某高速公路三灘段路線方案比選分析

韋世貴

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

三灘段(K59+400～K64+400仙垌隧道進口至三灘2號隧道出口)是某高速公路的控制性工程，其方案選擇的合理性，不僅關系到整個項目的安全性及項目的經濟效益，還直接影響到整個項目后期的運營安全、公路沿線的經濟發展和長期的社會效益。本文通過對三灘段的工程地質條件、平縱面指標、公路用地、施工組織設計、綜合比選等條件進行比選分析，確定了合適的路線方案。

1 項目總體概況

某高速公路是2010年修編的《廣西高速公路網規劃修編》(2010—2020)中高速公路網布局方案中“縱4”全州(黃沙河)至友誼關高速公路支線北流清灣至南寧蘇圩高速公路的重要組成部分。路線總體自西向東，全長125.4 km。

三灘段路線左側有天池大峽谷旅游風景區規劃建設的山林水世界、童話小屋、峽谷漂流、汽車營地、度假酒店等旅游設施；路線沿溝谷展線，對天池大峽谷景區有干擾，且根據工程地質勘察報告結果，K60+000～K60+600段右側為崩坡堆積體[1]，該處位于地震Ⅶ度區，若遇不利地質情況或連續降水，極有可能導致該高位滑坡體下滑，對高速公路的運營產生不利影響。因此，應各方要求，設計了兩種隧道方案進行比選(見圖1)。

圖1 兩方案總體位置圖

2 方案的選擇和布置情況

方案一(K線橋梁+隧道方案)：路線穿過仙垌隧道(隧道長1 130 m)后，設置長1 236.5 m的三灘特大橋(左線31×40 m，右線30×40 m)沿V型溝谷展線，接著設置長550 m的路基填筑溝底(填筑路基橫斷面見附件)，再設置長125 m的橋梁(3×40 m)跨越水溝，進入三灘1號隧道(隧道長2 760 m)，隨后路線進入黃凌鎮白流村墨菜水。

方案二(2K線隧道方案)：路線穿過仙垌隧道(隧道長1 165 m)后，設置長360 m的路基填筑溝底，進入三灘1號隧道(隧道長4 080 m)，隨后路線進入黃凌鎮白流村墨菜水，與方案一重合。

3 工程地質條件比選分析

3.1 工程地質概況

根據鉆探、物探及工程地質測繪，方案一(橋梁+隧道方案)與方案二(隧道方案)地層主要由第四系人工填筑層(Qml)素填土、第四系沖洪積層(Qal+pl)碎石、漂石、第四系殘坡積層(Qel+dl)粉質黏土、碎石及泥盆系中統郁江階(D2y)砂巖、泥質粉砂巖、頁巖和泥盆系下統(D1)石英千枚巖、奧陶系片麻巖、泥盆系碎屑巖和燕山期侵入巖等組成。兩方案揭示的地層巖性基本一致。

3.2 地層巖性的影響分析

仙垌隧道、三灘1號隧道洞身段與斷層斜交，三灘2號隧道則位于云開隆起影響帶范圍內，相應路段圍巖等級比較低，但總體來說構造活動已經趨于穩定，區域地質穩定性總體較好，滿足公路建設要求。地層巖性以奧陶系片麻巖、泥盆系碎屑巖和燕山期侵入巖為主，覆蓋層較薄，基巖抗風化能力較差，節理極發育，巖體完整性差異性比較大，且存在軟弱夾層。因此，本項目隧道的洞口、洞身地質條件略差。仙垌隧道、三灘1號隧道圍巖以半堅硬-軟質碎屑巖為主，受構造活動影響，基巖風化破碎比較嚴重，個別隧道存在構造破碎帶、基巖破碎帶等不利夾層，對隧道洞身穩定性較為不利，有可能在施工掘進期間引發安全問題，應該加強支護，并做好應對措施預案[2]。三灘2號隧道圍巖以半堅硬-軟質變質巖及半堅硬-堅硬巖漿巖為主，屬于斷裂及褶皺活動復合影響帶，未與斷裂構造直接相交，基巖完整性相對較好，總體上以中風化基巖為主，但局部存在構造破碎帶，對隧道洞身穩定性不利。因此，隧道施工宜做好地質超前預報工作，預先了解前方可能存在的破碎帶、軟弱夾層等不良地質的位置、規模和走向，以指導施工，確保隧道施工的安全與穩定。根據工程鉆(物)探成果資料，沿線各隧道場地工程地質條件總體較好，具備工程建設條件，路線方案不受影響。

3.3 不良地質的影響分析

方案一的地層巖性主要為泥盆系中統郁江階(D2y)砂巖、頁巖，砂巖為砂質結構，薄-中厚層狀構造，巖質較硬；頁巖為細砂、泥質結構，頁理構造，巖質較軟，風干失水易開裂、軟化，兩者主要呈夾層或互層關系。頁巖巖質較軟，易軟化，自然斜坡穩定性較差[3]，在暴雨季節地表水下滲及人工破壞等觸發因素下，有可能引起邊坡崩塌、滑塌、滑坡等不良地質。因此，邊坡及隧道進出洞口的邊坡、仰坡需增強防護。

根據野外地質調繪及鉆探揭示，K60+000～K60+600段右側邊坡為崩塌堆積體，崩塌堆積體厚度達7.0～25.1 m，下伏基巖為強-中風化頁巖，自然斜坡穩定性較差，在暴雨季節地表水下滲及風力電廠公路開挖等人工破壞觸發因素下，有可能引起邊坡崩塌、滑塌等不良地質。

方案二在2K59+800～2K60+180段從天池大峽谷一側穿過，隧道埋深0～100 m不等，且左線左側拱肩厚度較薄；ZK59+880～ZK59+960段左側拱肩厚度為25～45 m不等，地形偏壓嚴重。此外，該段隧道圍巖巖層傾角為42°～70°不等，存在一定的地質偏壓。

方案二在2K60+800～2K61+060段從留基塘村莊下方穿越，該段隧道埋深約165 m，圍巖為薄-中厚層狀強風化頁巖。該段為物探電阻率低阻異常區，巖石裂隙密集發育，巖體破碎，圍巖穩定性極差，易出現冒頂、大坍塌等地質災害，可采用全斷面帷幕注漿后再進行隧道開挖等方案解決。

3.4 構造因素的影響分析

根據區域地質資料并結合地質調查資料，三灘段為博白-北流褶斷帶的次生斷層F6通過，該斷層分布于三灘、墨菜水、塘肚一帶，西南端止于三灘區域斷裂，長約14 km。受該斷層影響，區域內巖體裂隙極發育，巖體極破碎-較破碎，隧道區圍巖級別等級較低，隧道圍巖以Ⅳ級圍巖為主，占總長的44.9%，Ⅴ級圍巖次之，占總長的28.3%，最后為Ⅲ級圍巖，占總長的26.8%。由于頁巖巖質較軟，巖體極破碎-較破碎，所以橋梁主要采用摩擦樁基礎。

3.5 隧道水文地質條件的影響分析

隧址區內無大的地表水體，主要為三灘沖溝溪流，地下水主要為賦存于第四系覆蓋層中的孔隙水及基巖中的破碎帶及構造裂隙水。隧道開挖時涌水量不大，大部分路段地下水出水狀態以潮濕、點滴狀、線狀為主，局部為淋雨狀、股狀，一般不會出現大的涌水現象。局部巖石裂隙發育，巖體破碎的地段和地下水富集地帶，水量相對較豐富，可能會出現小規模涌水現象，所以在隧道開挖時，應加強地質超前預報工作。

4 方案平縱面指標及連續均衡情況比選分析

方案一：路線沿溝谷展線，平面以曲線為主，平面共設置交點5個，平均每公里交點個數為0.867個，平曲線占路線長度的72.5%，圓曲線最小半徑R=1 880 m，直線最大長度為921.647 m。

K線縱斷面設計共設變坡點3個，平均每公里縱坡變更次數為0.520次。豎曲線占路線總長的25.3%，最大縱坡3.0%/1處，最小坡長750 m。最小豎曲線半徑：凸型20 000 m/2處，凹型45 000 m/1處。

方案二：方案以隧道為主，平面共設置交點2個，平均每公里交點個數為0.356個，平曲線占路線長度的50.8%，圓曲線最小半徑R=2 000 m，直線最大長度為2 517 m。

2K線縱斷面設計共設變坡點2個，平均每公里縱坡變更次數為0.356次。豎曲線占路線總長的10.9%，最大縱坡2.6%/1處，最小坡長1 400 m。最小豎曲線半徑：凹型22 000 m/1處。

5 公路用地情況分析

方案一與方案二征用土地范圍的差異主要在溝谷段。方案一在溝谷段占地約為0.102 km2，主要占用水溝、林地及旅游公路；方案二隧道占地約0.038 km2，主要占用溝谷及林地。

6 方案對旅游景區的影響分析

方案一：路線沿溝谷展線，對天池大峽谷景區有干擾，需改移旅游公路1 050 m，改移風電廠便道150 m，改移水溝888 m，同時影響左側規劃的植物園、童話小屋、漂流等旅游項目。

方案二：路線以隧道為主，需改移水溝500 m，對景區基本無干擾。

7 方案對沿線環境的影響分析

方案一沿溝谷展線，占用旅游公路和河溝，對環境影響較大的因素主要是施工便道及旅游公路改道開挖，邊坡易產生滑塌。方案二以隧道穿越山體，2K61+000處正上方有村莊，受陸川區域大斷裂影響，區域地質構造發育，圍巖等級差，且隧道埋深165 m，隧道施工時，若導致地下水位下降，存在村莊房屋開裂的風險，影響戶數30戶。經地方政府調查反饋，該村莊均為土房，極少人居住。由此，方案一對環境影響大于方案二。

8 施工組織設計比選分析

方案一在K60+600～K61+250段右側溝底填筑2 m高的片石，片石量為16 850 m3。片石從博白縣恒基建材有限公司石場采購，位于K56+600段右側，運距3.5 km。路基填土29萬m3，利用三灘1號隧道洞渣20萬m3，利用仙垌隧道洞渣9萬m3。橋梁為31跨×40 m跨徑。仙垌隧道進口樁號為K58+200，預制梁廠設置在K57+400～K58+000路基段，長度約為600 m，寬約28 m。根據以往項目經驗，對于這種地形下31跨下構施工完成需要時間約為15個月。

方案二主要為路基和隧道，路基段K59+420～K59+780共長360 m，填方約35.8萬m3，其中利用仙垌隧道洞渣7.8萬m3，利用三灘1號隧道洞渣28.0萬m3。

兩方案各隧道圍巖分級及工期預測如表1～2所示。

表1 隧道圍巖劃分及工期一覽表(方案一)

表2 隧道圍巖劃分及工期一覽表(方案二)

結合仙垌隧道和三灘特大橋施工工期的預估，擬定在仙垌隧道打通后通過隧道來進行運梁并進行架設。

9 主要工程數量、造價的比選分析

對兩方案進行同深度比選，其主要工程數量及造價比較見下頁表3。

與方案一相比，方案二隧道長度增加1 355 m。受限于當前的技術水平，隧道圍巖等級劃分無法保證準確，根據以往的工程經驗，隧道圍巖負變更的可能性更大，使隧道造價的控制更難。

表3 工程數量、造價綜合比較表

10 方案一與方案二綜合比選分析

(1)安全性

方案一的路線從溝谷穿越，K60+000～K60+600段右側山體有在建風電廠施工便道，該山體為崩塌堆積體，在遇地震或連續降水時，有可能出現小型滑塌，且橋面距離山體19.8 m。K60+650～K61+150左側山體為逆向坡，設12 m高抗滑樁+2級邊坡，在遇地震等不利地質情況下或連續降水時，也有可能出現小型滑塌[4]。這兩個路段存在一定的施工及運營風險，但均在可控范圍內。

方案二的路線以隧道穿越，三灘1號特長隧道進口段與左側峽谷近似平行，峽谷所在位置為斷層，隧道所在山體陡峭，坡度>45°，山體表層巖體較破碎，穩定性差，存在淺層滑塌。左線進口段約200 m的洞身拱肩厚度較薄，最薄處(ZK59+910)僅有28 m左右，地形偏壓嚴重；加之巖層傾向峽谷且傾角較大(42°～70°)，存在一定的地質偏壓。此外，隧道施工爆破振動荷載較大及隧道地處抗震設防烈度Ⅶ度區，在多重因素的作用下，隧道進口段在施工和后期運營的過程中存在垮塌的風險。

另外，2K線三灘1號特長隧道在K60+800～K61+060段下穿村莊，該村所處位置為洼地，地表分布較大面積的沼澤。物探結果顯示，該段巖石裂隙密集發育，巖體破碎，圍巖穩定性極差，富水性強，易出現冒頂、大坍塌等地質災害，施工風險大，且隧道開挖后可能引起地下水位的下降，導致地表沉降和房屋開裂，施工期間需對村莊進行遷移。

(2)工程規模

方案一比方案二路線長150 m、橋梁長1 361.5 m、隧道短1 355 m、土石方數量少7.4萬m3、工程造價少6 887.1萬元。

(3)建設條件

方案一在溝谷中施工，占用河溝和地方旅游公路，需改移景區中的道路，干擾地方漂流旅游項目，協調相對困難。部分橋墩位于山體上，地形陡峭，橋梁施工時，設備搬運相對困難，工作場地受限。預制場設在仙垌隧道前方的路基上，范圍有限。

方案二兩隧道之間路基長度為360 m，需要填方34萬m3，可將隧道洞渣利用起來。仙垌隧道棄渣總量為26.1萬m3，三灘1號隧道棄渣總量為95.8萬m3，可利用洞渣進行路基填筑。

方案二中三灘1號隧道為特長隧道，建設難度大。穿越村莊段地質條件差，富水性強，易出現冒頂、大坍塌等地質災害，該段擬采用全斷面帷幕注漿+雙層小導管超前支護+抗水壓二次襯砌穿越，施工復雜且難度大，可能會影響整個項目的工期。

與方案一相比，方案二隧道長度增加1 355 m，隧道洞渣增加31.2萬m3。隧道進口地形狹窄，無法棄渣，這部分洞渣需轉運至較遠處的棄渣場，費用高。

(4)后期運營

與方案一相比，方案二在該路段由北流至浦北方向一路下坡，先是以1.6%的縱坡穿過長4 080 m的三灘1號特長隧道，經過360 m路基后進入縱坡為1.1%長1 165 m的仙垌隧道，且三灘1號隧道為特長隧道，長4 080 m，通風、照明、消防標準更高，運營成本更高。

11 結語

三灘段是某高速公路的控制性工程，其方案選擇的合理性，直接影響到整個項目后期的運營安全及公路沿線的經濟發展和長期的社會效益。從工程地質條件看，兩個方案均可行，都存在不利的地質因素，但都可以采用不同的處理方案解決。另外，區域地質條件決定了兩個方案的地質條件較差，兩者之間差異性不顯著。從平縱面指標、對旅游景區的影響、對沿線環境的影響、施工組織設計、工程數量、造價、工程規模、建設條件等方面進行對比分析，方案一與方案二各有優缺點，總體上方案一優于方案二。