山區(qū)高速公路長(zhǎng)大縱坡方案比選論證

游曉英

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山西省祁縣至離石高速公路是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”中第七橫昔陽(yáng)龍坡—柳林軍渡的重要組成部分，該路段東與第七橫榆次至祁縣段順接并與京昆高速大運(yùn)段相接，向西與青銀高速相接，在離石與呂梁環(huán)城高速相接。建設(shè)項(xiàng)目途經(jīng)晉中市祁縣，呂梁市文水縣、交城縣、離石區(qū)，路線方案全長(zhǎng)96.608 km。

項(xiàng)目在設(shè)計(jì)期間內(nèi)，多次邀請(qǐng)省內(nèi)外知名專(zhuān)家進(jìn)行中期咨詢(xún)工作，會(huì)后項(xiàng)目部成員根據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)針對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仔細(xì)研究論證，去蕪存菁，最終確定了設(shè)計(jì)方案。

1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域現(xiàn)狀及規(guī)劃路網(wǎng)，結(jié)合交通量預(yù)測(cè)結(jié)果，本項(xiàng)目按雙向四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，其中城趙樞紐至開(kāi)柵樞紐段設(shè)計(jì)速度為100 km/h，路基寬度26 m，分離式路基為13 m；開(kāi)柵樞紐至離石東樞紐段設(shè)計(jì)速度為80 km/h，路基寬度25.5 m，分離式路基為12.75 m，橋涵設(shè)計(jì)荷載采用公路-I級(jí)，其余技術(shù)指標(biāo)按照部頒《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）的規(guī)定執(zhí)行。

2 路線布設(shè)總體思想

根據(jù)本項(xiàng)目在區(qū)域路網(wǎng)中的地位和作用，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目沿線社會(huì)、自然、人文環(huán)境和項(xiàng)目特點(diǎn)的綜合分析研究，結(jié)合筆者多年來(lái)從事公路設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，確定以“落實(shí)綠色公路設(shè)計(jì)理念”作為建設(shè)目標(biāo)，著力采用新的技術(shù)、降低工程規(guī)模、減少對(duì)環(huán)境的破壞，力爭(zhēng)在不增加投資的情況下選取高技術(shù)指標(biāo)，提升運(yùn)營(yíng)安全性和服務(wù)水平。

本項(xiàng)目是與G20青銀高速公路并行的新建高速公路，建設(shè)的目的主要是要分流青銀高速公路車(chē)流、提高交通運(yùn)輸效率。目前青銀高速公路汾陽(yáng)至離石段（特別是薛公嶺隧道前后）地形復(fù)雜、前后高差較大，導(dǎo)致該段道路交通擁擠、服務(wù)水平較低，交通事故時(shí)有發(fā)生。為使本項(xiàng)目較原有青銀高速交通服務(wù)水平有顯著提升，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，尤其注重路線線形對(duì)運(yùn)行速度和交通安全的影響。

3 長(zhǎng)大縱坡段（寨子溝至信義）路線方案論證

表1 寨子溝至信義段路線方案布設(shè)概況

本項(xiàng)目寨子溝至信義段（K67+300—K94+021）地形復(fù)雜，需穿越呂梁山脈，是本項(xiàng)目的難點(diǎn)、重點(diǎn)、控制性路段。走廊帶內(nèi)地勢(shì)總體東高西低，自然地形最高點(diǎn)位于呂梁山，穿越呂梁山后地形一路走低，路線設(shè)計(jì)最高點(diǎn)位于隧道入口，出隧道后一路下坡，路線設(shè)計(jì)最低點(diǎn)位于終點(diǎn)呂梁環(huán)城高速公路，受此控制，該路段存在連續(xù)長(zhǎng)大下坡，隧道入口標(biāo)高成為控制路段連續(xù)縱坡的重要指標(biāo)。

因此，綜合工程地質(zhì)條件、特長(zhǎng)隧道規(guī)模、互通布設(shè)條件等因素，如何優(yōu)選出一條技術(shù)指標(biāo)較高、工程規(guī)模較小、地質(zhì)條件及環(huán)境保護(hù)均較好的路線方案是本項(xiàng)目的難點(diǎn)工程，經(jīng)項(xiàng)目組成員多次研究論證，并結(jié)合咨詢(xún)專(zhuān)家意見(jiàn)，該路段主要布設(shè)了以下方案。

圖1 寨子溝至信義段路線方案圖

3.1 K線方案

3.1.1 方案

該方案為工可優(yōu)化后方案，采用特長(zhǎng)隧道7 420 m+長(zhǎng)隧道2 282 m高線位布設(shè)，隧道入口標(biāo)高1 667 m。路線起于寨子溝東，向西在岳家莊北設(shè)特長(zhǎng)隧道（7 420 m）至薛家溝，后設(shè)長(zhǎng)隧道2 283 m至井溝，采用高線位依次經(jīng)紅巖上、塔則溝、邢家莊、歸化（設(shè)信義東互通）、嚴(yán)村至終點(diǎn)信義東，路線全長(zhǎng)26.721 km。

3.1.2 技術(shù)指標(biāo)

從特長(zhǎng)隧道進(jìn)口開(kāi)始下坡，至終點(diǎn)呂梁環(huán)城高速路段長(zhǎng)23.881 km，高差542 m，平均縱坡2.27%；重車(chē)方向離石至文水為上坡，最小平曲線半徑為1 000 m，最大縱坡4%。

3.1.3 存在的主要問(wèn)題

經(jīng)研究論證，K線方案存在的主要問(wèn)題：

a）連續(xù)長(zhǎng)大縱坡，指標(biāo)較低。

b）工程規(guī)模大，土石方量大，橋梁較多且墩高較高。

c）地質(zhì)條件差，地質(zhì)以表層薄層Q2-Q3黃土下臥全風(fēng)化花崗巖為主，對(duì)工程的施工和運(yùn)營(yíng)都將帶來(lái)諸多的安全隱患。

d）隧道較長(zhǎng)，工程造價(jià)較高。

為解決以上問(wèn)題，項(xiàng)目組綜合專(zhuān)家意見(jiàn)分別研究了D線、E+F線、F線、G線等方案與K線進(jìn)行比較。

3.2 D線、E+F線及F線方案

3.2.1 D線方案

D線方案主要考慮在K線寨子溝-岳家莊-下莊-薛家溝-紅巖上-塔則溝-邢家莊走廊帶基礎(chǔ)上降低隧道規(guī)模，路線在岳家莊東跨至三道川河南岸，于下莊南入洞，隧道入口標(biāo)高抬至1 674 m，設(shè)5 491 m+1 094 m兩座隧道穿越呂梁山后走高線位行至邢家莊南與K線相接。路線全長(zhǎng)17.458 km，其中設(shè)橋梁5 016 m/15座，隧道6 585 m/2座。對(duì)應(yīng)K線長(zhǎng)17.4 km，其中設(shè)橋梁3 493 m/12座，隧道9 703 m/2座。與K線相比，D線方案隧道規(guī)模大幅下降，但存在以下缺點(diǎn)：a）D線由于晚進(jìn)洞，縮短了下坡路段坡長(zhǎng)，同時(shí)抬高了隧道入口標(biāo)高（較K線高7 m），使得縱坡連續(xù)下坡指標(biāo)進(jìn)一步降低，且無(wú)小于2.5%的緩坡，布設(shè)停車(chē)區(qū)及互通困難。b）D線平面指標(biāo)較K線低，尤其是特長(zhǎng)隧道路段線型為曲線，K線為直線。

3.2.2 E+F線方案、F線方案

a）E+F線方案 鑒于K線方案縱坡指標(biāo)較差，E+F線考慮通過(guò)展線降低路線平均縱坡。路線于寨子溝西與K線相接，在岳家莊北進(jìn)入?yún)瘟荷教亻L(zhǎng)隧道（7 555 m），入口標(biāo)高與K線一致，向西經(jīng)下莊至牛家?guī)X南，走高線位在尹家莊接F線后經(jīng)邢家莊至歸化與K線相接。路線全長(zhǎng)21.071 km，其中設(shè)橋梁4 834 m/23座，隧道8 280 m/2座。對(duì)應(yīng)K線長(zhǎng)19.2 km，其中設(shè)橋梁4 197 m/15座，隧道9 703m/2座。

b）F線方案 F線方案主要考慮在E線基礎(chǔ)上進(jìn)一步展線，路線于寨子溝西與K線相接，在岳家莊北進(jìn)入?yún)瘟荷教亻L(zhǎng)隧道（7 430 m），入口標(biāo)高與K線一致，以K線隧道軸線為基礎(chǔ)，出隧道跨薛家溝后沿西側(cè)山麓布線，經(jīng)牛家?guī)X、康家?guī)X、尹家莊、邢家莊至歸化與K線相接。路線全長(zhǎng)21.631 km，其中設(shè)橋梁4 953 m/22座，隧道8 155 m/2座。對(duì)應(yīng)K線長(zhǎng)19.2 km，其中設(shè)橋梁4 197 m/15座，隧道9 703 m/2座。

經(jīng)比選，F(xiàn)線與E+F線方案均屬展線+高線位方案，兩者橋隧規(guī)模相當(dāng)，總體造價(jià)相當(dāng)，因此展線+高線位方案推薦F線，與K線進(jìn)行比選。

F線與K線相比，縱坡指標(biāo)有所提高，建設(shè)里程增長(zhǎng)了2.413 km，建安費(fèi)高3 500萬(wàn)元，指標(biāo)改善的代價(jià)是建設(shè)里程的較長(zhǎng)增加，運(yùn)營(yíng)期社會(huì)成本增大，工程規(guī)模仍較高，而且高線位高填深挖仍較多，環(huán)境保護(hù)方面改善甚微，F(xiàn)線、K線兩方案相比各自?xún)?yōu)點(diǎn)均不能取得絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此需尋求更佳方案。

3.3 G線方案

3.3.1 G線方案

鑒于K線連續(xù)下坡指標(biāo)較低、工程規(guī)模較大，而F線規(guī)模較大且指標(biāo)仍不理想，故布設(shè)了采用特長(zhǎng)隧道9 818 m+低線位的G線方案，展線并降低隧道入口標(biāo)高（1 624 m）。路線起于寨子溝東，在寨子溝西設(shè)特長(zhǎng)隧道（9 818 m）穿越呂梁山后沿薛家溝西側(cè)山腳布線，依次經(jīng)牛家?guī)X、康家?guī)X至小神頭南設(shè)信義東互通，后經(jīng)尹家莊、邢家莊、嚴(yán)村至終點(diǎn)信義東，路線全長(zhǎng)29.234 km，其中設(shè)橋梁4 940 m/15座，隧道9 818 m/1座。對(duì)應(yīng)K線長(zhǎng)26.721 km，其中設(shè)橋梁5 609 m/22座，隧道9 703 m/2座。

G線方案技術(shù)指標(biāo)：G線方案降低特長(zhǎng)隧道入口標(biāo)高提早進(jìn)入隧道，為出隧道后采用低線位創(chuàng)造條件。從特長(zhǎng)隧道進(jìn)口開(kāi)始下坡，至終點(diǎn)呂梁環(huán)城高速路段長(zhǎng)27.993 km，高差501 m，平均縱坡1.79%，重車(chē)方向離石至文水為上坡，平曲線最小半徑為1 000 m，最大縱坡4%。長(zhǎng)大縱坡路段減少到1段，縱坡指標(biāo)有較大改善。

3.3.2 G線與K線相比

圖2 G線方案圖

G線與K線從以下幾個(gè)方面對(duì)比：

a）技術(shù)指標(biāo) G線隧道入口至信義終點(diǎn)連續(xù)下坡平均縱坡為1.79%/27.993 km，呂梁山隧道出口至信義終點(diǎn)平均縱坡為1.92%/17.87 km，只有1段長(zhǎng)大縱坡路段，較K線指標(biāo)有大幅改善。

b）特長(zhǎng)隧道縱坡 G線呂梁山特長(zhǎng)隧道縱坡1.57%，K線為1.9%，G線指標(biāo)更好，有利于行車(chē)安全。

c）建設(shè)里程 G線里程較K線增長(zhǎng)2.513 km，較為繞行。

d）地質(zhì)條件及環(huán)境保護(hù) K線高線位高填深挖段落較多，地質(zhì)以表層薄層Q2-Q3黃土下臥全風(fēng)化花崗巖為主。全風(fēng)化花崗巖呈類(lèi)土狀，自穩(wěn)能力極差，對(duì)工程的施工和運(yùn)營(yíng)都將帶來(lái)諸多的安全隱患，同時(shí)開(kāi)挖山體嚴(yán)重，不利于環(huán)境保護(hù)。G線僅在邢家莊-永紅3 km路段有少量深挖段落，該段落主要為土質(zhì)邊坡，避開(kāi)了大范圍不良地質(zhì)路段，有利于環(huán)境保護(hù)。

e）互通布設(shè)條件 K線由于線位較高，設(shè)置互通、停車(chē)區(qū)困難，其中信義東互通處與被交路米五線高差約78 m，展線較長(zhǎng)，橋梁密布，互通規(guī)模大。G線采用低線位，在小神頭南山腳設(shè)置互通及停車(chē)區(qū)位置，地形較為平坦，工程規(guī)模較小。

f）機(jī)電及運(yùn)營(yíng)期費(fèi)用 G線設(shè)1座特長(zhǎng)隧道全長(zhǎng)9 818 m，K線設(shè)2座隧道總長(zhǎng)9 722 m，G線對(duì)隧道通風(fēng)、照明、救援等設(shè)施要求更高，隧道稍長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)期費(fèi)用較高。

g）工程規(guī)模 隧道規(guī)模基本相當(dāng)，G線土石方、橋梁、互通等規(guī)模均下降，較K線造價(jià)低約5.847 7億元。

表2 K、G線方案對(duì)比情況

比選結(jié)果：G線與K線相比，在技術(shù)指標(biāo)、工程規(guī)模、地質(zhì)條件、互通布設(shè)條件等方面均有較大優(yōu)勢(shì)，選擇G線方案為推薦方案。

圖3 各路線方案縱坡情況圖

3.4 運(yùn)營(yíng)安全性論證

項(xiàng)目組依據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》要求，對(duì)該路段K線方案及G線方案進(jìn)行了運(yùn)行速度測(cè)算[1]。

該路段設(shè)計(jì)速度80 km/h，小客車(chē)初始速度80 km/h，期望速度110 km/h，運(yùn)行加速度采用0.165 m/s2；大貨車(chē)初始速度65 km/h，期望速度80 km/h，運(yùn)行加速度采用0.2 m/s2，運(yùn)行速度成果分析如下。

3.4.1 祁縣至離石方向

根據(jù)運(yùn)行速度預(yù)測(cè)結(jié)果，在上行方向，K線在K69+038—K70+253段大貨車(chē)運(yùn)行速度降至容許速度以下，相鄰路段速差大于20 km/h，對(duì)公路運(yùn)營(yíng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響；其余段落K線方案與G線方案無(wú)相鄰路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不良路段，對(duì)安全性影響不大。

圖4 K線與G線上行車(chē)輛（祁縣至離石方向）運(yùn)行速度分線圖

因此，祁縣至離石方向，G線方案優(yōu)于K線方案。

3.4.2 離石至祁縣方向

在下行方向，根據(jù)小客車(chē)運(yùn)行速度預(yù)測(cè)結(jié)果，K線方案及G線方案均無(wú)相鄰路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不良路段，對(duì)安全性影響不大。總體來(lái)看，小客車(chē)均可在一個(gè)相對(duì)較高的線形指標(biāo)下運(yùn)行，其運(yùn)行速度總體是合理和可靠的，因此認(rèn)為主線下行的小客車(chē)沿線相鄰段落之間的技術(shù)指標(biāo)合理，相鄰路段線形設(shè)計(jì)連續(xù)性較好，設(shè)計(jì)元素協(xié)調(diào)相容。

根據(jù)大貨車(chē)運(yùn)行速度預(yù)測(cè)結(jié)果，K線方案大貨車(chē)在K77+506—K78+050（長(zhǎng)0.544 km），K85+520—K87+811（長(zhǎng)2.29 km）段運(yùn)行速度降至容許速度以下，大貨車(chē)在上坡段最低運(yùn)行速度降至33.6 km/h，客貨兩種類(lèi)型車(chē)輛速差較大，嚴(yán)重影響公路正常運(yùn)營(yíng)，存在較大安全隱患；而G線方案大貨車(chē)在GK81+184—GK81+264（長(zhǎng)0.08 km）段運(yùn)行速度降至容許速度以下，大貨車(chē)在上坡段最低運(yùn)行速度降至48.7 km/h，對(duì)公路運(yùn)營(yíng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

圖5 K線與G線下行車(chē)輛（離石至祁縣方向）運(yùn)行速度分線圖

因此，離石至祁縣方向，根據(jù)運(yùn)行速度分析，G線方案明顯優(yōu)于K線方案。

結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，呂梁地區(qū)為山西省重要能源基地，車(chē)輛從離石駛出均為重車(chē)方向，且在離石至祁縣方向?yàn)樯掀拢试贕線方案離石至祁縣方向GK80+540—GK81+790（長(zhǎng)1.25 km）設(shè)置了爬坡車(chē)道，同時(shí)加強(qiáng)該路段交通安全設(shè)施設(shè)置“大型車(chē)靠右”標(biāo)志牌，并采用分車(chē)型、分車(chē)道行駛的行車(chē)組織策略，減小由于貨車(chē)過(guò)低的運(yùn)行速度對(duì)高速公路通行能力產(chǎn)生影響和由于過(guò)大的速度差帶來(lái)的事故隱患，以提高安全性，保證公路的安全運(yùn)營(yíng)。

3.5 比選結(jié)果

經(jīng)過(guò)深入研究后，該路段各方案技術(shù)指標(biāo)排序情況如下（E+F線和F線以F作為參考）：

a）連續(xù)下坡技術(shù)指標(biāo)由高到低：G＞F＞K＞D。

b）特長(zhǎng)隧道縱坡指標(biāo)由高到低：G＞D＞F=K。

c）工程規(guī)模由低到高：G＜D＜K＜F。

d）地質(zhì)條件、環(huán)境保護(hù)由好到差：G＞K＞F=D。

e）互通布設(shè)條件由好到差：G＞F＞K＞D。

f）建設(shè)里程由短到長(zhǎng)：K＜D＜F＜G。

g）運(yùn)營(yíng)安全性：G＞ K。

綜合考慮，G線方案雖建設(shè)里程較長(zhǎng)，但其技術(shù)指標(biāo)最高，工程規(guī)模最小，地質(zhì)條件、互通布設(shè)條件、環(huán)境保護(hù)及公路運(yùn)營(yíng)安全性均較好，優(yōu)勢(shì)明顯，因此推薦G線方案。

4 結(jié)語(yǔ)

在山區(qū)高速公路選線受地形、構(gòu)造物等控制線工程及其他限制因素影響較大，其線形的選擇對(duì)后期運(yùn)營(yíng)安全有重大影響。本文結(jié)合實(shí)際情況，合理確定路線方案，提出了降低總體路線設(shè)計(jì)標(biāo)高和繞行展線的有效措施，在大大改善線形技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，大幅減少了工程規(guī)模，同時(shí)大大減少了對(duì)山體的開(kāi)挖，之后通過(guò)公路運(yùn)行速度的分析計(jì)算方法，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，以保證公路運(yùn)營(yíng)安全性。