重載(運煤)高速公路設計

李建江，諸葛敬敏，楊艷群

(1.北京建達道橋咨詢有限公司，北京 100015；2.福州大學 土木工程學院，福建 福州 350108)

煤炭資源一直以來都是我國重要的基礎能源，而煤炭工業也一直是我國經濟發展的重要支柱。煤炭大部分依靠鐵路運輸，只有在經濟上不適宜建鐵路專線時，才采用公路運煤。雖然煤炭公路運輸作為煤炭運輸的一種輔助方式，僅適用于短途中轉以及小批量用戶，但是由于我國中小煤礦數量多且分布廣，公路運輸已經成為一種不可或缺的方式。目前許多學者也對運煤道路進行了研究。廖慶[1]主要針對山嶺區選線以及隧道方案的事項來探討山區運煤公路的選線。高勇[2]通過對鶴煤九礦選煤廠運煤道路的實地考察，提出可行的道路維修方案。王愛國[3]針對運煤重載道路提出了一種交通荷載特征描述方法，即在軸載譜的基礎上，制定輪載譜和輪胎接地壓力譜。此外，眾多學者也對運煤道路的路面結構[4，5]、邊坡處治[6-8]、擋土墻受力分析[9]、路基路面施工[10，11]、交通量計算[12]、安全問題及對策[13]和路面損壞原因[14]等都有了深入的研究，但是大部分集中于運煤公路的局部研究，對于運煤高速公路的設計研究甚少。

本文先介紹了運煤高速公路交通特性分析以及選線設計需要考慮的因素，并進行實例分析，針對京新高速公路集寧至呼和浩特段第JHSJ-2合同段的路線設計、長大縱坡設計以及路面設計等進行分析，通過技術經濟等指標提出可行的實施方案。

1 運煤高速公路交通運行特性

高速公路交通運行特點包括道路設施特性、交通管理特性、交通環境特性、車輛行為特性等。道路設施特性包括護欄以及交通標志標線等，作為靜態因子影響運煤高速公路上車輛的運行。交通管理特性主要包括車輛速度控制和車道管理，控制著車輛的運行方式。交通環境特性包括車型組成、交通狀態等，影響著車輛的運行環境。車輛行為特性包括車輛的橫向和縱向行為，影響運煤高速公路上車輛行駛的微觀特性[15，16]。

1)道路設施特性：運煤高速公路的道路條件以及交通標志標線等原則上與普通高速公路一樣，主要在路面設計上要考慮承受重載運煤車輛的沖擊以及大型車輛占比大的特性。

2)交通管理特性：運煤高速公路由于大型貨車較多，車輛速度差較大，而且大型車輛會對其他車輛的行駛產生阻礙作用，需要采取合適的交通管制措施。車道管理通過使相同類型或相近類型的車輛在同一車道行駛，來減少不同類型車輛間的相互干擾，提高車輛行駛的快速性和舒適性，但是可能會降低車輛運行的靈活度。

3)交通環境特性：交通狀態直接反映高速公路服務水平，運煤高速公路由于車輛組成中大車比例較高，交通狀態相對穩定。

4)車輛行為特性：車輛行為特性是指單個車輛的駕駛行為，可以分為縱向行為和橫向行為。縱向行為包括加速狀態、勻速狀態和減速狀態。橫向行為主要指變道行為。在運煤高速公路基本路段上，由于大型運煤車占絕大多數，所以其車輛駕駛行為相對固定，橫向行為相對較少，但可能影響其他車輛運行的舒適性，從而影響整體的交通運行的舒適感。

2 運煤高速公路選線的關鍵因素

由于運煤高速公路定位及功能獨特，其設計時需要比普通高速公路考慮更多的因素，具體如下[17]：

1)地質條件。在選線過程中，要正確處理不良地質的危害。很多地質災害的隱蔽性很強，在路線勘測的時候很容易被忽略，但這些地質災害會給道路安全帶來不利影響，同時也會直接影響周邊的自然環境，帶來連鎖式的自然災害。故在路線方案選定時，對于地質條件尤需注意，要優先考慮路線走廊內的地質條件，并且要始終堅持地質條件優先的選線原則。

2)平縱指標及均衡性。在路線設計時，采用較高的技術指標能夠給車輛提供更好的運行環境，而較低的技術指標則會對行車環境帶來非常不利的影響。運煤高速公路由于其獨特的定位，通常需要經過山區，山區復雜的地形條件直接影響選線的技術指標。如果采用過高的技術指標，很有可能會導致填挖不平衡或大填大挖現象，直接影響周邊的生態環境。同時也會導致工程構造物的數量增多，大大增加工程建設成本。因此，在路線選擇過程中，應在確保行車安全的基礎上，綜合考慮路線與地形條件的協調性與均衡性。

3)通行能力、服務水平及行車安全性。通行能力和服務水平直接影響運煤的效率，決定著經濟效益。在合理的建設條件下，應充分考慮運煤高速公路的服務效率。此外，行車安全性是運煤高速公路從設計、施工到運營必須要全面考慮的因素，是整個項目建設的最基本的條件。

4)用地情況及對周邊環境的影響。運煤高速公路的選線應正確處理好占地與拆遷之間的關系。考慮到地質條件、當地經濟發展、用地布局等原因，擬建公路往往與現有鐵路、公路等位于同一走廊帶，出現平行或相交，可能涉及道路的改道。對于這種情況需要及時采取合理的措施對策，尤其是要考慮公路等級以及公路改道或擴建對周邊環境的影響。

5)造價。工程造價主要體現在工程項目占地、拆遷、構造物建設和不良地質處理費用上。具體應考慮房屋拆遷、土石方平衡、棄方造地和植被恢復等，避免出現大量棄方的現象；同時考慮橋梁、涵洞等建設的必要性，從而選擇積極合理的設計方案。

6)重載道路路面設計。由于運煤路線貨車超載現象日益嚴重，很多重載公路路面在運營初期就出現車轍、沉陷、開裂等各種路面病害，嚴重危害車輛的行駛安全。為此，對于新建運煤道路，應從初步設計階段就必須考慮重載車輛對路面的影響。

運煤高速公路的選線需綜合上述要素，綜合對比經濟性、技術性和合理性，最終選取合適的路線方案。

3 設計實例分析

3.1 工程概況

3.1.1 項目背景

京新高速公路集寧至呼和浩特段所經區域為我國主要的產煤區，但區域內運煤通道較少，加之縱坡較大堵車現象時有發生，通行能力不足。目前由影響區往京津地區的運煤通道主要為京藏高速和G110線，京藏高速交通量為3.2萬輛/d，高峰交通量達到5.6萬輛/d，其中60%以上為大噸位運煤車。

3.1.2 工程地質概況

1)地形地貌。項目位于屬內蒙古高原南部，局部路段分布有高大山丘，地形總體起伏較大。

2)氣象。項目屬季節性冰凍地區，公路自然區劃Ⅵ1區。項目沿線年平均氣溫4.5℃，一月平均氣溫-14.8℃，七月平均氣溫19.2℃，極端最低氣溫-22.4℃，極端最高氣溫36.8℃；年平均降水量372.8mm，雨量大多集中在六、七、八月份。

3)不良地質。該項目路線跨越范圍地質構造較為復雜，對擬建公路危害較大的不良地質現象及特殊性巖土包括：金礦采空區、崩塌、濕陷性黃土、可液化土。

3.1.3 水文地質概況

1)地表水。勘察區內的河流為季節性河流，平時無水或局部有少量斷續流水，只有在雨季發生暴雨，匯集形成山洪，洪峰歷時較短。區內無常年性河流。

2)地下水。根據路線走廊帶內地層巖性、地下水賦存空間、水動力特征，區內地下水可劃分為第四系松散層類孔隙水和基巖裂隙水兩大類：①第四系松散層類孔隙水，賦存于沖、洪積層中和斜坡或斜坡坡腳局部坡積碎石土較厚地段，區內第四系松散層厚度較大，富水性強，主要接受大氣降水的補給，水量較豐富。②基巖裂隙水廣泛分布于勘察區，主要賦存于片麻巖、花崗巖的風化裂隙及構造裂隙中，主要接受大氣降水的補給，總體上水量貧乏，富水性、均勻性較差。

該區段地下水水位受季節性影響較大并受地貌、巖性等因素的綜合控制，河床內水位埋深相對較淺，坡地地下水埋藏較深，水位線與地面線近于平行。路線走廊內未見自然泉點，該區段水質良好，對公路構筑物無不良影響。

3.1.4 主要技術要求

1)技術標準。京新高速公路集寧至呼和浩特段第JHSJ-2合同段采用雙向六車道高速公路，設計速度為100km/h，路基寬度為33.5m。

2)建設規模。該項目路線長度總計68.379km，共設隧道9874m/6座(單洞)，大中橋5107m/33座(雙幅，下同)；共設5座互通式立交，其中樞紐互通2座、服務型互通3座；主線上跨分離式立交800m/5座，橋梁總長5907m；共設2處服務區、3處匝道收費站。

3)路線走向。京新高速第JHSJ-2合同段位于烏蘭察布市和呼和浩特市境內，路線大體為東西走向，起點位于卓資縣趙家灘(樁號K146+000)，順接該項目第JHSJ-1合同段的終點，終點與呼和浩特至包頭高速公路保合少樞紐互通(部分已建成)相接。

3.2 積雪冰凍地區的路線設計與比選

由于該項目金盆村—西涼村路段(K158+300—K169+101.070)為大黑河次級支流的河谷區，該河谷區為“U”字形河谷，河谷寬闊，且在深度2～17m處有早年間的采金遺留區。根據現場勘探資料顯示，河道南岸山體有4處大型滑坡。河溝北側階地發育，階地上原有的老國道110(X553)占據了有利的地勢。為找到最經濟合理的方案，考慮了陽坡路線與陰坡路線的布設方案進行初步比選。

3.2.1 積雪冰凍地區的路線布設方案

1)陽坡路線方案。陽坡路線方案出金盆灣隧道后，向北跨越溝道和X553，在X553北側坡地布設路線，到達西梁村，設大橋跨越X553、西涼村及河谷，終于西涼村西。路線長度10.801km，如圖1所示。

2)陰坡路線方案。陰坡路線方案以不擾動南側山體為原則在溝道南側靠近山體布線，路線長度10.779km，如圖1所示。

3.2.2 積雪冰凍地區路線方案比選

積雪冰凍地區路線方案設計對比見表1。

表1 積雪冰凍地區路線方案設計對比

由表1以及路線圖可知，陰坡路線方案順河谷布線，平縱面指標較高；橋梁工程量及土石方數量較小，造價較低；但受洪水位控制，路基填方大，臨河側防護工程大，受X553及村莊限制，路線布于河谷南岸陰坡，冬季積雪冰凍問題較為突出；沿線所占用土地多為察右中旗土地平整復耕項目用地，需對已建成水利設施進行改移，協調難度大；沿線采空區及其回填區遍布其中，增加了路基處理難度，路基穩定性也存在一定的隱患。陽坡路線線方案雖然有土石方數量多、橋梁工程量大、拆遷量大、造價較高等缺點，但路線具有避讓采空區，冬季積雪冰凍期間行車安全性高、避免擠壓河道、避免壓占土地平整復耕項目用地等優點。

經技術經濟同深度比選，推薦采用運營安全性較高的陽坡路線方案。

3.3 沿線地形復雜地區的路線設計與比選

西梁村—東羅家營路段(K166+338.094—K181+503.082)所經區域為剝蝕丘陵山地地貌區和河流谷地地貌區。從西梁村至永太公段有大黑河支流的河谷，河谷為“U”形河谷，河谷寬闊，河溝平緩，階地發育。為克服復雜地形，保證行車安全，找到最經濟合理的方案，考慮了沿溪路線與山坡路線的布設方案進行初步比選。

3.3.1 沿線地形復雜的地區的路線布設方案

1)沿溪路線方案。沿溪線在河道一級臺地布設，與地方道路共用走廊帶，路線長17.795km，如圖2所示。

圖2 沿溪路線和山坡路線方案

2)山坡路線方案。山坡線方案在西梁村南設大橋跨越河道，設620m隧道穿過壩底村與圪塔村之間高山，之后沿山坡緩坡地帶布線，路線長15.177km，如圖2所示。

3.3.2 地形復雜地區路線方案比選

地形復雜地區路線方案設計對比見表2。由表2以及路線圖可知，兩方案相比，山坡路線方案雖然在起點路段增設了一座隧道，縱斷面指標不如沿溪線順適，但路線短捷，里程縮短2.62km，不擠壓河道，線位處于陽坡，冬季積雪冰凍期行車安全性高，土方、橋梁、防護工程量小，沿線拆遷量小，工程造價較小。

表2 地形復雜地區路線方案設計對比

經同深度技術經濟比選，最終采用路線短捷，行車安全性高的山坡路線方案。

3.4 隧道路線設計與比選

金盆灣特長隧道(3342.5m)為該項目的重點工程，特別是項目位于積雪冰凍區、交通組成中重載大型車占比高，縱面指標應作為選擇方案的重要因素，同時結合地形、地質、地物等，合理選擇隧道布設方案。

路線在跨越獨卯兔和金盆鄉之間的大山時，由于金盆東地形起伏較大，地面高差大，需在此處設置隧道通過，在現場踏勘的基礎上，結合該區域地形地質，考慮路線總體走向、隧道規模擬定了三個方案進行比選。

3.4.1 隧道路線布設方案

方案一：路線平縱指標高、隧道隧道進口地質條件較好，避免了對村莊的拆遷和對縣道555的干擾、隧道內通風排水條件較好，隧道長3460m。

方案二：路線平縱指標較高、路線略有繞行、隧道長3250m。但橋梁工程量大(路線需兩次跨越縣道553，跨線橋工程數量大)；與X553干擾大(隧道進口處于X553正下方，需對X553改移1300m)；拆遷數量大(路線自卯獨兔村中心穿過，造成對該村的整體拆遷)；縱面指標差(為縮短隧道，路線走高線位，加大了隧道前后縱坡，最大縱坡采用4%)。

方案三：路線平縱指標較低、路線繞行、隧道長2350m。整個方案大幅縮減了隧道長度，但拆遷量大(路線在轉經召、后陽坡、金盆村均不能避免大范圍拆遷，其中包括對轉經召礦區廠房的拆遷及220kV高壓塔1座，移動通訊塔1座)；高邊坡段落多，土石方量巨大，不利環保(為克服高差縮短隧道，路線需走山坡較陡的高線位，不可避免產生高邊坡段落，大于35m的高邊坡段落有7處共1010m)；橋梁工程量大(需布設橋梁跨越沖溝及河溝，共布設大中橋2329m/14座)；隧道進出口地質條件差；為順應地形布線，路線采用較低平縱指標，圓曲線最小半徑為800m，最大縱坡采用4%，縱坡超過3.5%的路段共有3處1700m。

具體方案路如圖3、圖4所示。

圖3 方案一與方案二路線方案

圖4 方案一與方案三路線方案

3.4.2 隧道方案比選

隧道方案設計對比見表3。

表3 隧道方案設計對比

由表3以及路線圖可知，方案一雖然相對于方案二和方案三隧道較長，但路線順直、短捷、平縱指標較高，而且避免了對村莊的拆遷和對縣道555的干擾以及不需要修建大量的橋梁，這大大減少了工程造價以及拆遷的困難。此外，相對于其他方案，方案一隧道進出口地質條件更好，能夠更好地保證行車安全，這正是工程項目中最重要的一點。故經綜合考慮，最終采用路線短捷、平縱指標較高，隧道進出口地質條件較好的方案一。

3.5 長大縱坡設計論證

該項目沿線地形起伏較大，存在三段長大縱坡，分別是路段1(K169+310—K178+960)、路段2(K197+610—K204+350)和路段3(K204+350—K217+350)。

為了確保行車安全，對于是否設置避險車道進行了充分論證與研究。各路段平曲線設計值見表4。

表4 長大縱坡路段平曲線設計參數

上述三個路段的平曲線半徑均大于規范一般值，豎曲線半徑滿足視覺半徑，無急劇轉彎及大縱坡情況。通過對當地氣象條件、交通量及交通組成、公路設施、路側環境等因素分析，沿線無影響行車的團霧等小氣候、道路兩側地表植被不發育，行車視野相對開闊，視覺環境良好。根據《公路路線設計規范》[18]、《公路路線設計細則》(總校稿)[19]等相關標準規定，上述三個路段均不需設置避險車道。

綜合上述因素，對于長大縱坡路段不設置避險車道，但需設置完善的交通標志、標線、護欄、防眩暈設施、視線誘導設施、監控設備、照明設施等。

3.6 路面設計方案

大型運煤車輛是該項目交通流的重要組成部分，因此對于該項目的路面強度、耐久性、經濟性提出了更高要求。

根據該項目重載交通的特點，以及車輛往返方向軸載的不均衡性，結合項目沿線地形復雜，冬季時間較長的狀況，充分考慮重載交通下對路面抗滑性、抗車轍、抗變形的要求，綜合研究并充分考慮了路面平整度、抗車轍能力、施工便捷、工程造價、遠期綜合效益等因素，最終確定了重載交通狀況下的瀝青混凝土路面結構方案及其對應措施，并采用了路面輕重載分幅設計，具體方案見表5。

表5 路面結構方案

考慮到重載交通對路面動穩定度的要求，該項目瀝青混凝土路面上、中面層采用SBS改性瀝青，用以提供路面的抗車轍性。長大縱坡路段路面增加了抗車轍劑等一系列有針對性的處置措施，確保重載交通下的路面整體強度、使用壽命及安全性。

3.7 安全設施設計

全線的安全設施由安全設施設計單位做了系統設計，大中橋上均設計了防撞護欄，分離式立交及天橋上均設計了防撞護欄及防護網等措施，以確保行車安全。

該項目重載交通占比高，對于連續下坡超過7.5km路段，設置了兩處避險車道，以保障失控車輛安全。避險車道對應主線樁號起終點范圍為：K177+140—K177+340、K214+360—K214+560。確保大型車輛由于出現各種故障而能及時進行避讓，保護道路沿線交通安全。

4 結 語

本文綜合分析了運煤高速公路的交通特性，提出路線設計時應考慮的要素，并選取了內蒙古第一條雙向六車道高速公路進行了實例分析。該項目是內蒙古前往京津地區的主要運煤通道，重載車輛較多，交通量較大。項目位于積雪冰凍山區，路線布設在工程規模增加不大的情況下，優選陽坡方案；對特長隧道等關鍵工點，結合積雪冰凍、重載車占比大等因素，將縱向指標作為重要因素進行方案論證；長大縱坡需結合地氣象條件、交通量及交通組成、公路設施、路側環境等因素綜合分析，精心設計；路面設計需考慮重載交通特點，進行針對性的設計；考慮到重載交通組成高以及連續長下坡對道路交通安全的影響，設置了相應的安全設施。