山区高速公路设计理念及关键性技术问题研究

郭涛

摘要 受到山区复杂地形地势的影响，山区高速公路建设往往需要面对多样化的地质条件，尤其是岩溶、采空等问题不仅会对工程的安全性带来不利影响，还会导致项目使用寿命受损。在这样的背景下，文章主要从山区高速公路设计需要重点考虑的因素出发，结合实践探究了与之相应的解决措施，以期能够提升山区基础建设的质量与效益。

关键词 山区;高速公路;建设;关键技术

中图分类号 U412 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0115-03

0 引言

我国地质条件复杂，且分布有大量的山区地带，其中山地占到了我国国土总面积的33%以上，丘陵及崎岖高原也均达到了10%，从整体而言山区占比已经超过了50%。基于我国现有的设计经验，同时考虑到山区公路建设的实际需求，可将山区高速公路的设计重点归纳为以下几点[1]：

（1）路线平纵方案的比选及其优化。

（2）长纵坡路面的抗滑设计;采空区的勘察处理。

（3）岩溶地区及采空区的桥梁设计。

（4）岩溶及其他不良地质条件下的隧道设计。

1 工程實例

以我国某高速公路项目为例展开分析，该项目地处山区，全线长约167.8 km，采用双向四车道设计，设计速度为80 km/h，路基设计宽度为25.5 m。在设计时考虑的荷载为公路-Ⅰ级。项目建设跨度较大，且沿线存在复杂地质环境，尤其是水库、岩溶等不良地质条件多发，对设计环节提出了较高的要求。

2 山区高速公路设计的关键性问题

2.1 路线方案的比选及优化

该项目沿线地质条件多样且复杂，导致设计工作需要考虑的因素较多。选线环节对项目的合理性、经济性与科学性有较大影响，对工程造价、生态效益等起着重要作用[2]。如何基于工程实际条件制定合适的方案，最大化利用已有条件，成为路线比选的重中之重。

（1）确保路线平、纵线形设计能够顺应项目沿线地形地势分布，严禁盲目追求高指标，通常以现行规范所要求的最低标准为原则。比选方案应具有全面性与彻底性，尽可能避免遗漏有价值的方案。

（2）对于不良地质条件分布比较广泛的路段，可借助遥感技术、CAD集成计算机漫游技术辅助完成选线工作。同时，路线还应尽可能避免穿越地质条件复杂的地带，提升方案比选的效率。

（3）路线选择应平衡好平、纵、横三者之间的关系，且协调好隧道、桥梁等重要构筑物之间的组合。尤其需要反复论证隧道分合线布置的合理性，注重特殊地基下的桥梁设计，在安全性、经济性之间寻求平衡。

（4）如有必要，可借助运行车速理论来评价桥梁设计方案。

2.2 长大纵坡路段抗滑问题

山区地形地势往往具有一定的高差，在设计时一般需要采取连续上下坡来解决，但在雾天等能见度差的天气下，长大纵坡很容易导致交通事故。为了提升其安全性，除了改善路面结构及材料外，还可以借助地形变化来制定应对措施，提升行车安全性[3]。

（1）选用先进施工工艺，并对已有方案进行比选，尤其要注重路面结构的改良，可借助试验来确定最佳方案。

（2）采用合适的材料。采用符合现行规范要求的石油沥青，根据路面等级和要求，可采用SBS改性沥青等。在集料选择上，采用耐磨性较好的玄武岩，并通过矿料级配的优化来达到改进材料的目的。集料的级配可借助试验进行确定。

（3）为了提升公路通行以及应急能力，可借助既有地形变化划定相应的避险车道、停车区等。

（4）强化公路监控设计，并附加合理的安全设施，警示司机和行人。在长下坡路段，重点完善监控系统，并设置限速指标。

2.3 岩溶和采空区的处理

岩溶和采空区是山区高速公路需要特别关注的两类不良地质条件，具有一定的隐蔽性，在勘察时难以被准确定位。尤其是在矿区规模较小的地区，分布往往具有不规则性，公路结构稳定性受到潜在威胁。解决上述问题的关键在于如何确定其位置及规模，并制定与之相应的措施[4]。

（1）充分重视地质勘探及现场调研，尤其是对项目整体具有控制功能的地区须重点监测;对于分布有采空区的路段，须基于国土部门资料确定采空区的分布、大小等基本情况;对于小矿，则应以走访的形式调查其上部建筑物、道路状态，确定路基稳定性。条件复杂的工程，还可通过布设观测线的方式来研判采空区稳定性，为后续路线优化及病害治理提供相应参考。

缺乏地质条件资料，借助电法勘探及钻探方法进行实地勘测，可优先选择大地音频电磁法和瞬变电磁法等物理技术，从宏观上建立对当地地质条件的认识，重点明确坑洞的大小、分布。

（2）该工程位于岩溶地区，根据其发育程度制定防治措施，并考虑经济性、环保性等的影响。针对路堑边坡位置分布的干溶洞，可基于溶洞的形式与大小采取片石填塞、护坡等方式完成处理。对路堑边坡及其上分布的岩溶泉与冒水洞，应秉承以疏为主的策略，布置集水沟，将水引导至路基影响范围之外;在填方或挖方路基基底较小且干溶洞的深度较小的路段，借助碎石、片石进行回填并夯实;对于规模较大的溶洞，选用构造物跨越方式进行处理;在溶洞顶板较薄的路段，考虑采用炸除方式进行处理;地基影响范围内出现塌陷，且其发展停滞时，采取注浆法处理，对存在发展趋势的按照构造物跨越处理。

2.4 深路堑边坡的处理

在山区高速公路建设中，深路堑工点一般较多，为了确保在使用状态下能够保持稳定，应将加固与防护相结合，同时利用建设环境既有条件，降低可能对自然环境产生的破坏。边坡开挖优先选用绿色防护措施[5]。

（1）控制路基边坡高度。强风化层边坡高度应控制在25 m以下;硬质岩弱风化层边坡高度应不大于40 m;硬质岩弱风化层的边坡高度一般不宜大于40 m。在该工程中，由于受到建设条件限制难以满足上述标准要求而不能采用隧道设计，因此考虑基于边坡实际条件核算其坡度，采取支挡措施。

（2）重视地质勘察，明确建设地的水文地质条件，如有必要还可借助原位试验来获取准确的地质参数。此外，还可通过工程地质类比法、图解分析法等来评价地质结构的稳定性。

（3）勘察设计工作应秉承“兼并融合”的原则，在实际工程中充分吸收以往成功案例，借鉴类似工程的成功做法与先进创新思路。按照公路工程稳定性要求，基于分级稳定的基本原则，组合使用锚杆、锚索、生态防护等处理技术。

（4）在提升边坡稳定性的同时，还应不断优化方案生态性，秉承绿色环保的基本要求进行设计。例如，弯道位置应减少挡土墙的使用，从而降低可能出现的视线遮挡问题。对于质地较为坚硬的边坡路段，可以喷射彩色混凝土、布置爬壁藤。

（5）在沿线路堑高边坡路段，要密切关注边坡变形情况。基于实测数据以及当地地质条件，及时做出方案优化，实施动态设计。

2.5 特殊路段桥梁的设计

岩溶地质的出现一般具有隐蔽性，导致监测难度较大，无形中对基础建设产生不利影响，甚至还会导致基底不均匀沉降。

基础位于岩溶较为丰富的路段，秉承地质钻探的基本原则：初测环节按照综合钻探的原则逐个完成;同时还应选用适当的物探措施进行辅助，从而对地下岩溶条件形成全面认识。埋深较浅或分布较散的岩溶地区路段，采取扩大基础进行处理，同时对基础之下的溶沟进行换填，使其能够满足工程建设的基本要求。沿线不存在较大的溶洞，上覆层较好，覆盖层性质稳定且不存在水流长期冲刷的路段，考虑采用扩大基础完成墩台设计。岩溶发育程度较大或分布有多层溶洞的路段，优先选用钻（挖）孔桩基础进行施工。需要注意的是，桩基桩身应当穿越足够厚度的岩层，且桩端应布置于足够厚度的岩板之上。

2.6 桥梁墩顶变位控制

山区高速公路设计须注意大纵坡路段内的墩顶变位控制问题，这也是实际工程中比较常见的一类问题。当车辆在长纵坡上行驶时，受到制动力的持续作用，桥梁梁板也存在持续向前的趋势，这一现象在单向行驶的路段更为突出。

此外，对于同时存在曲线、大纵坡以及高墩的路段，墩顶变位不仅包括与桥梁相同方向的变位，同时还可能产生扭转变位以及施工变位。这些变位现象往往会对桥梁稳定产生严重影响，使其处于不安全状态。

（1）针对桥向变位现象，可采取以下措施进行防治：①在大纵破以及高墩长桥路段上，车辆行驶很可能导致累积变位发生。针对这一现象，设计人员可以适当增加桥墩纵向刚度来改善结构稳定性，以防由于仅增强部分制动墩导致的不经济以及不美观问题;②可在桥墩与桥梁上部结构之间形成可靠固结，以此来强化上下结构之间的连接性，并以此控制位移量，起到提升结构刚度的效果。

（2）针对横桥向变位现象，考虑到桥梁的平面主要集中于曲线段上，曲线T形梁桥可采用直梁桥设计，并通过调整翼缘板宽度来达到缓解梁体弯扭的目的。此外，还应当强化横向联系，使得桥梁整体性得到保障。

（3）需要注意的是，设计环节应充分考虑由于混凝土收缩、徐变带来的结构内长期效应，并注意桥墩墩顶初始偏位受到徐变所发生的持续变化，及时采取有效措施进行控制。

2.7 隧道设计

岩溶地质的处理是山区高速公路设计需要关注的内容，同时也是保障项目整体质量的有效措施。

（1）隧道平、纵断面。岩溶地区隧道除了需要适应项目整体设计标准外，还需要明确项目所在地地质构造特点及地质环境，并采取以下措施进行处理：①避免穿越或缩短穿越距离;②采取高位穿越，对于分布复杂的岩溶地区，可采用人字坡形式。

（2）工程地质。岩溶地质具有一定的隐蔽性，因此在其发展初期往往难以被及时发现。在隧道附近汇集、滞留的大量承压水将导致施工难以正常开展。所以，在施工前应当对建设地进行超前勘测，探明附近地下水分布情况，同时将超前勘察报告纳入施工环节中进行统一管理。

（3）隧道预支护。隧道工程建设需要穿越断层破碎带等富含地下水的岩溶路段，采取注浆处理进行加固，以此来强化隧道岩体结构的稳定性，并降低透水能力。如有必要，还可采取长管棚技术来建立稳定、合适的施工条件。在注浆作业结束后还应及时检测，评价其效果是否满足预期要求，只有检测合格才能开始后续开挖工作。

（4）隧道结构。隧道需要穿越富水断层时，衬砌结构往往需要面对较高水平的水压力作用，此时需要根据隧道路线确定内轮廓及支护参数，还需采用圆形内轮廓。需要注意的是，隧道施工早期的临时支护应当满足基本刚度要求，且在满足要求后做到及时封闭。

2.8 不良地质路段的隧道设计

山区地质条件复杂，往往伴随存在较多的采空区，在隧道的洞口位置也可能出现偏压、陡崖等不良地形，需要基于工程实际做出相应的处理。

（1）隧道在穿越采空区时，应当尽可能采取避让的处理方式，首先明确该地区的水文地质条件，基于采空区的分布、大小来选定相应的防治方案。当前，我国在采空区治理方面已经积累了大量的经验，注浆填充和墩台式支撑法是其中较为常见的两类方法。墩台式支撑即是通过在采空区内形成墩台来限制结构的持续下陷。注浆法即是通过注浆孔将水泥—粉煤灰浆打入采空区内，以此形成结实体，预防岩层的持续下陷。

（2）当隧道需要穿越断层等软弱地层时，应首先明确其分布、大小以及基本性质，同时了解地下水的发育情况，为基础建设提出针对性的措施。对于性质软弱的岩层，一般可借助超前支护的方式来提升其稳定性;岩体力学性质受到地下水影响较为显著，通过注浆法进行处理;对于膨胀性较为突出的岩体，除了需要强化衬砌结构，抵抗地下水渗透作用外，还应预留出足够的空间，并设置钢支撑;对于存在有害气体的隧道，衬砌应当封闭且具有良好气密性。

（3）针对隧道洞口位置的偏压、陡崖等地质现象，可根据实际情况采取不同措施：对于偏压地形，应尽可能避免上下分离隧道及连拱隧道的出现;对于陡崖地形，为了降低结构出现崩塌的风险，为施工过程创造安全稳定的环境，设计时可采用提前进洞的方案;工程隧道洞口存在不良地质，借助超前长管棚、地表加固的方法来辅助进洞，其具体参数根据工程实际条件确定。

3 结语

山区公路建設环境较为复杂，往往需要面对多样化的地质条件影响，其中不良地质有崩塌、滑坡、岩溶等。这些地质条件对公路路线方案的确定和设计起着决定性作用，若选择不当，很可能导致项目质量下降、效益受损。因此，需要设计人员在早期设计时借助多种勘察技术建立起清晰准确的认识，查明不良地质条件可能导致的后果，有针对性地制定相应的措施。

参考文献

[1]周先银. 山区高速公路勘察设计中的关键技术[J]. 建筑技术开发， 2016（12）： 126-127.

[2]史先珂. 浅谈山区高速公路设计理念及关键性技术问题对策措施[J]. 测绘， 2021（3）： 140-144.

[3]骆春雨. 山区高速公路设计与施工关键问题探讨[J]. 交通世界， 2017（12）： 17-18.

[4]陈文勇. 山区高速公路勘察设计中的关键技术问题[J]. 黑龙江交通科技， 2014（8）： 57-58.

[5]张鸿， 张秀娟. 山区高速公路总体设计研究[J]. 内蒙古公路与运输， 2020（4）： 24-28.