公路工程設(shè)計(jì)優(yōu)化管理研究

尚雪仁 SHANG Xue-ren

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461；蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

公路工程項(xiàng)目在實(shí)施過程中，面對內(nèi)外部復(fù)雜環(huán)境出現(xiàn)如資金短缺、價(jià)格透明化高、概預(yù)算不足等諸多問題，可利用技術(shù)優(yōu)化等手段解決。在初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段，主要對設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用技術(shù)手段規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，從而有利于項(xiàng)目總體投入的控制，為項(xiàng)目建設(shè)奠定一定基礎(chǔ)；在實(shí)施階段，通過對方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，如臨建、設(shè)計(jì)方案等優(yōu)化，從而推進(jìn)項(xiàng)目順利實(shí)施，得到相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。對于公路工程項(xiàng)目建設(shè)來說，技術(shù)方案是公路工程最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對于項(xiàng)目的工程造價(jià)影響很大，而設(shè)計(jì)優(yōu)化對項(xiàng)目效益起著重要作用，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化提升設(shè)計(jì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平，達(dá)到有效控制工程造價(jià)和提升經(jīng)濟(jì)效益的目的[2]。

1 工程概況

本文以百色南北過境線公路（百色市北環(huán)線）為例，從初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)及施工階段對設(shè)計(jì)優(yōu)化管理進(jìn)行敘述。

百色南北過境線公路（百色市北環(huán)線）項(xiàng)目屬于《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2018-2030年）》規(guī)劃布局中的城市環(huán)線。路線全長52.456km，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/小時(shí)，主線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100km/h，路基寬度26m。本項(xiàng)目采用“BOT+EPC（施工圖設(shè)計(jì)）+使用者付費(fèi)+政府補(bǔ)貼”的PPP模式實(shí)施，項(xiàng)目合作期33年，其中建設(shè)期3年，運(yùn)營期30年。本項(xiàng)目自然環(huán)境較好，線路走廊帶狹窄，沿線地層巖性較復(fù)雜，地貌復(fù)雜多樣，沿線地材資源匱乏，受高壓線塔、鐵路、自然保護(hù)區(qū)、油氣管線等制約因素較多。

2 設(shè)計(jì)階段存在問題

設(shè)計(jì)階段存在設(shè)計(jì)不合理等系列問題，通過從技術(shù)角度結(jié)合實(shí)際對設(shè)計(jì)方案研究優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目建設(shè)造價(jià)、安全及質(zhì)量等風(fēng)險(xiǎn)的有效控制，從而更好地控制項(xiàng)目成本，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益[3]。設(shè)計(jì)階段存在問題如下：

2.1 初步設(shè)計(jì)階段

初步設(shè)計(jì)階段主要考慮把握整體投資規(guī)模和技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的合理性，但對諸多因素未充分考慮，主要表現(xiàn)在以下方面：

①往往容易忽視在建設(shè)過程中的可能發(fā)生的重大變更，如未避開滑坡體、斷層帶、采空區(qū)等不良地質(zhì)導(dǎo)致在建設(shè)和運(yùn)營期間可能發(fā)生的安全、質(zhì)量、造價(jià)等風(fēng)險(xiǎn)。

②未充分考慮高壓線塔三線遷改方案的實(shí)施難易程度及方案可行性，線路走廊帶占用基本農(nóng)田指標(biāo)及補(bǔ)償方案是否可行，征地拆遷的實(shí)施難易程度等影響造成的方案可行性及造價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可能造成在后期過程中社會不良影響。

③未充分考慮保護(hù)區(qū)、文物遺址、臨近鐵路和高速公路、油氣管線、水保及環(huán)保要求高等敏感點(diǎn)的問題，在設(shè)計(jì)過程中未做好相應(yīng)的處理措施，導(dǎo)致在實(shí)施過程中很難實(shí)施或者重新選線。

2.2 施工圖設(shè)計(jì)階段

施工圖設(shè)計(jì)階段是對初步設(shè)計(jì)的深入和細(xì)化，結(jié)合前期相關(guān)批復(fù)對其進(jìn)行實(shí)質(zhì)性相應(yīng)，同時(shí)對方案認(rèn)真研究、比選，從而達(dá)到實(shí)施的要求，卻在設(shè)計(jì)過程中存在諸多問題：

①設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)思維固化，受初步設(shè)計(jì)影響較大，對方案比選深部不夠，往往存在設(shè)計(jì)照搬照抄、專業(yè)設(shè)計(jì)基于軟件出圖、設(shè)計(jì)尺寸等取值靠以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)象。

②設(shè)計(jì)人員對現(xiàn)場不熟悉甚至不了解現(xiàn)場情況，各方面設(shè)計(jì)考慮不周全，導(dǎo)致設(shè)計(jì)與實(shí)際不相符狀況，造成在施工階段資源的浪費(fèi)和成本的增加。

2.3 施工階段

施工階段主要存在施工方案設(shè)計(jì)未結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、未有效考慮施工資源的周轉(zhuǎn)利用等，從技術(shù)角度對項(xiàng)目管理沒有相應(yīng)的控制措施，如臨時(shí)設(shè)備的配置、施工組織等方面，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)及建設(shè)成本的增加。

3 設(shè)計(jì)階段優(yōu)化內(nèi)容

3.1 初步設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容

初步設(shè)計(jì)階段總體把握整體投資規(guī)模，充分考慮施工及運(yùn)營情況，將不易調(diào)整的平面、縱斷面、涉鐵橋梁、橋隧比、預(yù)制梁調(diào)整、重大變更等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在原有走廊帶的基礎(chǔ)上，盡量避開不良地質(zhì)，處理好與相接路、敏感點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場地形、地貌、地質(zhì)情況、三線遷改及基本農(nóng)田情況等方面，結(jié)合安全、質(zhì)量及實(shí)施難易程度，對項(xiàng)目走線進(jìn)行了微調(diào)，達(dá)到了降本增效的目的。

本項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)較工可平面調(diào)整7處，橋改路10座（長度2.34km），調(diào)整結(jié)構(gòu)形式及跨度5座，隧道改路基1座，橋隧比由32.6%調(diào)整至31.59%。主要簡述以下幾個(gè)方面：

①在平面段調(diào)整方面，主要從地形條件、國道G323、基本農(nóng)田、110kV以及220kV高壓塔等因素控制考慮，從降低橋梁工程規(guī)模。以新山隧道段（K36+400～K38+600）為例進(jìn)行簡述。

本段路線布設(shè)主要受地形、地質(zhì)條件、110kV、220kV以及220kV新山變電站等因素控制。從減少橋梁隧道工程規(guī)模的角度考慮，將線位最大北移約150m。

調(diào)整后新山大橋、里蘭1號大橋、里蘭2號大橋優(yōu)化為路基；同時(shí)本項(xiàng)目唯一一座短隧道新山隧道（382m），由于該段地質(zhì)風(fēng)化嚴(yán)重，覆蓋高度小、地質(zhì)多為粉砂巖且為平層、較破碎，隧道施工容易冒頂坍塌，極易發(fā)生安全事故，將本段由隧道改為路基，消化棄方130萬m3，節(jié)約棄土場約150畝，節(jié)約造價(jià)約1.5億，降低了橋隧比，降低了施工及運(yùn)營安全事故風(fēng)險(xiǎn)。（圖1）

圖1 新山隧道段（K36+400～K38+600）優(yōu)化對比圖

②從橋隧比方面，考慮地形條件、消化棄方、施工可行性、節(jié)約用地等因素，對那兵1號大橋等10座橋梁優(yōu)化為橋改路基，優(yōu)化長度為2.34km，同時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)形式及跨度5座，降低了施工難度，節(jié)約造價(jià)約1.1億。

3.2 施工圖設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容

在施工圖階段，要根據(jù)各方意見及結(jié)合實(shí)際深度挖掘優(yōu)化空間，充分考慮施工標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)營更高效的原則進(jìn)行深入設(shè)計(jì)。通過線路平縱面、結(jié)構(gòu)物、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等優(yōu)化提高設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)合理性和可行性，但是主要在初步設(shè)計(jì)階段的基礎(chǔ)上優(yōu)化，優(yōu)化范圍受限，主要考慮以施工便利為原則，繼續(xù)對局部平、縱面調(diào)整、降低橋隧比、減少橋梁跨徑、減少取棄土場達(dá)等到土石方平衡，同時(shí)根據(jù)地質(zhì)詳勘結(jié)果，進(jìn)行軟基、樁基、墩柱、邊坡、隧道支護(hù)、交安、綠化、房建、機(jī)電等方面優(yōu)化調(diào)整，盡量做到與現(xiàn)場實(shí)際情況相符，從而間接降低成本。

本項(xiàng)目施工圖與初步設(shè)計(jì)相比路線減少126m，橋梁縮短664.5m，隧道增長37m，橋隧比例由31.59%減少至30.48%。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①平面優(yōu)化的段落主要有六扣哇段（K49+100～K50+200）；縱斷面優(yōu)化的段落主要有那謹(jǐn)至那浩段（K25+000～K27+500）等6處；另外互通區(qū)根據(jù)曲線半徑、技術(shù)指標(biāo)及結(jié)合被交工程等對其優(yōu)化，以那謹(jǐn)至那浩段為例簡述。

那謹(jǐn)至那浩段位于那謹(jǐn)和那浩附近，施工圖設(shè)計(jì)從減少土石方工程規(guī)模角度考慮，將縱斷面上抬約4.5m，優(yōu)化后挖方減少約20.9萬方、填方增加約5.3萬方，總占地減少9.92畝，基本農(nóng)田減少1.545畝，造價(jià)減少約850萬。（圖2）

圖2 那謹(jǐn)至那浩段（K25+000～K27+500）優(yōu)化對比圖

②在其他方面，主要依據(jù)地質(zhì)詳細(xì)勘察、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、資源的集約利用、與運(yùn)營相結(jié)合及永臨結(jié)合等方面優(yōu)化，主要如下：

1）地質(zhì)詳勘先行，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)地質(zhì)詳勘結(jié)果，得出部分邊坡地質(zhì)情況較差、采空區(qū)主要敏感區(qū)需驗(yàn)證補(bǔ)勘、部分橋梁初勘巖石抗壓強(qiáng)度與詳勘存在差異、隧道圍巖等級較初步設(shè)計(jì)存在差異等結(jié)論，同時(shí)考慮初步設(shè)計(jì)考慮不充分因素，在施工圖階段通過提高邊坡的安全系數(shù)、調(diào)整樁基參數(shù)、隧道圍巖參數(shù)等，根據(jù)地形匹配優(yōu)化涵洞、擋土墻、橋梁墩臺等設(shè)計(jì)做到施工圖與現(xiàn)場貼近實(shí)際，為現(xiàn)場后續(xù)施工提供基礎(chǔ)。

如高邊坡防護(hù)，初步設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力錨桿，每榀4孔，框架梁尺寸為50cm×40cm，錨桿采用PSB1080高強(qiáng)精軋螺紋鋼；施工圖采用普通錨桿，每榀6~8孔，框架梁尺寸為30cm×30cm，錨桿采用HRB400螺紋鋼筋，相比初步設(shè)計(jì)，施工圖設(shè)計(jì)階段格梁尺寸減小，鋼筋采用普通鋼筋，同等條件下可顯著減小工程量，降低了造價(jià)約1200萬。

2）橋梁工程結(jié)合周邊項(xiàng)目已有資源對結(jié)構(gòu)物尺寸優(yōu)化，例如將30m以下預(yù)制T梁改為小箱梁優(yōu)化為已有模板尺寸，減少成本約3100萬，達(dá)到降本增效、節(jié)約成本目的；同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)優(yōu)化邊坡防護(hù)、軟基，根據(jù)地形匹配優(yōu)化涵洞、擋土墻、橋梁墩臺等設(shè)計(jì)。

橋涵工程根據(jù)地質(zhì)勘察、受力計(jì)算、貼近實(shí)際情況等，相比初步設(shè)計(jì)主要對橋梁長度、跨徑組合、橋墩形式、結(jié)構(gòu)等進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)化。橋梁由初步設(shè)計(jì)10649.3m/37座減少至9984.8m/36座，共減少1座橋梁（那峭大橋），橋梁長度減少664.5m，減小造價(jià)約1800萬。

3）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。對橋梁橋臺結(jié)合地質(zhì)情況，盡量統(tǒng)一形式，減小規(guī)模；擋墻、邊溝、錐坡等統(tǒng)一采用C20混凝土或片石混凝土，減少小量混凝土種類；邊坡防護(hù)、樁基、框格梁、盲溝、高填方路基、碎石換填、三背回填根據(jù)地質(zhì)結(jié)果進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，統(tǒng)一全線標(biāo)準(zhǔn)。

4）與施工相結(jié)合?？紤]到節(jié)約用地及消化棄方，優(yōu)化互通匝道半徑曲線，同時(shí)將互通內(nèi)三角用地進(jìn)行填實(shí)作為施工大臨場地，這樣既消化了棄方，也減少了高邊坡及整體規(guī)模。

5）與運(yùn)營相結(jié)合。交警、路政營房充分考慮屬地化管理，按屬地配置營房；收費(fèi)站按照運(yùn)營模式及人員進(jìn)行設(shè)置用房，提前考慮運(yùn)營期。

6）永臨結(jié)合。主要對地方道路、服務(wù)區(qū)及收費(fèi)場站用電、隧道口用電、三改工程等進(jìn)行永臨結(jié)合設(shè)計(jì)；同時(shí)在施工過程中做好永臨結(jié)合，如控制梁場建設(shè)底標(biāo)高將梁場硬化場地不予鑿除作為基層使用等。

3.3 施工階段設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容

施工階段設(shè)計(jì)優(yōu)化是結(jié)合現(xiàn)場、工程環(huán)境等一系列施工設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)。在確保安全、質(zhì)量的情況下，以造價(jià)要素全方位管理為核心，將人、材、機(jī)等關(guān)鍵的要素作為工作的重點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，采取相應(yīng)控制措施，減少成本投入，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益[4]。施工方案設(shè)計(jì)優(yōu)化主要表現(xiàn)在臨時(shí)施工設(shè)備、施工組織上。

①施工方案設(shè)計(jì)優(yōu)化主要指如鋼棧橋、吊裝設(shè)備等臨時(shí)設(shè)備的選用優(yōu)化，主要從臨時(shí)設(shè)施的參數(shù)取值、構(gòu)件連接、受力工況及構(gòu)造設(shè)計(jì)等入手，使設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)，符合實(shí)際施工狀況，減少因設(shè)計(jì)造成的設(shè)備選型失誤，導(dǎo)致臨時(shí)設(shè)備投入增大。

②在施工組織上，主要從設(shè)備配置、材料周轉(zhuǎn)、提高生產(chǎn)效率入手。設(shè)備配置體現(xiàn)在設(shè)計(jì)與現(xiàn)有資源的匹配，如考慮已有掛籃的吊裝能力對現(xiàn)澆懸臂節(jié)段設(shè)計(jì)；材料周轉(zhuǎn)體現(xiàn)在充分利用廢棄材料，如在設(shè)計(jì)中考慮對洞渣的利用等；提高功效，從盡量縮短各個(gè)分項(xiàng)工程之間轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間、提高分項(xiàng)工程效率來優(yōu)化方案，采用熟練班組、良好的設(shè)備、先進(jìn)工法等達(dá)到降本增效的目的。

4 總結(jié)

公路工程設(shè)計(jì)優(yōu)化管理工作，是工程實(shí)施過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要各個(gè)方面做出平衡，尋找平衡點(diǎn)，在各方工作合力的推動下，消除施工、運(yùn)營期間的安全、質(zhì)量隱患，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高各方收益。設(shè)計(jì)優(yōu)化管理從初步設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段及施工階段對設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行優(yōu)化，并開展多方位的科學(xué)論證，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行、方案合理。本文以百色市南北過境線公路（百色市北環(huán)線）項(xiàng)目為案例，分析了設(shè)計(jì)優(yōu)化的思路和內(nèi)容，為類似公路工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化管理提供一定的參考和借鑒。