合璧江高速公路九峰山段的陡坡挂线方案

张 伟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710000)

0 引 言

陡坡挂线是山区高速公路选线设计中经常遇到的现象，通常情况下存在地形险要、工程艰巨、技术复杂、实施难度大等问题[1-2]。所以，选择合理的设计方案对节约工程投资、增强工程的可实施性等都尤为重要。在项目可行性研究或初步设计阶段，受地勘资料的精度和深度所限，同时为了节约投资，往往选择投资较省的陡坡挂线方案；但随着地质资料收集的不断加深和完善，会发现原来的设计方案存在这样或哪样的问题，甚至不再可行。所以，如何综合把握和权衡方案的可行性、可靠性、经济性、环境保护等因素，选择出最为合理的设计方案，是个重要课题，也是个难题。本文对合璧江高速公路九峰山陡坡挂线区段初步设计方案的优化进行研究，结合多年工作实践，对山区高速公路普遍存在的陡坡挂线设计要点和原则进行梳理和阐述，供同类工程参考。

1 合璧江高速公路九峰山区段概况

1.1 地形地貌及地质情况

合璧江高速公路位于重庆合川、铜梁、璧山、江津区境内，路线全长约95 km，按双向六车道设计，设计速度为100 km·h-1。其中，九峰山陡坡挂线区段位于九峰山北麓[3]。高速公路地理位置见图1。

图1 合璧江高速公路地理位置

区域内为中低山地貌，整体为一北西向斜坡，南东高，西北低。受砂、泥岩差异风化影响，左侧山体砂岩范围内坡面较陡，其下泥岩范围坡面较缓。地形坡度为30°～70°。地形标高最高为510.00 m，最低为250.00 m，最大高差达260.00 m。公路范围内穿越地层及岩性由新至老依次为：第四系(Q)地层、侏罗系(J)的珍珠冲组、三叠系(T)的须家河组、雷口坡组、嘉陵江组。地质构造位于沥鼻峡背斜北西翼,岩层呈单斜状产出，形成单面山。据岩体露头量测统计，主要发育2组构造裂隙。受产状及裂隙切割影响，线路左侧砂岩形成陡崖和危岩，泥岩坡面覆盖较厚的崩坡积层且广泛分布落石[4]。

沿线的主要不良地质有危岩、岩堆、顺层边坡及滑坡、采空区等。陡坡段线路位置见图2。

图2 陡坡段线路位置

1.2 初步设计方案及存在的问题

初步设计方案公路起于窑湾，经九峰山北麓,过石岩嘴、林口煤矿、兴隆煤矿，穿九峰山至中峰村，陡坡段紧靠砂岩陡崖布线[5]。

随着地勘资料收集的不断深入，发现全段左侧危岩落石众多，方量大，调查困难，清除、挡护难度大，其塌落方向均为线路所在方向，严重威胁线路安全，局部桥墩位于危岩块体上，施工非常困难。特别是K3+100～K5+700陡坡区段路线布设于九峰山侧陡崖下陡坡上，以40 m跨径桥梁的方式通过，危岩落石对桥梁运营安全影响极大。在初步设计中并未考虑危岩落石的处理措施和费用。

从设计协调性来说，部分段落路线线形与地形和环境协调性较差[6]。路基左侧挖方边坡坡率陡于岩层倾角，根据初步设计线位及纵断面设计高程，按照岩层层理面刷坡，则无法放坡或者边坡高度极高，安全隐患大，对环境的破坏较大，工程实施困难。

2 九峰山陡坡挂线方案

结合九峰山陡坡段的地形及地质特点，为了克服复杂陡峭的地形条件，最大限度地减少沿线不良地质对高速公路建设和运营的影响，减少项目实施对环境的破坏，要对合璧江高速公路的选线设计进行深入研究，加强复杂路段的地质选线工作[7]。高速公路选线设计应将地形条件、工程地质条件与环境影响等因素通盘考虑、综合比选[8]。

2.1 对初步设计方案的优化设计

2.1.1 测前优化方案

为解决初步设计方案中存在的问题，定测前对初步设计方案进行了优化，将公路线位向右侧整体下移，优化后方案的主要优点如下。

(1)由于路基左侧山坡危岩落石较为发育，应采取清除、嵌补、锚固、支护等主动措施[9]，再对整个坡面设置主动网，降低危岩落石的影响。但是，由于地形陡峭，植被茂密，设置主动网或采用其他综合治理措施的条件都受到限制。测前方案将线位右移后可以为设置主动网和采用其他综合治理措施提供更多的平面位置和空间。

(2)初步设计方案桥梁桥面侵入山体，危岩落石风险较大。路线右移后，可防止部分危岩直接对路基或桥梁造成危害，降低施工及运营期间的风险。

(3)测前方案将线位右移后，与初步设计方案相比路线线形更加顺直。

测前方案如图3所示。

图3 测前方案平面

2.1.2 定测优化方案

在定测过程中，又组织专家对陡坡挂线方案进行了初步审查和论证，为了更彻底地防范危岩及落石给路基和桥梁带来的安全风险，专家建议在测前方案的基础上继续将线位整体外移。

依据专家建议，研究了右移的定测优化(AK)方案，该方案新增一交点，与前曲线形成“S”型曲线。该处相对于测前方案路线外移约41 m，相对于其他方案距离左侧山体较远，路基挖方边坡高度小，左侧具备设置阻拦危岩落石的平面位置；同时，避开了路基及桥梁陡崖挂线的不合理段落，降低挖方边坡高度，优化了桥梁墩台施工条件，降低了安全风险。但是，桥墩较高，个别桥墩高达90 m，路线的线型指标较差，工程投资增加较多[10]。

线路平面、右移典型横断面见图4、5。

图4 定测优化方案(AK)平面

图5 测前、定测右移方案横断面

2.1.3 初步设计优化方案的比选

综合比较测前优化方案(K)和定测优化方案(AK)：K方案较初步设计方案有了很大改善，可以较好地解决危岩落石的整治问题，安全风险可控；而AK方案更利于危岩落石等不良地质的绕避和整治，但由此引起的桥梁长度、桥墩高度、工程投资、实施技术难度均增加，从方案的经济性、合理性等方面考虑不太划算。所以，最后仍选择了测前方案(K)。两方案的对比见表1。

表1 主要工程数量及优缺点对比

2.2 补充隧道方案

九峰山陡坡段高速公路沿河傍山，隧道设计方案不可避免地存在洞体浅埋偏压或者进出口浅埋偏压等情况。该类隧道工程较为突出的特点是埋深较浅、地形偏压严重、围岩破碎等，施工中稍有不慎必将后患无穷[11]，这就给设计提出了较高的要求。在设计中，必须保证隧道线形线位设计、隧道出入口位置的选择、隧道结构和支护结构形式等的安全合理[12]。通过对环境保护、地质条件、结构安全性、施工难易程度及风险、工期和经济造价等多个方面的综合比较，选择最为合理的隧道设计方案[13]。

九峰山陡坡段隧道方案控制因素有沿线的矿区、军事管理区、区段起终点标高、隧道出入口等。本文共研究了隧道最短(F1K)、隧道中长(F2K)、隧道最长(F4K)等3个方案。隧道方案如图6所示。

图6 九峰山陡坡隧道方案

2.2.1 隧道最短方案(F1K)

路线以合川十塘为起点，上跨铜合高速后由东南走向折至西南，在十塘镇水沟湾设置九峰山1号隧道(L-1 635 m)入口，在拦马石采石场西侧设置九峰山1号隧道出口。路线向南前行至新碗厂特大桥后接入九峰山2号隧道(L-850 m)。

该方案隧道长度短，后期运营费用低，路线平面指标较好。但是，隧道外路基段以及桥梁段落依然存在危岩落石的影响；沿线桥梁桥墩依然高于80 m，施工风险较大；九峰山1号隧道出口路基边坡较高，隧道洞口偏压较为严重；对环境影响大，占用土地较多。F1K方案隧道偏压横断面见图7。

图7 F1K方案隧道偏压横断面

2.2.2 隧道中长方案(F2K)

为了解决F1K隧道偏压问题并降低洞外明线段落的安全隐患以及桥梁高度，提出了将F1K隧道延长约500 m的F2K方案。路线以合川十塘为起点，在上跨铜合高速后由东南走向折至西南，在十塘镇水沟湾设置九峰山1号隧道(L-2 080 m)入口，在旧县镇唐家院东侧山坡设置九峰山1号隧道出口。路线向南前行至新碗厂大桥后接入九峰山2号隧道(L-850 m)。

与F1K方案相比，隧道外路基挖方挖至坡顶，避免了危岩落石影响，大幅降低了危岩落石处治难度；同时降低了桥梁墩高，隧道施工难度及运营风险较低，工程造价也较低。但是路线平面指标较低，局部段落路基挖方边坡较高，隧道后期运营成本略高。

2.2.3 隧道最长方案(F4K)

路线以合川十塘为起点，在上跨铜合高速后由东南走向折至西南，在十塘镇水沟湾设置九峰山1号隧道(L-4 035 m)入口，在旧县镇角家湾东侧山坡设置九峰山1号隧道出口。

与F1K、F2K方案相比，隧道最长方案全部采用暗线工程通过九峰山段，可彻底解决明线工程中的危岩落石、高桥墩、高边坡问题，对环境的影响也最小。但是，隧道规模过大，工程造价高，建设工期最长；而且隧道埋深浅，地质情况复杂，平均纵坡大，后期运营风险和运营成本最大。隧道浅埋横断面见图8。

图8 F4K方案隧道浅埋横断面

综合考虑各方案的线形指标、工程投资、施工难度、运营安全、环境影响等因素后，推荐九峰山隧道采用长度适中、对环境影响较小的F2K方案。3个隧道方案的主要工程数量比较见表2。

2.3 各方案综合比选情况

由于合璧江高速公路九峰山陡坡段地形和地质情况复杂，所以采用了归类法及层次分析法对各个路线方案进行比选,从技术指标、工程地质、工程规模、拆迁、环境影响、工程造价等多角度进行综合论证,选择较为合理的路线方案。

综合比较初设方案、测前优化方案(K)和陡坡段隧道方案(F2K)三方案后，隧道中长方案(F2K)虽然较初设方案增加投资约2.28亿元，但较彻底地解决了陡坡段的陡边坡、不良地质、高桥墩等安全和 技术问题，对环境影响最小，施工较为便利，后期运营风险也最小。

表2 隧道方案主要工程数量比较

所以，本着安全第一的原则，在综合考虑各个影响因素后，本次优化方案研究推荐了中长隧道方案(F2K)。工程数量比较详见表3。

表3 主要工程数量比较

3 结 语

(1)陡坡挂线设计前，首先要分析、梳理影响路线方案的各种因素及沿途控制点，不遗漏任何有价值的方案；再权衡利弊，对各方案进行综合比选。

(2)在高速公路陡坡挂线设计中，要综合考虑方案的可行性、安全性、经济性等因素。在方案可行的前提下，首先保证安全风险可控，再尽量控制工程投资。如本次没有选择投资最小、安全隐患大、不良地质整治困难的初设方案，也没有选择最安全可靠、工程投资增加过多、运营维护成本最大的隧道最长方案(F4K)，而是选择了在采取治理措施后安全风险可控、投资增加不太多的隧道中长方案(F2K)。

(3)对于危岩、落石等不良地质问题，为了确保安全，在设计中应首先考虑避绕；实在无法避绕或者避绕增加投资过多，可考虑采取措施防护或整治。实践中较为合理的方案往往是将二者结合使用，绕治兼顾，力求安全风险可控、工程量适中，且便于实施和后期运营。