劉志勝，袁正兵

（山西交通控股集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

截止2020年底，我國公路總里程達500余萬公里，其中高速公路里程達15余萬公里，位居世界第一。我國公路行業(yè)已具備由通車?yán)锍汤鄯e、路網(wǎng)密度增加階段向品質(zhì)提升階段轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)，為進一步滿足人民對高質(zhì)量交通基礎(chǔ)設(shè)施的要求、適應(yīng)新時代經(jīng)濟社會的發(fā)展需求、提升公路服務(wù)水平，助力交通強國建設(shè)綱要實施，積極推進公路行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，在規(guī)劃、設(shè)計、施工階段積極貫徹落實高質(zhì)量發(fā)展理念，已成為必不可少的研究內(nèi)容[1]。

現(xiàn)階段，我國高速公路主要按照傳統(tǒng)方法進行設(shè)計，存在新技術(shù)應(yīng)用保守，“四新”技術(shù)推廣不夠；采空區(qū)過度處治，資源浪費；隧道通風(fēng)照明過于保守，設(shè)施閑置率較高；安全設(shè)計較為傳統(tǒng)，運營風(fēng)險難以達到預(yù)測預(yù)警等問題[2-3]。為此，本文以山西省黎霍高速公路設(shè)計項目為依托，以高質(zhì)量發(fā)展理念為指導(dǎo)，提出優(yōu)化的設(shè)計方案，提升公路品質(zhì)，為山西省建設(shè)安全可靠、便捷高效、綠色智能、融合創(chuàng)新的高質(zhì)量高速公路提供理論指導(dǎo)。

1 項目概況

黎霍高速公路為山西省“三縱十二橫十二環(huán)”高速公路網(wǎng)第八橫的重要組成部分，按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度80 km/h，整體式路基寬度25.5 m，全線設(shè)置橋梁90余座，隧道20余座，涵洞200余道，立交10余座，收費及服務(wù)站區(qū)10余處。設(shè)計關(guān)鍵控制要素包括：與10條國省干線公路相交，與兩條鐵路線相交，與多條河流相交，沿線途經(jīng)20余村莊城鎮(zhèn)，沿線煤礦涉及采空區(qū)，途經(jīng)自然保護區(qū)、地質(zhì)公園、水源保護地及文物遺址等多處環(huán)境敏感點。

2 高質(zhì)量發(fā)展理念

2.1 加強總體設(shè)計，貫徹綠色發(fā)展理念

項目途經(jīng)村莊城鎮(zhèn)眾多，與河流、鐵路交叉多次，涉及自然保護區(qū)、水源地、文物遺址及采空區(qū)等較多。在國家“綠水青山就是金山銀山”“保護基本農(nóng)田”等理念下，最大限度地保護基本農(nóng)田、保護生態(tài)，積極利用低碳節(jié)能技術(shù)，減少項目對自然環(huán)境的影響，優(yōu)化線形，提高區(qū)域路網(wǎng)服務(wù)效率[4-5]。

2.2 強化安全設(shè)計，降低運營風(fēng)險

針對存在的運營安全問題，加強安全性評估和風(fēng)險防控，優(yōu)化風(fēng)險路段的基礎(chǔ)設(shè)施，加強環(huán)境復(fù)雜路段（氣象、地形等）的安全監(jiān)測，完善重點路段、區(qū)域的應(yīng)急保障設(shè)置，提升高速公路安全運營等級，全力保障運營安全。

2.3 貫徹品質(zhì)理念，提高基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量

基于全壽命周期設(shè)計理念，以耐久性公路建設(shè)為目標(biāo)，從公路構(gòu)造物結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計、施工工藝、新技術(shù)應(yīng)用、長期性能監(jiān)測等方面打造長壽命公路建設(shè)體系，全方位控制公路工程質(zhì)量，降低全壽命周期成本[6]。

2.4 創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，推進高速公路智能化

全面推進新材料、新設(shè)備、新工藝應(yīng)用，借助大數(shù)據(jù)、信息技術(shù)等集成，構(gòu)建高速公路設(shè)計、信息管理系統(tǒng)，兼顧智慧公路發(fā)展需求，擴展智能感知等智慧功能，綜合應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)對高速公路基礎(chǔ)設(shè)施進行數(shù)字化管理，以科技創(chuàng)新實現(xiàn)高速公路的智能化。

3 設(shè)計方案

3.1 總體方案

3.1.1 線形優(yōu)化

以提高公路整體服務(wù)水平為目的，充分考慮環(huán)境保護、節(jié)約用地、節(jié)約投資，根據(jù)沿線地形、地物、地質(zhì)條件和構(gòu)造物設(shè)置情況，從路線平縱斷面線形均衡性、減少高填深挖、減少沿線干擾因素等方面進行線形優(yōu)化[7-8]。

3.1.2 采空區(qū)處治

傳統(tǒng)的理念為“遇采空區(qū)必處治”且“采空區(qū)處治不惜代價”。專題開展“公路穿越采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害早期識別、監(jiān)測與處治成套技術(shù)”等8項科技項目，充分論證公路穿越采空區(qū)地表變形行為、致災(zāi)機理，提出沿線采空區(qū)分類、處治及監(jiān)測技術(shù)。確定采空區(qū)是否處治、處治規(guī)模及是否監(jiān)測等，有效降低工程規(guī)模，節(jié)約工程造價。

3.1.3 生態(tài)防護

總體設(shè)計方案充分考慮沿線氣候特點、地層及邊坡穩(wěn)定情況，確定噴混植生護坡、窗口植生護坡、SNS柔性主動防護網(wǎng)、框架錨桿+噴混植生、拱形骨架植生、土工格室等多種以生態(tài)防護為主、工程防護為輔的邊坡防護及水土保持方案，全面貫徹綠色環(huán)保理念。

3.2 路基工程

3.2.1 預(yù)制拼裝涵洞

在涉村落便涵等位置，采用預(yù)制涵洞設(shè)計方案，通過涵洞構(gòu)件的集中預(yù)制加工和高性能混凝土的應(yīng)用，提高構(gòu)件的品質(zhì)，降低工程項目的全壽命周期成本。預(yù)制構(gòu)件的現(xiàn)場安裝以機械化施工為主，人力為輔，較傳統(tǒng)施工模式可節(jié)省人力成本。

3.2.2 加筋土過渡段

在橋臺、涵洞與路基過渡段，增設(shè)加筋土過渡段，除在縱向方向上使用摩擦或機械連接放置筋材以外，在橫向方向的兩側(cè)面板上同樣安裝筋材，縮小橋涵與路基的剛度差異，減小橋涵與路堤間差異沉降量，有效緩解“橋頭跳車”問題。改善高速公路行駛舒適度，并降低后續(xù)維護成本。

3.2.3 徑流導(dǎo)流系統(tǒng)

在長大縱坡坡底前端、單坡隧道高位洞口等特殊路段，由于縱斷面線形導(dǎo)致路面徑流嚴(yán)重的局部設(shè)置路面徑流導(dǎo)流系統(tǒng)，當(dāng)降雨量較大時，可串聯(lián)設(shè)置兩套，將路面徑流及時引導(dǎo)至路基范圍以外。防止降雨過程中，路面徑流對下游結(jié)構(gòu)的沖刷，尤其是橋頭、隧道入口等銜接路段。

3.2.4 長期性能監(jiān)測

以公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警為目的，對特殊地質(zhì)條件下的構(gòu)造物（如高陡邊坡、抗滑樁等）進行長期性能監(jiān)測，在對災(zāi)變規(guī)律、災(zāi)變信息研判的基礎(chǔ)上，從時間和空間上對災(zāi)害發(fā)生過程及可能造成的損失進行預(yù)測、預(yù)警、預(yù)防。

圖1 高陡邊坡長期性能監(jiān)測

3.3 路面結(jié)構(gòu)與材料

3.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

貫徹落實交通運輸部及山西省交通運輸廳環(huán)保、綠色交通的相關(guān)精神，推廣廢舊輪胎及廢棄材料等應(yīng)用，在上面層采用廢舊膠粉復(fù)合改性瀝青混合料，中面層采用抗轍裂瀝青混合料[9]，基層采用級配碎石+水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)，降低半剛性基層瀝青路面的裂縫反射問題。在特重交通方向通過增加水泥穩(wěn)定碎石層和下面層厚度來滿足需求?；炷翗蛄轰伱嬖陔p鋼混凝土與瀝青鋪面之間增設(shè)2 cm的SMA-5，以提高橋面防水性能。

3.3.2 材料設(shè)計

a）路基段路面材料 在分析瀝青路面力學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ)上，基于瀝青路面主要結(jié)構(gòu)層的功能要求，進行下面層抗疲勞瀝青混合料設(shè)計、中面層抗車轍瀝青混合料設(shè)計、上面層抗滑降噪瀝青混合料設(shè)計，包括材料的改性劑摻量、級配及油石比等因素。

b）隧道路面材料 采用連續(xù)配筋混凝土路面，通過小間距微裂縫構(gòu)造降低普通水泥混凝土路面伸縮縫對行車舒適性的影響，其中連續(xù)配筋混凝土路面分上下兩層施工。隧道內(nèi)部采用表面紋理豐富、構(gòu)造深度更大、抗滑性能更好的露石混凝土，以滿足路面抗滑性能要求；隧道出入口采用鋁礬石骨料瀝青混合料，以滿足剎車對路面抗滑表層的磨損。

c）橋梁鋪面材料 鋼箱梁橋面采用環(huán)氧樹脂改性瀝青混合料進行鋪筑，增加鋪面與橋梁結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)性，有效避免鋪裝層的推移、車轍等病害。

3.3.3 路面性能監(jiān)測

在路面結(jié)構(gòu)各層位布設(shè)傳感器監(jiān)測相關(guān)結(jié)構(gòu)層的變形及應(yīng)變情況。根據(jù)車輛行駛時車輪渠化交通的作用位置，在橫斷面上間隔1.5 m依次布設(shè)橫向和縱向應(yīng)變傳感器，并布設(shè)分布式光纖監(jiān)測級配碎石的變形情況，分別感知輪載正下方結(jié)構(gòu)層的拉應(yīng)變、偏離輪底處可能出現(xiàn)的壓應(yīng)變以及多輪荷載疊加作用下路面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜應(yīng)變場。根據(jù)瀝青路面結(jié)構(gòu)損傷模式和厚度設(shè)計控制指標(biāo)，分別在瀝青面層內(nèi)部、面層底部和基層底部設(shè)置橫向和縱向動態(tài)應(yīng)變計，監(jiān)測車輛荷載作用下瀝青路面不同結(jié)構(gòu)層位的應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)量，為瀝青路面的長期工作性能監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。

3.4 橋梁工程

3.4.1 樁基溶蝕區(qū)域

綜合分析沿線巖溶區(qū)的特點和工程特性，確定綜合勘察方法，判定巖溶范圍的巖土層力學(xué)指標(biāo)，結(jié)合地層穩(wěn)定情況，靈活設(shè)置樁型。通過地質(zhì)勘察，確定溶蝕空洞的形成機理，判定其類型和形態(tài)以及填充物和填充率；同時結(jié)合現(xiàn)場試驗手段，確定巖溶范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力和樁端承載力。在巖溶極發(fā)育情況下，應(yīng)比選加長樁長和加固樁周邊地基方案，確定合理的處治方案，降低樁基成本，減短巖溶區(qū)的勘察設(shè)計施工周期。

3.4.2 柔性橋臺

跨徑較小的橋梁可以嘗試柔性橋臺，常見的“土工合成材料加筋土”柔性橋臺復(fù)合結(jié)構(gòu)既保持了加筋土橋臺能夠有效緩解“橋頭跳車”問題，其施工便捷、綠色環(huán)保、抗震性能優(yōu)良且造價和后期維護成本低廉的優(yōu)點，又進一步提高了結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。

3.4.3 預(yù)制拼裝

在充分研究預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)連接部位荷載傳遞機制與構(gòu)造要求、抗震構(gòu)造及施工技術(shù)的情況下，在中小跨徑橋梁的下部結(jié)構(gòu)考慮預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工及維修方案，對橋梁構(gòu)件化養(yǎng)護及推進裝配式橋梁工業(yè)化快速制造具有重要意義。

3.4.4 智能監(jiān)測

總結(jié)不同類型橋梁的監(jiān)測項目，提出橋梁監(jiān)測的關(guān)鍵指標(biāo)，并制定基于物聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)測措施。根據(jù)布設(shè)的傳感器類型、信號特征、數(shù)據(jù)處理要求等，進行智能監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)，提出荷載、結(jié)構(gòu)及環(huán)境監(jiān)測、展示與預(yù)警方案，做到橋梁病害的預(yù)測、預(yù)警及預(yù)防。

3.5 隧道工程

3.5.1 側(cè)壁水性瓷化涂料

在隧道側(cè)壁采用水性瓷化涂料進行施工，使得側(cè)壁形成漫反射表面，在保證一定反射率的同時，又能避免產(chǎn)生眩光效果，這樣既可以協(xié)助和改善洞內(nèi)照明系統(tǒng)，又不影響行車安全性。此外，便于定期清潔，在滿足隧道行車安全的條件下，改善行車環(huán)境，協(xié)調(diào)洞內(nèi)外的景觀。

3.5.2 節(jié)能照明系統(tǒng)

隧道選用長壽命、低光衰、高顯性、高效節(jié)能、綠色環(huán)保的LED燈，并配置無極調(diào)光系統(tǒng)，從提高光源光效、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計、加強能耗管理等方面入手，在保障隧道照明的情況下，實施節(jié)能環(huán)保措施。同時，在隧道洞口及內(nèi)部按間距設(shè)計LED投影交通標(biāo)識，完善交通安全細節(jié)，改善駕駛體驗[10]。

3.5.3 靜電除塵

在特長隧道燈具下部安裝隧道靜電除塵裝置，利用陰極在高壓電場中發(fā)射的電子以及電子碰撞空氣粒子產(chǎn)生的負離子來捕捉空氣中的顆粒物，使帶電顆粒吸附在陽極，達到除塵目的?？蓽p少散裝貨物運輸對隧道內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的污染，提高隧道能見度，降低照明電能消耗。

3.5.4 消防管道防漏防凍遠程安全監(jiān)測

在特長隧道洞口1 000 m范圍內(nèi)安裝消防管道防漏防凍遠程安全監(jiān)測系統(tǒng)，對隧道內(nèi)消防管道存在的滲漏和溫度異常問題及時預(yù)警、報警，提示管理人員做到對異常點的準(zhǔn)確定位和及時維護處理，有效提升隧道消防安全水平。

3.6 生態(tài)環(huán)保

3.6.1 橋面徑流收集系統(tǒng)

在跨越河流、村鎮(zhèn)農(nóng)田、水源地、自然保護區(qū)、地質(zhì)公園等環(huán)境敏感的橋梁布設(shè)橋面徑流收集系統(tǒng)，主要用于橋面徑流水集中收集，減少橋面徑流對水環(huán)境的污染，尤其是解決徑流污染沒有凈化處理、?；沸孤稌r被動收集等問題。

3.6.2 生態(tài)聲屏障

將粉煤灰陶粒和環(huán)氧樹脂優(yōu)點進行耦合制造粉煤灰陶粒生態(tài)景觀型聲屏障，有效發(fā)揮粉煤灰多孔材料的吸聲性能與聚合物的連續(xù)相結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的優(yōu)勢，又可在聲屏障上營造綠化景觀，項目的有效實施可有效解決嵌板型金屬結(jié)構(gòu)聲屏障綠化景觀協(xié)調(diào)性差、造價成本高等問題，進一步促進高速公路綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展。

3.6.3 分布式光伏發(fā)電

開發(fā)隧道出入口中央分隔帶、向陽邊坡、站區(qū)頂棚及互通樞紐閑置土地資源，安裝分布式發(fā)電系統(tǒng)，大力開發(fā)、利用太陽能，既符合國家、山西省低碳環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，又適應(yīng)綠色公路、智慧高速建設(shè)理念，還能盤活高速公路閑置資產(chǎn)，培育新的利潤增長點，拓展光伏發(fā)電應(yīng)用新模式，達到“降本增效”的目標(biāo)。

3.7 安全應(yīng)急

3.7.1 霧區(qū)防撞誘導(dǎo)系統(tǒng)

在急彎陡坡、特殊氣候及自然保護區(qū)等區(qū)域路段，在道路兩側(cè)安裝氣霧檢測設(shè)備（包括誘導(dǎo)燈），借助無線自動組網(wǎng)，能夠根據(jù)路面能見度情況，自動開啟應(yīng)對團霧條件下的道路交通安全保障控制模式，實現(xiàn)公路團霧監(jiān)測、誘導(dǎo)、防撞預(yù)警等功能。

3.7.2 特殊標(biāo)線

在部分特殊路段，設(shè)置趣味音樂標(biāo)線，當(dāng)車輛勻速通過時，匯合產(chǎn)生高低不同、錯落有致的旋律，改善駕駛體驗，賦予高速公路多尺度行為特性。在急彎陡坡路段設(shè)置紅白警示振動標(biāo)線，提示駕駛員糾正行車方向。

3.7.3 服務(wù)區(qū)危化品車輛規(guī)劃停放、監(jiān)控

在滿足服務(wù)區(qū)服務(wù)功能與服務(wù)水平的前提下，在停車區(qū)域劃分上進行專項設(shè)計，側(cè)重于對?；奋囕v的安全管控，包括專用停車位的位置、大小、車位之間的距離、停車位兩側(cè)是否設(shè)置活動欄桿進行圍蔽，警示標(biāo)志標(biāo)線的設(shè)置等。同時，開發(fā)?；奋囕v區(qū)域定位跟蹤系統(tǒng)，當(dāng)?；奋囕v在臨近服務(wù)區(qū)時，實時提示?；奋囕v剩余停車位，并在服務(wù)區(qū)入口進行自動識別，管控平臺實時跟蹤監(jiān)控車輛在服務(wù)區(qū)內(nèi)運行情況等，發(fā)生突發(fā)事件時自動報警，解決智慧服務(wù)區(qū)危化品車輛的安全管控問題。

3.7.4 應(yīng)急物質(zhì)儲備

以所在區(qū)域近十年高速公路突發(fā)事件特點為參考，綜合考慮路網(wǎng)規(guī)模、路網(wǎng)管理、交通量分布等因素開展應(yīng)急物資儲備需求分析，基于實際情況，兼顧高速公路應(yīng)急處置與日常養(yǎng)護，對轄區(qū)內(nèi)各級應(yīng)急物資儲備中心進行統(tǒng)一規(guī)劃、布局。通過進一步優(yōu)化選址、科學(xué)配置應(yīng)急物資，可以在充分利用現(xiàn)有資源的前提下，有效縮短應(yīng)急響應(yīng)時間、提高應(yīng)急處置效率、減少經(jīng)濟損失，確保高速公路安全暢通高效運營。

3.8 三維實景數(shù)字化

結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)及3S等技術(shù)，將基礎(chǔ)設(shè)施融合納入高速公路三維實景數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建“多源二三維實景一體化GIS平臺”，實現(xiàn)實景數(shù)據(jù)的一體化聯(lián)動查詢展示，實現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化，實現(xiàn)高速公路建設(shè)、管理、養(yǎng)護和運營的精細化，并為智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐[11]。

圖2 三維實景圖

4 結(jié)語

建設(shè)綠色生態(tài)、安全高效、耐久舒適及智能高速公路已成為公路工程高質(zhì)量發(fā)展的趨勢，在設(shè)計階段從總體方案、特殊路基、路面結(jié)構(gòu)與材料、橋梁健康狀態(tài)、隧道功能、生態(tài)環(huán)保及安全應(yīng)急等方面貫徹高質(zhì)量發(fā)展理念，并將這6個方面作為高質(zhì)量發(fā)展理念的重要方向和任務(wù)，逐步探索高速公路品質(zhì)工程發(fā)展之路。此外，對高速公路基礎(chǔ)設(shè)施進行數(shù)字化管理，為高速公路高質(zhì)量的運營管理作前期準(zhǔn)備。