山区高速公路总体设计与工程实践

冯心宜

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广州 510507)

0 引言

至2020年底，广东省高速公路通车总里程已突破1万km，特别是粤港澳大湾区核心区的高速公路密度已在世界各大城市群中居于前列。根据广东省最新的高速公路网规划，尚有近5 000km高速公路有待建设。未来广东的新建高速公路，多位于粤东西北等山区，而粤东西北山区地形地貌条件变化较大，地质条件复杂，新建高速公路往往桥隧比例较高，设计实施难度大，对总体设计方案的合理性提出了更高的要求。

1 路线总体的多方案比选

多方案比选是山区高速公路总体设计的精髓。特别是在项目初步设计阶段，应针对路线区域的自然生态环境、地形、地质等条件，按拟定的控制点由面到带、由带到线、由浅入深、由整体到局部进行比较、优化和论证。本文以某高速公路项目为例进行比选说明。

1.1 路线方案布设概况

某项目路线长61.484km，初步设计阶段对总体路线进行了多方案充分比选，拟定了贯通线K线、以及局部比较的C1～C10线等共11个路线方案，所研究的路线方案总长度为推荐路线方案的近三倍。同时作为山区高速公路，路线方案的比选应充分考虑项目的工程地质条件、技术指标、路线安全性等因素，而不局限于工程规模的比选。

1.2 典型路线方案比选

K线与C8线方案是项目在穿越山脉路段的隧道方案比选线路，其中C8线长14.95km，对应K线长14.563km。初步设计阶段通过大范围地质调绘、物探以及地质钻探等综合勘察手段，初步摸清了两个方案的主要工程地质条件，对比情况见表1。

表1 K线与C8线主要工程地质条件对比

同时，由于本路段路线方案均属于越岭线，K线路线短、高差大，且隧道洞口高程较C8线隧道洞口高出约30m，导致K线平均纵坡较大。本路段C8线平均纵坡1.77%、坡长为6 550m，而对应的K线平均纵坡2.22%、坡长为6 300m。C8线线形指标安全性优于K线。

两个方案的主要工程规模对比见表2。

表2 K线与C8线主要工程规模比较

经综合比较，C8线方案虽隧道长度较相对应的K线长1 536m，且存在一处特长隧道，工程造价较K线高4 216.87万元，但C8线工程地质条件好，路线安全性等方面均优于K线，因此初步设计阶段以隧道长、造价高的C8线作为本路段的推荐方案。

1.3 建设期及运营期的现场验证

在项目施工图设计阶段，通过对C8线进行详细的地质勘察，印证了初步设计阶段推荐结论的合理性。C8线特长隧道方案地质条件良好，II级围岩长度约占隧道总长的70%；同时良好的隧道围岩条件，不仅保证了施工进度、节省了工程造价，更是为施工质量及施工安全提供了充分的保障。该特长隧道从开工至贯通仅历时20个月，施工进度快，施工质量、安全、造价等均可控，还获得国家优质工程奖。

本路段通车运营后，由于纵坡相对较平缓，路线技术指标相对较高，因此运营安全性良好，大型车辆的通行也较为顺畅。

2 路线平纵横协同设计

2.1 路线平纵横协同设计的提出及应用

早期山区高速公路项目施工图阶段的路线设计，一般均采用1:2 000地形图进行纸上定线，并根据地形图上拾取的纵断面及横断面地面线数据，综合研究确定路线线位，再进行野外实地纵横地面线测量，最终提交平纵横设计图纸，并依此开展结构物细部设计。但由于1:2 000地形图精度有限，不能准确反映桥台、挡土墙等构筑物的实际地形情况，以及陡坎、沟渠等实际地物情况，导致实地测量结果与地形图反映结果出现较大偏差，纸上确定的总体方案可能欠合理，需要重新调整线位再重新进行地面线测量，不仅反复工作量大，且难以一次性调整到位。在现场施工过程中，往往因图纸与实际地形不吻合造成设计变更。

为更好地进行精细化设计，确保总体方案合理，某山区高速公路项目采用机载激光雷达扫描技术进行地形测量。通过该技术能在设计阶段同时获取影像和点云数据，经数据处理后可得到高清正射影像及数字高程模型，能够精确反映地形复杂地区的地貌及高程变化情况，消除人工测量误差。图1为某横断面中点云数据拾取的地表水沟示意。

图1 某横断面图中的地表水沟

通过该新技术的应用，可结合总体设计需要，在精确的纵横地面线数据上反复优化调整路线平面线位，进行平纵横三维协同的精细化设计，使项目总体设计方案更加合理。

如某项目国道跨线桥桥台位于陡坡之上(图2)，通过平纵横三维协同的精细化设计，可将桥台位置准确放置在填挖交界位置(图3)，避免在陡坡处设置台前锥坡，减少了施工期常见的工程变更；同时将桥台设置于挖方段，也从根本上减少了运营期由于台背不均匀沉降引起的桥头跳车现象。

图2 某国道跨线桥桥位平面

图3 某跨线桥桥台横断面

2.2 建设期及运营期的现场验证

上述桥台位置的平纵横协同设计，是该山区高速公路项目的典型桥台处理方式。由于平纵横设计的精细化，项目施工期工程变更少，方案性的设计变更远低于全省平均水平，总体勘察设计质量可控。

项目通车运营后，以上桥台的典型处理方式通过了重载车辆比例高及节假日交通流量大的检验，沿线各桥梁结构稳定，桥头跳车现象少。

3 勘察成果与总体设计的结合

山区高速公路的总体设计，需充分加强与地质勘察成果的结合，在定线阶段，应保障地质调绘工作的深度。特别是对于部分挖方边坡高度小于30m、未定义为高边坡、未开展专项工点勘察及设计的路段，这些路段一般地质调绘及钻探工作相对较薄弱，一旦遇到不良地质体，则后续容易引发大的设计变更，由小边坡演化为大边坡。

如某项目在设计阶段由于勘察深度不足，未发现在K4前后路段为煤系地层，因此按常规路段确定路线方案，设置了一处三级挖方边坡。

施工过程中，由于煤系地层边坡稳定性差，导致发生滑塌(图5)。根据本路段的地形条件及总体设计方案，若在路线定线阶段提前掌握地质情况，则完全可以将路线往前进方向左侧进行偏移，将挖方调整为填方，则可避免开挖此不良地质边坡。

图4 某项目K4附近路段路线

图5 某路段煤系地层边坡滑塌

而另一项目，在K99前后路段，原设计方案也是采用挖方边坡通过，但在下阶段通过详细地质调绘，发现路线前进方向右侧为古滑坡及古堆积体(图6)，因此将线位往左侧偏移，将挖方路段调整为填方，同时也起到反压稳定古滑坡体的作用，并顺利实施。

图6 某路段古滑坡及古堆积体

因此,总体选线阶段应重视地形、地貌分析及调查，以工程地质、水文地质调绘为主，结合钻探、物探、挖探等综合勘察手段，对工程稳定性进行定性与定量评价，避免漏判。

4 山间软土路基总体处置方案

与珠江三角洲地区的深厚软土不同，广东省山区高速公路的软土地基一般多分布在山间洼地，以浅层软土为主，一般采用挖除换填处理。但对于部分多年水塘路段，也可能存在部分深厚软土，须采用复合地基处理。而山间软土路基的总体处置方案，比起沉降控制，稳定性的分析更应引起关注。稳定性控制主要体现在两方面：一是山间陡坡路基路侧存在临空面。山间沟谷多有鱼塘，而当路基征地范围未完全覆盖整个鱼塘范围，且路基填土较高时，应在总体设计阶段，尽可能同步对鱼塘做填平处理，增加用地设置反压护道，消除临空面。二是复合地基的桩长控制，若采用刚性桩方案，桩体应尽可能多地打入持力层，否则在陡坡路段随着地下水的流动、加载导致的土体变形，极易影响桩体垂直度，从而引发复合地基整体失效。

如某项目在山间洼地设置有三级高填方边坡，路线左侧填土未完全覆盖路侧较深鱼塘，也未在总体设计中将外侧鱼塘纳入项目征地范围(图7)。

图7 某山区鱼塘路段的高填方路基

本路段软土路基采用素混凝土桩复合地基处理，桩底持力层为硬塑状粉质粘土层。而在路基即将填筑至设计标高时，由于持续几天的强降雨，山间地下水在横坡作用下的流动，导致本路段复合地基持力层软化，引起了路基垮塌(图8)。

图8 某路段软土路基总体设计方案不当引起垮塌

本路段的设计变更方案，一是对路线左侧鱼塘进行了补征地，并且通过弃土填平，消除了路侧临空面，也对既有路基起到反压护道的作用；二是通过打设管桩，增加桩长至原粉质粘土层下方的全风化层，确保了复合地基的稳定性。

5 结语

合理的总体设计对山区高速公路的建设起着重要作用，因此在设计过程中，不仅应加强路线的多方案比选，更要重视路线的精细化设计。作为总体设计人员，还应熟练掌握项目的总体地质情况，充分利用地质勘察成果，在总体设计中提前绕避不良地质路段；对于无法绕避的路段，应在路线平纵设计、横断面填筑及用地宽度处理等方面，论证合理的总体处置方案，确保工程项目的顺利实施。