山區(qū)高速公路設(shè)計理念及關(guān)鍵性技術(shù)問題研究

郭濤

摘要 受到山區(qū)復(fù)雜地形地勢的影響，山區(qū)高速公路建設(shè)往往需要面對多樣化的地質(zhì)條件，尤其是巖溶、采空等問題不僅會對工程的安全性帶來不利影響，還會導(dǎo)致項目使用壽命受損。在這樣的背景下，文章主要從山區(qū)高速公路設(shè)計需要重點考慮的因素出發(fā)，結(jié)合實踐探究了與之相應(yīng)的解決措施，以期能夠提升山區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)的質(zhì)量與效益。

關(guān)鍵詞 山區(qū);高速公路;建設(shè);關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號 U412 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0115-03

0 引言

我國地質(zhì)條件復(fù)雜，且分布有大量的山區(qū)地帶，其中山地占到了我國國土總面積的33%以上，丘陵及崎嶇高原也均達到了10%，從整體而言山區(qū)占比已經(jīng)超過了50%。基于我國現(xiàn)有的設(shè)計經(jīng)驗，同時考慮到山區(qū)公路建設(shè)的實際需求，可將山區(qū)高速公路的設(shè)計重點歸納為以下幾點[1]：

（1）路線平縱方案的比選及其優(yōu)化。

（2）長縱坡路面的抗滑設(shè)計;采空區(qū)的勘察處理。

（3）巖溶地區(qū)及采空區(qū)的橋梁設(shè)計。

（4）巖溶及其他不良地質(zhì)條件下的隧道設(shè)計。

1 工程實例

以我國某高速公路項目為例展開分析，該項目地處山區(qū)，全線長約167.8 km，采用雙向四車道設(shè)計，設(shè)計速度為80 km/h，路基設(shè)計寬度為25.5 m。在設(shè)計時考慮的荷載為公路-Ⅰ級。項目建設(shè)跨度較大，且沿線存在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，尤其是水庫、巖溶等不良地質(zhì)條件多發(fā)，對設(shè)計環(huán)節(jié)提出了較高的要求。

2 山區(qū)高速公路設(shè)計的關(guān)鍵性問題

2.1 路線方案的比選及優(yōu)化

該項目沿線地質(zhì)條件多樣且復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)計工作需要考慮的因素較多。選線環(huán)節(jié)對項目的合理性、經(jīng)濟性與科學(xué)性有較大影響，對工程造價、生態(tài)效益等起著重要作用[2]。如何基于工程實際條件制定合適的方案，最大化利用已有條件，成為路線比選的重中之重。

（1）確保路線平、縱線形設(shè)計能夠順應(yīng)項目沿線地形地勢分布，嚴禁盲目追求高指標，通常以現(xiàn)行規(guī)范所要求的最低標準為原則。比選方案應(yīng)具有全面性與徹底性，盡可能避免遺漏有價值的方案。

（2）對于不良地質(zhì)條件分布比較廣泛的路段，可借助遙感技術(shù)、CAD集成計算機漫游技術(shù)輔助完成選線工作。同時，路線還應(yīng)盡可能避免穿越地質(zhì)條件復(fù)雜的地帶，提升方案比選的效率。

（3）路線選擇應(yīng)平衡好平、縱、橫三者之間的關(guān)系，且協(xié)調(diào)好隧道、橋梁等重要構(gòu)筑物之間的組合。尤其需要反復(fù)論證隧道分合線布置的合理性，注重特殊地基下的橋梁設(shè)計，在安全性、經(jīng)濟性之間尋求平衡。

（4）如有必要，可借助運行車速理論來評價橋梁設(shè)計方案。

2.2 長大縱坡路段抗滑問題

山區(qū)地形地勢往往具有一定的高差，在設(shè)計時一般需要采取連續(xù)上下坡來解決，但在霧天等能見度差的天氣下，長大縱坡很容易導(dǎo)致交通事故。為了提升其安全性，除了改善路面結(jié)構(gòu)及材料外，還可以借助地形變化來制定應(yīng)對措施，提升行車安全性[3]。

（1）選用先進施工工藝，并對已有方案進行比選，尤其要注重路面結(jié)構(gòu)的改良，可借助試驗來確定最佳方案。

（2）采用合適的材料。采用符合現(xiàn)行規(guī)范要求的石油瀝青，根據(jù)路面等級和要求，可采用SBS改性瀝青等。在集料選擇上，采用耐磨性較好的玄武巖，并通過礦料級配的優(yōu)化來達到改進材料的目的。集料的級配可借助試驗進行確定。

（3）為了提升公路通行以及應(yīng)急能力，可借助既有地形變化劃定相應(yīng)的避險車道、停車區(qū)等。

（4）強化公路監(jiān)控設(shè)計，并附加合理的安全設(shè)施，警示司機和行人。在長下坡路段，重點完善監(jiān)控系統(tǒng)，并設(shè)置限速指標。

2.3 巖溶和采空區(qū)的處理

巖溶和采空區(qū)是山區(qū)高速公路需要特別關(guān)注的兩類不良地質(zhì)條件，具有一定的隱蔽性，在勘察時難以被準確定位。尤其是在礦區(qū)規(guī)模較小的地區(qū)，分布往往具有不規(guī)則性，公路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到潛在威脅。解決上述問題的關(guān)鍵在于如何確定其位置及規(guī)模，并制定與之相應(yīng)的措施[4]。

（1）充分重視地質(zhì)勘探及現(xiàn)場調(diào)研，尤其是對項目整體具有控制功能的地區(qū)須重點監(jiān)測;對于分布有采空區(qū)的路段，須基于國土部門資料確定采空區(qū)的分布、大小等基本情況;對于小礦，則應(yīng)以走訪的形式調(diào)查其上部建筑物、道路狀態(tài)，確定路基穩(wěn)定性。條件復(fù)雜的工程，還可通過布設(shè)觀測線的方式來研判采空區(qū)穩(wěn)定性，為后續(xù)路線優(yōu)化及病害治理提供相應(yīng)參考。

缺乏地質(zhì)條件資料，借助電法勘探及鉆探方法進行實地勘測，可優(yōu)先選擇大地音頻電磁法和瞬變電磁法等物理技術(shù)，從宏觀上建立對當?shù)氐刭|(zhì)條件的認識，重點明確坑洞的大小、分布。

（2）該工程位于巖溶地區(qū)，根據(jù)其發(fā)育程度制定防治措施，并考慮經(jīng)濟性、環(huán)保性等的影響。針對路塹邊坡位置分布的干溶洞，可基于溶洞的形式與大小采取片石填塞、護坡等方式完成處理。對路塹邊坡及其上分布的巖溶泉與冒水洞，應(yīng)秉承以疏為主的策略，布置集水溝，將水引導(dǎo)至路基影響范圍之外;在填方或挖方路基基底較小且干溶洞的深度較小的路段，借助碎石、片石進行回填并夯實;對于規(guī)模較大的溶洞，選用構(gòu)造物跨越方式進行處理;在溶洞頂板較薄的路段，考慮采用炸除方式進行處理;地基影響范圍內(nèi)出現(xiàn)塌陷，且其發(fā)展停滯時，采取注漿法處理，對存在發(fā)展趨勢的按照構(gòu)造物跨越處理。

2.4 深路塹邊坡的處理

在山區(qū)高速公路建設(shè)中，深路塹工點一般較多，為了確保在使用狀態(tài)下能夠保持穩(wěn)定，應(yīng)將加固與防護相結(jié)合，同時利用建設(shè)環(huán)境既有條件，降低可能對自然環(huán)境產(chǎn)生的破壞。邊坡開挖優(yōu)先選用綠色防護措施[5]。

（1）控制路基邊坡高度。強風(fēng)化層邊坡高度應(yīng)控制在25 m以下;硬質(zhì)巖弱風(fēng)化層邊坡高度應(yīng)不大于40 m;硬質(zhì)巖弱風(fēng)化層的邊坡高度一般不宜大于40 m。在該工程中，由于受到建設(shè)條件限制難以滿足上述標準要求而不能采用隧道設(shè)計，因此考慮基于邊坡實際條件核算其坡度，采取支擋措施。

（2）重視地質(zhì)勘察，明確建設(shè)地的水文地質(zhì)條件，如有必要還可借助原位試驗來獲取準確的地質(zhì)參數(shù)。此外，還可通過工程地質(zhì)類比法、圖解分析法等來評價地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）勘察設(shè)計工作應(yīng)秉承“兼并融合”的原則，在實際工程中充分吸收以往成功案例，借鑒類似工程的成功做法與先進創(chuàng)新思路。按照公路工程穩(wěn)定性要求，基于分級穩(wěn)定的基本原則，組合使用錨桿、錨索、生態(tài)防護等處理技術(shù)。

（4）在提升邊坡穩(wěn)定性的同時，還應(yīng)不斷優(yōu)化方案生態(tài)性，秉承綠色環(huán)保的基本要求進行設(shè)計。例如，彎道位置應(yīng)減少擋土墻的使用，從而降低可能出現(xiàn)的視線遮擋問題。對于質(zhì)地較為堅硬的邊坡路段，可以噴射彩色混凝土、布置爬壁藤。

（5）在沿線路塹高邊坡路段，要密切關(guān)注邊坡變形情況。基于實測數(shù)據(jù)以及當?shù)氐刭|(zhì)條件，及時做出方案優(yōu)化，實施動態(tài)設(shè)計。

2.5 特殊路段橋梁的設(shè)計

巖溶地質(zhì)的出現(xiàn)一般具有隱蔽性，導(dǎo)致監(jiān)測難度較大，無形中對基礎(chǔ)建設(shè)產(chǎn)生不利影響，甚至還會導(dǎo)致基底不均勻沉降。

基礎(chǔ)位于巖溶較為豐富的路段，秉承地質(zhì)鉆探的基本原則：初測環(huán)節(jié)按照綜合鉆探的原則逐個完成;同時還應(yīng)選用適當?shù)奈锾酱胧┻M行輔助，從而對地下巖溶條件形成全面認識。埋深較淺或分布較散的巖溶地區(qū)路段，采取擴大基礎(chǔ)進行處理，同時對基礎(chǔ)之下的溶溝進行換填，使其能夠滿足工程建設(shè)的基本要求。沿線不存在較大的溶洞，上覆層較好，覆蓋層性質(zhì)穩(wěn)定且不存在水流長期沖刷的路段，考慮采用擴大基礎(chǔ)完成墩臺設(shè)計。巖溶發(fā)育程度較大或分布有多層溶洞的路段，優(yōu)先選用鉆（挖）孔樁基礎(chǔ)進行施工。需要注意的是，樁基樁身應(yīng)當穿越足夠厚度的巖層，且樁端應(yīng)布置于足夠厚度的巖板之上。

2.6 橋梁墩頂變位控制

山區(qū)高速公路設(shè)計須注意大縱坡路段內(nèi)的墩頂變位控制問題，這也是實際工程中比較常見的一類問題。當車輛在長縱坡上行駛時，受到制動力的持續(xù)作用，橋梁梁板也存在持續(xù)向前的趨勢，這一現(xiàn)象在單向行駛的路段更為突出。

此外，對于同時存在曲線、大縱坡以及高墩的路段，墩頂變位不僅包括與橋梁相同方向的變位，同時還可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變位以及施工變位。這些變位現(xiàn)象往往會對橋梁穩(wěn)定產(chǎn)生嚴重影響，使其處于不安全狀態(tài)。

（1）針對橋向變位現(xiàn)象，可采取以下措施進行防治：①在大縱破以及高墩長橋路段上，車輛行駛很可能導(dǎo)致累積變位發(fā)生。針對這一現(xiàn)象，設(shè)計人員可以適當增加橋墩縱向剛度來改善結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以防由于僅增強部分制動墩導(dǎo)致的不經(jīng)濟以及不美觀問題;②可在橋墩與橋梁上部結(jié)構(gòu)之間形成可靠固結(jié)，以此來強化上下結(jié)構(gòu)之間的連接性，并以此控制位移量，起到提升結(jié)構(gòu)剛度的效果。

（2）針對橫橋向變位現(xiàn)象，考慮到橋梁的平面主要集中于曲線段上，曲線T形梁橋可采用直梁橋設(shè)計，并通過調(diào)整翼緣板寬度來達到緩解梁體彎扭的目的。此外，還應(yīng)當強化橫向聯(lián)系，使得橋梁整體性得到保障。

（3）需要注意的是，設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)充分考慮由于混凝土收縮、徐變帶來的結(jié)構(gòu)內(nèi)長期效應(yīng)，并注意橋墩墩頂初始偏位受到徐變所發(fā)生的持續(xù)變化，及時采取有效措施進行控制。

2.7 隧道設(shè)計

巖溶地質(zhì)的處理是山區(qū)高速公路設(shè)計需要關(guān)注的內(nèi)容，同時也是保障項目整體質(zhì)量的有效措施。

（1）隧道平、縱斷面。巖溶地區(qū)隧道除了需要適應(yīng)項目整體設(shè)計標準外，還需要明確項目所在地地質(zhì)構(gòu)造特點及地質(zhì)環(huán)境，并采取以下措施進行處理：①避免穿越或縮短穿越距離;②采取高位穿越，對于分布復(fù)雜的巖溶地區(qū)，可采用人字坡形式。

（2）工程地質(zhì)。巖溶地質(zhì)具有一定的隱蔽性，因此在其發(fā)展初期往往難以被及時發(fā)現(xiàn)。在隧道附近匯集、滯留的大量承壓水將導(dǎo)致施工難以正常開展。所以，在施工前應(yīng)當對建設(shè)地進行超前勘測，探明附近地下水分布情況，同時將超前勘察報告納入施工環(huán)節(jié)中進行統(tǒng)一管理。

（3）隧道預(yù)支護。隧道工程建設(shè)需要穿越斷層破碎帶等富含地下水的巖溶路段，采取注漿處理進行加固，以此來強化隧道巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并降低透水能力。如有必要，還可采取長管棚技術(shù)來建立穩(wěn)定、合適的施工條件。在注漿作業(yè)結(jié)束后還應(yīng)及時檢測，評價其效果是否滿足預(yù)期要求，只有檢測合格才能開始后續(xù)開挖工作。

（4）隧道結(jié)構(gòu)。隧道需要穿越富水斷層時，襯砌結(jié)構(gòu)往往需要面對較高水平的水壓力作用，此時需要根據(jù)隧道路線確定內(nèi)輪廓及支護參數(shù)，還需采用圓形內(nèi)輪廓。需要注意的是，隧道施工早期的臨時支護應(yīng)當滿足基本剛度要求，且在滿足要求后做到及時封閉。

2.8 不良地質(zhì)路段的隧道設(shè)計

山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，往往伴隨存在較多的采空區(qū)，在隧道的洞口位置也可能出現(xiàn)偏壓、陡崖等不良地形，需要基于工程實際做出相應(yīng)的處理。

（1）隧道在穿越采空區(qū)時，應(yīng)當盡可能采取避讓的處理方式，首先明確該地區(qū)的水文地質(zhì)條件，基于采空區(qū)的分布、大小來選定相應(yīng)的防治方案。當前，我國在采空區(qū)治理方面已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗，注漿填充和墩臺式支撐法是其中較為常見的兩類方法。墩臺式支撐即是通過在采空區(qū)內(nèi)形成墩臺來限制結(jié)構(gòu)的持續(xù)下陷。注漿法即是通過注漿孔將水泥—粉煤灰漿打入采空區(qū)內(nèi)，以此形成結(jié)實體，預(yù)防巖層的持續(xù)下陷。

（2）當隧道需要穿越斷層等軟弱地層時，應(yīng)首先明確其分布、大小以及基本性質(zhì)，同時了解地下水的發(fā)育情況，為基礎(chǔ)建設(shè)提出針對性的措施。對于性質(zhì)軟弱的巖層，一般可借助超前支護的方式來提升其穩(wěn)定性;巖體力學(xué)性質(zhì)受到地下水影響較為顯著，通過注漿法進行處理;對于膨脹性較為突出的巖體，除了需要強化襯砌結(jié)構(gòu)，抵抗地下水滲透作用外，還應(yīng)預(yù)留出足夠的空間，并設(shè)置鋼支撐;對于存在有害氣體的隧道，襯砌應(yīng)當封閉且具有良好氣密性。

（3）針對隧道洞口位置的偏壓、陡崖等地質(zhì)現(xiàn)象，可根據(jù)實際情況采取不同措施：對于偏壓地形，應(yīng)盡可能避免上下分離隧道及連拱隧道的出現(xiàn);對于陡崖地形，為了降低結(jié)構(gòu)出現(xiàn)崩塌的風(fēng)險，為施工過程創(chuàng)造安全穩(wěn)定的環(huán)境，設(shè)計時可采用提前進洞的方案;工程隧道洞口存在不良地質(zhì)，借助超前長管棚、地表加固的方法來輔助進洞，其具體參數(shù)根據(jù)工程實際條件確定。

3 結(jié)語

山區(qū)公路建設(shè)環(huán)境較為復(fù)雜，往往需要面對多樣化的地質(zhì)條件影響，其中不良地質(zhì)有崩塌、滑坡、巖溶等。這些地質(zhì)條件對公路路線方案的確定和設(shè)計起著決定性作用，若選擇不當，很可能導(dǎo)致項目質(zhì)量下降、效益受損。因此，需要設(shè)計人員在早期設(shè)計時借助多種勘察技術(shù)建立起清晰準確的認識，查明不良地質(zhì)條件可能導(dǎo)致的后果，有針對性地制定相應(yīng)的措施。

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