重载(运煤)高速公路设计

李建江，诸葛敬敏，杨艳群

(1.北京建达道桥咨询有限公司，北京 100015；2.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108)

煤炭资源一直以来都是我国重要的基础能源，而煤炭工业也一直是我国经济发展的重要支柱。煤炭大部分依靠铁路运输，只有在经济上不适宜建铁路专线时，才采用公路运煤。虽然煤炭公路运输作为煤炭运输的一种辅助方式，仅适用于短途中转以及小批量用户，但是由于我国中小煤矿数量多且分布广，公路运输已经成为一种不可或缺的方式。目前许多学者也对运煤道路进行了研究。廖庆[1]主要针对山岭区选线以及隧道方案的事项来探讨山区运煤公路的选线。高勇[2]通过对鹤煤九矿选煤厂运煤道路的实地考察，提出可行的道路维修方案。王爱国[3]针对运煤重载道路提出了一种交通荷载特征描述方法，即在轴载谱的基础上，制定轮载谱和轮胎接地压力谱。此外，众多学者也对运煤道路的路面结构[4，5]、边坡处治[6-8]、挡土墙受力分析[9]、路基路面施工[10，11]、交通量计算[12]、安全问题及对策[13]和路面损坏原因[14]等都有了深入的研究，但是大部分集中于运煤公路的局部研究，对于运煤高速公路的设计研究甚少。

本文先介绍了运煤高速公路交通特性分析以及选线设计需要考虑的因素，并进行实例分析，针对京新高速公路集宁至呼和浩特段第JHSJ-2合同段的路线设计、长大纵坡设计以及路面设计等进行分析，通过技术经济等指标提出可行的实施方案。

1 运煤高速公路交通运行特性

高速公路交通运行特点包括道路设施特性、交通管理特性、交通环境特性、车辆行为特性等。道路设施特性包括护栏以及交通标志标线等，作为静态因子影响运煤高速公路上车辆的运行。交通管理特性主要包括车辆速度控制和车道管理，控制着车辆的运行方式。交通环境特性包括车型组成、交通状态等，影响着车辆的运行环境。车辆行为特性包括车辆的横向和纵向行为，影响运煤高速公路上车辆行驶的微观特性[15，16]。

1)道路设施特性：运煤高速公路的道路条件以及交通标志标线等原则上与普通高速公路一样，主要在路面设计上要考虑承受重载运煤车辆的冲击以及大型车辆占比大的特性。

2)交通管理特性：运煤高速公路由于大型货车较多，车辆速度差较大，而且大型车辆会对其他车辆的行驶产生阻碍作用，需要采取合适的交通管制措施。车道管理通过使相同类型或相近类型的车辆在同一车道行驶，来减少不同类型车辆间的相互干扰，提高车辆行驶的快速性和舒适性，但是可能会降低车辆运行的灵活度。

3)交通环境特性：交通状态直接反映高速公路服务水平，运煤高速公路由于车辆组成中大车比例较高，交通状态相对稳定。

4)车辆行为特性：车辆行为特性是指单个车辆的驾驶行为，可以分为纵向行为和横向行为。纵向行为包括加速状态、匀速状态和减速状态。横向行为主要指变道行为。在运煤高速公路基本路段上，由于大型运煤车占绝大多数，所以其车辆驾驶行为相对固定，横向行为相对较少，但可能影响其他车辆运行的舒适性，从而影响整体的交通运行的舒适感。

2 运煤高速公路选线的关键因素

由于运煤高速公路定位及功能独特，其设计时需要比普通高速公路考虑更多的因素，具体如下[17]：

1)地质条件。在选线过程中，要正确处理不良地质的危害。很多地质灾害的隐蔽性很强，在路线勘测的时候很容易被忽略，但这些地质灾害会给道路安全带来不利影响，同时也会直接影响周边的自然环境，带来连锁式的自然灾害。故在路线方案选定时，对于地质条件尤需注意，要优先考虑路线走廊内的地质条件，并且要始终坚持地质条件优先的选线原则。

2)平纵指标及均衡性。在路线设计时，采用较高的技术指标能够给车辆提供更好的运行环境，而较低的技术指标则会对行车环境带来非常不利的影响。运煤高速公路由于其独特的定位，通常需要经过山区，山区复杂的地形条件直接影响选线的技术指标。如果采用过高的技术指标，很有可能会导致填挖不平衡或大填大挖现象，直接影响周边的生态环境。同时也会导致工程构造物的数量增多，大大增加工程建设成本。因此，在路线选择过程中，应在确保行车安全的基础上，综合考虑路线与地形条件的协调性与均衡性。

3)通行能力、服务水平及行车安全性。通行能力和服务水平直接影响运煤的效率，决定着经济效益。在合理的建设条件下，应充分考虑运煤高速公路的服务效率。此外，行车安全性是运煤高速公路从设计、施工到运营必须要全面考虑的因素，是整个项目建设的最基本的条件。

4)用地情况及对周边环境的影响。运煤高速公路的选线应正确处理好占地与拆迁之间的关系。考虑到地质条件、当地经济发展、用地布局等原因，拟建公路往往与现有铁路、公路等位于同一走廊带，出现平行或相交，可能涉及道路的改道。对于这种情况需要及时采取合理的措施对策，尤其是要考虑公路等级以及公路改道或扩建对周边环境的影响。

5)造价。工程造价主要体现在工程项目占地、拆迁、构造物建设和不良地质处理费用上。具体应考虑房屋拆迁、土石方平衡、弃方造地和植被恢复等，避免出现大量弃方的现象；同时考虑桥梁、涵洞等建设的必要性，从而选择积极合理的设计方案。

6)重载道路路面设计。由于运煤路线货车超载现象日益严重，很多重载公路路面在运营初期就出现车辙、沉陷、开裂等各种路面病害，严重危害车辆的行驶安全。为此，对于新建运煤道路，应从初步设计阶段就必须考虑重载车辆对路面的影响。

运煤高速公路的选线需综合上述要素，综合对比经济性、技术性和合理性，最终选取合适的路线方案。

3 设计实例分析

3.1 工程概况

3.1.1 项目背景

京新高速公路集宁至呼和浩特段所经区域为我国主要的产煤区，但区域内运煤通道较少，加之纵坡较大堵车现象时有发生，通行能力不足。目前由影响区往京津地区的运煤通道主要为京藏高速和G110线，京藏高速交通量为3.2万辆/d，高峰交通量达到5.6万辆/d，其中60%以上为大吨位运煤车。

3.1.2 工程地质概况

1)地形地貌。项目位于属内蒙古高原南部，局部路段分布有高大山丘，地形总体起伏较大。

2)气象。项目属季节性冰冻地区，公路自然区划Ⅵ1区。项目沿线年平均气温4.5℃，一月平均气温-14.8℃，七月平均气温19.2℃，极端最低气温-22.4℃，极端最高气温36.8℃；年平均降水量372.8mm，雨量大多集中在六、七、八月份。

3)不良地质。该项目路线跨越范围地质构造较为复杂，对拟建公路危害较大的不良地质现象及特殊性岩土包括：金矿采空区、崩塌、湿陷性黄土、可液化土。

3.1.3 水文地质概况

1)地表水。勘察区内的河流为季节性河流，平时无水或局部有少量断续流水，只有在雨季发生暴雨，汇集形成山洪，洪峰历时较短。区内无常年性河流。

2)地下水。根据路线走廊带内地层岩性、地下水赋存空间、水动力特征，区内地下水可划分为第四系松散层类孔隙水和基岩裂隙水两大类：①第四系松散层类孔隙水，赋存于冲、洪积层中和斜坡或斜坡坡脚局部坡积碎石土较厚地段，区内第四系松散层厚度较大，富水性强，主要接受大气降水的补给，水量较丰富。②基岩裂隙水广泛分布于勘察区，主要赋存于片麻岩、花岗岩的风化裂隙及构造裂隙中，主要接受大气降水的补给，总体上水量贫乏，富水性、均匀性较差。

该区段地下水水位受季节性影响较大并受地貌、岩性等因素的综合控制，河床内水位埋深相对较浅，坡地地下水埋藏较深，水位线与地面线近于平行。路线走廊内未见自然泉点，该区段水质良好，对公路构筑物无不良影响。

3.1.4 主要技术要求

1)技术标准。京新高速公路集宁至呼和浩特段第JHSJ-2合同段采用双向六车道高速公路，设计速度为100km/h，路基宽度为33.5m。

2)建设规模。该项目路线长度总计68.379km，共设隧道9874m/6座(单洞)，大中桥5107m/33座(双幅，下同)；共设5座互通式立交，其中枢纽互通2座、服务型互通3座；主线上跨分离式立交800m/5座，桥梁总长5907m；共设2处服务区、3处匝道收费站。

3)路线走向。京新高速第JHSJ-2合同段位于乌兰察布市和呼和浩特市境内，路线大体为东西走向，起点位于卓资县赵家滩(桩号K146+000)，顺接该项目第JHSJ-1合同段的终点，终点与呼和浩特至包头高速公路保合少枢纽互通(部分已建成)相接。

3.2 积雪冰冻地区的路线设计与比选

由于该项目金盆村—西凉村路段(K158+300—K169+101.070)为大黑河次级支流的河谷区，该河谷区为“U”字形河谷，河谷宽阔，且在深度2～17m处有早年间的采金遗留区。根据现场勘探资料显示，河道南岸山体有4处大型滑坡。河沟北侧阶地发育，阶地上原有的老国道110(X553)占据了有利的地势。为找到最经济合理的方案，考虑了阳坡路线与阴坡路线的布设方案进行初步比选。

3.2.1 积雪冰冻地区的路线布设方案

1)阳坡路线方案。阳坡路线方案出金盆湾隧道后，向北跨越沟道和X553，在X553北侧坡地布设路线，到达西梁村，设大桥跨越X553、西凉村及河谷，终于西凉村西。路线长度10.801km，如图1所示。

2)阴坡路线方案。阴坡路线方案以不扰动南侧山体为原则在沟道南侧靠近山体布线，路线长度10.779km，如图1所示。

3.2.2 积雪冰冻地区路线方案比选

积雪冰冻地区路线方案设计对比见表1。

表1 积雪冰冻地区路线方案设计对比

由表1以及路线图可知，阴坡路线方案顺河谷布线，平纵面指标较高；桥梁工程量及土石方数量较小，造价较低；但受洪水位控制，路基填方大，临河侧防护工程大，受X553及村庄限制，路线布于河谷南岸阴坡，冬季积雪冰冻问题较为突出；沿线所占用土地多为察右中旗土地平整复耕项目用地，需对已建成水利设施进行改移，协调难度大；沿线采空区及其回填区遍布其中，增加了路基处理难度，路基稳定性也存在一定的隐患。阳坡路线线方案虽然有土石方数量多、桥梁工程量大、拆迁量大、造价较高等缺点，但路线具有避让采空区，冬季积雪冰冻期间行车安全性高、避免挤压河道、避免压占土地平整复耕项目用地等优点。

经技术经济同深度比选，推荐采用运营安全性较高的阳坡路线方案。

3.3 沿线地形复杂地区的路线设计与比选

西梁村—东罗家营路段(K166+338.094—K181+503.082)所经区域为剥蚀丘陵山地地貌区和河流谷地地貌区。从西梁村至永太公段有大黑河支流的河谷，河谷为“U”形河谷，河谷宽阔，河沟平缓，阶地发育。为克服复杂地形，保证行车安全，找到最经济合理的方案，考虑了沿溪路线与山坡路线的布设方案进行初步比选。

3.3.1 沿线地形复杂的地区的路线布设方案

1)沿溪路线方案。沿溪线在河道一级台地布设，与地方道路共用走廊带，路线长17.795km，如图2所示。

图2 沿溪路线和山坡路线方案

2)山坡路线方案。山坡线方案在西梁村南设大桥跨越河道，设620m隧道穿过坝底村与圪塔村之间高山，之后沿山坡缓坡地带布线，路线长15.177km，如图2所示。

3.3.2 地形复杂地区路线方案比选

地形复杂地区路线方案设计对比见表2。由表2以及路线图可知，两方案相比，山坡路线方案虽然在起点路段增设了一座隧道，纵断面指标不如沿溪线顺适，但路线短捷，里程缩短2.62km，不挤压河道，线位处于阳坡，冬季积雪冰冻期行车安全性高，土方、桥梁、防护工程量小，沿线拆迁量小，工程造价较小。

表2 地形复杂地区路线方案设计对比

经同深度技术经济比选，最终采用路线短捷，行车安全性高的山坡路线方案。

3.4 隧道路线设计与比选

金盆湾特长隧道(3342.5m)为该项目的重点工程，特别是项目位于积雪冰冻区、交通组成中重载大型车占比高，纵面指标应作为选择方案的重要因素，同时结合地形、地质、地物等，合理选择隧道布设方案。

路线在跨越独卯兔和金盆乡之间的大山时，由于金盆东地形起伏较大，地面高差大，需在此处设置隧道通过，在现场踏勘的基础上，结合该区域地形地质，考虑路线总体走向、隧道规模拟定了三个方案进行比选。

3.4.1 隧道路线布设方案

方案一：路线平纵指标高、隧道隧道进口地质条件较好，避免了对村庄的拆迁和对县道555的干扰、隧道内通风排水条件较好，隧道长3460m。

方案二：路线平纵指标较高、路线略有绕行、隧道长3250m。但桥梁工程量大(路线需两次跨越县道553，跨线桥工程数量大)；与X553干扰大(隧道进口处于X553正下方，需对X553改移1300m)；拆迁数量大(路线自卯独兔村中心穿过，造成对该村的整体拆迁)；纵面指标差(为缩短隧道，路线走高线位，加大了隧道前后纵坡，最大纵坡采用4%)。

方案三：路线平纵指标较低、路线绕行、隧道长2350m。整个方案大幅缩减了隧道长度，但拆迁量大(路线在转经召、后阳坡、金盆村均不能避免大范围拆迁，其中包括对转经召矿区厂房的拆迁及220kV高压塔1座，移动通讯塔1座)；高边坡段落多，土石方量巨大，不利环保(为克服高差缩短隧道，路线需走山坡较陡的高线位，不可避免产生高边坡段落，大于35m的高边坡段落有7处共1010m)；桥梁工程量大(需布设桥梁跨越冲沟及河沟，共布设大中桥2329m/14座)；隧道进出口地质条件差；为顺应地形布线，路线采用较低平纵指标，圆曲线最小半径为800m，最大纵坡采用4%，纵坡超过3.5%的路段共有3处1700m。

具体方案路如图3、图4所示。

图3 方案一与方案二路线方案

图4 方案一与方案三路线方案

3.4.2 隧道方案比选

隧道方案设计对比见表3。

表3 隧道方案设计对比

由表3以及路线图可知，方案一虽然相对于方案二和方案三隧道较长，但路线顺直、短捷、平纵指标较高，而且避免了对村庄的拆迁和对县道555的干扰以及不需要修建大量的桥梁，这大大减少了工程造价以及拆迁的困难。此外，相对于其他方案，方案一隧道进出口地质条件更好，能够更好地保证行车安全，这正是工程项目中最重要的一点。故经综合考虑，最终采用路线短捷、平纵指标较高，隧道进出口地质条件较好的方案一。

3.5 长大纵坡设计论证

该项目沿线地形起伏较大，存在三段长大纵坡，分别是路段1(K169+310—K178+960)、路段2(K197+610—K204+350)和路段3(K204+350—K217+350)。

为了确保行车安全，对于是否设置避险车道进行了充分论证与研究。各路段平曲线设计值见表4。

表4 长大纵坡路段平曲线设计参数

上述三个路段的平曲线半径均大于规范一般值，竖曲线半径满足视觉半径，无急剧转弯及大纵坡情况。通过对当地气象条件、交通量及交通组成、公路设施、路侧环境等因素分析，沿线无影响行车的团雾等小气候、道路两侧地表植被不发育，行车视野相对开阔，视觉环境良好。根据《公路路线设计规范》[18]、《公路路线设计细则》(总校稿)[19]等相关标准规定，上述三个路段均不需设置避险车道。

综合上述因素，对于长大纵坡路段不设置避险车道，但需设置完善的交通标志、标线、护栏、防眩晕设施、视线诱导设施、监控设备、照明设施等。

3.6 路面设计方案

大型运煤车辆是该项目交通流的重要组成部分，因此对于该项目的路面强度、耐久性、经济性提出了更高要求。

根据该项目重载交通的特点，以及车辆往返方向轴载的不均衡性，结合项目沿线地形复杂，冬季时间较长的状况，充分考虑重载交通下对路面抗滑性、抗车辙、抗变形的要求，综合研究并充分考虑了路面平整度、抗车辙能力、施工便捷、工程造价、远期综合效益等因素，最终确定了重载交通状况下的沥青混凝土路面结构方案及其对应措施，并采用了路面轻重载分幅设计，具体方案见表5。

表5 路面结构方案

考虑到重载交通对路面动稳定度的要求，该项目沥青混凝土路面上、中面层采用SBS改性沥青，用以提供路面的抗车辙性。长大纵坡路段路面增加了抗车辙剂等一系列有针对性的处置措施，确保重载交通下的路面整体强度、使用寿命及安全性。

3.7 安全设施设计

全线的安全设施由安全设施设计单位做了系统设计，大中桥上均设计了防撞护栏，分离式立交及天桥上均设计了防撞护栏及防护网等措施，以确保行车安全。

该项目重载交通占比高，对于连续下坡超过7.5km路段，设置了两处避险车道，以保障失控车辆安全。避险车道对应主线桩号起终点范围为：K177+140—K177+340、K214+360—K214+560。确保大型车辆由于出现各种故障而能及时进行避让，保护道路沿线交通安全。

4 结 语

本文综合分析了运煤高速公路的交通特性，提出路线设计时应考虑的要素，并选取了内蒙古第一条双向六车道高速公路进行了实例分析。该项目是内蒙古前往京津地区的主要运煤通道，重载车辆较多，交通量较大。项目位于积雪冰冻山区，路线布设在工程规模增加不大的情况下，优选阳坡方案；对特长隧道等关键工点，结合积雪冰冻、重载车占比大等因素，将纵向指标作为重要因素进行方案论证；长大纵坡需结合地气象条件、交通量及交通组成、公路设施、路侧环境等因素综合分析，精心设计；路面设计需考虑重载交通特点，进行针对性的设计；考虑到重载交通组成高以及连续长下坡对道路交通安全的影响，设置了相应的安全设施。