基于全生命周期的高速公路設計優化探索

李振珂 王汝波 熊和 郭璞

關鍵詞 全生命周期;高速公路;設計優化

中圖分類號 U412.366 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）04-0034-04

0 引言

進入21世紀以來，我國公路建設事業發展迅速，截至2018年底，我國公路總里程將近484.65萬km，其中高速公路14.26萬km。根據國家出臺的《國家公路網規劃（2013—2030年）》，要進一步加強區級聯系，豐富完善高速公路路網，提高通道水平，規劃遠期展望線約1.8萬km?！肮方ㄔO，設計先行”，加強設計創新、注重全生命周期設計、關注綠色公路設計、設計與施工深入融合設計等高速公路新的設計理念不斷發展，極大地推動了高速公路設計創新，促進了高速公路設計的整體效應、關聯效應。高速公路設計專業多、路線長，需要加強統籌規劃，注重全生命周期設計，加強優化設計。

1 路線優化設計

路線是高速公路的骨架也將直接影響整個公路的設計方案[1]。合理選定路線方案就是在確保安全、舒適、快速行車的基礎上，深入調查路線所經過路段地形地貌、氣候條件、水文地質等自然情況，在充分考慮工程造價的情況下，提升技術指標，并盡可能使路線短捷[2]。

1.1 平面線形設計

（1）基于全生命周期及減碳排放的設計理念，盡量選擇路線較短的方案，減少建設期工程量、運營的養護里程、車輛碳排放。高速公路平面線形的優化還需與沿線城市、鄉鎮的既有規劃結合，加強設計優化與周圍景觀的協調設計，充分發揮公路的社會服務效益。

（2）平面線形應綜合考慮項目地形、周圍景觀、當地環境等進行設計，高速公路一旦存在轉角，必須設置平曲線，半徑最大不應高于10 000 m，控制在9 000 m以內為宜。

1.2 縱斷面設計

高速公路縱斷面設計是一個系統性工程，關乎路基填土高度、橋梁、互通規模等全局設計，應控制縱斷面變坡點與高程控制點重合，得到科學的、合適的高速公路縱斷面。

（1）縱坡是決定橋梁規模的主要因素，在滿足橋下凈空、通航、防洪等需求及相關規范的情況下，應盡可能采取較大縱坡，縮短坡長，提高臺背填土厚度，減少橋梁跨徑。橋頭縱坡應控制在2%～3%的范圍之內，縱坡超過2.5%時，坡長不宜超過1 000 m。

（2）綜合考慮排水要求，通道、涵洞應盡可能降低標高，如果條件允許，可以適當下挖交叉道路，降低標高，一般平原地區通道底標高控制在超出地面0.2～0.3 m左右。對于被交路上跨主線的分離式立交，在滿足路基強度及穩定性的前提下，應盡可能地降低路基高度。

1.3 路線優化案例

某高速公路原線路方案路線于六漢溝河谷中部布線，向西設豐厚隧道穿山，隧道出口附近靠山布線，路線長度3.0 km。經過現場調研進行優化設計，現右移平面35 m，于六漢溝河谷偏北側布線，向西設豐厚隧道穿山后線位右移25 m，減少隧道偏壓段長度，路線長度3.0 km，原方案與優化方案對比情況如表1所示。

2 路基路面及排水設計

2.1 路基優化設計

路基應綜合考慮沿線的氣候條件、地形、地質情況、路基填料情況以及施工的便利性等分段進行方案設計。

不同的地質條件、材料供應情況、施工條件等分段進行方案設計。

（1）應加強軟土路基處治方案優化。當采用水泥攪拌樁處理軟土路基時，橋頭段樁間距宜為1.1～1.3 m，過渡段宜為1.3～1.6 m;當應用超載預壓方式處治軟土路基時，不同處治方案的交接長度宜為10～20 m，避免不均勻沉降引起的裂縫。

（2）在填塘路段、新老路基拼接路段，可采用土工格柵處治，但要根據具體情況進行設計，比如填塘路段，當填至近原地面時，可以鋪設1～2兩層的雙向土工格柵防止不均勻沉降;新老路基交界處填土高度大于3 m，填土時，可先布置2～3層單向土工格柵，再進行填土。

（3）高速公路路床、路基填料的摻料應根據土質類別及實驗確定，而不是統一采用摻灰處治。路床80 cm內的填料摻灰比例宜為5%～7%，路基中部填料的摻灰比例應控制在5%以內。粘性土可摻適量水泥，降低摻灰比例，可以節約一定的造價。

2.2 路面優化設計

路面應統籌考慮氣候條件、筑路材料、交通量、交通荷載等情況進行路面結構層、厚度、使用壽命等優化設計?？偟膩碚f，在所有的優化設計方案中，一定要全面解決重載交通車輛的問題，消除早期水損害的影響。通過層層的優化設計，合理配比混合料，從而更好地服務于后期的施工質量[3]。

（1）路面結構優化設計，應從路面的抗車轍、水穩定性、抗反射裂縫等方面進行優化設計，應開展半剛性基層、混合式基層探索應用。

（2）加強路面材料研究，進一步提高材料參數測試質量，提升環保型材料的應用水平。比如在立交匝道上通過橡膠粉瀝青路面的使用具有低碳環保、減少變形和抗疲勞開裂等諸多優勢，能科學合理地減少路面出現的噪聲[4]。鋼渣瀝青混凝土、PE改性瀝青混凝土等環保型路面材料的應用，可以有效保護生態環境。

2.3 排水優化設計

2.3.1 邊溝優化設計

高速公路設計通常采用梯形邊溝，尺寸一般為底部寬為60 cm，上口寬為180 cm，一般能夠承受路面400 m的排水長度，對于平原地區或丘陵地區不適合，設計過于保守，且公路邊溝過寬影響高速公路的美觀。

根據相關規范，結合實際工作經驗，一般地區高速公路，雙向四車道的梯形邊溝上口寬度不宜大于1.2 m;雙向六車道的梯形邊溝上口寬度不宜超過1.5 m;雙向八車道的梯形邊溝上口寬度不宜超過1.8 m。低填方及路塹邊溝采用暗埋邊溝比較合適。

2.3.2 中分帶盲溝

中央帶排水主要是為了排除中分帶表面的下滲水，雨水下滲土中需經飽和，且滲水量有限，因此中分帶盲溝尺寸不宜過大。

中央分隔帶盲溝的大小宜在40×30 cm以內，橫向過水管的布置應按80～100 m間隔較為合適，可以適當加密橫向過水管的間距，從而減少中央分隔帶盲溝尺寸。雨水量較大的地段可以適當加大中央分隔帶盲溝尺寸和橫向排水溝的間距，雨水量不大的路段可不設置中分帶排水。

3 橋涵設計

3.1 橋梁設計

3.1.1 優化橋梁建筑高度

（1）主線橋梁線形應與路線布設相互協調，在被交路或者河流地方，可以適當改移，從而降低橋梁的交角及跨徑。

（2）對于既有的被交路是二級及以下的公路時，宜在中分帶設置橋墩，降低主線高速公路橋梁的跨徑及建筑高度。

（3）橋梁全長不大于120 m時，應優先考慮采用先張法預應力混凝土簡支空心板，從而減小橋梁的建筑高度和橋長。

3.1.2 主梁設計

（1）為保障混凝土的施工質量，現澆混凝土結構的主筋布置間距應加以控制，一般不宜大于9 cm。不然應適當增大結構尺寸或提高主筋的強度等級以保障受力。

（2）對于現澆預應力梁，當鋼束的張拉長度大于125 m時，應合理分段進行澆筑和張拉，宜將平均預應力損失控制在25%之內。

（3）當一聯全部采用獨柱墩時，為保障橋梁的橫向穩定性，聯長應控制在125 m。

（4）為減少造價和保障工期，盡量采用結構形式較為簡單的橋梁。

3.1.3 下部結構設計

（1）隨著六車道、八車道等多車道高速公路的建設增多，其同跨徑的墩臺受力情況與四車道相比有明顯改變，應重視承臺的優化設計，確保安全。

（2）主線橋梁基礎應優先考慮采用鉆孔樁，支線橋梁應根據地質情況采用樁基礎或擴大基礎，從而控制投資。

3.2 涵洞設計

（1）在滿足設計相關規范和過洪要求的情況下，應優先考慮采用管涵。

（2）為便于河溝清淤，涵底標高宜設在原河溝底標高下0.3 m。

（3）無壓涵洞內定點至最高流水面的凈高不僅要滿足相關的規范規定，同時不宜小于1 m。

3.3 橋梁優化案例

某橋梁上跨西江河，橋位處設計洪水位為17.86 m，最高通航水位15.81 m，最低水位1.0 m，常水位時河面寬700 m，現為Ⅱ級航道，通航3 000 t級船舶，規劃為內河Ⅰ級航道。原設計方案為主跨采用（70+120+400+120+70）m斜拉橋，上報估算建安費10.35億元。為確保該橋結構的安全性和合規性，尋求最佳優化設計成果，控制投資規模，盡可能減少或避免該項目在施工和建成運營過程中因設計方案不當造成的工程變更和工程隱患，經研究，主梁橋梁上部構造采用變截面預應力混凝土箱梁，按全預應力構件設計，設置縱、橫、豎三向預應力體系。箱梁主跨190 m，邊跨110 m，優化方案為（110+2×190+110）m剛構橋，造價為7.747 3億元。通過優化橋梁結構形式節約造價約2.6億元，并且大大縮短了工期，極大地保障了投資收益。

4 隧道工程

4.1 隧道優化

（1）加強隧道洞口優化設計，選擇合適的洞門形式，盡量避免對隧道洞口原地面邊坡的破壞，保護自然環境。

（2）加強隧道圍巖勘探，明確圍巖級別，確定合適的支護方式。

（3）隧道照明要采用新的照明方式及控制方式，當前宜采用無極調光的LED照明。

4.2 隧道優化案例

某高速有兩條中長隧道，長度分別為470 m、570 m，隧道照明原設計方案采用回路控制、高壓鈉燈的傳統照明方式，經研究，決定采用新型的照明方式，即改用無極調光的LED照明方式，同時增加交通量、亮度等實時監測系統，實現隧道智能調光，經測算兩條隧道采用新型照明方式后，每月節約電費額度可觀，具體如表2所示。

5.1 分離式立交

上跨高速公路橋梁對高速公路的景觀影響較大，總體上要做到結合周圍環境，協調統一。

（1）上跨結構的地面要有良好的整體性，避免產生突然彎折。

（2）視距范圍內的上跨高速公路橋梁的錐坡和護坡防護形式要結合地形放緩，同時輔以植物防護，形成良好的視覺效果。

5.2 互通式立交

應適當地降低互通匝道的設計時速，減小規模。

（1）樞紐互通的匝道設計速度應控制在40～60 km/h之間。

（2）當匝道采用的設計時速較低，應適當增加減速車道長度或者設置震蕩帶降低行駛速度，保障安全。

（3）當轉向交通量不大于1 500 pcu/h，雙車道匝道采用單匝道出入口設計時，可不設置輔助車道。

（4）當用地受到限制時，可以采用菱形或者半苜蓿葉型控制互通規模。

5.3 互通方案優化

某互通方案位于八渡鄉福達村東側，該互通主要服務于八渡鄉及附近車輛上下該項目，發揮項目對沿線經濟的帶動作用。經研究，對互通方案進行了優化設計，減少了匝道長度和土方量，從而減小了互通規模，具體技術指標對比如表3所示。

6 服務區設計

應加強高速公路服務區設計，與主體工程同步設計，綜合考慮，避免服務區設置不合理。

（2）現有的服務區，雙邊式占98%左右，單邊式和跨線式設計還較少。為確保投資收益，在高速公路設計中，應考慮單邊式，可以減少征地，節約設施，減少運營期的管理人員數量，提高管理效率。

（3）服務區內各功能性設施應盡量圍繞停車場布設，避免“長蛇陣”和“滿天星”現象。

7 結語

高速公路設計要基于全生命周期及降低碳排放的設計理念，綜合考慮路線、路基路面、橋涵等多個專業的優化設計，主要優化方向如下：

（1）路線布設應降低長大縱坡路段行車危險性、降低采空區結構工程風險;注意降低填土高度、減少挖方高度，不斷優化平、縱設計，以減少工程造價。

（2）充分考慮棄方占地、壓實、防護、排水工程與高填路基的工程要求，在確保壓實并補充輔助壓實的前提下，可采用高填路基。盡量降低挖方路基的邊坡高度，對不穩定邊坡區段，采取技術措施降低邊坡高度。

（3）原則上應采用部頒標準圖或地方標準化設計通用圖，合理選擇橋型方案和施工方案，降低工程造價和難度，減少對地方的干擾。

（4）隧道洞口位置的確定遵循“早進洞、晚出洞”的原則，盡量減小洞口邊坡、仰坡的開挖高度，保證山體的穩定;隧道進行專門的防排水設計，遵循“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的原則，對地表水、地下水采取妥善的處理，使洞內外形成一個完整、暢通的防排水系統。

（5）互通式立交形式的選擇應根據互通功能要求和預測交通量分布情況，綜合考慮地方規劃、現場條件、投資成本、經濟效益、美學效果和遠期發展等因素進行優化。

高速公路設計要著眼長遠發展，科學地“適度提前”，引進預留發展空間設計，從而實現高速公路建設的最大社會效益、服務效益和經濟效益。

參考文獻

[1]藍生斌. 綠色低碳可循環理念下的高速公路設計優化策略[J]. 環保前沿， 2020（8）： 171-173.

[2]李鵬. 高速公路路線優化設計問題探討[J]. 交通世界，?2021（16）： 75-77.

[3]張志強. 高速公路路面結構優化設計解析[J]. 黑龍江交通科技， 2021（2）： 223-224.

[4]段凌燕. 關于優化高速公路設計的思考[J]. 建設科技，?2017（11）： 117-118.

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