高山峽谷地區高速公路施工組織設計方法分析

胡 涵, 汪曉峰, 趙 金, 孫孝謙

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610041)

隨著我國經濟實力的不斷增強以及國防建設需求的迫切性，高速公路建設不斷向高緯度、高寒和高烈度的高山峽谷中擴展，由于這些地區人煙稀少、無交通道路和氣候環境極其惡劣給高速公路的施工建設帶來了前作未有的挑戰。同時施工組織設計作為施工過程的主要依據，在整個公路工程中占據了重要的地位[1-3]。因此，在高山峽谷無人區高速公路設計中施工組織的有效設計就顯得更為重要，不僅能夠說明線路選線的合理性，還能說明隧道、路基、橋涵和環保等工程設計的施工可行性。

在施工組織方面，國內外學者和工程師進行了大量理論實踐與研究。張福全[4]針對目前高速公路施工組織設計方案中存在的實施難度大、技術水平低、缺乏側重點等問題，提出將現代計算機模塊化技術充分運用到設計工作中，提高設計作效率。周新湘[5]從施工組織設計對公路施工進程的影響角度出發，分析了兩者之間的關系，提出不斷完善施工組織方案是獲得良好的經濟和社會效益的基礎。為了解決工程施工工序之間的沖突對施工組織設計的影響，Chua等[6]建立了以工藝和工程實體為2個主要因素的決策模型。以上學者和工程師在一般地區的公路施工組織設計方面進行了大量研究，結合目前的計算機等輔助軟件提出了大量的設計方法。但是目前對于高山峽谷無人區的施工組織設計研究相對較少，沒有可供參考的完善設計理論法，嚴重制約了我國高速公路設計技術的發展[7]。因此，本文以新疆獨庫高速公路的DGKSJ-2合同段為研究對象，采用緯地軟件分區段對施工場地和棄土場的設置與規劃、土石方的調配與運輸、施工工期的計算等進行了分析討論，提出針對高山峽谷無人區的施工組織設計方法，能夠為類似工程提供參考。

1 工程概況及項目特點

1.1 工程概況

G217線獨山子至鞏乃斯至庫車2個公路建設項目北起“石油之城”獨山子，南至龜茲古國庫車，途經烏蘇、尼勒克、新源、和靜等縣；北接G30，南接G3012，與規劃的G0711烏尉高速和巴里坤至哈密高速一起形成南北疆之間的聯系大通道。本文研究對象為DGKSJ-2合同段，如圖1所示。

圖1 項目地理位置

DGKSJ-2合同段推薦線K線起點位于將軍廟，路線向南沿奎屯河右岸一路爬坡布設，設置克扎依特長隧道(14 837 m)穿越克扎依達坂，出隧道后沿喀什河谷南行，設置玉希莫勒蓋特長隧道(14 362.5 m)穿越玉希莫勒蓋達坂，出隧道后沿阿爾先溝U型河谷南下，一路降坡至鞏乃斯鎮北，設置鞏乃斯樞紐互通與待建G218那拉提至巴倫臺公路相接。路線全長101.383 km,路線布置如圖2所示。

圖2 路線方案示意

1.2 地形地貌

工程區地形、地貌復雜，河谷發育，溝壑縱橫，山區地形切割劇烈，路線走廊帶跨越地貌單元較多。擬建路線地區地貌單元可分為河谷堆積地貌區、剝蝕構造中山地區、剝蝕構造高山地區3種地貌單元。

1.2.1 河谷堆積地貌區

此類地貌位于喀什河、阿爾先溝等，河谷較寬緩，海拔高程多在2 000～2 750 m。地層主要為第四系沖積層(Q3-4al)和沖洪積層(Q4al+pl)等組成,如圖3所示。

圖3 河谷堆積地貌區

1.2.2 剝蝕構造中山山地區

在本線路中，此類地貌多分布于巴音溝至克扎依達坂段、喀什腦子溫泉至玉希莫勒蓋達坂段、阿爾先溫泉溝、將軍廟至哈希勒根達坂段、喬爾瑪至玉希莫勒蓋段，區內海拔在1 500～3 000 m之間，相對高差在200～700 m間，此類地貌中巖石風化程度一般，地形相對起伏較大，山頂多呈脊狀，溝谷切割較深，多為“V”形谷。

1.2.3 剝蝕構造高山山地區

該類地貌在本項目中主要位于哈希勒根達坂段，克扎依達坂段、玉希莫勒蓋達坂段等區域，此區域多為地形復雜、高山凸起的復雜地貌區，海拔高程普遍為3 000～4 500 m，相對高差為350～1 000 m之間，該區域內多山高坡陡，易形成懸崖峭壁，巖石風化破碎，冰川地貌(如冰斗、幽谷、冰蝕洼地、終磧堤等)較發育，河谷切割較深，多為“V”“U”型峽谷,如圖4所示。

圖4 剝蝕構造中山地貌區

1.3 施工組織特點

路線線位從天山山脈的中部橫穿而過，沿線顛連逶迤、雪峰雄峙，沿線穿越克扎依、玉希莫勒蓋等達坂，導致施工組織復雜，具有的特點：

(1)高山峽谷地形，不良地質災害頻發，施工場地和棄土場選址困難。

項目縱貫天山北部，整個天山山脈總體走勢是西高東低，一般海拔在3 000～5 000 m之間，地形相對比高較大，屬典型的高山區地貌。沿線地形地貌極為復雜、地質構造發育、地質條件差、地震烈度高、滑坡、泥石流、崩塌碎落等地質及自然災害多發、氣候惡劣、冬季寒冷、冰凍期長，建設條件十分復雜，項目施工場地和棄土場選址困難。

(2)狹窄的路線走廊和復雜的施工干擾，導致施工運輸組織復雜。

項目路線走廊多為“V”型河谷，兩側地形陡峭，谷底狹窄。路線大部分沿河谷布線，復雜的地形、惡劣多變的氣候，較高的海拔將會給施工運輸造成極大不便，項目地處天山腹地，僅既有G217和G218可作為施工便道，極不利于施工設備進場。同時場內便道修建工程量巨大且不易維護，施工運輸組織復雜。

(3)隧道比例高，且集中于前半部分，棄方量巨大。

路線隧道比高達66%，隧道眾多，主要集中于起點至克扎依隧道進口路段，棄渣量巨大，需大量棄土場容納棄方。

(4)超長隧道施工周期長，將線路分割成3大區段。

克扎依隧道和希莫勒蓋隧道作為本標段工期決定性因素，其將本標段分劃為3大部分，分別為起點至克扎依隧道進口區段、克扎依隧道出口至玉希莫勒蓋隧道進口區段和玉希莫勒蓋隧道出口至止點區段。

2 施工場地和棄土場總體規劃設計

根據本項目工程特點，施工場地布置主要依據幾個原則進行：

(1)充分適應工程施工特點的原則。本工程橋隧多，特長隧道施工時間長，為方便施工管理，施工總布置宜采取分區規劃、相對集中的布置方式為主。

(2)與施工方案及進度安排相協調的原則。

(3)充分適應施工場地條件的原則。本工程各主要施工點的施工場地條件總體較好，便于臨建布置，為節省工程投資，施工布置以盡量少占草地和林地為原則。

圖5 將軍廟至水文站奎屯河谷場地布置條件示意

(a)水文站至烏斯吐隧道奎屯河谷場地布置條件示意

(b)烏斯吐隧道至三岔河奎屯河谷場地條件示意圖6 水文站至三岔河奎屯河谷場地布置示意

圖7 三岔河至中峽谷河河谷場地布置條件示意

2.1 起點至克扎依隧道進口區段

施工場地及駐地均位于河谷內，充分利用河岸兩側的河漫灘進行設置，場地面積大，布置條件好，區段內可通過河谷內縱向施工便道與既有國道G217線相接和通過橫向便道與隧道口相接。由于該區段內隧道眾多，應按隧道的施工情況靈活設置臨時施工場地，方便施工,場地規劃布置如圖5～圖7所示。

2.2 克扎依隧道出口至玉希莫勒蓋隧道進口區段

克扎依隧道出口至玉希莫勒蓋隧道進口均位于喀什河谷內，施工場地及駐地可充分利用河漫灘和路基部分進行設置。其中克扎依隧道出口為溫泉區，可充分利用既有設施或者自行修建。駐地和施工場地布置遠離山坡雪水形成的地表徑流，避免遭受泥石流等地質災害。區段內通過利用喀什腦子溫泉牧道新建沿河谷的縱向便道與既有國道217公路相連,場地規劃布置如圖8所示。

圖8 喀什河河谷場地布置示意

2.3 玉希莫勒蓋隧道出口至止點區段

玉希莫勒蓋隧道出口至止點除阿爾先隧道外均位于阿爾先溝河谷內，施工場地及駐地可充分利用河漫灘和路基部分進行設置。其中可利用鞏乃斯服務區、鞏乃斯互通和主線路基設置熱拌站、橋梁預制場等施工設施。區段內通過利用阿爾先溫泉公路整修沿河谷的縱向便道與既有G218公路相連,場地規劃布置如圖9所示。

圖9 阿爾先溝河谷場地布置示意

3 土石方的調配與運輸

3.1 土石調配

全線主線路基總挖方131.51萬m3，隧道出渣量1 489.72 m3。主線及互通路基填方576.42萬m3，連接線填方135.36萬m3，其他工程利用19.9萬m3，筑路材料利用275.91萬m3。路基總棄方28.36萬m3，隧道總棄渣599.83萬m3，其他工程及便道棄方96.79萬m3，總棄方724.98萬m3。全線路基表土和松土均用于邊坡綠化。全線棄土分別棄于1號～8號棄土場，均位于奎屯河河谷區域，為天山無人區。河谷內通過縱向便道和橫向便道將隧道口與各個棄土場連接起來，可保證土石運輸通道順暢。土石調配如表1所示。

3.2 土石運輸道路

3.2.1 起點至克扎依隧道進口區段

區段內起點至奎屯河水文站路線與既有G217道路平行，可利用既有G217線作為該段線路的縱向便道，然后新建烏拉斯臺1號隧道進口便道、烏拉斯臺3號隧道進出口便道等橫向便道與其連接，組成施工道路網絡。水文站至克扎依隧道進口線路位于奎屯河右側山體中，首先沿奎屯河谷新建平行于線路的縱向便道，然后修建各隧道口、棄土場和施工場地與縱向便道相互連接的橫向便道，組成施工運輸路網。由于縱向便道作為施工的主干道路，按四級公路建設標準，路基寬度6.5 m，路面采用水泥混凝土路面。同時考慮冬季路面結冰對運輸的影響，也可以只采用水泥混凝土路面的下面層作為路面材料。而橫向便道作為只到對應工程點的運輸道路，采用等外級公路標準建設，路基寬度為4.5 m。

3.2.2 克扎依隧道出口至玉希莫勒蓋隧道進口區段

區段內連接線起點至止點路線與既有喀什腦子溫泉牧道平行，可利用該牧道整修與連接線平行的縱向便道，整修長度約為29.09 km。然后繼續沿喀什河谷新建平行主線的縱向便道，直至玉希莫勒蓋隧道進口。按四級公路標準建設，路基寬度6.5 m，路面采用水泥混凝土路面，新建長度約為8.16 km。同時由于該段線路和施工場地均位于河谷內，縱向便道就能滿足施工運輸需求，故除了新建克扎依隧道出口便道和玉希莫勒蓋隧道斜井便道外，不規劃其他橫向便道。

3.2.3 玉希莫勒蓋隧道出口至止點區段

該區段內主線與既有阿爾先溝溫泉公路平行且有多處交叉，可對該溫泉公路整修或改移后作為施工縱向便道，整修長度為26 km。同時該段線路和施工場地基本位于河谷內，僅需修建較短橫向便道與其連接。

表1 工程棄渣規劃 單位：104 m3

4 施工工期的設計與計算

由于建設地區地形復雜，建設難度大，且部分位于天山無人區，因此合理的編制本項目施工組織計劃，加快項目建設進度將顯得尤為重要。結合總體施工方案，本階段主要從均衡施工和投資強度的角度出發對施工總進度計劃進行安排。

4.1 施工期限的總體安排

本項目計劃建設總工期5年，2021年底開工，2026年底建成通車。隧道的施工工序包括洞通(含襯砌)、機電、路面及交安工程，其中隧道洞通的方式由到達隧道口的橫向便道和斜豎井決定。橋梁的施工工序包括下部結構施工、梁板架設、橋面鋪裝、路面及交安工程，其中由于起點至克扎依隧道進口區段內線路位于河谷一側陡峭的山體中，與谷底高差達200～300 m，無條件修建運梁的橫向便道。因此該區段共設置2座橋梁預制場，分別為起點處利用挖方路基設置的1#橋梁預制場和克扎依隧道進口處的2#橋梁預制場。由于1#橋梁預制場場地較小，僅給克勒1號大橋至特克勒2號大橋供梁，而中峽谷特大橋至清水河大橋均由2#橋梁預制場供梁，架梁方式為依次推進架設。通過代號計算法[8]得到本路線的控制性工程為克扎依和玉希莫勒蓋2座超特長隧道，克扎依隧道長14 884 m，設置了1處長1 655 m的無軌運輸斜井和1處深422 m的豎井，考慮斜豎井輔助主洞施工，最大獨頭掘進距離約5.8 km，施工工期約58個月；玉希莫勒蓋隧道長14 367 m，設置了2處無軌運輸斜井，長度分別為2 650 m和2 495 m，考慮斜井輔助主洞施工，最大單頭掘進距離約5 km，施工工期約57個月。隧道施工工序如表2所示。

表2 隧道總體施工安排

4.2 施工總進度編制

根據工程規模及特點，結合推薦的總體施工方案并參考國內同類工程施工經驗，確定工程施工總工期為60個月，其中施工準備期2個月，主體工程施工期56個月，竣工收尾2個月。進度計劃安排如表3所示。

5 結論

高速公路施工組織設計作為整個工程設計的一小部分，往往得不到重視，在高山峽谷無人區來說易造成重大工程事故。鑒于此，本文重點對高山峽谷無人區的施工組織中的施工場地和棄土場的設置與規劃、土石方的調配與運輸、施工工期的計算等進行分析討論，得到結論：

(1)高山峽谷無人區的施工場地設置應盡可能的利用河谷內平緩的河漫灘或坡地，同時結合全線主體工程的施工工序、場內交通情況和土石方情況綜合考慮；棄土場應盡可能的利用隧道進出口下方的溝槽設置，既方便棄土又能節約造價。

(2)根據路線經過的地形特點，將其分為3個區段，分別為起點至克扎依隧道進口區段、克扎依隧道出口至玉希莫勒蓋隧道進口區段和玉希莫勒蓋隧道出口至止點區段。對于起點至克扎依隧道進口區段，隧道占比大，應綜合考慮將隧道棄渣首先運用于筑路材料、路基填筑和施工場地，剩余部分再棄置于棄土場。

(3)場內無人區交通運輸路網設計應包括縱向便道和橫向便道，縱向便道沿河谷布設并作為運輸主干道路，其設計為兩車道且為防滑路面。而橫向便道在溝谷兩側山體中展線，作為工點施工道路。

(4)起點至克扎依隧道進口區段內僅設2座橋梁預制場，架梁方式均為依次推進架設，各主要工程節點完工時間均能滿足工期要求，其中克扎依隧道施工總工期58個月，為本項目的控制性工程。