張 偉

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

陡坡掛線是山區(qū)高速公路選線設(shè)計中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，通常情況下存在地形險要、工程艱巨、技術(shù)復(fù)雜、實施難度大等問題[1-2]。所以，選擇合理的設(shè)計方案對節(jié)約工程投資、增強工程的可實施性等都尤為重要。在項目可行性研究或初步設(shè)計階段，受地勘資料的精度和深度所限，同時為了節(jié)約投資，往往選擇投資較省的陡坡掛線方案；但隨著地質(zhì)資料收集的不斷加深和完善，會發(fā)現(xiàn)原來的設(shè)計方案存在這樣或哪樣的問題，甚至不再可行。所以，如何綜合把握和權(quán)衡方案的可行性、可靠性、經(jīng)濟性、環(huán)境保護等因素，選擇出最為合理的設(shè)計方案，是個重要課題，也是個難題。本文對合璧江高速公路九峰山陡坡掛線區(qū)段初步設(shè)計方案的優(yōu)化進行研究，結(jié)合多年工作實踐，對山區(qū)高速公路普遍存在的陡坡掛線設(shè)計要點和原則進行梳理和闡述，供同類工程參考。

1 合璧江高速公路九峰山區(qū)段概況

1.1 地形地貌及地質(zhì)情況

合璧江高速公路位于重慶合川、銅梁、璧山、江津區(qū)境內(nèi)，路線全長約95 km，按雙向六車道設(shè)計，設(shè)計速度為100 km·h-1。其中，九峰山陡坡掛線區(qū)段位于九峰山北麓[3]。高速公路地理位置見圖1。

圖1 合璧江高速公路地理位置

區(qū)域內(nèi)為中低山地貌，整體為一北西向斜坡，南東高，西北低。受砂、泥巖差異風(fēng)化影響，左側(cè)山體砂巖范圍內(nèi)坡面較陡，其下泥巖范圍坡面較緩。地形坡度為30°～70°。地形標(biāo)高最高為510.00 m，最低為250.00 m，最大高差達260.00 m。公路范圍內(nèi)穿越地層及巖性由新至老依次為：第四系(Q)地層、侏羅系(J)的珍珠沖組、三疊系(T)的須家河組、雷口坡組、嘉陵江組。地質(zhì)構(gòu)造位于瀝鼻峽背斜北西翼,巖層呈單斜狀產(chǎn)出，形成單面山。據(jù)巖體露頭量測統(tǒng)計，主要發(fā)育2組構(gòu)造裂隙。受產(chǎn)狀及裂隙切割影響，線路左側(cè)砂巖形成陡崖和危巖，泥巖坡面覆蓋較厚的崩坡積層且廣泛分布落石[4]。

沿線的主要不良地質(zhì)有危巖、巖堆、順層邊坡及滑坡、采空區(qū)等。陡坡段線路位置見圖2。

圖2 陡坡段線路位置

1.2 初步設(shè)計方案及存在的問題

初步設(shè)計方案公路起于窯灣，經(jīng)九峰山北麓,過石巖嘴、林口煤礦、興隆煤礦，穿九峰山至中峰村，陡坡段緊靠砂巖陡崖布線[5]。

隨著地勘資料收集的不斷深入，發(fā)現(xiàn)全段左側(cè)危巖落石眾多，方量大，調(diào)查困難，清除、擋護難度大，其塌落方向均為線路所在方向，嚴重威脅線路安全，局部橋墩位于危巖塊體上，施工非常困難。特別是K3+100～K5+700陡坡區(qū)段路線布設(shè)于九峰山側(cè)陡崖下陡坡上，以40 m跨徑橋梁的方式通過，危巖落石對橋梁運營安全影響極大。在初步設(shè)計中并未考慮危巖落石的處理措施和費用。

從設(shè)計協(xié)調(diào)性來說，部分段落路線線形與地形和環(huán)境協(xié)調(diào)性較差[6]。路基左側(cè)挖方邊坡坡率陡于巖層傾角，根據(jù)初步設(shè)計線位及縱斷面設(shè)計高程，按照巖層層理面刷坡，則無法放坡或者邊坡高度極高，安全隱患大，對環(huán)境的破壞較大，工程實施困難。

2 九峰山陡坡掛線方案

結(jié)合九峰山陡坡段的地形及地質(zhì)特點，為了克服復(fù)雜陡峭的地形條件，最大限度地減少沿線不良地質(zhì)對高速公路建設(shè)和運營的影響，減少項目實施對環(huán)境的破壞，要對合璧江高速公路的選線設(shè)計進行深入研究，加強復(fù)雜路段的地質(zhì)選線工作[7]。高速公路選線設(shè)計應(yīng)將地形條件、工程地質(zhì)條件與環(huán)境影響等因素通盤考慮、綜合比選[8]。

2.1 對初步設(shè)計方案的優(yōu)化設(shè)計

2.1.1 測前優(yōu)化方案

為解決初步設(shè)計方案中存在的問題，定測前對初步設(shè)計方案進行了優(yōu)化，將公路線位向右側(cè)整體下移，優(yōu)化后方案的主要優(yōu)點如下。

(1)由于路基左側(cè)山坡危巖落石較為發(fā)育，應(yīng)采取清除、嵌補、錨固、支護等主動措施[9]，再對整個坡面設(shè)置主動網(wǎng)，降低危巖落石的影響。但是，由于地形陡峭，植被茂密，設(shè)置主動網(wǎng)或采用其他綜合治理措施的條件都受到限制。測前方案將線位右移后可以為設(shè)置主動網(wǎng)和采用其他綜合治理措施提供更多的平面位置和空間。

(2)初步設(shè)計方案橋梁橋面侵入山體，危巖落石風(fēng)險較大。路線右移后，可防止部分危巖直接對路基或橋梁造成危害，降低施工及運營期間的風(fēng)險。

(3)測前方案將線位右移后，與初步設(shè)計方案相比路線線形更加順直。

測前方案如圖3所示。

圖3 測前方案平面

2.1.2 定測優(yōu)化方案

在定測過程中，又組織專家對陡坡掛線方案進行了初步審查和論證，為了更徹底地防范危巖及落石給路基和橋梁帶來的安全風(fēng)險，專家建議在測前方案的基礎(chǔ)上繼續(xù)將線位整體外移。

依據(jù)專家建議，研究了右移的定測優(yōu)化(AK)方案，該方案新增一交點，與前曲線形成“S”型曲線。該處相對于測前方案路線外移約41 m，相對于其他方案距離左側(cè)山體較遠，路基挖方邊坡高度小，左側(cè)具備設(shè)置阻攔危巖落石的平面位置；同時，避開了路基及橋梁陡崖掛線的不合理段落，降低挖方邊坡高度，優(yōu)化了橋梁墩臺施工條件，降低了安全風(fēng)險。但是，橋墩較高，個別橋墩高達90 m，路線的線型指標(biāo)較差，工程投資增加較多[10]。

線路平面、右移典型橫斷面見圖4、5。

圖4 定測優(yōu)化方案(AK)平面

圖5 測前、定測右移方案橫斷面

2.1.3 初步設(shè)計優(yōu)化方案的比選

綜合比較測前優(yōu)化方案(K)和定測優(yōu)化方案(AK)：K方案較初步設(shè)計方案有了很大改善，可以較好地解決危巖落石的整治問題，安全風(fēng)險可控；而AK方案更利于危巖落石等不良地質(zhì)的繞避和整治，但由此引起的橋梁長度、橋墩高度、工程投資、實施技術(shù)難度均增加，從方案的經(jīng)濟性、合理性等方面考慮不太劃算。所以，最后仍選擇了測前方案(K)。兩方案的對比見表1。

表1 主要工程數(shù)量及優(yōu)缺點對比

2.2 補充隧道方案

九峰山陡坡段高速公路沿河傍山，隧道設(shè)計方案不可避免地存在洞體淺埋偏壓或者進出口淺埋偏壓等情況。該類隧道工程較為突出的特點是埋深較淺、地形偏壓嚴重、圍巖破碎等，施工中稍有不慎必將后患無窮[11]，這就給設(shè)計提出了較高的要求。在設(shè)計中，必須保證隧道線形線位設(shè)計、隧道出入口位置的選擇、隧道結(jié)構(gòu)和支護結(jié)構(gòu)形式等的安全合理[12]。通過對環(huán)境保護、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)安全性、施工難易程度及風(fēng)險、工期和經(jīng)濟造價等多個方面的綜合比較，選擇最為合理的隧道設(shè)計方案[13]。

九峰山陡坡段隧道方案控制因素有沿線的礦區(qū)、軍事管理區(qū)、區(qū)段起終點標(biāo)高、隧道出入口等。本文共研究了隧道最短(F1K)、隧道中長(F2K)、隧道最長(F4K)等3個方案。隧道方案如圖6所示。

圖6 九峰山陡坡隧道方案

2.2.1 隧道最短方案(F1K)

路線以合川十塘為起點，上跨銅合高速后由東南走向折至西南，在十塘鎮(zhèn)水溝灣設(shè)置九峰山1號隧道(L-1 635 m)入口，在攔馬石采石場西側(cè)設(shè)置九峰山1號隧道出口。路線向南前行至新碗廠特大橋后接入九峰山2號隧道(L-850 m)。

該方案隧道長度短，后期運營費用低，路線平面指標(biāo)較好。但是，隧道外路基段以及橋梁段落依然存在危巖落石的影響；沿線橋梁橋墩依然高于80 m，施工風(fēng)險較大；九峰山1號隧道出口路基邊坡較高，隧道洞口偏壓較為嚴重；對環(huán)境影響大，占用土地較多。F1K方案隧道偏壓橫斷面見圖7。

圖7 F1K方案隧道偏壓橫斷面

2.2.2 隧道中長方案(F2K)

為了解決F1K隧道偏壓問題并降低洞外明線段落的安全隱患以及橋梁高度，提出了將F1K隧道延長約500 m的F2K方案。路線以合川十塘為起點，在上跨銅合高速后由東南走向折至西南，在十塘鎮(zhèn)水溝灣設(shè)置九峰山1號隧道(L-2 080 m)入口，在舊縣鎮(zhèn)唐家院東側(cè)山坡設(shè)置九峰山1號隧道出口。路線向南前行至新碗廠大橋后接入九峰山2號隧道(L-850 m)。

與F1K方案相比，隧道外路基挖方挖至坡頂，避免了危巖落石影響，大幅降低了危巖落石處治難度；同時降低了橋梁墩高，隧道施工難度及運營風(fēng)險較低，工程造價也較低。但是路線平面指標(biāo)較低，局部段落路基挖方邊坡較高，隧道后期運營成本略高。

2.2.3 隧道最長方案(F4K)

路線以合川十塘為起點，在上跨銅合高速后由東南走向折至西南，在十塘鎮(zhèn)水溝灣設(shè)置九峰山1號隧道(L-4 035 m)入口，在舊縣鎮(zhèn)角家灣東側(cè)山坡設(shè)置九峰山1號隧道出口。

與F1K、F2K方案相比，隧道最長方案全部采用暗線工程通過九峰山段，可徹底解決明線工程中的危巖落石、高橋墩、高邊坡問題，對環(huán)境的影響也最小。但是，隧道規(guī)模過大，工程造價高，建設(shè)工期最長；而且隧道埋深淺，地質(zhì)情況復(fù)雜，平均縱坡大，后期運營風(fēng)險和運營成本最大。隧道淺埋橫斷面見圖8。

圖8 F4K方案隧道淺埋橫斷面

綜合考慮各方案的線形指標(biāo)、工程投資、施工難度、運營安全、環(huán)境影響等因素后，推薦九峰山隧道采用長度適中、對環(huán)境影響較小的F2K方案。3個隧道方案的主要工程數(shù)量比較見表2。

2.3 各方案綜合比選情況

由于合璧江高速公路九峰山陡坡段地形和地質(zhì)情況復(fù)雜，所以采用了歸類法及層次分析法對各個路線方案進行比選,從技術(shù)指標(biāo)、工程地質(zhì)、工程規(guī)模、拆遷、環(huán)境影響、工程造價等多角度進行綜合論證,選擇較為合理的路線方案。

綜合比較初設(shè)方案、測前優(yōu)化方案(K)和陡坡段隧道方案(F2K)三方案后，隧道中長方案(F2K)雖然較初設(shè)方案增加投資約2.28億元，但較徹底地解決了陡坡段的陡邊坡、不良地質(zhì)、高橋墩等安全和 技術(shù)問題，對環(huán)境影響最小，施工較為便利，后期運營風(fēng)險也最小。

表2 隧道方案主要工程數(shù)量比較

所以，本著安全第一的原則，在綜合考慮各個影響因素后，本次優(yōu)化方案研究推薦了中長隧道方案(F2K)。工程數(shù)量比較詳見表3。

表3 主要工程數(shù)量比較

3 結(jié) 語

(1)陡坡掛線設(shè)計前，首先要分析、梳理影響路線方案的各種因素及沿途控制點，不遺漏任何有價值的方案；再權(quán)衡利弊，對各方案進行綜合比選。

(2)在高速公路陡坡掛線設(shè)計中，要綜合考慮方案的可行性、安全性、經(jīng)濟性等因素。在方案可行的前提下，首先保證安全風(fēng)險可控，再盡量控制工程投資。如本次沒有選擇投資最小、安全隱患大、不良地質(zhì)整治困難的初設(shè)方案，也沒有選擇最安全可靠、工程投資增加過多、運營維護成本最大的隧道最長方案(F4K)，而是選擇了在采取治理措施后安全風(fēng)險可控、投資增加不太多的隧道中長方案(F2K)。

(3)對于危巖、落石等不良地質(zhì)問題，為了確保安全，在設(shè)計中應(yīng)首先考慮避繞；實在無法避繞或者避繞增加投資過多，可考慮采取措施防護或整治。實踐中較為合理的方案往往是將二者結(jié)合使用，繞治兼顧，力求安全風(fēng)險可控、工程量適中，且便于實施和后期運營。