高速公路改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)技術(shù)研究

李海龍

(新疆交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著服役年限的累積及交通車(chē)流量的飛速增長(zhǎng)，部分現(xiàn)有高速公路的服務(wù)水平已無(wú)法滿(mǎn)足營(yíng)運(yùn)要求，對(duì)這些現(xiàn)有高速公路實(shí)施改擴(kuò)建有著充分必要性且迫在眉睫。

國(guó)內(nèi)外在高速公路改擴(kuò)建工程研究方面已有一定研究基礎(chǔ)：付文群等[1]在開(kāi)展高速公路改擴(kuò)建加鋪設(shè)計(jì)時(shí)將其與公路線(xiàn)形擬合結(jié)合進(jìn)行探討，在總結(jié)原公路加鋪設(shè)計(jì)原則以及改擴(kuò)建平縱面線(xiàn)形擬合原則的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案；馬加存等[2]針對(duì)高速公路改擴(kuò)建過(guò)程中的路橋過(guò)渡段落易發(fā)生的沉降不均問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了對(duì)應(yīng)方案，并搭建車(chē)輛振動(dòng)模型，以MTVV表征舒適性，總結(jié)了差異性沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，得出了搭板長(zhǎng)度、坡率和車(chē)速等因素的影響規(guī)律；邵長(zhǎng)橋等[3]綜合利用數(shù)據(jù)分析和虛擬仿真技術(shù)，對(duì)高速公路改擴(kuò)建作業(yè)區(qū)各控制段落的交通流特征進(jìn)行了闡述，包括飽和車(chē)頭時(shí)距、流量和各車(chē)道速度等，利用流量-速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，搭建回歸模型，以排隊(duì)通過(guò)流率表征施工各控制段落通行能力，總結(jié)了對(duì)應(yīng)通行能力的計(jì)算方案；李剛等[4]則是重點(diǎn)研究了高速公路改擴(kuò)建工程中的新舊路基不均勻沉降問(wèn)題，搭建數(shù)值計(jì)分析模型，模擬了包括壓縮模量、彈性模量、填方高度以及拓寬寬度等控制條件，分析各條件對(duì)差異性沉降的影響規(guī)律，提出選取小重度填土及提升地基土壓縮模量的做法。

綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段高速公路改擴(kuò)建工程是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)課題，在針對(duì)改擴(kuò)建過(guò)程中的線(xiàn)形優(yōu)化、沉降控制及施工現(xiàn)場(chǎng)管理優(yōu)化方面已有豐富研究，但在全生命周期綜合設(shè)計(jì)方案分析上仍存在一定空白。因此，本文依托G30連霍高速公路洛陽(yáng)—鄭州段改擴(kuò)建項(xiàng)目，介紹了主線(xiàn)改擴(kuò)建設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)沿線(xiàn)自然地理特征進(jìn)行了分析，對(duì)比了分離式路基段及整體式單側(cè)加寬等段落的具體工程措施，并從路線(xiàn)、路基路面及排水、橋涵、交通工程及沿線(xiàn)設(shè)施等四個(gè)方面展開(kāi)總體設(shè)計(jì)方案研究。

1 項(xiàng)目概況及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 項(xiàng)目概況

G30連霍高速公路洛陽(yáng)—鄭州段改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)段落全長(zhǎng)106 km，工程所處地貌主要為黃土沖溝重丘和黃淮沖積平原交錯(cuò)。改擴(kuò)建高速公路全線(xiàn)涉及通道176條、涵洞107道、天橋24座、分離式立交27座、高架橋29座、互通式立交10處、中橋5座、大橋和特大橋分別為10座和1座。改擴(kuò)建段涉及道路總面積2.4×106m2，其中挖方為3.7×106m2、填方為6.1×106m2。

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

原高速公路為雙向四車(chē)道設(shè)置，其中重丘區(qū)路基寬度設(shè)置為24.5 m，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為100 km/h；平原微丘區(qū)路基寬度則設(shè)置為26.0 m，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為120 km/h。

本設(shè)計(jì)方案將重丘區(qū)及平原微丘區(qū)的高速公路擴(kuò)建為雙向八車(chē)道。起點(diǎn)段2.0 km處采取兩側(cè)拼寬方案，主線(xiàn)其他路段均采取分離式路基或者單側(cè)整體加寬方案，如圖1所示。其中，起點(diǎn)段采取兩側(cè)拼寬方案，路基總體寬度設(shè)計(jì)為42.0 m，主線(xiàn)采用分離式路基方案的路基新建寬度為20.5 m，采用單側(cè)整體加寬方案的路基新建寬度為19.5 m。

圖1 分離式路基方案示意圖

2 地質(zhì)地貌

G30連霍高速公路洛陽(yáng)—鄭州段改擴(kuò)建工程項(xiàng)目地處黃土高原與華北平原交界處，位于我國(guó)黃土分布區(qū)的東南部，土壤分布主要為老黃土，部分地區(qū)為新黃土，此外還包含伊洛河流域及溝谷周邊的沖洪積和破積黃土狀土。

改擴(kuò)建段可劃分為兩種地貌類(lèi)型：(1)黃土臺(tái)塬和黃土丘陵，此類(lèi)地貌地形起伏明顯，海拔處于100～250 m，溝壑縱橫、高差大，形成峁嶺黃土臺(tái)塬，塬邊廣泛分布溝谷，地貌類(lèi)型常見(jiàn)梁、峁等，Ⅶ度地震基本烈度，其地震動(dòng)反應(yīng)譜的特征周期和地震動(dòng)峰值加速度分別為0.36 s、0.1 g；(2)分布在伊洛河及汜水河兩岸的是沖積平原和河谷地貌，該種地貌起伏較小，分布有較多居民居住區(qū)，土地肥沃適宜種植。

3 改擴(kuò)建設(shè)計(jì)思路及原則

全方位考慮該高速公路改擴(kuò)建過(guò)程中涉及的控制因素，因地制宜地選取具體實(shí)施方案，“應(yīng)分則分、應(yīng)合則合”，合理布置改擴(kuò)建路線(xiàn)，并盡可能地充分考慮利用原有高速公路資源，保障實(shí)施安全，強(qiáng)化服務(wù)作用，并確保整體建設(shè)和諧統(tǒng)一。設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注單側(cè)整體加寬方案中新舊路基的不均勻沉降問(wèn)題以及沿線(xiàn)橋涵銜接設(shè)計(jì)。嚴(yán)格把控單側(cè)整體加寬方案和分離式路基方案中的高速公路中央分隔帶的針對(duì)性處理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)差異化橫斷面間的平順銜接過(guò)渡。在確定舊路面病害處理和路面改良方案前，充分開(kāi)展安全性評(píng)價(jià)及路面性能檢測(cè)，確保對(duì)各類(lèi)病害的有效處置。為落實(shí)“節(jié)能減排”政策號(hào)召，充分利用原高速公路各結(jié)構(gòu)層。嚴(yán)格貫徹“節(jié)約、耐久、和諧、安全、以人為本”的設(shè)計(jì)思路，盡可能在設(shè)計(jì)過(guò)程中融入與原公路及周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的理念。

4 總體方案分析

4.1 路線(xiàn)設(shè)計(jì)

4.1.1 平面線(xiàn)形

起點(diǎn)段2.0 km處的兩側(cè)拼寬方案段的平面線(xiàn)形設(shè)計(jì)是在舊路設(shè)計(jì)線(xiàn)位的基礎(chǔ)上，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)復(fù)核舊路實(shí)際線(xiàn)位，將其作為兩側(cè)拼寬設(shè)計(jì)的中心線(xiàn)位依據(jù)。

單側(cè)分離式路基段主要設(shè)置于重丘區(qū)段，路線(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮并利用地形特征，貫徹因山就勢(shì)思路，靈活調(diào)整設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，減少高填深挖的設(shè)計(jì)，從而避免造成過(guò)多的工程占地，減少對(duì)自然環(huán)境的破壞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)造價(jià)成本的控制。

針對(duì)單側(cè)整體加寬方案段，同樣要先在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)復(fù)核舊路實(shí)際線(xiàn)位，同時(shí)充分考慮分離式立交和原公路橋梁等構(gòu)造物的分布狀況，此外還需重點(diǎn)考慮新舊路基高差，從而綜合確定出加寬路基的中心線(xiàn)位，并將其作為行車(chē)道中心線(xiàn)。常規(guī)路段可將中央分隔帶寬度設(shè)計(jì)為3.0 m，而在互通加寬橋梁段則可將其設(shè)計(jì)為6.0 m。

4.1.2 縱斷面

進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)前要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)復(fù)核舊路實(shí)際縱斷面線(xiàn)形。在兩側(cè)拼寬方案段，要依據(jù)上文提及的舊路面病害處理和路面改良結(jié)果，確定其對(duì)應(yīng)的具體設(shè)計(jì)標(biāo)高。

單側(cè)分離式路基段的縱斷面設(shè)計(jì)主要影響因素為越嶺高差以及挖填方情況，應(yīng)避免連續(xù)長(zhǎng)縱坡，盡可能采取均勻設(shè)計(jì)方案，豎曲線(xiàn)半徑宜在確保滿(mǎn)足視距要求的基礎(chǔ)上盡可能小。

針對(duì)單側(cè)整體加寬方案段，加寬部分的路基縱斷面應(yīng)優(yōu)先考慮與舊路基縱斷面保持對(duì)應(yīng)，同時(shí)考慮新舊路基中央分隔帶開(kāi)口設(shè)置、通道凈空設(shè)計(jì)以及分離式立交設(shè)置情況，盡量避免過(guò)大的新舊路基高差，綜合得出合理的縱斷面設(shè)計(jì)成果。

4.2 路基路面及排水設(shè)計(jì)

4.2.1 路基

路基邊坡填土高度在2.0～10.0 m時(shí)，選取1.0∶1.5的邊坡坡率；路基邊坡填土高度>10.0 m時(shí)，超過(guò)部分選取1.0∶1.75的邊坡坡率，且變坡點(diǎn)不考慮平臺(tái)設(shè)置；路基邊坡填土高度<2.0 m時(shí)，選取1.0∶1.4的邊坡坡率，如圖2所示。路塹的邊坡坡率設(shè)計(jì)為1.0∶0.4，同時(shí)設(shè)置2.0 m寬碎落臺(tái)，在12.0 m高度處設(shè)置平臺(tái)；針對(duì)淺挖路塹段，將坡率放緩至1.0∶1.5，如圖3所示。

充分考慮本項(xiàng)目特征，其中單側(cè)整體加寬方案路基以舊路邊坡挖臺(tái)階方案實(shí)施擴(kuò)寬路基的填筑，同時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)測(cè)沉降發(fā)生情況以強(qiáng)夯、PTC樁及土工格柵等方式進(jìn)行處理。

圖2 低填路堤斷面圖

圖3 淺挖路塹斷面圖

對(duì)于部分特殊段落，在地面線(xiàn)較為陡峭的填方施工段，生態(tài)墻設(shè)計(jì)坡腳較長(zhǎng)，可考慮進(jìn)行擋墻收坡處理。而常規(guī)的圬工擋墻有著高度限制多、對(duì)地基承載力要求高、景觀相容性差、實(shí)施工期長(zhǎng)、質(zhì)量控制難度大等缺陷，因此設(shè)計(jì)方案中給出GES生態(tài)擋墻收坡的設(shè)計(jì)方案，可有效避免上述圬工擋墻的缺陷。

4.2.2 路面

改擴(kuò)建段采取瀝青路面結(jié)構(gòu)，從下往上分別設(shè)置低劑量水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石底基層、水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石下基層、ATB-25密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石上基層、AC-25C粗粒式瀝青混合料下面層、AC-20C中粒式改性瀝青混合料中面層和SMA-13改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料上面層，各結(jié)構(gòu)層厚度分別設(shè)置為16 cm、34 cm、10 cm、8 cm、6 cm和4 cm。其中匝道段落不設(shè)上基層，其余各結(jié)構(gòu)層與主線(xiàn)保持一致。

4.2.3 排水

路基排水設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分結(jié)合本項(xiàng)目開(kāi)展的挖填狀況，路基排水設(shè)施設(shè)有急流槽、排水溝、截水溝以及邊溝等，縱坡排水坡度均>0.3%，在各類(lèi)路基排水設(shè)施的共同作用下可迅速將路基水體排出。

路面邊緣排水主要利用設(shè)置于路肩處的C20無(wú)砂混凝土，其厚度設(shè)計(jì)為20 cm，可使匯集的面層水體快速下滲，并通過(guò)路側(cè)邊溝內(nèi)設(shè)置的泄水孔排入邊溝，或通過(guò)橫坡將其排出路基，如圖4所示。

圖4 路面排水設(shè)計(jì)圖

對(duì)于單側(cè)整體加寬方案則可采用碎石盲溝中央分隔帶排水，在其內(nèi)部設(shè)置縱向打孔HDPE排水管，其內(nèi)徑為9.3 cm。通過(guò)每100 m間隔設(shè)置的橫向同規(guī)格HDPE排水管將匯集水體排入中央分隔帶的集水井。集水井下部橫向設(shè)有外徑40 cm HDPE排水管，可將匯集水體排出，如圖5所示。

圖5 分隔帶排水設(shè)計(jì)圖(cm)

4.3 橋涵設(shè)計(jì)

橋位設(shè)計(jì)以主線(xiàn)走向?yàn)橹鲗?dǎo)，橋型選擇上以安全保障為先，同時(shí)考慮美觀及經(jīng)濟(jì)，以水文計(jì)算、工期限制、施工條件及地形地質(zhì)為依據(jù)確定橋孔布置方案。

針對(duì)起點(diǎn)段2.0 km處的兩側(cè)拼寬段，新舊橋梁選取同等梁高、跨徑和結(jié)構(gòu)形式，兩側(cè)分別拼寬8.0 m，拼寬橋梁與原橋梁保持上部連接、下部獨(dú)立的形式。

針對(duì)單側(cè)加寬路基段，新舊橋梁選取同等跨徑和結(jié)構(gòu)形式，加寬橋梁分別與加寬路基順接，與舊橋的上下部結(jié)構(gòu)均獨(dú)立設(shè)置。其中針對(duì)單側(cè)分離式路基段加寬橋梁應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)置在穩(wěn)定性好、抗沖刷能力強(qiáng)、窄沖溝的低溝岸處。

涵洞的結(jié)構(gòu)形式選擇應(yīng)充分考慮加寬形式和使用需求，可采用鋼筋混凝土拱形涵洞、圓管涵及蓋板涵的形式。其中針對(duì)單側(cè)整體加寬方案段，為降低差異性沉降，可選用灰土墊層和CFG樁進(jìn)行處理。

4.4 交通工程及沿線(xiàn)設(shè)施設(shè)計(jì)

交安設(shè)施的設(shè)計(jì)，核心在于利用合理的方法，將環(huán)境、道路、車(chē)輛及人員等要素密切聯(lián)系起來(lái)。具體開(kāi)展設(shè)計(jì)工作時(shí)，除了協(xié)調(diào)好人文景觀、自然景觀及公路線(xiàn)形外，同時(shí)要結(jié)合好“以人為本，服務(wù)司乘”的思路。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托高速公路改擴(kuò)建實(shí)體建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)沿線(xiàn)自然地理特征進(jìn)行分析，結(jié)合工程特征，盡可能利用原道路設(shè)施，以充分減少用地、降低工程量、節(jié)約工程造價(jià)。對(duì)比分析了分離式路基段及整體式單側(cè)加寬等段落具體工程措施；從路線(xiàn)、路基路面及排水、橋涵、交通工程及沿線(xiàn)設(shè)施等四個(gè)方面展開(kāi)具體總體設(shè)計(jì)方案介紹。該方案實(shí)現(xiàn)了“應(yīng)分則分、應(yīng)合則合”，貫徹了“節(jié)約、耐久、和諧、安全、以人為本”的設(shè)計(jì)思路，可為高速公路改擴(kuò)建工程提供一定的借鑒。