云南山区高速公路总体设计理念

李志厚　张航　李忠海　王春　房锐

摘要：为了使云南省的自然环境融入到山区高速公路设计中，按照总体设计的指导思想，通过路线方案比选、地形地质选线、典型工程综合比选、植被恢复、行车安全要求等，结合工程实例对其设计原则进行了总结阐述，对山区高速公路的设计原则进行了优化。提炼出了山区高速公路的设计原则，并形成了云南特有的山区高速公路设计理念，为云南山区高速公路设计提供参考和依据。

关键词：山区高速；错台式路基；路线设计；行驶安全

中图分类号：U412.3文献标志码：B

Abstract： In order to get the natural environment of Yunnan Province integrated into the design of mountain highways， the overall design philosophy of mountain highways was optimized based on route schemes comparison， survey of terrain and geology， comparison with typical projects， restoration of vegetation and the requirement of driving safety. Design principle was obtained in combination with actual projects， and the design philosophy of mountain highways particularly for Yunnan was formed， which provides basis for the design of mountain highways in Yunnan.

Key words： mountain highway； faulted subgrade； route design； driving safety

0引言

伴随中国经济的快速发展，山岭重丘区的高速公路建设日益增多。该地区地质地形、海拔、水文条件、气候复杂多变，并且其水土保持要求比较严格，非常重视和关注保护自然景观 [12]。目前，高速公路设计的灵魂主要是总体设计，山区高速公路建设主旨已由“大填大挖”、“不破坏就是最大的保护”转变为“使公路融入沿线自然”。

云南省山地约占94%，其地貌、地质以及地形复杂多变，道路建设难度较大，而且云南省少数民族数量较大，具有丰富多彩的民族文化特色，在公路建设中如何将这些特色融入其中具有重大的现实意义。

1总体设计思想

云南省山区高速公路总体设计的指导思想应当侧重于以下方面：坚持公路建设可持续发展的要求，重视环境保护，并努力将其建设成环保路、生态路；树立动态设计的理念，确保勘测和设计的周期，保证设计质量；合理掌握、灵活运用技术指标，满足公路的服务水平；广泛采用新技术、新工艺、新材料，注重技术创新的同时保证行车安全；充分融入沿线的文化特色，打造沿线文化走廊。

2总体设计优化原则

2.1环保指导方案

2.1.1大丽高速公路九河路线方案

影响本段路线方案的主要因素有基本农田、村庄拆迁、地形地质和工程数量。为此，初步设计阶段拟定了K线、D3线和P3线3个方案。

K线方案起于干木河村西侧（K149+360），路线由南向北沿国道214线东侧山脚布线，以避开国道214沿线村庄，止于白汉场水库东侧（K168+253.888）。路线全长18.894 km。

D3线方案起于干木河村西侧（K149+360），路线由南向北沿白汉场狭长平坦谷地布线，止于白汉场水库东侧（K167+700，接近K线K168+200处）。路线全长1834 km，较K线方案短554 m。

P3线方案起于干木河村西侧（K149+360），路线由南向北沿白汉场狭长平坦谷地西侧山幅布线，过回龙水库、老水库，穿越赤土禾、小阿昌、水磨房村等村庄，于白汉场水库东侧接上K线，止点为K168+702320，接近K线K168+253.888处。P3路线全长19342 km，较K线方案长448 m。

充分考虑以上3个方案，对路线方案进行优化[34]，九河路线方案如图1所示。

2.1.2方案比选

（1）建设条件对路线总体方案布置和设计的影响：以地形条件D3线最优，K线次之，P3线最差；从地质条件来看P3线岩性以灰岩为主，条件最好；K线岩性以泥岩为主，条件次之；D3线为水田地段，沟谷软基多，条件最差。

（2）平、纵指标及连续、均衡情况：K线方案平面最小半径为888.770 m，P3线方案平面最小半径为320 m，最大纵坡均为5%，平、纵面指标相当，线形连续、均衡、顺适；D3线方案平面最小半径为905933 m，最大纵坡均为4%，平、纵面线形连续、均衡、顺适，指标相对较高。

（3）行车安全、通行能力及服务水平的分析情况：D3线方案行车安全、通行能力、服务水平最优，行车安全性较高，通行能力较强；K线次之，但能达到二级服务水平；P3线路线最长，平面指标较低，行车安全、通行能力、服务水平较差。

（4）公路用地：D3线方案大量占用优质农田，与国家现行基本农田政策严重不符；P3线占用土地以旱地及林地为主，同时由于村庄密集，不可避免有大量拆迁；K线方案主要占用旱地及荒山，同时少量占用林地，由于避开了村庄，拆迁量较小。

（5）铁路、原有公路、水利设施及管线等的干扰情况：K线方案与国道214线发生1次交叉，P3及D3线与国道214线无交叉。

（6）环境保护方面：K线、P3线方案环境保护压力稍大，D3线环境保护压力较小。

（7）里程数量：K线方案路线里程较D3线方案长554 m，较P3线短448 m。

（8）社会效益和经济效益：D3线方案大量占用优质农田，可能会恶化沿线群众的生产生活条件，社会效益和经济效益最差；P3线方案虽不占用农田，但需大量拆迁民房，社会效益和经济效益同样较差；相比较而言，K线既不占大量用农田，又无需大量拆迁，社会效益和经济效益最优。

（9）此外，D3线需大规模处置软基，同时需大量设置通道。

经综合比选，K线、P3线和D3线方案各有优势，在初步设计阶段考虑到经济效益，本着可持续发展选线、环保选线、地质选线、经济选线的原则，最终采用K线方案。

2.2充分协调地形

采用较高的指标有利于车辆的良好运行，采用较低的指标将对驾驶员的操作产生不利影响。山区复杂的条件影响技术指标的采用，较高的技术指标势必会导致较高的填挖量，直接影响该区域的生态环境，工程结构的数量也将增加，从而导致项目成本增加。所以，在保证行车安全的条件下，还应强调技术指标的选择要因地制宜，坚持路线与地形相互协调，不应片面追求过高指标。

水麻高速地处乌蒙高原北部倾斜地带，地势南高北低。从水富沿河到老堡山地段，隧道是惟一到达老堡山的方式。为了显著缩短后接凉风凹隧道的长度，尽早沿溪布线，充分利用复兴河谷的有利地形，避免穿越不良地质带，减少对环境的破坏，保护运营安全，公路设计人员反复勘察、设计、计算，加上来自老堡山山嘴地形的启发，形成了一个奇特而大胆的螺旋展线的想法。K39+400～K42+700老堡山路段的螺旋隧道曲线桥，是5个连续右偏的卵形曲线组成的螺旋曲线，克服垂直高差89 m，中间夹7段缓和曲线，所有的桥梁隧道位于右偏的螺旋曲线上，整个合同段总转角近330°，形成1个巨大的“α”形，如图2所示。

该段线性指标与地形相互协调，大大降低了施工、环保与安全的运作难度，取得了良好的经济和社会效益，在中国高速公路中尚属首次，被评为“建国60周年公路交通勘察设计经典工程”。建成后如图3所示。

2.3地质条件指导选线

山区地质条件复杂，地质灾害多，分布广。在路线勘测的某个阶段有些灾害不易被察觉，具有极强的隐蔽性，会对公路的施工带来不可估量的影响。与此同时，地质灾害将直接影响到该地区的自然环境，导致水土流失，诱发其他灾害。在路线方案拟定中，由于地质灾害的治理费用过高导致方案被舍弃的案例不胜枚举。因此，在路线布线时，首先应当研究路线走廊的地质条件，并坚持按地质条件选线，优化路线走向。

龙瑞高速公路南天门山岭地带的地形、地质条件复杂，相对高差较大，森林茂密，路线方案的布设主要受地形、地质条件和环境保护因素控制，最大纵坡和平均纵坡是主要的路线控制设计指标。该路段在初测阶段做了K线、A线、B线、F线、H线、J线和M线7个路线方案研究[5]，本文仅就M线方案与K线方案进行比较，如图4所示。该公路路线方案在复杂路段通过反复的论证，选定的M线有效地避让了大型滑坡，减缓了长下坡路段的平均纵坡、提高了运营安全，大大降低了施工干扰程度。

M线（南天门8字形展线方案）起自龙陵县城以西约2 km姜家塘处，起点里程为K15+28304，向西布线至新寨后转向北布线，于二关处设官坡隧道穿过大坡山梁，之后路线远离龙瑞二级路，向西沿坝田河降坡，途径周家田、横山坡、石头后梁子，于杨家坟山头反向8字形展线降坡至老路走廊带，途径新寨、帕连、洞坎、遮告，全长27.571 82 km。M线方案更有利于道路运营安全，避让了地质不良地段，路线平均纵坡控制在3%以下。考虑到“地质选线、安全至上”的设计原则，最终确定M线方案为南天门路段7个方案中的最优方案予以推荐。

8字形展线的方案充分体现了地质选线和生命周期成本的原则，通过安全性评价，各项指标均符合要求，为云南省继螺旋展线方案后的又一新的展线思路[6]。

2.4典型工程方案比选

2.4.1错台式路基

玉元高速公路骆子箐段由于地势陡峻，地质条件极为复杂，工程艰巨，在布线时就做了沿骆子箐左岸、右岸与整幅、分幅等多个方案[7]。

采用整体式断面形式，由于地面横坡较陡，势必会出现高边坡。如图5（a）所示，路基开挖土石方工程量较大，形成高边坡路基坡面植被破坏较为严重，给今后的运营、养护带来安全隐患，也造成几处短隧道的偏压和连拱隧道施工难度较大。若将整体断面设计标高抬高或吊空外移，尽量减少挖方，如图5（b）所示，又导致右幅路基支撑工程太高，将形成半边桥或高挡墙，不仅实施难度大，施工互相干扰严重，而且工程造价高。

而采用分幅式断面和分台式断面，分别如图6、7所示，不仅减少了路基开挖土石方数量，降低了边坡高度和边坡防护力度，且避免了眩光干扰，工程造价低。

2.4.2高填改桥与深挖改隧

思小高速公路穿越著名的西双版纳热带雨林保护区，部分公路靠近小勐养自然保护区试验区的次森林带。因此，思小高速公路的建设对周围的生态环境有非常重要的影响，环境保护应当是考虑的重点。基于此，思小高速公路在K88+688等7处进行了高填改桥，在K89+ 675～K89+ 790等4处进行了深挖改隧[89]。

（1）高填改桥。

以K86+930处，高填改T型连续梁桥为例，分析此处高填方案的影响。本路线段跨过野象谷，若以高填方案通过该段，会影响亚洲象的生活环境，缩小活动范围，分割活动领地，且存在以下影响：严重破坏植被面积，思小高速公路路基设计宽度为22.5 m，高填方清表后宽度可达50 m以上，会破坏大量植被；高填方造成廊道效应，分割了动物的活动领地，影响了动物的生存环境，对该地区的食物链也会造成严重的影响；高填方路堤边坡防护困难，该地区常年降雨量比较大，因此对边坡防护工程要求高，后期养护费用高；高填方需要大量的填土，就近取土会严重破坏周围环境，远距离调运又因大量修建施工便道，破坏周围环境；高填方可能侵占附近水体，改变了当地水体的流态，造成局部水资源枯竭并且增加了路基水毁的概率；高填方路段很难与保护区环境相协调，降低了景观的观赏性。

综合以上考虑，将此处的高填方案改为T型连续梁桥方案，有效地保护了生态环境和野生动植物，建成后的高架桥与植物融为一体，尽显人与自然和谐之美。

（2）深挖改隧。以K89+675～K89+790百花山隧道为例，隧道全长115 m，最大埋深为1968 m，若采用深挖路堑通过将会产生开挖土石方量40 000 m3，产生坡面15 000 m2，植被破坏面达20 000 m2。且存在以下影响：深挖方案会对热带雨林造成新的分割，破坏地表植被，容易造成水土流失；开挖破坏了原有的自然结构，改变了当地的生物链，一些珍稀野生动植物的生存会受到影响；深挖路段开挖后边坡面积大，植被恢复困难，边坡防护难度大；该段深挖弃方量较大，处理不便；深挖后单调的边坡与周围环境难以协调，不够美观。

综合以上考虑，将此处的深挖方案改为隧道方案，避免植被破坏，保护原有自然结构。隧道体现了人们对自然原貌的保护，独特的洞门符号也展现了当地的文化风俗，表现了人与自然和谐相处。

2.5复垦植被设计

玉元高速公路的边坡绿化美化遵循以下设计原则：以边坡防护为主，同时兼顾景观效果；设计主要强调简洁、明快、大方、经济，既注重生态效益，又注重经济效益及环境效益；主要以帮助恢复自然生态为原则，尽可能使高速公路与自然环境融为一体；从美学角度考虑点、线与面之间的关系，保证行车视野开阔，线条流畅，为驾驶员和乘客提供一个良好的行车环境[10]。

玉元高速公路采用喷播机械化植草方式后，种植的草坪发芽均匀，生长均匀，致密性好，成坪速度快。该方式对施工环境要求低，降低了工程成本的同时，提高了工程质量，并且对边坡植被和周围环境有了明显的改善。

2.6车辆行驶安全

2.6.1避险车道

蒙新高速公路K22+320～K60+600路段，连续长下坡路段达到37 km，最大纵坡为6%，平均纵坡为3.83%，桥隧比例高达70%，行车安全问题十分突出，且仅有4个路段具备修建避险车道的条件，避险车道的长度也因地形限制十分有限，因此，设计者们必须另辟蹊径去解决避险车道的设计。针对这些问题，设计者们设计了独特的网索避险车道，并专门研制了橡胶空腔减速垄，如图7所示。

在减速垄、网索和避险车道的三重作用下，使车辆在较短的距离内停止，从而缩短避险车道的设计长度，节约了工程资源，保护了自然环境；同时增强避险车道的安全性，减少对人员的伤害和车辆的损坏。通车以来，这些安全设施系统已成功保护了百余辆事故车辆。

2.6.2彩色路面

大丽高速公路长下坡路段较多，而且下坡常常伴随着拐弯，如果按照常规设置振动减速带，虽然能够起到提醒的作用，但是驾驶员和乘客会感到明显颠簸，舒适性会大大降低。为了兼顾行车安全与舒适性，设计者在下坡转弯处采用了彩色路面，以提醒司机提高警惕，再加以路边缘指示牌的视线引导，既保证平稳行驶也能够有效减少事故的发生，保证行车安全。

2.6.3导电路面

大丽高速公路上行线K172+370处，在石金山隧道出口位置，下坡地段，受到地理条件与隧道位置因素的影响，该路段日照时间少且风力大，导致有超过100 m的路段温度较其他位置低5 ℃～10 ℃，冬季路面上常有薄冰产生，给行车安全带来了严重隐患。

基于行车安全的考虑，设计者在该路段设计了电化冰路面。电化冰路面是在结冰路铺设导电装置，将电能转化为一定量的热能，用安全电将路面加热，化解掉路面薄冰，以此来消除行车的安全隐患，提供一个安全的行车环境；而且该技术能够代替除冰盐，避免除冰盐对道路的腐蚀和环境的影响，满足绿色环保要求。

3结语

云南高速公路建设经过多年的快速发展，积累了大量的建设经验，并形成了独具特色的山区高速公路设计理念。对于云南山区高速公路的设计者来说，每条高速公路建设项目各具特色，其相应的地理位置、环境特征、社区价值、使用者需求、机遇与挑战都具有惟一性。必须正确把握设计指导思想、设计原则，同时应当广泛借鉴国内外优秀的设计，并且保持创新性，才能做到各方案的和谐统一，展现出较为完美的作品，满足交通不断发展的需求。

参考文献：

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[4]刘宗竽.云南山区高速公路梁桥优化设计及工程应用[D].重庆：重庆交通大学，2011.

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[6]苗姗姗.云南省山区公路交通安全保障措施研究[D].重庆：重庆交通大学，2015.

[7]李昆华.云南国际大通道公路建设若干问题研究[D].西安：长安大学，2008.

[8]王慧.云南省高原山区农村公路路基路面典型结构研究[D].西安：长安大学，2015.

[9]周建昆.云南省山区高速公路工程风险评价与管理研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2009.

[10]赵党书，白良，姜东均，等.云南山区公路建设的环境保护[J].公路交通技术，2007（4）：130132.

[责任编辑：杜敏浩]