 m時，應合理分段進行澆筑和張拉，宜將平均預應力損失控制在25%之內(nèi)。

（3）當一聯(lián)全部采用獨柱墩時，為保障橋梁的橫向穩(wěn)定性，聯(lián)長應控制在125 m。

（4）為減少造價和保障工期，盡量采用結(jié)構(gòu)形式較為簡單的橋梁。

3.1.3 下部結(jié)構(gòu)設計

（1）隨著六車道、八車道等多車道高速公路的建設增多，其同跨徑的墩臺受力情況與四車道相比有明顯改變，應重視承臺的優(yōu)化設計，確保安全。

（2）主線橋梁基礎應優(yōu)先考慮采用鉆孔樁，支線橋梁應根據(jù)地質(zhì)情況采用樁基礎或擴大基礎，從而控制投資。

3.2 涵洞設計

（1）在滿足設計相關規(guī)范和過洪要求的情況下，應優(yōu)先考慮采用管涵。

（2）為便于河溝清淤，涵底標高宜設在原河溝底標高下0.3 m。

（3）無壓涵洞內(nèi)定點至最高流水面的凈高不僅要滿足相關的規(guī)范規(guī)定，同時不宜小于1 m。

3.3 橋梁優(yōu)化案例

某橋梁上跨西江河，橋位處設計洪水位為17.86 m，最高通航水位15.81 m，最低水位1.0 m，常水位時河面寬700 m，現(xiàn)為Ⅱ級航道，通航3 000 t級船舶，規(guī)劃為內(nèi)河Ⅰ級航道。原設計方案為主跨采用（70+120+400+120+70）m斜拉橋，上報估算建安費10.35億元。為確保該橋結(jié)構(gòu)的安全性和合規(guī)性，尋求最佳優(yōu)化設計成果，控制投資規(guī)模，盡可能減少或避免該項目在施工和建成運營過程中因設計方案不當造成的工程變更和工程隱患，經(jīng)研究，主梁橋梁上部構(gòu)造采用變截面預應力混凝土箱梁，按全預應力構(gòu)件設計，設置縱、橫、豎三向預應力體系。箱梁主跨190 m，邊跨110 m，優(yōu)化方案為（110+2×190+110）m剛構(gòu)橋，造價為7.747 3億元。通過優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)形式節(jié)約造價約2.6億元，并且大大縮短了工期，極大地保障了投資收益。

4 隧道工程

4.1 隧道優(yōu)化

（1）加強隧道洞口優(yōu)化設計，選擇合適的洞門形式，盡量避免對隧道洞口原地面邊坡的破壞，保護自然環(huán)境。

（2）加強隧道圍巖勘探，明確圍巖級別，確定合適的支護方式。

（3）隧道照明要采用新的照明方式及控制方式，當前宜采用無極調(diào)光的LED照明。

4.2 隧道優(yōu)化案例

某高速有兩條中長隧道，長度分別為470 m、570 m，隧道照明原設計方案采用回路控制、高壓鈉燈的傳統(tǒng)照明方式，經(jīng)研究，決定采用新型的照明方式，即改用無極調(diào)光的LED照明方式，同時增加交通量、亮度等實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道智能調(diào)光，經(jīng)測算兩條隧道采用新型照明方式后，每月節(jié)約電費額度可觀，具體如表2所示。

5.1 分離式立交

上跨高速公路橋梁對高速公路的景觀影響較大，總體上要做到結(jié)合周圍環(huán)境，協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

（1）上跨結(jié)構(gòu)的地面要有良好的整體性，避免產(chǎn)生突然彎折。

（2）視距范圍內(nèi)的上跨高速公路橋梁的錐坡和護坡防護形式要結(jié)合地形放緩，同時輔以植物防護，形成良好的視覺效果。

5.2 互通式立交

應適當?shù)亟档突ネㄔ训赖脑O計時速，減小規(guī)模。

（1）樞紐互通的匝道設計速度應控制在40～60 km/h之間。

（2）當匝道采用的設計時速較低，應適當增加減速車道長度或者設置震蕩帶降低行駛速度，保障安全。

（3）當轉(zhuǎn)向交通量不大于1 500 pcu/h，雙車道匝道采用單匝道出入口設計時，可不設置輔助車道。

（4）當用地受到限制時，可以采用菱形或者半苜蓿葉型控制互通規(guī)模。

5.3 互通方案優(yōu)化

某互通方案位于八渡鄉(xiāng)福達村東側(cè)，該互通主要服務于八渡鄉(xiāng)及附近車輛上下該項目，發(fā)揮項目對沿線經(jīng)濟的帶動作用。經(jīng)研究，對互通方案進行了優(yōu)化設計，減少了匝道長度和土方量，從而減小了互通規(guī)模，具體技術指標對比如表3所示。

6 服務區(qū)設計

應加強高速公路服務區(qū)設計，與主體工程同步設計，綜合考慮，避免服務區(qū)設置不合理。

（2）現(xiàn)有的服務區(qū)，雙邊式占98%左右，單邊式和跨線式設計還較少。為確保投資收益，在高速公路設計中，應考慮單邊式，可以減少征地，節(jié)約設施，減少運營期的管理人員數(shù)量，提高管理效率。

（3）服務區(qū)內(nèi)各功能性設施應盡量圍繞停車場布設，避免“長蛇陣”和“滿天星”現(xiàn)象。

7 結(jié)語

高速公路設計要基于全生命周期及降低碳排放的設計理念，綜合考慮路線、路基路面、橋涵等多個專業(yè)的優(yōu)化設計，主要優(yōu)化方向如下：

（1）路線布設應降低長大縱坡路段行車危險性、降低采空區(qū)結(jié)構(gòu)工程風險;注意降低填土高度、減少挖方高度，不斷優(yōu)化平、縱設計，以減少工程造價。

（2）充分考慮棄方占地、壓實、防護、排水工程與高填路基的工程要求，在確保壓實并補充輔助壓實的前提下，可采用高填路基。盡量降低挖方路基的邊坡高度，對不穩(wěn)定邊坡區(qū)段，采取技術措施降低邊坡高度。

（3）原則上應采用部頒標準圖或地方標準化設計通用圖，合理選擇橋型方案和施工方案，降低工程造價和難度，減少對地方的干擾。

（4）隧道洞口位置的確定遵循“早進洞、晚出洞”的原則，盡量減小洞口邊坡、仰坡的開挖高度，保證山體的穩(wěn)定;隧道進行專門的防排水設計，遵循“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，對地表水、地下水采取妥善的處理，使洞內(nèi)外形成一個完整、暢通的防排水系統(tǒng)。

（5）互通式立交形式的選擇應根據(jù)互通功能要求和預測交通量分布情況，綜合考慮地方規(guī)劃、現(xiàn)場條件、投資成本、經(jīng)濟效益、美學效果和遠期發(fā)展等因素進行優(yōu)化。

高速公路設計要著眼長遠發(fā)展，科學地“適度提前”，引進預留發(fā)展空間設計，從而實現(xiàn)高速公路建設的最大社會效益、服務效益和經(jīng)濟效益。

參考文獻

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