高寒高海拔高烈度地區(qū)高速公路總體設(shè)計(jì)研究*

文麗娜， 王萬(wàn)江， 何健杰， 柯勇

(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)

雅葉(雅安—葉城)高速公路康定過(guò)境段起點(diǎn)與雅康(雅安—康定)高速公路相接，終點(diǎn)與康定至新都橋高速公路順接。該項(xiàng)目里程不長(zhǎng)，但建設(shè)條件復(fù)雜，面臨5個(gè)“極其”(極其復(fù)雜的地形、極其復(fù)雜的地質(zhì)、極其復(fù)雜的氣候、極其脆弱的生態(tài)條件和極其復(fù)雜的建設(shè)管理)的建設(shè)條件，項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)需考慮的因素多，取舍困難。

1 項(xiàng)目建設(shè)條件

該項(xiàng)目工程可行性研究推薦線長(zhǎng)17.1 km，其中橋梁4座、長(zhǎng)990 m，隧道3座、長(zhǎng)15 015 m。設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度25.5 m。按四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 雅葉高速公路康定過(guò)境段的主要技術(shù)指標(biāo)

項(xiàng)目地處高山峽谷區(qū)，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，地震烈度高；受城市規(guī)劃干擾大；屬于長(zhǎng)大縱坡運(yùn)營(yíng)路段；特長(zhǎng)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)大；位于貢嘎山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)附近，環(huán)境保護(hù)壓力大。

1.1 地形地貌

該項(xiàng)目位于康定市附近南北向的雅拉河和東西向的折多河谷內(nèi)，地形南高北低，最高山峰高度大于5 000 m，山谷相對(duì)高差1 000～3 000 m，河谷寬度100～250 m，為典型的高山峽谷區(qū)。

路線起點(diǎn)升航至終點(diǎn)榆林直線距離約10.5 km，高差約430 m，為連續(xù)上坡路段。項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)主要為高山峽谷地貌，高山區(qū)地面橫坡以25°～45°為主，覆蓋層較厚。路線起點(diǎn)附近存在大量巖堆體，路線中部穿越一處巨厚大型崩坡積體。起點(diǎn)地形見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目起點(diǎn)地形

1.2 地質(zhì)條件

該項(xiàng)目位于松潘—甘孜造山帶和揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)大地構(gòu)造單元之間，區(qū)內(nèi)主要區(qū)域性斷裂構(gòu)造為鮮水河斷裂帶。該斷裂帶為北北西向斷裂構(gòu)造帶，是馬爾康地向斜與爐霍地背斜、雅江地向斜的分界斷裂帶，也是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈活動(dòng)帶和活動(dòng)地塊分界斷裂帶(見(jiàn)圖2)，為四川省活動(dòng)最強(qiáng)烈的活動(dòng)斷裂帶。

1為板塊縫合線；2為逆沖斷裂；3為平移斷裂；4為次級(jí)大地構(gòu)造單元界線；GWNB代表岡瓦納大陸；QCB代表羌塘—昌都陸塊；SG代表松潘—甘孜造山帶；YZB代表?yè)P(yáng)子陸塊；NB1代表龍門山前陸逆沖楔；NB2代表鹽源前陸逆沖楔；Ⅰ為川中臺(tái)拱；Ⅱ?yàn)榇|陷褶束；Ⅲ為上揚(yáng)子臺(tái)褶帶

路線穿越鮮水河斷裂帶中段3條斷裂，分別為雅拉河斷裂、康定—色拉哈斷裂和折多塘斷裂。3條左旋走滑斷裂呈梭狀排列，近于平行展布，其幾何形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)比北西段復(fù)雜。3條斷裂均為全新世活動(dòng)斷裂(見(jiàn)圖3)。

圖3 項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

該項(xiàng)目跨多個(gè)地層分區(qū)，主要為三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系、震旦系及第四系等。共有7處不良地質(zhì)，其中泥石流1處、滑坡2處、崩塌2處、不穩(wěn)定斜坡2處。

1.3 地震

該項(xiàng)目所在地區(qū)的鮮水河—折多山北西向構(gòu)造帶是四川省重要的地震發(fā)生帶。根據(jù)相關(guān)資料，該地震帶內(nèi)曾發(fā)生≥7級(jí)地震8次，四川省發(fā)生的7級(jí)以上地震近半數(shù)發(fā)生在鮮水河—折多山地震帶。根據(jù)四川賽思特科技有限責(zé)任公司編制的《雅康高速公路康定過(guò)境連接線工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，該項(xiàng)目地震危險(xiǎn)性概率見(jiàn)表2。

表2 工程場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性概率

根據(jù)2015年《中國(guó)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》及《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》，地震動(dòng)峰值加速度為0.40g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值為0.40 s，其相應(yīng)地震基本烈度為Ⅸ度。根據(jù)JTG/TB 02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，E1設(shè)防水準(zhǔn)為50年超越概率63%，加速度峰值由設(shè)計(jì)地震(50年超越概率10%)結(jié)合結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)確定，重現(xiàn)期100年；E2設(shè)防水準(zhǔn)為50年超越概率2%，重現(xiàn)期2 000年。

1.4 城鎮(zhèn)規(guī)劃

康定市位于南北向的雅拉河和東西向的折多河河谷，峽谷區(qū)地形狹窄，道路擁堵，老城區(qū)現(xiàn)已趨于飽和狀態(tài)。根據(jù)康定市城市發(fā)展規(guī)劃，康定榆林規(guī)劃為另一個(gè)城市組團(tuán)。鑒于康定市現(xiàn)狀及規(guī)劃所限，該項(xiàng)目主要以隧道形式穿城而過(guò)，盡量減小對(duì)城市的干擾(見(jiàn)圖4)。

圖4 項(xiàng)目區(qū)與城鎮(zhèn)規(guī)劃的關(guān)系

1.5 環(huán)境敏感區(qū)分布

該項(xiàng)目終點(diǎn)附近以隧道形式穿越貢嘎山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)，隧道進(jìn)出口設(shè)在自然保護(hù)區(qū)之外，不涉及核心區(qū)和緩沖區(qū)。

項(xiàng)目沿線附近有龍洞水電站(在建)、金升水電站等，對(duì)路線布設(shè)有一定影響。龍洞水電站位于大渡河右岸一級(jí)支流瓦斯河上，為低閘引水式電站，即將開(kāi)工建設(shè)?？刀ɑネ胺?wù)區(qū)布設(shè)與其有干擾。金升水電站位于瓦斯河上，已建成使用，為小型水電站，跑馬山1號(hào)隧道進(jìn)口段與金升水電站相鄰，影響范圍大部分為隧道段。

2 總體設(shè)計(jì)原則

2.1 項(xiàng)目特點(diǎn)

項(xiàng)目地處川西高原山地與東部盆地西緣山地接觸帶的大雪山中段，地理?xiàng)l件及環(huán)境條件十分特殊，面臨極其復(fù)雜的地形、地質(zhì)、氣象、環(huán)境等建設(shè)條件，存在工程技術(shù)、環(huán)境保護(hù)、投資大、實(shí)施困難等建設(shè)難題。主要特點(diǎn)如下：

(1) 地形、地質(zhì)、氣候條件復(fù)雜，抗災(zāi)要求高。

(2) 區(qū)域生態(tài)環(huán)境十分脆弱，環(huán)境保護(hù)要求高。

(3) 橋隧比例高，工程規(guī)模大，造價(jià)高。

(4) 地震烈度高，結(jié)構(gòu)物抗震要求高。

(5) 建設(shè)工程技術(shù)難題眾多，勘察設(shè)計(jì)難度大。

(6) 施工條件艱巨，環(huán)境惡劣，實(shí)施難度極大。

(7) 互通式立交的選型及布置要求高。

2.2 總體設(shè)計(jì)原則

該項(xiàng)目地處高寒、高海拔、高地震烈度區(qū)，建設(shè)中遵循“強(qiáng)化管理、深入研究、詳實(shí)勘察、精心設(shè)計(jì)”的總體設(shè)計(jì)原則。重點(diǎn)做好如下工作：1) 靈活應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)，多層次方案優(yōu)選，減小工程規(guī)模；2) 高烈度地震區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)公路的防災(zāi)、抗災(zāi)；3) 連續(xù)長(zhǎng)大下坡與冰雪組合段的運(yùn)行安全及應(yīng)急救援；4) 極其脆弱生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，巨量棄渣的合理處置；5) 復(fù)雜艱巨條件下施工組織，造價(jià)控制；6) 復(fù)雜地形、地質(zhì)、氣候條件下綜合地質(zhì)勘察；7) 極其復(fù)雜地形、地質(zhì)、氣候條件下隧道的修建；8) 高山峽谷、高烈度地震區(qū)橋梁選型、設(shè)計(jì)及施工；9) 高寒、高海拔地區(qū)路面結(jié)構(gòu)抗凝冰與耐久性技術(shù)；10) 高山峽谷地形互通選型及沿線設(shè)施場(chǎng)坪布設(shè)。

3 路線總體方案

3.1 初步設(shè)計(jì)方案

該項(xiàng)目路線起點(diǎn)位于康定城東升航村，與在建雅康高速公路順接，終點(diǎn)位于康定新城榆林，起終點(diǎn)高差約430 m。為克服高差，路線從康定城區(qū)以南過(guò)境，受地形限制，主要以隧道形式展線?？紤]地形地貌、不良地質(zhì)現(xiàn)象、城市現(xiàn)狀干擾、道路運(yùn)營(yíng)安全、投資規(guī)模、隧道洞口選址、建設(shè)工期等因素，初步設(shè)計(jì)階段擬定A、B、C、D、E、F、G、H、I、K共10種路線方案進(jìn)行綜合比選(見(jiàn)圖5、表3)。

圖5 初步設(shè)計(jì)階段擬定的路線方案示意圖

表3 初步設(shè)計(jì)階段擬定的路線方案

上述10種路線方案主要圍繞隧道露頭位置進(jìn)行不同的展線，共計(jì)4處隧道露頭位置，分別為康定水廠、海船石、救災(zāi)應(yīng)急中心、戰(zhàn)斗壩。在康定水廠露頭的方案有G線、H線，在海船石露頭的方案有K線、C線，在救災(zāi)應(yīng)急中心露頭的方案有B線、D線、E線、G線、H線、I線，在戰(zhàn)斗壩露頭的方案有H線。

3.2 路線方案比選

3.2.1 論述方案

結(jié)合地形地貌、不良地質(zhì)現(xiàn)象、城市現(xiàn)狀干擾、道路運(yùn)營(yíng)安全、投資規(guī)模、隧道洞口選址、建設(shè)工期等因素，對(duì)擬定的B線、C線、E線、F線、G線、H線方案進(jìn)行論述比選(見(jiàn)表4)。

表4 論述方案對(duì)比分析

3.2.2 同精度比選方案

K線、I線、D線起點(diǎn)位于康定城東升航村，接雅康高速公路。K線設(shè)康定互通接G318線，設(shè)跑馬山1號(hào)隧道(長(zhǎng)5 705 m)至海船石，設(shè)跑馬山2號(hào)隧道(長(zhǎng)2 505 m)至康定市救災(zāi)防災(zāi)應(yīng)急中心，設(shè)跑馬山3號(hào)隧道(長(zhǎng)6 750 m)，止于康定南榆林新城，路段長(zhǎng)17.134 km。I線設(shè)康定互通接G318線，設(shè)跑馬山1號(hào)隧道(長(zhǎng)8 780 m)至康定市救災(zāi)防災(zāi)應(yīng)急中心，設(shè)跑馬山2號(hào)隧道(長(zhǎng)7 395 m)至康定榆林駟馬橋村，路線止于榆林新城，設(shè)康定榆林互通接G318線，路線長(zhǎng)18.044 km。D線設(shè)跑馬山1號(hào)隧道(長(zhǎng)8 665 m)至康定市救災(zāi)防災(zāi)應(yīng)急中心，設(shè)跑馬山2號(hào)隧道(長(zhǎng)6 700 m)至榆林，路線長(zhǎng)17.134 km。K線、I線、D線的比較(見(jiàn)表5)：

表5 同精度比選方案主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

(1) 平縱指標(biāo)。I線平面指標(biāo)值較高，隧道進(jìn)出口采用大半徑曲線，隧道內(nèi)縱坡均≤2.5%，明線段設(shè)置緩坡段；D線特長(zhǎng)隧道部分段落縱坡為2.85%。I線平縱指標(biāo)優(yōu)于K線、D線。I線道路平均縱坡為2.38%，且隧道露頭段設(shè)置長(zhǎng)2 km的緩坡；K線、D線道路平均縱坡為2.5%。從道路運(yùn)營(yíng)安全方面比較，I線優(yōu)于K線、D線。

(2) 工程地質(zhì)條件。K線海船石段隧道洞口為崩坡積體，洞口偏壓嚴(yán)重，成洞條件差，處置難度大，施工及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)高；救災(zāi)防災(zāi)應(yīng)急中心段斷裂帶分布較廣，K線、I線、D線均與其交叉，D線以大角度與其交叉，K線、I線受斷裂帶影響的范圍相當(dāng)，D線略優(yōu)。

(3) 與城區(qū)的干擾。海船石段K線以明線形式通過(guò)，且為崩坡積體路段，施工對(duì)加油站、變電站的影響較大，存在施工及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)；I線、D線以隧道形式通過(guò)，對(duì)其干擾較小。

(4) 工程規(guī)模。I線設(shè)2座特長(zhǎng)隧道，共計(jì)16 175 m，斜井規(guī)模較大，通風(fēng)效果較差，施工周期長(zhǎng)；K線設(shè)3座隧道，共計(jì)14 960 m，隧道規(guī)模較小，斜井規(guī)模、通風(fēng)效果等較優(yōu)；D線設(shè)2座特長(zhǎng)隧道，共計(jì)15 365 m，斜井規(guī)模較小。從工程規(guī)模比較，K線優(yōu)于D線，D線優(yōu)于I線。

綜上所述，雖然I線工程規(guī)模較大，但平縱指標(biāo)較優(yōu)，道路平均縱坡最小，有利于運(yùn)營(yíng)安全，同時(shí)對(duì)城區(qū)的干擾小。因此，初步設(shè)計(jì)階段將I線作為推薦方案。

4 建設(shè)難題的解決措施

I線建設(shè)中面臨兩大難題，即抗震設(shè)防烈度高和長(zhǎng)大縱坡運(yùn)營(yíng)安全保障。

(1) 抗震設(shè)防烈度高。根據(jù)表2計(jì)算，跑馬山2號(hào)隧道出口處的地震動(dòng)峰值加速度大于0.40g，相應(yīng)地震基本烈度大于Ⅸ度，抗震烈度高。跑馬山2號(hào)隧道出口緊接榆林互通，該處需跨越榆林河、折多河，榆林互通處橋梁高度需按抗震設(shè)防要求嚴(yán)格控制。經(jīng)抗震計(jì)算，將該處橋梁高度控制在30 m以下，且全部采用鋼結(jié)構(gòu)橋梁、薄壁輕型墩、鋼蓋梁等，滿足抗震要求。

(2) 長(zhǎng)下坡運(yùn)營(yíng)安全措施。1) 根據(jù)道路安全性評(píng)價(jià)結(jié)論，為提高I線的運(yùn)營(yíng)安全，降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，在工程可行性研究路線起點(diǎn)設(shè)置互通綜合體的基礎(chǔ)上，在路線終點(diǎn)設(shè)置榆林停車區(qū)，提高未來(lái)康新(康定—新都橋)高速公路自新都橋出發(fā)至康定62 km長(zhǎng)下坡的運(yùn)營(yíng)安全；同時(shí)在跑馬山2號(hào)隧道與1號(hào)隧道之間增設(shè)一處避險(xiǎn)車道。2) 該項(xiàng)目主線右幅跑馬山2號(hào)隧道-康定榆林互通及主線左幅跑馬山1號(hào)隧道-康定互通隧道出口與匝道分流鼻間距均小于明適應(yīng)距離+識(shí)別距離367 m的要求，且隧道出口與漸變段起點(diǎn)間距均小于明適應(yīng)距離+完整認(rèn)讀標(biāo)志并操作距離287 m，為此，對(duì)跑馬山1號(hào)隧道出口段、跑馬山2號(hào)隧道出口段進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，拓寬一條車道作為輔助車道。3) 考慮隧道內(nèi)長(zhǎng)下坡段較長(zhǎng)，I線跑馬山1號(hào)隧道左線(車輛下行方向)每間隔一處將停車帶加長(zhǎng)至100 m，以便車輛應(yīng)急?？?。4) 考慮到跑馬山1號(hào)、2號(hào)隧道之間海拔較高，處于彎道和隧道洞口交界處，易受冰雪天氣影響，路面設(shè)計(jì)中采用主動(dòng)抑制冰雪技術(shù)，添加鹽化物材料，延緩冰雪凝結(jié)。

5 結(jié)語(yǔ)

雅葉高速公路康定過(guò)境段總體設(shè)計(jì)中圍繞項(xiàng)目控制性因素，以不遺漏任何有價(jià)值的方案為原則，認(rèn)真比選，提出研究方案多達(dá)30余條，最終篩選出具有價(jià)值的10條路線方案。從地質(zhì)條件、運(yùn)營(yíng)安全、工程規(guī)模、實(shí)施難度等方面綜合比較，將相對(duì)較優(yōu)的I線作為推薦方案。

圍繞推薦方案，針對(duì)抗震設(shè)防烈度高的問(wèn)題，提出斷裂帶附近橋梁高度控制在30 m以下，且橋梁全部采用鋼結(jié)構(gòu)、薄壁輕型墩、鋼蓋梁等措施；針對(duì)長(zhǎng)下坡的運(yùn)營(yíng)安全保障問(wèn)題，提出跑馬山2號(hào)隧道與1號(hào)隧道之間增設(shè)一處避險(xiǎn)車道、在跑馬山1號(hào)隧道出口段和跑馬山2號(hào)隧道出口段拓寬一條車道作為輔助車道、跑馬山1號(hào)隧道左線(車輛下行方向)每間隔一處將停車帶加長(zhǎng)至100 m、隧道間路面采用主動(dòng)抑制冰雪技術(shù)等措施。