公路工程施工便道设计思路与技术指标

彭 帅

(山西路桥建设集团有限公司太原设计咨询分公司,山西 太原 030006)

0 引 言

通过对多条在建及已完工公路项目的调查发现,在施工图设计阶段,便道的设计深度往往难以达到指导施工的要求,施工便道未提前定线,多数情况下由施工单位根据地形现场修建,随意性较高。由于施工中不可预见的问题较多,施工单位难以对施工便道进行有效管控,目前普遍存在成本超支、临时占地较多和生态破坏性较大等问题。针对以上问题,关兵[1]对公路工程施工便道的定义、分类、使用特征和线形指标做了探讨;刘璋[2]以河惠莞高速龙川至紫金段TJ6合同段便道方案为例,采用奥维地图进行路线设计,介绍了山岭重丘区高速公路施工便道的设计、维护与管理;王文龙[3]以汶马高速为依托,运用基于三维激光扫描的BIM技术对山区便道的设计进行了优化,使设计成果可视化,计算更加精确;张少山[4]针对山岭重丘区施工便道的设计与施工中经常会遇到的问题提出了相应的解决方案;魏江东等[5]以贵州剑榕高速公路第14合同段工程为例,总结了山岭重丘区施工便道的设计要点和施工方法;马学谦[6]以自卸载重车为设计车辆,对山区公路施工便道平、纵面技术指标进行了分析。上述学者的研究提高了人们对于公路工程施工便道设计的认识,但未系统地分析总结便道的总体设计思路、方法和技术指标。为此通过对多个项目的施工便道设计经验总结和实际施工效果检验,提出了公路工程施工便道总体设计思路和设计方法。

1 公路工程施工便道的定义

公路工程施工便道是指在公路施工过程中为保证原道路畅通而修建的临时性道路。施工过程中为保证施工车辆、机械设备、材料、人员等顺利进出施工现场,进行土石方调配运输,连接项目各施工工点与拌合站、钢筋加工场、预制梁场等临时工程而修建的临时性道路。例如山岭区新建公路项目,根据施工进度安排大型构筑物如桥梁、隧道等控制性工程要先期开工,这些工点往往地形险峻且无既有道路可供利用,则需要修建施工便道到达。

2 公路工程施工便道设计原则

通过晋阳高速改扩建工程、国道G2003太原绕城高速公路义望至凌井店段项目ZH02标、沁水至临汾高速公路浮山至临汾段项目、国道G235云和段改建工程和国道G218那拉提至巴仑台段PPP公路项目(NBTZ-1、NBTZ-8标)等施工便道的设计经验,总结出以下几项原则。

(1)施工便道的设计应符合施工组织的要求,保证通行安全且满足工程需求,遵循“安全、实用、经济、绿色”的原则。做到尽量降低成本,尽量减少对自然环境的破坏。

(2)施工便道应以尽量利用现有旧路为原则,充分利用现有国省道、县乡道、村道作为施工便道,并根据既有道路路基宽度、路面情况和通行需求进行拓宽、整修或直接利用。便道可利用机耕道路时,应遵循“永临结合”,方便村民以后通行。

(3)施工便道尽量在主线已征用地范围内布设。填方路段布设在护坡道、排水沟和坡脚外1～2 m用地范围内;挖方路段布设在坡顶与截水沟之间,未设置截水沟的可布设在挖方路基内,随路基施工进度进行调整。

(4)施工便道的平面线形指标、纵坡技术指标和横断面宽度应符合通行车辆的行驶要求。

3 公路工程施工便道设计思路

按照工程施工需要,根据便道通行时间长短、车流量大小、服务工点类型和便道位置方向等,可将施工便道分为主便道、支便道和保通便道,并分别对这几类便道进行设计。

(1)主便道设计思路。

主便道通常是指与主线方向平行的纵向施工便道,通行时间长,车流量较大。在进行主便道设计时,应先调查清楚项目沿线现有国省道、县乡道及村道路网情况,尽量利用现有道路的情况下可新建部分道路将主便道贯通。改建项目的主便道一般为现有待建旧路,有保通需求的可按照后述保通原则设计;新建项目的主便道可沿填方或挖方边坡坡脚布设。

(2)支便道设计思路。

支便道是指从主便道接出通往各施工工点的横向施工便道,服务于单个或多个施工工点,通行时间较短,车流量较小。

在主便道上根据地形和旧路等条件选择合适的支便道接出位置作为支便道起点。当位于平原微丘区地形较平缓时,支便道走向应选择路线较短、切割耕地较少、占地及破坏生态最小的路线。在条件允许的情况下,可结合当地村民意见根据“永临结合”原则进行便道线位选择。当位于山岭重丘区地形复杂时,支便道线位主要根据施工通行车辆可以行驶的最大纵坡坡度和坡长,顺地形进行展线布设。按照服务对象不同,支便道终点应设在对应工点处。场站施工便道应能到达场站进出口;隧道施工便道应能到达隧道开挖端的进、出口或竖、斜井位置;桥梁施工便道应能到达桥位处每个桥墩及桥台位置;涵洞施工便道应能到达涵洞涵身或洞口位置;挡墙施工便道应能到达挡墙基础处;取弃土场便道应能到达取土位置或弃土坑底。

李红涛[2]以某单一立柱三桩海上风机基础为例，通过对其结构强度、动力特性与疲劳强度进行分析，认为疲劳强度是海上风机基础结构设计的主控因素，并认为整个风机的动力特性和基础节点的形式是影响疲劳强度的重要因素。

图1为平原微丘区国道改建工程主便道和涵洞施工支便道,利用既有国道作为施工主便道,从主便道接出支便道到达涵洞洞口。

图1 国道改建项目施工便道示意图

图2为山岭重丘区新建高速公路隧道施工支便道,图中左下角为隧道洞口位置,右侧为施工主便道,中间为隧道施工支便道,从主便道接出,顺地形展线克服高差,盘山而上,到达隧道洞口。

图2 高速公路隧道施工便道示意图

(3)保通便道。

保通便道通常指由于项目施工造成现有道路无法通行且不能封闭交通,需要修建临时道路保证社会车辆正常通行。在旧路改建尤其是国省道改建项目中,由于国省道通常为交通运输大动脉,施工期间无法中断交通,则需要设置保通便道。保通便道根据施工对象的不同一般可分为路基施工保通便道和桥涵施工保通便道。

路基施工保通便道的设置可分为三个阶段,以左侧加宽为例。第一阶段:保持既有公路通行条件,施工左侧路基至路床顶面。第二阶段:待拓宽路基完工并检测合格后进行路面左幅路面工程施工、路侧护栏及标线等工程。第三阶段:利用完工后的左幅进行保通,在左幅路面的中央分隔带处设置易开型A级移动钢护栏,待铣刨挖除旧路路面及路侧护栏后,施工右幅路面工程、中央分隔带防撞墙、路侧护栏及标线等工程。

在一些旧桥梁、涵洞或通道需要拆除重建时,为避免交通中断,设置桥涵施工保通便道。根据可否分幅施工分为利用旧路保通和新建两种。一是利用旧路保通,通常采用合理的施工组织设计和交通组织设计来实现。一般采用“半幅施工、半幅通行”原则。具体施工方案如下:利用围挡将半幅涵洞作业面围住,半幅涵洞长度根据路基通行宽度及沉降缝间距综合考虑,同时设置交安设施,以保证行车行人安全,然后开挖半幅涵洞基础及施作涵洞,待半幅涵洞主体施工完成并具备通行条件时,将围挡移至未施工的半幅,设置交安设施,开挖半幅涵洞基础及施作涵洞。二是由于纵坡标高抬高较多,或者旧桥涵无法半幅施工,需要全幅拆除重建时,需要新建保通便道。便道起点和终点均为现状旧路,线位布设应绕过需要拆建的构造物,尽量利用现有机耕道路拓宽改建,选择合适的地形进行布设。在设计旧桥保通便道时,通常需要设置便桥在河沟较窄处跨越河流或深沟,桥位应尽量与河沟正交。

(4)便桥设计思路。

根据材料及结构形式,便桥主要形式有多孔圆管便桥、盖板便桥、贝雷梁便桥、浮式便桥等。便桥选型应根据现场情况因地制宜,因材设置,同时还应考虑搭设拆除方便、周转消耗少等原则。目前较多采用多孔圆管便桥和贝雷梁便桥。河沟较浅时可采用多孔式圆管便桥;河沟较深时可采用贝雷梁便桥。下部结构形式可根据地形条件、地质情况和河流断面选择,通常有钢管桩柱式、混凝土薄壁墩和柔性排架式等。便桥设于河流中时,桥面标高应不低于近年最高洪水位,同时应考虑地方河道管理部门要求。结构设计应根据实际施工承载需要(一般可参考公路—Ⅱ级汽车荷载)。

(5)便道的恢复。

新建施工便道多数情况需要征用临时土地,在施工完成后需要及时采取生态恢复措施,恢复原有地貌。个别便道在工程施工结束后可以转为永久化工程,留作当地居民使用,造福当地百姓。对利用原有县乡道路或乡村道路,对其造成损坏的,需要进行修复或病害处理,损坏严重的应重新铺筑路面,保证原有行车功能。

4 设计标准

施工便道设计没有专门的设计标准或者规范可以依据,施工便道为临时性工程,为减少对环境的影响和降低施工成本,其平纵横技术标准一般较低,但应满足施工车辆的安全通行。在确定了设计思路后,影响便道工程规模的最主要因素为便道横断面宽度和平纵面技术指标。根据多年便道项目专项设计的经验总结,参考《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)[7]和《小交通量农村公路工程技术标准》(JTG 2111—2019)[8]中的四级公路(Ⅱ类)标准,得出施工便道的平面线形设计、纵断面设计及路基路面设计等方面的技术标准。

(1)设计速度。施工便道上的车辆通行速度并不是很高,平原微丘区地形平缓,通常不受平面技术指标限制,规定便道设计速度对便道工程规模影响并不大。但在山岭重丘区,设计速度决定了便道平面最小圆曲线半径,合理的设计速度则显得尤为重要。参考《小交通量农村公路工程技术标准》并结合工程车辆实际通行需要,设计速度一般情况可采用15 km/h[8],当地形复杂或条件受限无法满足的,可采用10 km/h。

(2)平面设计。平面线形应能满足工程车辆各种车长的转弯要求,并结合地形条件,力求达到工程经济性和行驶安全性平衡。以工程自卸载重车为设计案例[6],通过实验测量车辆转弯行驶轨迹,综合考虑运输效率和运输安全性,结合工程实际,得出以下结论:主便道平曲线半径一般不小于15 m,支便道平曲线半径一般不小于12 m,条件受限地段不小于10 m[8]。

(3)纵断面设计。施工便道纵断面设计的主要作用是通过合理地选用最大纵坡和最大坡长,使所通行的工程车辆能够安全爬行至目的地进行施工作业。影响车辆爬坡的主要因素有坡长、坡度、车辆总重、发动机功率和地面摩擦力等[1]。通过对各种施工车辆在坡道上的受力分析以及实际行驶状况的研究,总结出合理的施工便道纵断面主要技术指标。一般路段便道最大纵坡≤14%[8]。载重车驶入工点方向为下坡或空车驶出方向为上坡时,最大纵坡可根据地形适当增大。为保证安全行驶,载重车驶入工点方向为上坡且纵坡过大时,可采取减少载重数量或加强路面硬化增加摩擦力等措施,回头曲线在转弯处路线纵坡应放缓,且不宜采用长距离大纵坡。

(4)路基横断面设计。路基横断面宽度与通行车辆种类有关。主便道通行工程车辆种类一般有自卸车、平板运输车、混凝土运输罐车、混凝土泵车、装载机等;支便道通行车辆有钻孔机、打桩机、挖掘机、推土机、压路机、凿岩台车等。根据各种施工机械宽度,建议采用的技术指标:施工主便道路基宽度为4.5 m,支便道根据不同类型的机械设备通行需求,宽度分别为3.5、4.5、5.5 m。涵洞施工周期短,通行车辆单一,支便道宽度采用3.5 m;隧道施工周期较长,通行车辆种类繁多,支便道宽度采用4.5 m;桥梁施工支便道主要用来服务下部桩基及墩柱施工,宽度一般可采用3.5 m,当需要通行履带式旋挖钻机时宽度可采用5.5 m。单车道便道应选择地形有利及视距良好的位置设置错车道,错车道间距≤300 m,错车道路基宽度为6.5 m,长度为15 m,两端渐变段长度各10 m。

横断面设计时应避免高填深挖,坡率标准也可以适当降低。一般路段填方与挖方边坡高度不宜超过10 m。填挖方坡率应根据边坡地质情况确定,一般填方坡率可取1∶1,石质路段挖方边坡坡率可取1∶0.2～1∶0.5,土质边坡坡率可取1∶0.5～1∶0.75。

山岭区的施工便道经过陡坡时,填方路基的压实质量往往难以控制,应以全断面开挖为主。平原及丘陵区的施工便道可采用半填半挖路基,清除填方段的表土后按要求开挖台阶,再分层填筑碾压夯实。

乡村机耕道路因为部分路段曲线半径过小,无法适应较长工程车辆转弯需求,或旧路为单车道需要增设错车道时,可根据现有道路内外侧地形条件及地物情况,在工程量较小的一侧进行拓建整修。

(5)路面结构设计。便道路面应进行硬化处理。为降低成本和深入推进固废材料资源化利用,应尽量利用项目所在地的固废材料,采用泥结固废路面,或就近采用项目开挖弃余的石渣等。当纵坡过大时,为保证安全爬坡,可加铺C20水泥混凝土进行硬化。结合便道纵坡大小,便道结构层如表1所示。

表1 便道路面结构设计

(6)其他设计。便道设计时,还应注意配套排水和安全设施等。

根据便道实际情况、地形及汇水条件设置相应的排水措施。一般情况可在挖方路基侧设置边沟,填方侧尽量散排,结合路拱横坡和路线纵坡,建立较为完备的排水系统。同时应注意与沿线的排灌体系相配合。

在各便道的主要路口设置安全标志牌,标明便道通向的主线桩号及主要构造物名称。在视距较差路段、地质不良易塌方路段设置警告或禁令标志。在路堤较高侧根据危险程度设置钢管、混凝土柱或波形护栏,保障行车安全。

5 结 语

按照先设计纵向主便道,然后从主便道接出横向支便道到达各构造物,再根据断路和保通需求设计保通便道的设计思路,同时合理选用平面圆曲线最小半径、最大纵坡、路基宽度和路面结构等技术标准,提高了便道设计的深度、准确性和施工指导性,适用于多数平原微丘区和山岭重丘区的各等级新建或改建公路便道设计。未来的研究和实践应更加注重由于不同构造物便道的使用时长、通行频率、通行车辆规格和载重等均不同,因此需采用与其相适应的平纵指标、宽度、路面材料和厚度等。