山区高等级公路控制性隧址和桥位方案的比选研究

蒙江鹏 刘佳

摘  要：新疆G575线巴里坤至哈密公路东天山特长隧道及与其相连接的葫芦沟特大桥为本项目的重要控制性工程，具有隧址和桥位选择控制因素多，勘察设计难度大等特点。本文从网规划衔接，地形、地质和地震等条件，桥隧经济合理组合规模，路线平纵面技术指标、前后引线连续纵坡、与周边环境协调性，施工環境和工艺水平、后期营运管理等诸多因素进行综合比选论证，最终确定技术可行、经济合理，全寿命周期成本低的方案予以推荐。

关键词：山区高等级公路;控制性隧址和桥位;东天山特长隧道;葫芦沟特大桥;方案比选研究。

中图分类号：U412    文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2020）03-0000-00

1 概述

新疆G575线巴里坤至哈密公路是国家“一带一路”战略部署“丝绸之路大通道”的重要组成路段，同时也是自治区“57712”工程路网布局中“五横七纵”高等级公路网中“第5纵”的重要组成部分，本项目将G7京新高速、G30连霍高速、G312三条国家级干线公路连通起来，成为新疆东部地区一条重要的南北向交通大动脉[1]。本项目北起东天山北坡的巴里坤县，南至东天山南坡的哈密市，路线全长76.5公里，采用设计速度80Km/h的双向4车道一级公路标准建设，路基宽度25.5m。其中，11.88km的东天山特长隧道及与其相连接的2.4Km的葫芦沟特大桥为本项目的两大控制性工程。选择技术方案可行、工程地质条件好、抗灾能力强和全寿命周期成本低的最优隧址和桥位组合方案是本项目初步设计阶段研究的核心问题。

2 控制性隧址和桥位选择的关键因素分析

2.1 路网规划布局

路线总体走向和走廊方案必须服从于《国家高速公路网规划》、自治区“57712”工程路网规划。根据本项目在路网中的功能定位，综合考虑路线走廊带范围远期社会和经济发展，城镇和企业的现状与发展规划，注重与地区公路网规划的协调，处理好项目与哈密市、巴里坤县、伊吾县的规划，并充分考虑预留远期与G7京新高速的接接线空间，使整个项目区域的干线公路布局合理，充分发挥公路网的整体功能和效益[2]。

2.2 地形地质条件

本次研究范围为项目穿天山（东天山特长隧道起点至葫芦沟口）路段，位于天山高海拔寒冷区，海拔范围在1900～3700m，地形、地质、水文等条件复杂。区域岩性地层主要为泥盆系大南湖组凝灰质砂岩、粉砂岩、闪长岩以及花岗岩等。桥址区葫芦沟属低中山沟谷地貌，总体地势北高南低，呈“U”字型，谷底地形较为平坦，地表基岩裸露或为厚度不大的漂、卵石及残坡碎石土覆盖，下覆基岩主要为粉砂岩、花岗岩等，埋深相对较浅且整体工程地质条件良好。

2.3 不良工程地质

由于项目区大部分基岩裸露且以坚硬岩为主，构造剥蚀作用强烈;加之昼夜温差大，冻融作用比较强烈。葫芦沟沟谷内岩层倾角较陡，部分路段节理裂隙发育、岩体破碎，在岩性、温差和雨水冲刷等外部应力作用下，易产生崩塌、碎落，形成岩堆和泥石流沟。项目区海拔高，冬季多风雪，受西北主导风向的影响，在山坳、山麓斜坡等地形变化较大位置的迎风面易产生风积雪。

2.4 地层稳定性评价与地震

根据工程地质勘察和地震安评等成果资料显示，项目区有4条断裂带：隧址区主要发育F1、F2和F3三条区域性断裂，其中，F1断层近东西走向，倾南，倾角70°，为逆断层;位于隧道进口段，开挖时对隧道影响不大，但因F1断层为全新世活动断裂，隧道设计时需考虑该断层加固措施。F2和F3断层宽度约230～320m，走向近东西向，倾南，倾角70°，断层带赋水，破碎，隧道与断层大角度相交，在洞室开挖时产生塑性变形破坏，且存在涌水的可能。桥址区与F4断裂带大角度相交，宽度约190m，走向西北向，倾南，倾角60°为逆断层。根据地震安评资料，区域地震动峰值加速度为0.2g，地震动反应谱特征周期为0.4s，地层相对稳定，根据抗震规范相关规定进行设防[3]。

2.5 最大程度的保护环境

项目位于高海拔寒冷区，植被脆弱，破坏后恢复困难。隧道进出口和桥梁墩台处应最大程度减少开挖，使桥隧设计顺应地势、融入自然，追求工程与自然环境的最大协调统一。

2.6 全寿命周期成本理念

采用全寿命周期成立理念，从建设和运营的全过程系统设计，选择合理的桥隧工程规模、技术标准、建设和运营方案。

3 隧址、桥位方案拟定

初步设计阶段，通过充分研究可研报告、地质勘察资料，地形图纸上定线和现场反复调查。工可研推荐方案隧道进口位于伊吾军马场西北侧，设置东天山特长隧道，隧道长度13.24Km，并设1032m长特大桥跨葫芦沟主沟，止于东岸台地。葫芦沟北走廊北侧山体陡峭，地质条件差，浅埋偏压严重，隧道进口位于冲洪积扇体中部，进口标高偏高;为有利于天山南坡展线降坡，出口侧设计标高相当较低，导致隧道进出口高差大，不具备设置“人字坡”的条件，隧道为单向纵坡，不利于通风，排水，运营期费用高等问题。

基于可研阶段的问题，初设阶段将隧道进口位置相对工可向东移2公里，至冲洪积扇扇扇缘，伊吾军马场西侧，较工可有效降低隧道进口标高52m，避让了不良地质和减短浅埋偏压长度。并在该走廊内提出K线、A线和B线三个方案从以下几个方面进行研究、比选和论比选和论证，如图1所示。

3.1 工程地质条件比较

工程地质条件比较表1所示：

洞身与F1、F2、F3东西向构造断裂大角度交叉，无法绕避;与葫芦沟主沟交叉一次，隧道埋深270m，地质勘察确认为非构造断裂;整体无其他不良地质，洞身地质条件较好。

走向基本与K线一致，洞身同样与3条构造断裂大角度交叉，地质条件基本相同。

走向基本与K线一致，洞身同样与3条构造断裂大角度交叉，地质条件基本相同。洞身与泥石流沟交叉，顶板厚度较小，地质条件差。

A线最优、K线次之、B线最差

洞口

进口位于伊吾军马场滑雪场西侧，自然坡体缓，植被茂密，无不良地质;出口位于葫芦溝西侧山体，洞口处上部山体岩体完整性较好，没有较大规模破碎及碎落，第四系覆盖层薄，易清理，地质条件较好。

进口端与K线相同，出口端位于葫芦沟东侧山体，与K线出口距离949m，受山体节理发育影响，洞口处上部山体有小规模崩塌、碎落，地质条件一般。

出口位于葫芦沟东侧山体，与K线出口距离260m，与F10断裂小角度交叉，坡体岩体比较破碎，堆积体较厚。

K线最优、A线次之、B线最差

桥址区

葫芦沟有效宽度70-125m，桥梁有布置沿溪线的条件，桥梁周边无较大规模泥石流或崩塌，地质条件相对较好。

桥梁东侧山体发育有较大规模泥石流沟，主要堆积体位于路线上方，汇流区面积和地表高差较大，地灾危险性较大，工程处治困难。

桥梁东侧坡体岩石比较破碎，堆积体比较厚，需进行大量的坡体整治工程，施工成本较高，运营过程易产生崩塌或碎落，威胁道路及车辆的安全。

K线最优、A线次之、B线最差

3.2 平纵指标及连续均衡情况比较

路线技术指标比较2表示：

比较范围内三个方案路线长度相当，隧道进口处平面半径均为3000m，隧址段平面指标取值分别为：K线R-3000m;A线位直线，B线为直线;隧道出口平面半径相差较大：K线为直线;A线R-1200m;B线R-1100m;A线方案隧道纵坡为0.89/-0.887%，B线方案隧道纵坡为0.5/-1.75%。综合比较，K线平纵面指标较高[4]。

3.3 引线工程比较

A线方案隧道出口位置较K线高约76m，B线方案隧道出口较K线低约22m，经过葫芦沟特大桥后A线方案较K线方案高49m，B线方案与K线方案标高一致，因此由隧道降坡对于K、B线方案基本相同。东天山南坡展线段，受积雪冰冻区自然条件和连续长大纵坡限制，根据规范要求，K、A、B线方案均采用3%的平均纵坡进行展线，K、B线方案在此段线位共线。A线方案标高高于K、B线方案，因此A线方案平面线位更要靠山体侧，而此段地形多是由天山融雪水冲积行程的沟谷，越靠近天山地形起伏越大，导致A线方案构造物增加，工程规模较大[5]。

3.4 桥隧规模、技术指标情况比较

桥梁、隧道规模和技术指标比较表3所示[6-9]：

推荐桥跨形式和桥孔布设

上部（16×30）m装配式预应力混凝土箱梁+（39×50）mT梁;下部结构柱式墩、空心薄壁墩、柱式台，钻孔灌注桩基础。

上部结构（140+7×250+140）m预应力混凝土连续刚构（主桥）+（26×50+4×50）m装配式预应力混凝土T梁桥（引桥）;下部结构柱式墩、空心薄壁墩、柱式台，钻孔灌注桩基础。

上部结构（19×30）m装配式预应力混凝土箱梁+（33×50）mT梁;下部结构柱式墩、空心薄壁墩、柱式台，钻孔灌注桩基础。

桥梁规模较大，但桥型结构属于常规桥梁，设计和施工技术成熟;常规方法，经验成熟，施工难度较小。

桥梁规模大，引桥方案与K线相同;但主桥对施工场地、环境和技术水平和施工组织均有很高的要求。

同K线方案

施工工期

上下部可同时施工，工期相对较短。

引桥可实现上下部结构同时施工，但主桥段采用挂篮或预制法，受环境和长度制约大，工期长。

同K线方案

抗灾能力

结构受力明确，抗震抗灾能力较强。

连续钢构桥截面刚度大，抗震抗灾能力强，结构安全度高。

同K线方案

行车舒适性和安全性

伸缩缝较多，行车舒适性较差;桥上纵坡均衡，行车安全性好。

桥梁结构整体性好，伸缩缝少，行车舒适性好。桥上纵坡偏大，桥梁太长，冬季运营安全性差。

桥上纵坡偏大，冬季运营安全性差。

桥型整体协调   与美学

葫芦沟为自然沟，桥梁无过高的景观要求。三种方案均是从高跨比协调性和地形适应性选择桥型方案，桥跨总体布置协调美观，与周边地形相适应。

工程造价（亿元）

21.62

23.28

21.24

由表3看出，三个方案隧道长度，K线最长、B线次之、A线最短;A线方案隧道纵坡较缓，通风、排水最为有利，运营成本较低;K线方案和B线方案隧道内下坡段纵坡略大，隧道内通风较为不利。三个方案的桥梁从建设规模、施工水平和工期安排等方面综合比选，K线方案所对应的推荐桥梁结构受力明确、桥型简洁、抗震能力较强，高跨比协调性相对较好，施工工艺成熟，质量容控制，工程造价和后期养护费用较低。

3.5 综合比较结论

比较范围内三个方案路线长度相当，A线方案隧道平纵指标较高，有利于排水、通风;但出口和桥侧山体地质条件差，存在大型泥石流沟整治难度和运营期隐患大，特大桥和引线工程规模大，整体建设工程造价最高;K、B线方案整体上各项指标和规模相当，但B线隧道出口和桥侧山体地质条件差，治理难度和运营期隐患大，经综合比选论证，推荐采用K线方案。

4 结语

山区高等级公路跨越高大山谷的复杂性特长隧道、特大桥工程对公路网布局、路线总体走向、工程投资和工期等具有控制作用，是勘察设计和施工的关键节点。比选论证时，重点考虑路网规划衔接，地形、地质和地震等条件，隧道和桥梁的经济合理组合规模;其次考虑路线平纵指标和前后引线纵坡，与周边环境协调性，施工环境和工艺水平、后期营运管理等诸多因素，最终确定技术可行、经济合理，全寿命周期成本低的方案予以推荐。

参考文献

[1] 中交第一公路勘察设计研究院有限公司.新疆维吾尔自治区G575线巴里坤至哈密公路建设项目初步勘察设计文件[Z].2016.

[2] JTG B01-2014.公路工程技术标准[S].

[3] JTG B02-2013.公路工程抗震规范[S].

[4] JTG D20-2017.公路路线设计规范[S].

[5] JTG C20-2011.公路工程地质勘察规范[S].

[6] JTG D60-2015.公路桥涵设计通用规范[S].

[7] JTG D70-2004.公路隧道设计范[S].

[8] 刘齐军，周乾，蓝洋.山区高速公路控制性桥梁桥位选择和比较要素探讨[J].中外公路2012（5）：186-188.

[9] 周宏凌.红水河特大桥桥位、桥型方案比选研究[J].交通科技，2012（5）：15-17.

收稿日期：2020-01-16

作者简介：蒙江鹏（1984—），男，陕西彬州人，本科，工程师，研究方向：道路与桥梁设计和研究。