山区高速公路长大纵坡方案比选论证

游晓英

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山西省祁县至离石高速公路是山西省高速公路网规划“三纵十二横十二环”中第七横昔阳龙坡—柳林军渡的重要组成部分，该路段东与第七横榆次至祁县段顺接并与京昆高速大运段相接，向西与青银高速相接，在离石与吕梁环城高速相接。建设项目途经晋中市祁县，吕梁市文水县、交城县、离石区，路线方案全长96.608 km。

项目在设计期间内，多次邀请省内外知名专家进行中期咨询工作，会后项目部成员根据专家意见针对设计方案进行仔细研究论证，去芜存菁，最终确定了设计方案。

1 技术标准

根据项目区域现状及规划路网，结合交通量预测结果，本项目按双向四车道高速公路标准建设，其中城赵枢纽至开栅枢纽段设计速度为100 km/h，路基宽度26 m，分离式路基为13 m；开栅枢纽至离石东枢纽段设计速度为80 km/h，路基宽度25.5 m，分离式路基为12.75 m，桥涵设计荷载采用公路-I级，其余技术指标按照部颁《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）的规定执行。

2 路线布设总体思想

根据本项目在区域路网中的地位和作用，通过对项目沿线社会、自然、人文环境和项目特点的综合分析研究，结合笔者多年来从事公路设计的经验，确定以“落实绿色公路设计理念”作为建设目标，着力采用新的技术、降低工程规模、减少对环境的破坏，力争在不增加投资的情况下选取高技术指标，提升运营安全性和服务水平。

本项目是与G20青银高速公路并行的新建高速公路，建设的目的主要是要分流青银高速公路车流、提高交通运输效率。目前青银高速公路汾阳至离石段（特别是薛公岭隧道前后）地形复杂、前后高差较大，导致该段道路交通拥挤、服务水平较低，交通事故时有发生。为使本项目较原有青银高速交通服务水平有显著提升，在项目设计中，尤其注重路线线形对运行速度和交通安全的影响。

3 长大纵坡段（寨子沟至信义）路线方案论证

表1 寨子沟至信义段路线方案布设概况

本项目寨子沟至信义段（K67+300—K94+021）地形复杂，需穿越吕梁山脉，是本项目的难点、重点、控制性路段。走廊带内地势总体东高西低，自然地形最高点位于吕梁山，穿越吕梁山后地形一路走低，路线设计最高点位于隧道入口，出隧道后一路下坡，路线设计最低点位于终点吕梁环城高速公路，受此控制，该路段存在连续长大下坡，隧道入口标高成为控制路段连续纵坡的重要指标。

因此，综合工程地质条件、特长隧道规模、互通布设条件等因素，如何优选出一条技术指标较高、工程规模较小、地质条件及环境保护均较好的路线方案是本项目的难点工程，经项目组成员多次研究论证，并结合咨询专家意见，该路段主要布设了以下方案。

图1 寨子沟至信义段路线方案图

3.1 K线方案

3.1.1 方案

该方案为工可优化后方案，采用特长隧道7 420 m+长隧道2 282 m高线位布设，隧道入口标高1 667 m。路线起于寨子沟东，向西在岳家庄北设特长隧道（7 420 m）至薛家沟，后设长隧道2 283 m至井沟，采用高线位依次经红岩上、塔则沟、邢家庄、归化（设信义东互通）、严村至终点信义东，路线全长26.721 km。

3.1.2 技术指标

从特长隧道进口开始下坡，至终点吕梁环城高速路段长23.881 km，高差542 m，平均纵坡2.27%；重车方向离石至文水为上坡，最小平曲线半径为1 000 m，最大纵坡4%。

3.1.3 存在的主要问题

经研究论证，K线方案存在的主要问题：

a）连续长大纵坡，指标较低。

b）工程规模大，土石方量大，桥梁较多且墩高较高。

c）地质条件差，地质以表层薄层Q2-Q3黄土下卧全风化花岗岩为主，对工程的施工和运营都将带来诸多的安全隐患。

d）隧道较长，工程造价较高。

为解决以上问题，项目组综合专家意见分别研究了D线、E+F线、F线、G线等方案与K线进行比较。

3.2 D线、E+F线及F线方案

3.2.1 D线方案

D线方案主要考虑在K线寨子沟-岳家庄-下庄-薛家沟-红岩上-塔则沟-邢家庄走廊带基础上降低隧道规模，路线在岳家庄东跨至三道川河南岸，于下庄南入洞，隧道入口标高抬至1 674 m，设5 491 m+1 094 m两座隧道穿越吕梁山后走高线位行至邢家庄南与K线相接。路线全长17.458 km，其中设桥梁5 016 m/15座，隧道6 585 m/2座。对应K线长17.4 km，其中设桥梁3 493 m/12座，隧道9 703 m/2座。与K线相比，D线方案隧道规模大幅下降，但存在以下缺点：a）D线由于晚进洞，缩短了下坡路段坡长，同时抬高了隧道入口标高（较K线高7 m），使得纵坡连续下坡指标进一步降低，且无小于2.5%的缓坡，布设停车区及互通困难。b）D线平面指标较K线低，尤其是特长隧道路段线型为曲线，K线为直线。

3.2.2 E+F线方案、F线方案

a）E+F线方案 鉴于K线方案纵坡指标较差，E+F线考虑通过展线降低路线平均纵坡。路线于寨子沟西与K线相接，在岳家庄北进入吕梁山特长隧道（7 555 m），入口标高与K线一致，向西经下庄至牛家岭南，走高线位在尹家庄接F线后经邢家庄至归化与K线相接。路线全长21.071 km，其中设桥梁4 834 m/23座，隧道8 280 m/2座。对应K线长19.2 km，其中设桥梁4 197 m/15座，隧道9 703m/2座。

b）F线方案 F线方案主要考虑在E线基础上进一步展线，路线于寨子沟西与K线相接，在岳家庄北进入吕梁山特长隧道（7 430 m），入口标高与K线一致，以K线隧道轴线为基础，出隧道跨薛家沟后沿西侧山麓布线，经牛家岭、康家岭、尹家庄、邢家庄至归化与K线相接。路线全长21.631 km，其中设桥梁4 953 m/22座，隧道8 155 m/2座。对应K线长19.2 km，其中设桥梁4 197 m/15座，隧道9 703 m/2座。

经比选，F线与E+F线方案均属展线+高线位方案，两者桥隧规模相当，总体造价相当，因此展线+高线位方案推荐F线，与K线进行比选。

F线与K线相比，纵坡指标有所提高，建设里程增长了2.413 km，建安费高3 500万元，指标改善的代价是建设里程的较长增加，运营期社会成本增大，工程规模仍较高，而且高线位高填深挖仍较多，环境保护方面改善甚微，F线、K线两方案相比各自优点均不能取得绝对优势，因此需寻求更佳方案。

3.3 G线方案

3.3.1 G线方案

鉴于K线连续下坡指标较低、工程规模较大，而F线规模较大且指标仍不理想，故布设了采用特长隧道9 818 m+低线位的G线方案，展线并降低隧道入口标高（1 624 m）。路线起于寨子沟东，在寨子沟西设特长隧道（9 818 m）穿越吕梁山后沿薛家沟西侧山脚布线，依次经牛家岭、康家岭至小神头南设信义东互通，后经尹家庄、邢家庄、严村至终点信义东，路线全长29.234 km，其中设桥梁4 940 m/15座，隧道9 818 m/1座。对应K线长26.721 km，其中设桥梁5 609 m/22座，隧道9 703 m/2座。

G线方案技术指标：G线方案降低特长隧道入口标高提早进入隧道，为出隧道后采用低线位创造条件。从特长隧道进口开始下坡，至终点吕梁环城高速路段长27.993 km，高差501 m，平均纵坡1.79%，重车方向离石至文水为上坡，平曲线最小半径为1 000 m，最大纵坡4%。长大纵坡路段减少到1段，纵坡指标有较大改善。

3.3.2 G线与K线相比

图2 G线方案图

G线与K线从以下几个方面对比：

a）技术指标 G线隧道入口至信义终点连续下坡平均纵坡为1.79%/27.993 km，吕梁山隧道出口至信义终点平均纵坡为1.92%/17.87 km，只有1段长大纵坡路段，较K线指标有大幅改善。

b）特长隧道纵坡 G线吕梁山特长隧道纵坡1.57%，K线为1.9%，G线指标更好，有利于行车安全。

c）建设里程 G线里程较K线增长2.513 km，较为绕行。

d）地质条件及环境保护 K线高线位高填深挖段落较多，地质以表层薄层Q2-Q3黄土下卧全风化花岗岩为主。全风化花岗岩呈类土状，自稳能力极差，对工程的施工和运营都将带来诸多的安全隐患，同时开挖山体严重，不利于环境保护。G线仅在邢家庄-永红3 km路段有少量深挖段落，该段落主要为土质边坡，避开了大范围不良地质路段，有利于环境保护。

e）互通布设条件 K线由于线位较高，设置互通、停车区困难，其中信义东互通处与被交路米五线高差约78 m，展线较长，桥梁密布，互通规模大。G线采用低线位，在小神头南山脚设置互通及停车区位置，地形较为平坦，工程规模较小。

f）机电及运营期费用 G线设1座特长隧道全长9 818 m，K线设2座隧道总长9 722 m，G线对隧道通风、照明、救援等设施要求更高，隧道稍长，运营期费用较高。

g）工程规模 隧道规模基本相当，G线土石方、桥梁、互通等规模均下降，较K线造价低约5.847 7亿元。

表2 K、G线方案对比情况

比选结果：G线与K线相比，在技术指标、工程规模、地质条件、互通布设条件等方面均有较大优势，选择G线方案为推荐方案。

图3 各路线方案纵坡情况图

3.4 运营安全性论证

项目组依据《公路项目安全性评价规范》要求，对该路段K线方案及G线方案进行了运行速度测算[1]。

该路段设计速度80 km/h，小客车初始速度80 km/h，期望速度110 km/h，运行加速度采用0.165 m/s2；大货车初始速度65 km/h，期望速度80 km/h，运行加速度采用0.2 m/s2，运行速度成果分析如下。

3.4.1 祁县至离石方向

根据运行速度预测结果，在上行方向，K线在K69+038—K70+253段大货车运行速度降至容许速度以下，相邻路段速差大于20 km/h，对公路运营会产生一定的影响；其余段落K线方案与G线方案无相邻路段运行速度协调性不良路段，对安全性影响不大。

图4 K线与G线上行车辆（祁县至离石方向）运行速度分线图

因此，祁县至离石方向，G线方案优于K线方案。

3.4.2 离石至祁县方向

在下行方向，根据小客车运行速度预测结果，K线方案及G线方案均无相邻路段运行速度协调性不良路段，对安全性影响不大。总体来看，小客车均可在一个相对较高的线形指标下运行，其运行速度总体是合理和可靠的，因此认为主线下行的小客车沿线相邻段落之间的技术指标合理，相邻路段线形设计连续性较好，设计元素协调相容。

根据大货车运行速度预测结果，K线方案大货车在K77+506—K78+050（长0.544 km），K85+520—K87+811（长2.29 km）段运行速度降至容许速度以下，大货车在上坡段最低运行速度降至33.6 km/h，客货两种类型车辆速差较大，严重影响公路正常运营，存在较大安全隐患；而G线方案大货车在GK81+184—GK81+264（长0.08 km）段运行速度降至容许速度以下，大货车在上坡段最低运行速度降至48.7 km/h，对公路运营会产生一定的影响。

图5 K线与G线下行车辆（离石至祁县方向）运行速度分线图

因此，离石至祁县方向，根据运行速度分析，G线方案明显优于K线方案。

结合本项目特点，吕梁地区为山西省重要能源基地，车辆从离石驶出均为重车方向，且在离石至祁县方向为上坡，故在G线方案离石至祁县方向GK80+540—GK81+790（长1.25 km）设置了爬坡车道，同时加强该路段交通安全设施设置“大型车靠右”标志牌，并采用分车型、分车道行驶的行车组织策略，减小由于货车过低的运行速度对高速公路通行能力产生影响和由于过大的速度差带来的事故隐患，以提高安全性，保证公路的安全运营。

3.5 比选结果

经过深入研究后，该路段各方案技术指标排序情况如下（E+F线和F线以F作为参考）：

a）连续下坡技术指标由高到低：G＞F＞K＞D。

b）特长隧道纵坡指标由高到低：G＞D＞F=K。

c）工程规模由低到高：G＜D＜K＜F。

d）地质条件、环境保护由好到差：G＞K＞F=D。

e）互通布设条件由好到差：G＞F＞K＞D。

f）建设里程由短到长：K＜D＜F＜G。

g）运营安全性：G＞ K。

综合考虑，G线方案虽建设里程较长，但其技术指标最高，工程规模最小，地质条件、互通布设条件、环境保护及公路运营安全性均较好，优势明显，因此推荐G线方案。

4 结语

在山区高速公路选线受地形、构造物等控制线工程及其他限制因素影响较大，其线形的选择对后期运营安全有重大影响。本文结合实际情况，合理确定路线方案，提出了降低总体路线设计标高和绕行展线的有效措施，在大大改善线形技术指标的同时，大幅减少了工程规模，同时大大减少了对山体的开挖，之后通过公路运行速度的分析计算方法，对设计方案进行进一步验证，以保证公路运营安全性。