高質量發展理念在黎霍高速公路設計中的應用

劉志勝，袁正兵

（山西交通控股集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

截止2020年底，我國公路總里程達500余萬公里，其中高速公路里程達15余萬公里，位居世界第一。我國公路行業已具備由通車里程累積、路網密度增加階段向品質提升階段轉變的基礎，為進一步滿足人民對高質量交通基礎設施的要求、適應新時代經濟社會的發展需求、提升公路服務水平，助力交通強國建設綱要實施，積極推進公路行業高質量發展，在規劃、設計、施工階段積極貫徹落實高質量發展理念，已成為必不可少的研究內容[1]。

現階段，我國高速公路主要按照傳統方法進行設計，存在新技術應用保守，“四新”技術推廣不夠；采空區過度處治，資源浪費；隧道通風照明過于保守，設施閑置率較高；安全設計較為傳統，運營風險難以達到預測預警等問題[2-3]。為此，本文以山西省黎霍高速公路設計項目為依托，以高質量發展理念為指導，提出優化的設計方案，提升公路品質，為山西省建設安全可靠、便捷高效、綠色智能、融合創新的高質量高速公路提供理論指導。

1 項目概況

黎霍高速公路為山西省“三縱十二橫十二環”高速公路網第八橫的重要組成部分，按雙向四車道高速公路標準建設，設計速度80 km/h，整體式路基寬度25.5 m，全線設置橋梁90余座，隧道20余座，涵洞200余道，立交10余座，收費及服務站區10余處。設計關鍵控制要素包括：與10條國省干線公路相交，與兩條鐵路線相交，與多條河流相交，沿線途經20余村莊城鎮，沿線煤礦涉及采空區，途經自然保護區、地質公園、水源保護地及文物遺址等多處環境敏感點。

2 高質量發展理念

2.1 加強總體設計，貫徹綠色發展理念

項目途經村莊城鎮眾多，與河流、鐵路交叉多次，涉及自然保護區、水源地、文物遺址及采空區等較多。在國家“綠水青山就是金山銀山”“保護基本農田”等理念下，最大限度地保護基本農田、保護生態，積極利用低碳節能技術，減少項目對自然環境的影響，優化線形，提高區域路網服務效率[4-5]。

2.2 強化安全設計，降低運營風險

針對存在的運營安全問題，加強安全性評估和風險防控，優化風險路段的基礎設施，加強環境復雜路段（氣象、地形等）的安全監測，完善重點路段、區域的應急保障設置，提升高速公路安全運營等級，全力保障運營安全。

2.3 貫徹品質理念，提高基礎設施質量

基于全壽命周期設計理念，以耐久性公路建設為目標，從公路構造物結構與材料設計、施工工藝、新技術應用、長期性能監測等方面打造長壽命公路建設體系，全方位控制公路工程質量，降低全壽命周期成本[6]。

2.4 創新驅動發展，推進高速公路智能化

全面推進新材料、新設備、新工藝應用，借助大數據、信息技術等集成，構建高速公路設計、信息管理系統，兼顧智慧公路發展需求，擴展智能感知等智慧功能，綜合應用數字化技術對高速公路基礎設施進行數字化管理，以科技創新實現高速公路的智能化。

3 設計方案

3.1 總體方案

3.1.1 線形優化

以提高公路整體服務水平為目的，充分考慮環境保護、節約用地、節約投資，根據沿線地形、地物、地質條件和構造物設置情況，從路線平縱斷面線形均衡性、減少高填深挖、減少沿線干擾因素等方面進行線形優化[7-8]。

3.1.2 采空區處治

傳統的理念為“遇采空區必處治”且“采空區處治不惜代價”。專題開展“公路穿越采空區地質災害早期識別、監測與處治成套技術”等8項科技項目，充分論證公路穿越采空區地表變形行為、致災機理，提出沿線采空區分類、處治及監測技術。確定采空區是否處治、處治規模及是否監測等，有效降低工程規模，節約工程造價。

3.1.3 生態防護

總體設計方案充分考慮沿線氣候特點、地層及邊坡穩定情況，確定噴混植生護坡、窗口植生護坡、SNS柔性主動防護網、框架錨桿+噴混植生、拱形骨架植生、土工格室等多種以生態防護為主、工程防護為輔的邊坡防護及水土保持方案，全面貫徹綠色環保理念。

3.2 路基工程

3.2.1 預制拼裝涵洞

在涉村落便涵等位置，采用預制涵洞設計方案，通過涵洞構件的集中預制加工和高性能混凝土的應用，提高構件的品質，降低工程項目的全壽命周期成本。預制構件的現場安裝以機械化施工為主，人力為輔，較傳統施工模式可節省人力成本。

3.2.2 加筋土過渡段

在橋臺、涵洞與路基過渡段，增設加筋土過渡段，除在縱向方向上使用摩擦或機械連接放置筋材以外，在橫向方向的兩側面板上同樣安裝筋材，縮小橋涵與路基的剛度差異，減小橋涵與路堤間差異沉降量，有效緩解“橋頭跳車”問題。改善高速公路行駛舒適度，并降低后續維護成本。

3.2.3 徑流導流系統

在長大縱坡坡底前端、單坡隧道高位洞口等特殊路段，由于縱斷面線形導致路面徑流嚴重的局部設置路面徑流導流系統，當降雨量較大時，可串聯設置兩套，將路面徑流及時引導至路基范圍以外。防止降雨過程中，路面徑流對下游結構的沖刷，尤其是橋頭、隧道入口等銜接路段。

3.2.4 長期性能監測

以公路邊坡地質災害預警為目的，對特殊地質條件下的構造物（如高陡邊坡、抗滑樁等）進行長期性能監測，在對災變規律、災變信息研判的基礎上，從時間和空間上對災害發生過程及可能造成的損失進行預測、預警、預防。

圖1 高陡邊坡長期性能監測

3.3 路面結構與材料

3.3.1 結構設計

貫徹落實交通運輸部及山西省交通運輸廳環保、綠色交通的相關精神，推廣廢舊輪胎及廢棄材料等應用，在上面層采用廢舊膠粉復合改性瀝青混合料，中面層采用抗轍裂瀝青混合料[9]，基層采用級配碎石+水泥穩定碎石結構，降低半剛性基層瀝青路面的裂縫反射問題。在特重交通方向通過增加水泥穩定碎石層和下面層厚度來滿足需求。混凝土橋梁鋪面在雙鋼混凝土與瀝青鋪面之間增設2 cm的SMA-5，以提高橋面防水性能。

3.3.2 材料設計

a）路基段路面材料 在分析瀝青路面力學響應的基礎上，基于瀝青路面主要結構層的功能要求，進行下面層抗疲勞瀝青混合料設計、中面層抗車轍瀝青混合料設計、上面層抗滑降噪瀝青混合料設計，包括材料的改性劑摻量、級配及油石比等因素。

b）隧道路面材料 采用連續配筋混凝土路面，通過小間距微裂縫構造降低普通水泥混凝土路面伸縮縫對行車舒適性的影響，其中連續配筋混凝土路面分上下兩層施工。隧道內部采用表面紋理豐富、構造深度更大、抗滑性能更好的露石混凝土，以滿足路面抗滑性能要求；隧道出入口采用鋁礬石骨料瀝青混合料，以滿足剎車對路面抗滑表層的磨損。

c）橋梁鋪面材料 鋼箱梁橋面采用環氧樹脂改性瀝青混合料進行鋪筑，增加鋪面與橋梁結構的變形協調性，有效避免鋪裝層的推移、車轍等病害。

3.3.3 路面性能監測

在路面結構各層位布設傳感器監測相關結構層的變形及應變情況。根據車輛行駛時車輪渠化交通的作用位置，在橫斷面上間隔1.5 m依次布設橫向和縱向應變傳感器，并布設分布式光纖監測級配碎石的變形情況，分別感知輪載正下方結構層的拉應變、偏離輪底處可能出現的壓應變以及多輪荷載疊加作用下路面結構的復雜應變場。根據瀝青路面結構損傷模式和厚度設計控制指標，分別在瀝青面層內部、面層底部和基層底部設置橫向和縱向動態應變計，監測車輛荷載作用下瀝青路面不同結構層位的應力、應變響應量，為瀝青路面的長期工作性能監測提供數據支撐。

3.4 橋梁工程

3.4.1 樁基溶蝕區域

綜合分析沿線巖溶區的特點和工程特性，確定綜合勘察方法，判定巖溶范圍的巖土層力學指標，結合地層穩定情況，靈活設置樁型。通過地質勘察，確定溶蝕空洞的形成機理，判定其類型和形態以及填充物和填充率；同時結合現場試驗手段，確定巖溶范圍內樁側摩阻力和樁端承載力。在巖溶極發育情況下，應比選加長樁長和加固樁周邊地基方案，確定合理的處治方案，降低樁基成本，減短巖溶區的勘察設計施工周期。

3.4.2 柔性橋臺

跨徑較小的橋梁可以嘗試柔性橋臺，常見的“土工合成材料加筋土”柔性橋臺復合結構既保持了加筋土橋臺能夠有效緩解“橋頭跳車”問題，其施工便捷、綠色環保、抗震性能優良且造價和后期維護成本低廉的優點，又進一步提高了結構的整體性和承載能力。

3.4.3 預制拼裝

在充分研究預制拼裝結構連接部位荷載傳遞機制與構造要求、抗震構造及施工技術的情況下，在中小跨徑橋梁的下部結構考慮預制拼裝結構的設計、施工及維修方案，對橋梁構件化養護及推進裝配式橋梁工業化快速制造具有重要意義。

3.4.4 智能監測

總結不同類型橋梁的監測項目，提出橋梁監測的關鍵指標，并制定基于物聯網的智能監測措施。根據布設的傳感器類型、信號特征、數據處理要求等，進行智能監測系統開發，提出荷載、結構及環境監測、展示與預警方案，做到橋梁病害的預測、預警及預防。

3.5 隧道工程

3.5.1 側壁水性瓷化涂料

在隧道側壁采用水性瓷化涂料進行施工，使得側壁形成漫反射表面，在保證一定反射率的同時，又能避免產生眩光效果，這樣既可以協助和改善洞內照明系統，又不影響行車安全性。此外，便于定期清潔，在滿足隧道行車安全的條件下，改善行車環境，協調洞內外的景觀。

3.5.2 節能照明系統

隧道選用長壽命、低光衰、高顯性、高效節能、綠色環保的LED燈，并配置無極調光系統，從提高光源光效、優化系統設計、加強能耗管理等方面入手，在保障隧道照明的情況下，實施節能環保措施。同時，在隧道洞口及內部按間距設計LED投影交通標識，完善交通安全細節，改善駕駛體驗[10]。

3.5.3 靜電除塵

在特長隧道燈具下部安裝隧道靜電除塵裝置，利用陰極在高壓電場中發射的電子以及電子碰撞空氣粒子產生的負離子來捕捉空氣中的顆粒物，使帶電顆粒吸附在陽極，達到除塵目的。可減少散裝貨物運輸對隧道內基礎設施的污染，提高隧道能見度，降低照明電能消耗。

3.5.4 消防管道防漏防凍遠程安全監測

在特長隧道洞口1 000 m范圍內安裝消防管道防漏防凍遠程安全監測系統，對隧道內消防管道存在的滲漏和溫度異常問題及時預警、報警，提示管理人員做到對異常點的準確定位和及時維護處理，有效提升隧道消防安全水平。

3.6 生態環保

3.6.1 橋面徑流收集系統

在跨越河流、村鎮農田、水源地、自然保護區、地質公園等環境敏感的橋梁布設橋面徑流收集系統，主要用于橋面徑流水集中收集，減少橋面徑流對水環境的污染，尤其是解決徑流污染沒有凈化處理、危化品泄露時被動收集等問題。

3.6.2 生態聲屏障

將粉煤灰陶粒和環氧樹脂優點進行耦合制造粉煤灰陶粒生態景觀型聲屏障，有效發揮粉煤灰多孔材料的吸聲性能與聚合物的連續相結構較穩定的優勢，又可在聲屏障上營造綠化景觀，項目的有效實施可有效解決嵌板型金屬結構聲屏障綠化景觀協調性差、造價成本高等問題，進一步促進高速公路綠色、低碳、循環發展。

3.6.3 分布式光伏發電

開發隧道出入口中央分隔帶、向陽邊坡、站區頂棚及互通樞紐閑置土地資源，安裝分布式發電系統，大力開發、利用太陽能，既符合國家、山西省低碳環保可持續發展戰略要求，又適應綠色公路、智慧高速建設理念，還能盤活高速公路閑置資產，培育新的利潤增長點，拓展光伏發電應用新模式，達到“降本增效”的目標。

3.7 安全應急

3.7.1 霧區防撞誘導系統

在急彎陡坡、特殊氣候及自然保護區等區域路段，在道路兩側安裝氣霧檢測設備（包括誘導燈），借助無線自動組網，能夠根據路面能見度情況，自動開啟應對團霧條件下的道路交通安全保障控制模式，實現公路團霧監測、誘導、防撞預警等功能。

3.7.2 特殊標線

在部分特殊路段，設置趣味音樂標線，當車輛勻速通過時，匯合產生高低不同、錯落有致的旋律，改善駕駛體驗，賦予高速公路多尺度行為特性。在急彎陡坡路段設置紅白警示振動標線，提示駕駛員糾正行車方向。

3.7.3 服務區危化品車輛規劃停放、監控

在滿足服務區服務功能與服務水平的前提下，在停車區域劃分上進行專項設計，側重于對危化品車輛的安全管控，包括專用停車位的位置、大小、車位之間的距離、停車位兩側是否設置活動欄桿進行圍蔽，警示標志標線的設置等。同時，開發危化品車輛區域定位跟蹤系統，當危化品車輛在臨近服務區時，實時提示危化品車輛剩余停車位，并在服務區入口進行自動識別，管控平臺實時跟蹤監控車輛在服務區內運行情況等，發生突發事件時自動報警，解決智慧服務區危化品車輛的安全管控問題。

3.7.4 應急物質儲備

以所在區域近十年高速公路突發事件特點為參考，綜合考慮路網規模、路網管理、交通量分布等因素開展應急物資儲備需求分析，基于實際情況，兼顧高速公路應急處置與日常養護，對轄區內各級應急物資儲備中心進行統一規劃、布局。通過進一步優化選址、科學配置應急物資，可以在充分利用現有資源的前提下，有效縮短應急響應時間、提高應急處置效率、減少經濟損失，確保高速公路安全暢通高效運營。

3.8 三維實景數字化

結合互聯網及3S等技術，將基礎設施融合納入高速公路三維實景數據庫，構建“多源二三維實景一體化GIS平臺”，實現實景數據的一體化聯動查詢展示，實現交通基礎設施數字化，實現高速公路建設、管理、養護和運營的精細化，并為智能網聯車路協同應用提供數據支撐[11]。

圖2 三維實景圖

4 結語

建設綠色生態、安全高效、耐久舒適及智能高速公路已成為公路工程高質量發展的趨勢，在設計階段從總體方案、特殊路基、路面結構與材料、橋梁健康狀態、隧道功能、生態環保及安全應急等方面貫徹高質量發展理念，并將這6個方面作為高質量發展理念的重要方向和任務，逐步探索高速公路品質工程發展之路。此外，對高速公路基礎設施進行數字化管理，為高速公路高質量的運營管理作前期準備。