公路工程施工便道設計思路與技術指標

彭 帥

(山西路橋建設集團有限公司太原設計咨詢分公司,山西 太原 030006)

0 引 言

通過對多條在建及已完工公路項目的調查發現,在施工圖設計階段,便道的設計深度往往難以達到指導施工的要求,施工便道未提前定線,多數情況下由施工單位根據地形現場修建,隨意性較高。由于施工中不可預見的問題較多,施工單位難以對施工便道進行有效管控,目前普遍存在成本超支、臨時占地較多和生態破壞性較大等問題。針對以上問題,關兵[1]對公路工程施工便道的定義、分類、使用特征和線形指標做了探討;劉璋[2]以河惠莞高速龍川至紫金段TJ6合同段便道方案為例,采用奧維地圖進行路線設計,介紹了山嶺重丘區高速公路施工便道的設計、維護與管理;王文龍[3]以汶馬高速為依托,運用基于三維激光掃描的BIM技術對山區便道的設計進行了優化,使設計成果可視化,計算更加精確;張少山[4]針對山嶺重丘區施工便道的設計與施工中經常會遇到的問題提出了相應的解決方案;魏江東等[5]以貴州劍榕高速公路第14合同段工程為例,總結了山嶺重丘區施工便道的設計要點和施工方法;馬學謙[6]以自卸載重車為設計車輛,對山區公路施工便道平、縱面技術指標進行了分析。上述學者的研究提高了人們對于公路工程施工便道設計的認識,但未系統地分析總結便道的總體設計思路、方法和技術指標。為此通過對多個項目的施工便道設計經驗總結和實際施工效果檢驗,提出了公路工程施工便道總體設計思路和設計方法。

1 公路工程施工便道的定義

公路工程施工便道是指在公路施工過程中為保證原道路暢通而修建的臨時性道路。施工過程中為保證施工車輛、機械設備、材料、人員等順利進出施工現場,進行土石方調配運輸,連接項目各施工工點與拌合站、鋼筋加工場、預制梁場等臨時工程而修建的臨時性道路。例如山嶺區新建公路項目,根據施工進度安排大型構筑物如橋梁、隧道等控制性工程要先期開工,這些工點往往地形險峻且無既有道路可供利用,則需要修建施工便道到達。

2 公路工程施工便道設計原則

通過晉陽高速改擴建工程、國道G2003太原繞城高速公路義望至凌井店段項目ZH02標、沁水至臨汾高速公路浮山至臨汾段項目、國道G235云和段改建工程和國道G218那拉提至巴侖臺段PPP公路項目(NBTZ-1、NBTZ-8標)等施工便道的設計經驗,總結出以下幾項原則。

(1)施工便道的設計應符合施工組織的要求,保證通行安全且滿足工程需求,遵循“安全、實用、經濟、綠色”的原則。做到盡量降低成本,盡量減少對自然環境的破壞。

(2)施工便道應以盡量利用現有舊路為原則,充分利用現有國省道、縣鄉道、村道作為施工便道,并根據既有道路路基寬度、路面情況和通行需求進行拓寬、整修或直接利用。便道可利用機耕道路時,應遵循“永臨結合”,方便村民以后通行。

(3)施工便道盡量在主線已征用地范圍內布設。填方路段布設在護坡道、排水溝和坡腳外1～2 m用地范圍內;挖方路段布設在坡頂與截水溝之間,未設置截水溝的可布設在挖方路基內,隨路基施工進度進行調整。

(4)施工便道的平面線形指標、縱坡技術指標和橫斷面寬度應符合通行車輛的行駛要求。

3 公路工程施工便道設計思路

按照工程施工需要,根據便道通行時間長短、車流量大小、服務工點類型和便道位置方向等,可將施工便道分為主便道、支便道和保通便道,并分別對這幾類便道進行設計。

(1)主便道設計思路。

主便道通常是指與主線方向平行的縱向施工便道,通行時間長,車流量較大。在進行主便道設計時,應先調查清楚項目沿線現有國省道、縣鄉道及村道路網情況,盡量利用現有道路的情況下可新建部分道路將主便道貫通。改建項目的主便道一般為現有待建舊路,有保通需求的可按照后述保通原則設計;新建項目的主便道可沿填方或挖方邊坡坡腳布設。

(2)支便道設計思路。

支便道是指從主便道接出通往各施工工點的橫向施工便道,服務于單個或多個施工工點,通行時間較短,車流量較小。

在主便道上根據地形和舊路等條件選擇合適的支便道接出位置作為支便道起點。當位于平原微丘區地形較平緩時,支便道走向應選擇路線較短、切割耕地較少、占地及破壞生態最小的路線。在條件允許的情況下,可結合當地村民意見根據“永臨結合”原則進行便道線位選擇。當位于山嶺重丘區地形復雜時,支便道線位主要根據施工通行車輛可以行駛的最大縱坡坡度和坡長,順地形進行展線布設。按照服務對象不同,支便道終點應設在對應工點處。場站施工便道應能到達場站進出口;隧道施工便道應能到達隧道開挖端的進、出口或豎、斜井位置;橋梁施工便道應能到達橋位處每個橋墩及橋臺位置;涵洞施工便道應能到達涵洞涵身或洞口位置;擋墻施工便道應能到達擋墻基礎處;取棄土場便道應能到達取土位置或棄土坑底。

李紅濤[2]以某單一立柱三樁海上風機基礎為例，通過對其結構強度、動力特性與疲勞強度進行分析，認為疲勞強度是海上風機基礎結構設計的主控因素，并認為整個風機的動力特性和基礎節點的形式是影響疲勞強度的重要因素。

圖1為平原微丘區國道改建工程主便道和涵洞施工支便道,利用既有國道作為施工主便道,從主便道接出支便道到達涵洞洞口。

圖1 國道改建項目施工便道示意圖

圖2為山嶺重丘區新建高速公路隧道施工支便道,圖中左下角為隧道洞口位置,右側為施工主便道,中間為隧道施工支便道,從主便道接出,順地形展線克服高差,盤山而上,到達隧道洞口。

圖2 高速公路隧道施工便道示意圖

(3)保通便道。

保通便道通常指由于項目施工造成現有道路無法通行且不能封閉交通,需要修建臨時道路保證社會車輛正常通行。在舊路改建尤其是國省道改建項目中,由于國省道通常為交通運輸大動脈,施工期間無法中斷交通,則需要設置保通便道。保通便道根據施工對象的不同一般可分為路基施工保通便道和橋涵施工保通便道。

路基施工保通便道的設置可分為三個階段,以左側加寬為例。第一階段:保持既有公路通行條件,施工左側路基至路床頂面。第二階段:待拓寬路基完工并檢測合格后進行路面左幅路面工程施工、路側護欄及標線等工程。第三階段:利用完工后的左幅進行保通,在左幅路面的中央分隔帶處設置易開型A級移動鋼護欄,待銑刨挖除舊路路面及路側護欄后,施工右幅路面工程、中央分隔帶防撞墻、路側護欄及標線等工程。

在一些舊橋梁、涵洞或通道需要拆除重建時,為避免交通中斷,設置橋涵施工保通便道。根據可否分幅施工分為利用舊路保通和新建兩種。一是利用舊路保通,通常采用合理的施工組織設計和交通組織設計來實現。一般采用“半幅施工、半幅通行”原則。具體施工方案如下:利用圍擋將半幅涵洞作業面圍住,半幅涵洞長度根據路基通行寬度及沉降縫間距綜合考慮,同時設置交安設施,以保證行車行人安全,然后開挖半幅涵洞基礎及施作涵洞,待半幅涵洞主體施工完成并具備通行條件時,將圍擋移至未施工的半幅,設置交安設施,開挖半幅涵洞基礎及施作涵洞。二是由于縱坡標高抬高較多,或者舊橋涵無法半幅施工,需要全幅拆除重建時,需要新建保通便道。便道起點和終點均為現狀舊路,線位布設應繞過需要拆建的構造物,盡量利用現有機耕道路拓寬改建,選擇合適的地形進行布設。在設計舊橋保通便道時,通常需要設置便橋在河溝較窄處跨越河流或深溝,橋位應盡量與河溝正交。

(4)便橋設計思路。

根據材料及結構形式,便橋主要形式有多孔圓管便橋、蓋板便橋、貝雷梁便橋、浮式便橋等。便橋選型應根據現場情況因地制宜,因材設置,同時還應考慮搭設拆除方便、周轉消耗少等原則。目前較多采用多孔圓管便橋和貝雷梁便橋。河溝較淺時可采用多孔式圓管便橋;河溝較深時可采用貝雷梁便橋。下部結構形式可根據地形條件、地質情況和河流斷面選擇,通常有鋼管樁柱式、混凝土薄壁墩和柔性排架式等。便橋設于河流中時,橋面標高應不低于近年最高洪水位,同時應考慮地方河道管理部門要求。結構設計應根據實際施工承載需要(一般可參考公路—Ⅱ級汽車荷載)。

(5)便道的恢復。

新建施工便道多數情況需要征用臨時土地,在施工完成后需要及時采取生態恢復措施,恢復原有地貌。個別便道在工程施工結束后可以轉為永久化工程,留作當地居民使用,造福當地百姓。對利用原有縣鄉道路或鄉村道路,對其造成損壞的,需要進行修復或病害處理,損壞嚴重的應重新鋪筑路面,保證原有行車功能。

4 設計標準

施工便道設計沒有專門的設計標準或者規范可以依據,施工便道為臨時性工程,為減少對環境的影響和降低施工成本,其平縱橫技術標準一般較低,但應滿足施工車輛的安全通行。在確定了設計思路后,影響便道工程規模的最主要因素為便道橫斷面寬度和平縱面技術指標。根據多年便道項目專項設計的經驗總結,參考《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)[7]和《小交通量農村公路工程技術標準》(JTG 2111—2019)[8]中的四級公路(Ⅱ類)標準,得出施工便道的平面線形設計、縱斷面設計及路基路面設計等方面的技術標準。

(1)設計速度。施工便道上的車輛通行速度并不是很高,平原微丘區地形平緩,通常不受平面技術指標限制,規定便道設計速度對便道工程規模影響并不大。但在山嶺重丘區,設計速度決定了便道平面最小圓曲線半徑,合理的設計速度則顯得尤為重要。參考《小交通量農村公路工程技術標準》并結合工程車輛實際通行需要,設計速度一般情況可采用15 km/h[8],當地形復雜或條件受限無法滿足的,可采用10 km/h。

(2)平面設計。平面線形應能滿足工程車輛各種車長的轉彎要求,并結合地形條件,力求達到工程經濟性和行駛安全性平衡。以工程自卸載重車為設計案例[6],通過實驗測量車輛轉彎行駛軌跡,綜合考慮運輸效率和運輸安全性,結合工程實際,得出以下結論:主便道平曲線半徑一般不小于15 m,支便道平曲線半徑一般不小于12 m,條件受限地段不小于10 m[8]。

(3)縱斷面設計。施工便道縱斷面設計的主要作用是通過合理地選用最大縱坡和最大坡長,使所通行的工程車輛能夠安全爬行至目的地進行施工作業。影響車輛爬坡的主要因素有坡長、坡度、車輛總重、發動機功率和地面摩擦力等[1]。通過對各種施工車輛在坡道上的受力分析以及實際行駛狀況的研究,總結出合理的施工便道縱斷面主要技術指標。一般路段便道最大縱坡≤14%[8]。載重車駛入工點方向為下坡或空車駛出方向為上坡時,最大縱坡可根據地形適當增大。為保證安全行駛,載重車駛入工點方向為上坡且縱坡過大時,可采取減少載重數量或加強路面硬化增加摩擦力等措施,回頭曲線在轉彎處路線縱坡應放緩,且不宜采用長距離大縱坡。

(4)路基橫斷面設計。路基橫斷面寬度與通行車輛種類有關。主便道通行工程車輛種類一般有自卸車、平板運輸車、混凝土運輸罐車、混凝土泵車、裝載機等;支便道通行車輛有鉆孔機、打樁機、挖掘機、推土機、壓路機、鑿巖臺車等。根據各種施工機械寬度,建議采用的技術指標:施工主便道路基寬度為4.5 m,支便道根據不同類型的機械設備通行需求,寬度分別為3.5、4.5、5.5 m。涵洞施工周期短,通行車輛單一,支便道寬度采用3.5 m;隧道施工周期較長,通行車輛種類繁多,支便道寬度采用4.5 m;橋梁施工支便道主要用來服務下部樁基及墩柱施工,寬度一般可采用3.5 m,當需要通行履帶式旋挖鉆機時寬度可采用5.5 m。單車道便道應選擇地形有利及視距良好的位置設置錯車道,錯車道間距≤300 m,錯車道路基寬度為6.5 m,長度為15 m,兩端漸變段長度各10 m。

橫斷面設計時應避免高填深挖,坡率標準也可以適當降低。一般路段填方與挖方邊坡高度不宜超過10 m。填挖方坡率應根據邊坡地質情況確定,一般填方坡率可取1∶1,石質路段挖方邊坡坡率可取1∶0.2～1∶0.5,土質邊坡坡率可取1∶0.5～1∶0.75。

山嶺區的施工便道經過陡坡時,填方路基的壓實質量往往難以控制,應以全斷面開挖為主。平原及丘陵區的施工便道可采用半填半挖路基,清除填方段的表土后按要求開挖臺階,再分層填筑碾壓夯實。

鄉村機耕道路因為部分路段曲線半徑過小,無法適應較長工程車輛轉彎需求,或舊路為單車道需要增設錯車道時,可根據現有道路內外側地形條件及地物情況,在工程量較小的一側進行拓建整修。

(5)路面結構設計。便道路面應進行硬化處理。為降低成本和深入推進固廢材料資源化利用,應盡量利用項目所在地的固廢材料,采用泥結固廢路面,或就近采用項目開挖棄余的石渣等。當縱坡過大時,為保證安全爬坡,可加鋪C20水泥混凝土進行硬化。結合便道縱坡大小,便道結構層如表1所示。

表1 便道路面結構設計

(6)其他設計。便道設計時,還應注意配套排水和安全設施等。

根據便道實際情況、地形及匯水條件設置相應的排水措施。一般情況可在挖方路基側設置邊溝,填方側盡量散排,結合路拱橫坡和路線縱坡,建立較為完備的排水系統。同時應注意與沿線的排灌體系相配合。

在各便道的主要路口設置安全標志牌,標明便道通向的主線樁號及主要構造物名稱。在視距較差路段、地質不良易塌方路段設置警告或禁令標志。在路堤較高側根據危險程度設置鋼管、混凝土柱或波形護欄,保障行車安全。

5 結 語

按照先設計縱向主便道,然后從主便道接出橫向支便道到達各構造物,再根據斷路和保通需求設計保通便道的設計思路,同時合理選用平面圓曲線最小半徑、最大縱坡、路基寬度和路面結構等技術標準,提高了便道設計的深度、準確性和施工指導性,適用于多數平原微丘區和山嶺重丘區的各等級新建或改建公路便道設計。未來的研究和實踐應更加注重由于不同構造物便道的使用時長、通行頻率、通行車輛規格和載重等均不同,因此需采用與其相適應的平縱指標、寬度、路面材料和厚度等。