公路工程設計優化管理研究

尚雪仁 SHANG Xue-ren

（中交第一航務工程局有限公司，天津300461；蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070）

0 引言

公路工程項目在實施過程中，面對內外部復雜環境出現如資金短缺、價格透明化高、概預算不足等諸多問題，可利用技術優化等手段解決。在初步設計及施工圖設計階段，主要對設計圖紙進行優化，應用技術手段規避風險，從而有利于項目總體投入的控制，為項目建設奠定一定基礎；在實施階段，通過對方案的設計進行優化，如臨建、設計方案等優化，從而推進項目順利實施，得到相應的經濟效益[1]。對于公路工程項目建設來說，技術方案是公路工程最為關鍵的環節，對于項目的工程造價影響很大，而設計優化對項目效益起著重要作用，通過設計優化提升設計方案的技術經濟水平，達到有效控制工程造價和提升經濟效益的目的[2]。

1 工程概況

本文以百色南北過境線公路（百色市北環線）為例，從初步設計、施工圖設計及施工階段對設計優化管理進行敘述。

百色南北過境線公路（百色市北環線）項目屬于《廣西高速公路網規劃（2018-2030年）》規劃布局中的城市環線。路線全長52.456km，設計時速100km/小時，主線采用雙向四車道高速公路標準，設計速度100km/h，路基寬度26m。本項目采用“BOT+EPC（施工圖設計）+使用者付費+政府補貼”的PPP模式實施，項目合作期33年，其中建設期3年，運營期30年。本項目自然環境較好，線路走廊帶狹窄，沿線地層巖性較復雜，地貌復雜多樣，沿線地材資源匱乏，受高壓線塔、鐵路、自然保護區、油氣管線等制約因素較多。

2 設計階段存在問題

設計階段存在設計不合理等系列問題，通過從技術角度結合實際對設計方案研究優化，實現對項目建設造價、安全及質量等風險的有效控制，從而更好地控制項目成本，獲得較好的經濟效益[3]。設計階段存在問題如下：

2.1 初步設計階段

初步設計階段主要考慮把握整體投資規模和技術方案經濟指標的合理性，但對諸多因素未充分考慮，主要表現在以下方面：

①往往容易忽視在建設過程中的可能發生的重大變更，如未避開滑坡體、斷層帶、采空區等不良地質導致在建設和運營期間可能發生的安全、質量、造價等風險。

②未充分考慮高壓線塔三線遷改方案的實施難易程度及方案可行性，線路走廊帶占用基本農田指標及補償方案是否可行，征地拆遷的實施難易程度等影響造成的方案可行性及造價的風險，同時可能造成在后期過程中社會不良影響。

③未充分考慮保護區、文物遺址、臨近鐵路和高速公路、油氣管線、水保及環保要求高等敏感點的問題，在設計過程中未做好相應的處理措施，導致在實施過程中很難實施或者重新選線。

2.2 施工圖設計階段

施工圖設計階段是對初步設計的深入和細化，結合前期相關批復對其進行實質性相應，同時對方案認真研究、比選，從而達到實施的要求，卻在設計過程中存在諸多問題：

①設計人員設計思維固化，受初步設計影響較大，對方案比選深部不夠，往往存在設計照搬照抄、專業設計基于軟件出圖、設計尺寸等取值靠以往設計經驗的現象。

②設計人員對現場不熟悉甚至不了解現場情況，各方面設計考慮不周全，導致設計與實際不相符狀況，造成在施工階段資源的浪費和成本的增加。

2.3 施工階段

施工階段主要存在施工方案設計未結合現場實際進行方案設計、未有效考慮施工資源的周轉利用等，從技術角度對項目管理沒有相應的控制措施，如臨時設備的配置、施工組織等方面，導致資源的浪費及建設成本的增加。

3 設計階段優化內容

3.1 初步設計優化內容

初步設計階段總體把握整體投資規模，充分考慮施工及運營情況，將不易調整的平面、縱斷面、涉鐵橋梁、橋隧比、預制梁調整、重大變更等進行優化設計。在原有走廊帶的基礎上，盡量避開不良地質，處理好與相接路、敏感點的設計方案。同時根據現場地形、地貌、地質情況、三線遷改及基本農田情況等方面，結合安全、質量及實施難易程度，對項目走線進行了微調，達到了降本增效的目的。

本項目初步設計較工可平面調整7處，橋改路10座（長度2.34km），調整結構形式及跨度5座，隧道改路基1座，橋隧比由32.6%調整至31.59%。主要簡述以下幾個方面：

①在平面段調整方面，主要從地形條件、國道G323、基本農田、110kV以及220kV高壓塔等因素控制考慮，從降低橋梁工程規模。以新山隧道段（K36+400～K38+600）為例進行簡述。

本段路線布設主要受地形、地質條件、110kV、220kV以及220kV新山變電站等因素控制。從減少橋梁隧道工程規模的角度考慮，將線位最大北移約150m。

調整后新山大橋、里蘭1號大橋、里蘭2號大橋優化為路基；同時本項目唯一一座短隧道新山隧道（382m），由于該段地質風化嚴重，覆蓋高度小、地質多為粉砂巖且為平層、較破碎，隧道施工容易冒頂坍塌，極易發生安全事故，將本段由隧道改為路基，消化棄方130萬m3，節約棄土場約150畝，節約造價約1.5億，降低了橋隧比，降低了施工及運營安全事故風險。（圖1）

圖1 新山隧道段（K36+400～K38+600）優化對比圖

②從橋隧比方面，考慮地形條件、消化棄方、施工可行性、節約用地等因素，對那兵1號大橋等10座橋梁優化為橋改路基，優化長度為2.34km，同時調整結構形式及跨度5座，降低了施工難度，節約造價約1.1億。

3.2 施工圖設計優化內容

在施工圖階段，要根據各方意見及結合實際深度挖掘優化空間，充分考慮施工標準化、運營更高效的原則進行深入設計。通過線路平縱面、結構物、標準化設計等優化提高設計方案的經濟合理性和可行性，但是主要在初步設計階段的基礎上優化，優化范圍受限，主要考慮以施工便利為原則，繼續對局部平、縱面調整、降低橋隧比、減少橋梁跨徑、減少取棄土場達等到土石方平衡，同時根據地質詳勘結果，進行軟基、樁基、墩柱、邊坡、隧道支護、交安、綠化、房建、機電等方面優化調整，盡量做到與現場實際情況相符，從而間接降低成本。

本項目施工圖與初步設計相比路線減少126m，橋梁縮短664.5m，隧道增長37m，橋隧比例由31.59%減少至30.48%。主要體現在以下幾個方面：

①平面優化的段落主要有六扣哇段（K49+100～K50+200）；縱斷面優化的段落主要有那謹至那浩段（K25+000～K27+500）等6處；另外互通區根據曲線半徑、技術指標及結合被交工程等對其優化，以那謹至那浩段為例簡述。

那謹至那浩段位于那謹和那浩附近，施工圖設計從減少土石方工程規模角度考慮，將縱斷面上抬約4.5m，優化后挖方減少約20.9萬方、填方增加約5.3萬方，總占地減少9.92畝，基本農田減少1.545畝，造價減少約850萬。（圖2）

圖2 那謹至那浩段（K25+000～K27+500）優化對比圖

②在其他方面，主要依據地質詳細勘察、標準化設計、資源的集約利用、與運營相結合及永臨結合等方面優化，主要如下：

1）地質詳勘先行，為設計提供依據。根據地質詳勘結果，得出部分邊坡地質情況較差、采空區主要敏感區需驗證補勘、部分橋梁初勘巖石抗壓強度與詳勘存在差異、隧道圍巖等級較初步設計存在差異等結論，同時考慮初步設計考慮不充分因素，在施工圖階段通過提高邊坡的安全系數、調整樁基參數、隧道圍巖參數等，根據地形匹配優化涵洞、擋土墻、橋梁墩臺等設計做到施工圖與現場貼近實際，為現場后續施工提供基礎。

如高邊坡防護，初步設計采用預應力錨桿，每榀4孔，框架梁尺寸為50cm×40cm，錨桿采用PSB1080高強精軋螺紋鋼；施工圖采用普通錨桿，每榀6~8孔，框架梁尺寸為30cm×30cm，錨桿采用HRB400螺紋鋼筋，相比初步設計，施工圖設計階段格梁尺寸減小，鋼筋采用普通鋼筋，同等條件下可顯著減小工程量，降低了造價約1200萬。

2）橋梁工程結合周邊項目已有資源對結構物尺寸優化，例如將30m以下預制T梁改為小箱梁優化為已有模板尺寸，減少成本約3100萬，達到降本增效、節約成本目的；同時根據現場地質優化邊坡防護、軟基，根據地形匹配優化涵洞、擋土墻、橋梁墩臺等設計。

橋涵工程根據地質勘察、受力計算、貼近實際情況等，相比初步設計主要對橋梁長度、跨徑組合、橋墩形式、結構等進一步優化細化。橋梁由初步設計10649.3m/37座減少至9984.8m/36座，共減少1座橋梁（那峭大橋），橋梁長度減少664.5m，減小造價約1800萬。

3）標準化設計。對橋梁橋臺結合地質情況，盡量統一形式，減小規模；擋墻、邊溝、錐坡等統一采用C20混凝土或片石混凝土，減少小量混凝土種類；邊坡防護、樁基、框格梁、盲溝、高填方路基、碎石換填、三背回填根據地質結果進行專項設計，統一全線標準。

4）與施工相結合。考慮到節約用地及消化棄方，優化互通匝道半徑曲線，同時將互通內三角用地進行填實作為施工大臨場地，這樣既消化了棄方，也減少了高邊坡及整體規模。

5）與運營相結合。交警、路政營房充分考慮屬地化管理，按屬地配置營房；收費站按照運營模式及人員進行設置用房，提前考慮運營期。

6）永臨結合。主要對地方道路、服務區及收費場站用電、隧道口用電、三改工程等進行永臨結合設計；同時在施工過程中做好永臨結合，如控制梁場建設底標高將梁場硬化場地不予鑿除作為基層使用等。

3.3 施工階段設計優化內容

施工階段設計優化是結合現場、工程環境等一系列施工設計方案的改進。在確保安全、質量的情況下，以造價要素全方位管理為核心，將人、材、機等關鍵的要素作為工作的重點進行優化，采取相應控制措施，減少成本投入，提高項目的經濟效益[4]。施工方案設計優化主要表現在臨時施工設備、施工組織上。

①施工方案設計優化主要指如鋼棧橋、吊裝設備等臨時設備的選用優化，主要從臨時設施的參數取值、構件連接、受力工況及構造設計等入手，使設計更加精準，符合實際施工狀況，減少因設計造成的設備選型失誤，導致臨時設備投入增大。

②在施工組織上，主要從設備配置、材料周轉、提高生產效率入手。設備配置體現在設計與現有資源的匹配，如考慮已有掛籃的吊裝能力對現澆懸臂節段設計；材料周轉體現在充分利用廢棄材料，如在設計中考慮對洞渣的利用等；提高功效，從盡量縮短各個分項工程之間轉換所用的時間、提高分項工程效率來優化方案，采用熟練班組、良好的設備、先進工法等達到降本增效的目的。

4 總結

公路工程設計優化管理工作，是工程實施過程中的關鍵環節，需要各個方面做出平衡，尋找平衡點，在各方工作合力的推動下，消除施工、運營期間的安全、質量隱患，降低施工風險，提高各方收益。設計優化管理從初步設計階段、施工圖設計階段及施工階段對設計圖紙進行優化，并開展多方位的科學論證，從而達到經濟可行、方案合理。本文以百色市南北過境線公路（百色市北環線）項目為案例，分析了設計優化的思路和內容，為類似公路工程的設計優化管理提供一定的參考和借鑒。