李振珂 王汝波 熊和 郭璞

關(guān)鍵詞 全生命周期;高速公路;設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類號(hào) U412.366 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）04-0034-04

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅速，截至2018年底，我國(guó)公路總里程將近484.65萬(wàn)km，其中高速公路14.26萬(wàn)km。根據(jù)國(guó)家出臺(tái)的《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013—2030年）》，要進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)級(jí)聯(lián)系，豐富完善高速公路路網(wǎng)，提高通道水平，規(guī)劃遠(yuǎn)期展望線約1.8萬(wàn)km?！肮方ㄔO(shè)，設(shè)計(jì)先行”，加強(qiáng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新、注重全生命周期設(shè)計(jì)、關(guān)注綠色公路設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)與施工深入融合設(shè)計(jì)等高速公路新的設(shè)計(jì)理念不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了高速公路設(shè)計(jì)創(chuàng)新，促進(jìn)了高速公路設(shè)計(jì)的整體效應(yīng)、關(guān)聯(lián)效應(yīng)。高速公路設(shè)計(jì)專業(yè)多、路線長(zhǎng)，需要加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃，注重全生命周期設(shè)計(jì)，加強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 路線優(yōu)化設(shè)計(jì)

路線是高速公路的骨架也將直接影響整個(gè)公路的設(shè)計(jì)方案[1]。合理選定路線方案就是在確保安全、舒適、快速行車的基礎(chǔ)上，深入調(diào)查路線所經(jīng)過(guò)路段地形地貌、氣候條件、水文地質(zhì)等自然情況，在充分考慮工程造價(jià)的情況下，提升技術(shù)指標(biāo)，并盡可能使路線短捷[2]。

1.1 平面線形設(shè)計(jì)

（1）基于全生命周期及減碳排放的設(shè)計(jì)理念，盡量選擇路線較短的方案，減少建設(shè)期工程量、運(yùn)營(yíng)的養(yǎng)護(hù)里程、車輛碳排放。高速公路平面線形的優(yōu)化還需與沿線城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的既有規(guī)劃結(jié)合，加強(qiáng)設(shè)計(jì)優(yōu)化與周圍景觀的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮公路的社會(huì)服務(wù)效益。

（2）平面線形應(yīng)綜合考慮項(xiàng)目地形、周圍景觀、當(dāng)?shù)丨h(huán)境等進(jìn)行設(shè)計(jì)，高速公路一旦存在轉(zhuǎn)角，必須設(shè)置平曲線，半徑最大不應(yīng)高于10 000 m，控制在9 000 m以內(nèi)為宜。

1.2 縱斷面設(shè)計(jì)

高速公路縱斷面設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，關(guān)乎路基填土高度、橋梁、互通規(guī)模等全局設(shè)計(jì)，應(yīng)控制縱斷面變坡點(diǎn)與高程控制點(diǎn)重合，得到科學(xué)的、合適的高速公路縱斷面。

（1）縱坡是決定橋梁規(guī)模的主要因素，在滿足橋下凈空、通航、防洪等需求及相關(guān)規(guī)范的情況下，應(yīng)盡可能采取較大縱坡，縮短坡長(zhǎng)，提高臺(tái)背填土厚度，減少橋梁跨徑。橋頭縱坡應(yīng)控制在2%～3%的范圍之內(nèi)，縱坡超過(guò)2.5%時(shí)，坡長(zhǎng)不宜超過(guò)1 000 m。

（2）綜合考慮排水要求，通道、涵洞應(yīng)盡可能降低標(biāo)高，如果條件允許，可以適當(dāng)下挖交叉道路，降低標(biāo)高，一般平原地區(qū)通道底標(biāo)高控制在超出地面0.2～0.3 m左右。對(duì)于被交路上跨主線的分離式立交，在滿足路基強(qiáng)度及穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)盡可能地降低路基高度。

1.3 路線優(yōu)化案例

某高速公路原線路方案路線于六漢溝河谷中部布線，向西設(shè)豐厚隧道穿山，隧道出口附近靠山布線，路線長(zhǎng)度3.0 km。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)右移平面35 m，于六漢溝河谷偏北側(cè)布線，向西設(shè)豐厚隧道穿山后線位右移25 m，減少隧道偏壓段長(zhǎng)度，路線長(zhǎng)度3.0 km，原方案與優(yōu)化方案對(duì)比情況如表1所示。

2 路基路面及排水設(shè)計(jì)

2.1 路基優(yōu)化設(shè)計(jì)

路基應(yīng)綜合考慮沿線的氣候條件、地形、地質(zhì)情況、路基填料情況以及施工的便利性等分段進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

不同的地質(zhì)條件、材料供應(yīng)情況、施工條件等分段進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

（1）應(yīng)加強(qiáng)軟土路基處治方案優(yōu)化。當(dāng)采用水泥攪拌樁處理軟土路基時(shí)，橋頭段樁間距宜為1.1～1.3 m，過(guò)渡段宜為1.3～1.6 m;當(dāng)應(yīng)用超載預(yù)壓方式處治軟土路基時(shí)，不同處治方案的交接長(zhǎng)度宜為10～20 m，避免不均勻沉降引起的裂縫。

（2）在填塘路段、新老路基拼接路段，可采用土工格柵處治，但要根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如填塘路段，當(dāng)填至近原地面時(shí)，可以鋪設(shè)1～2兩層的雙向土工格柵防止不均勻沉降;新老路基交界處填土高度大于3 m，填土?xí)r，可先布置2～3層單向土工格柵，再進(jìn)行填土。

（3）高速公路路床、路基填料的摻料應(yīng)根據(jù)土質(zhì)類別及實(shí)驗(yàn)確定，而不是統(tǒng)一采用摻灰處治。路床80 cm內(nèi)的填料摻灰比例宜為5%～7%，路基中部填料的摻灰比例應(yīng)控制在5%以內(nèi)。粘性土可摻適量水泥，降低摻灰比例，可以節(jié)約一定的造價(jià)。

2.2 路面優(yōu)化設(shè)計(jì)

路面應(yīng)統(tǒng)籌考慮氣候條件、筑路材料、交通量、交通荷載等情況進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層、厚度、使用壽命等優(yōu)化設(shè)計(jì)?？偟膩?lái)說(shuō)，在所有的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，一定要全面解決重載交通車輛的問(wèn)題，消除早期水損害的影響。通過(guò)層層的優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理配比混合料，從而更好地服務(wù)于后期的施工質(zhì)量[3]。

（1）路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)從路面的抗車轍、水穩(wěn)定性、抗反射裂縫等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)開(kāi)展半剛性基層、混合式基層探索應(yīng)用。

（2）加強(qiáng)路面材料研究，進(jìn)一步提高材料參數(shù)測(cè)試質(zhì)量，提升環(huán)保型材料的應(yīng)用水平。比如在立交匝道上通過(guò)橡膠粉瀝青路面的使用具有低碳環(huán)保、減少變形和抗疲勞開(kāi)裂等諸多優(yōu)勢(shì)，能科學(xué)合理地減少路面出現(xiàn)的噪聲[4]。鋼渣瀝青混凝土、PE改性瀝青混凝土等環(huán)保型路面材料的應(yīng)用，可以有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

2.3 排水優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.3.1 邊溝優(yōu)化設(shè)計(jì)

高速公路設(shè)計(jì)通常采用梯形邊溝，尺寸一般為底部寬為60 cm，上口寬為180 cm，一般能夠承受路面400 m的排水長(zhǎng)度，對(duì)于平原地區(qū)或丘陵地區(qū)不適合，設(shè)計(jì)過(guò)于保守，且公路邊溝過(guò)寬影響高速公路的美觀。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，一般地區(qū)高速公路，雙向四車道的梯形邊溝上口寬度不宜大于1.2 m;雙向六車道的梯形邊溝上口寬度不宜超過(guò)1.5 m;雙向八車道的梯形邊溝上口寬度不宜超過(guò)1.8 m。低填方及路塹邊溝采用暗埋邊溝比較合適。

2.3.2 中分帶盲溝

中央帶排水主要是為了排除中分帶表面的下滲水，雨水下滲土中需經(jīng)飽和，且滲水量有限，因此中分帶盲溝尺寸不宜過(guò)大。

中央分隔帶盲溝的大小宜在40×30 cm以內(nèi)，橫向過(guò)水管的布置應(yīng)按80～100 m間隔較為合適，可以適當(dāng)加密橫向過(guò)水管的間距，從而減少中央分隔帶盲溝尺寸。雨水量較大的地段可以適當(dāng)加大中央分隔帶盲溝尺寸和橫向排水溝的間距，雨水量不大的路段可不設(shè)置中分帶排水。

3 橋涵設(shè)計(jì)

3.1 橋梁設(shè)計(jì)

3.1.1 優(yōu)化橋梁建筑高度

（1）主線橋梁線形應(yīng)與路線布設(shè)相互協(xié)調(diào)，在被交路或者河流地方，可以適當(dāng)改移，從而降低橋梁的交角及跨徑。

（2）對(duì)于既有的被交路是二級(jí)及以下的公路時(shí)，宜在中分帶設(shè)置橋墩，降低主線高速公路橋梁的跨徑及建筑高度。

（3）橋梁全長(zhǎng)不大于120 m時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板，從而減小橋梁的建筑高度和橋長(zhǎng)。

3.1.2 主梁設(shè)計(jì)

（1）為保障混凝土的施工質(zhì)量，現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的主筋布置間距應(yīng)加以控制，一般不宜大于9 cm。不然應(yīng)適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)尺寸或提高主筋的強(qiáng)度等級(jí)以保障受力。

（2）對(duì)于現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力梁，當(dāng)鋼束的張拉長(zhǎng)度大于125 m時(shí)，應(yīng)合理分段進(jìn)行澆筑和張拉，宜將平均預(yù)應(yīng)力損失控制在25%之內(nèi)。

（3）當(dāng)一聯(lián)全部采用獨(dú)柱墩時(shí)，為保障橋梁的橫向穩(wěn)定性，聯(lián)長(zhǎng)應(yīng)控制在125 m。

（4）為減少造價(jià)和保障工期，盡量采用結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單的橋梁。

3.1.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）隨著六車道、八車道等多車道高速公路的建設(shè)增多，其同跨徑的墩臺(tái)受力情況與四車道相比有明顯改變，應(yīng)重視承臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保安全。

（2）主線橋梁基礎(chǔ)應(yīng)優(yōu)先考慮采用鉆孔樁，支線橋梁應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況采用樁基礎(chǔ)或擴(kuò)大基礎(chǔ)，從而控制投資。

3.2 涵洞設(shè)計(jì)

（1）在滿足設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范和過(guò)洪要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮采用管涵。

（2）為便于河溝清淤，涵底標(biāo)高宜設(shè)在原河溝底標(biāo)高下0.3 m。

（3）無(wú)壓涵洞內(nèi)定點(diǎn)至最高流水面的凈高不僅要滿足相關(guān)的規(guī)范規(guī)定，同時(shí)不宜小于1 m。

3.3 橋梁優(yōu)化案例

某橋梁上跨西江河，橋位處設(shè)計(jì)洪水位為17.86 m，最高通航水位15.81 m，最低水位1.0 m，常水位時(shí)河面寬700 m，現(xiàn)為Ⅱ級(jí)航道，通航3 000 t級(jí)船舶，規(guī)劃為內(nèi)河Ⅰ級(jí)航道。原設(shè)計(jì)方案為主跨采用（70+120+400+120+70）m斜拉橋，上報(bào)估算建安費(fèi)10.35億元。為確保該橋結(jié)構(gòu)的安全性和合規(guī)性，尋求最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)成果，控制投資規(guī)模，盡可能減少或避免該項(xiàng)目在施工和建成運(yùn)營(yíng)過(guò)程中因設(shè)計(jì)方案不當(dāng)造成的工程變更和工程隱患，經(jīng)研究，主梁橋梁上部構(gòu)造采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，設(shè)置縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。箱梁主跨190 m，邊跨110 m，優(yōu)化方案為（110+2×190+110）m剛構(gòu)橋，造價(jià)為7.747 3億元。通過(guò)優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)形式節(jié)約造價(jià)約2.6億元，并且大大縮短了工期，極大地保障了投資收益。

4 隧道工程

4.1 隧道優(yōu)化

（1）加強(qiáng)隧道洞口優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇合適的洞門形式，盡量避免對(duì)隧道洞口原地面邊坡的破壞，保護(hù)自然環(huán)境。

（2）加強(qiáng)隧道圍巖勘探，明確圍巖級(jí)別，確定合適的支護(hù)方式。

（3）隧道照明要采用新的照明方式及控制方式，當(dāng)前宜采用無(wú)極調(diào)光的LED照明。

4.2 隧道優(yōu)化案例

某高速有兩條中長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)度分別為470 m、570 m，隧道照明原設(shè)計(jì)方案采用回路控制、高壓鈉燈的傳統(tǒng)照明方式，經(jīng)研究，決定采用新型的照明方式，即改用無(wú)極調(diào)光的LED照明方式，同時(shí)增加交通量、亮度等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隧道智能調(diào)光，經(jīng)測(cè)算兩條隧道采用新型照明方式后，每月節(jié)約電費(fèi)額度可觀，具體如表2所示。

5.1 分離式立交

上跨高速公路橋梁對(duì)高速公路的景觀影響較大，總體上要做到結(jié)合周圍環(huán)境，協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

（1）上跨結(jié)構(gòu)的地面要有良好的整體性，避免產(chǎn)生突然彎折。

（2）視距范圍內(nèi)的上跨高速公路橋梁的錐坡和護(hù)坡防護(hù)形式要結(jié)合地形放緩，同時(shí)輔以植物防護(hù)，形成良好的視覺(jué)效果。

5.2 互通式立交

應(yīng)適當(dāng)?shù)亟档突ネㄔ训赖脑O(shè)計(jì)時(shí)速，減小規(guī)模。

（1）樞紐互通的匝道設(shè)計(jì)速度應(yīng)控制在40～60 km/h之間。

（2）當(dāng)匝道采用的設(shè)計(jì)時(shí)速較低，應(yīng)適當(dāng)增加減速車道長(zhǎng)度或者設(shè)置震蕩帶降低行駛速度，保障安全。

（3）當(dāng)轉(zhuǎn)向交通量不大于1 500 pcu/h，雙車道匝道采用單匝道出入口設(shè)計(jì)時(shí)，可不設(shè)置輔助車道。

（4）當(dāng)用地受到限制時(shí)，可以采用菱形或者半苜蓿葉型控制互通規(guī)模。

5.3 互通方案優(yōu)化

某互通方案位于八渡鄉(xiāng)福達(dá)村東側(cè)，該互通主要服務(wù)于八渡鄉(xiāng)及附近車輛上下該項(xiàng)目，發(fā)揮項(xiàng)目對(duì)沿線經(jīng)濟(jì)的帶動(dòng)作用。經(jīng)研究，對(duì)互通方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了匝道長(zhǎng)度和土方量，從而減小了互通規(guī)模，具體技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表3所示。

6 服務(wù)區(qū)設(shè)計(jì)

應(yīng)加強(qiáng)高速公路服務(wù)區(qū)設(shè)計(jì)，與主體工程同步設(shè)計(jì)，綜合考慮，避免服務(wù)區(qū)設(shè)置不合理。

（2）現(xiàn)有的服務(wù)區(qū)，雙邊式占98%左右，單邊式和跨線式設(shè)計(jì)還較少。為確保投資收益，在高速公路設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮單邊式，可以減少征地，節(jié)約設(shè)施，減少運(yùn)營(yíng)期的管理人員數(shù)量，提高管理效率。

（3）服務(wù)區(qū)內(nèi)各功能性設(shè)施應(yīng)盡量圍繞停車場(chǎng)布設(shè)，避免“長(zhǎng)蛇陣”和“滿天星”現(xiàn)象。

7 結(jié)語(yǔ)

高速公路設(shè)計(jì)要基于全生命周期及降低碳排放的設(shè)計(jì)理念，綜合考慮路線、路基路面、橋涵等多個(gè)專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要優(yōu)化方向如下：

（1）路線布設(shè)應(yīng)降低長(zhǎng)大縱坡路段行車危險(xiǎn)性、降低采空區(qū)結(jié)構(gòu)工程風(fēng)險(xiǎn);注意降低填土高度、減少挖方高度，不斷優(yōu)化平、縱設(shè)計(jì)，以減少工程造價(jià)。

（2）充分考慮棄方占地、壓實(shí)、防護(hù)、排水工程與高填路基的工程要求，在確保壓實(shí)并補(bǔ)充輔助壓實(shí)的前提下，可采用高填路基。盡量降低挖方路基的邊坡高度，對(duì)不穩(wěn)定邊坡區(qū)段，采取技術(shù)措施降低邊坡高度。

（3）原則上應(yīng)采用部頒標(biāo)準(zhǔn)圖或地方標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)通用圖，合理選擇橋型方案和施工方案，降低工程造價(jià)和難度，減少對(duì)地方的干擾。

（4）隧道洞口位置的確定遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則，盡量減小洞口邊坡、仰坡的開(kāi)挖高度，保證山體的穩(wěn)定;隧道進(jìn)行專門的防排水設(shè)計(jì)，遵循“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，對(duì)地表水、地下水采取妥善的處理，使洞內(nèi)外形成一個(gè)完整、暢通的防排水系統(tǒng)。

（5）互通式立交形式的選擇應(yīng)根據(jù)互通功能要求和預(yù)測(cè)交通量分布情況，綜合考慮地方規(guī)劃、現(xiàn)場(chǎng)條件、投資成本、經(jīng)濟(jì)效益、美學(xué)效果和遠(yuǎn)期發(fā)展等因素進(jìn)行優(yōu)化。

高速公路設(shè)計(jì)要著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，科學(xué)地“適度提前”，引進(jìn)預(yù)留發(fā)展空間設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)高速公路建設(shè)的最大社會(huì)效益、服務(wù)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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