西南復雜山區樂望高速公路總體設計方案探討

■宋瑞寬

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

1 工程概況

樂業縣，隸屬于百色市，位于廣西壯族自治區西北部，地處云貴高原東南麓，被譽為“世界天坑之都”，包含大石圍天坑群、穿洞天坑、黃猄洞天坑，以上天坑與布柳河、羅妹洞共同被稱作“世界地質公園”。

樂望高速公路， 即梧州-樂業公路樂業至望謨（樂業段）（以下簡稱“本項目”）見圖1，是廣西高速公路網規劃“橫五”梧州（粵桂界）至樂業（黔桂界）的重要組成路段，是廣西北部地區連接廣東沿海發達地區的重要通道，承擔著橫貫廣西并銜接貴州和廣東兩省的重要功能。 項目建設將進一步完善廣西高速公路網， 對提高桂北交通效率和運輸能力、銜接廣東發達地區、加強西南出海大通道建設、促進桂北地區經濟發展具有十分重要意義。

圖1 項目地理位置示意圖

2 工程建設條件

2.1 地形地貌

樂業縣境內地形起伏大，西南地勢高，最高峰海拔約達2000 m；東、西、北地勢低，紅水河谷最低海拔約250 m。在復雜地質構造作用下，地層褶皺起伏，加之流水的侵蝕，地表遭受強烈切割，形成山高谷深的典型地貌景觀。

本項目沿線的地貌類型為：構造—侵蝕中低山地貌、 溶蝕—侵蝕巖溶中低山峽谷地貌， 以及構造—溶蝕峰叢洼地、谷地地貌（圖2）。

圖2 沿線構造—溶蝕峰叢洼地、谷地地貌

2.2 地質構造

樂業縣境屬廣西“山”字型構造前弧西翼西側、川滇“之”字型構造尾部的北側，以及南嶺緯向構造帶西端三者相互疊加復合部位。 一系列NW、NE 向延伸展布的褶皺（金竹洞背斜、老山背斜、武稱向斜等）和斷裂（浪全斷裂、斑鳩井斷層、樂業斷裂等）組成了著名的樂業“S”型構造（圖3）。

圖3 區域地質構造綱要圖

2.3 地震

樂業縣自1875 年有地震記載以來， 最大震級地震為6.5 級， 于1875 年6 月8 日發生在樂業、羅甸間，其余均在5 級以下，區域地殼次穩定，具備發生中強地震的地質背景。 本項目全線地震動加速度反應譜特征周期為0.35 s。 地震動峰值加速度均為0.10～0.15 g，地震基本烈度為Ⅶ度。

2.4 巖溶

沿線碳酸鹽巖區在地下水的作用下，形成獨特的巖溶地貌。 巖溶個體形態主要有溶溝、 石芽、峰叢、溶蝕洼地、溶洞、巖溶漏斗、落水洞等，溶洞地形見圖4。溶洞的發育程度和延伸方向主要與巖性、地下水和構造關系密切。

圖4 溶洞地形

項目沿線發育的巖溶對六為隧道、 花坪2# 隧道、達記1# 隧道、達記2# 隧道、運賴隧道、大土大橋、運賴特大橋建設影響較大，工程施工可能遭遇溶洞、暗河。

2.5 地下河

落水洞與地下河相連，成為洼地下部地下河的主要補給通道。本項目跨越百朗地下河（圖5）。百朗地下河屬紅水河一級支流，發源于樂業縣西南部的甘田鎮達浪村， 在伏流洞潛人地下， 流經邏沙、樂業、上壩、花坪等地，出口在幼平鄉百中村百朗屯南3.5 km。 百朗地下河系由主流及11 條支流構成，源頭高程1 052 m， 出口高程375 m， 主流長度64.2 km，支流長度共159 km，河道坡降10.51‰，集雨面積835.5 km2，其中巖溶面積597 km2，非巖溶面積238.5 km2。

圖5 百朗地下河示意圖

受樂業“S”型構造的控制，地下河系平面展布為一近似的“S”型，與區域構造線趨于一致。 地下河位于大石圍天坑底部的溶洞中，洞頂圍巖厚度大于400 m，溶洞規模較大，洞底一般寬30～50 m，局部洞段達150 m，兩側為基巖陡壁，高30～80 m。

受百朗地下河的影響，境內基本無大型地表水系發育。

3 工程總體設計

3.1 路線設計

3.1.1 主要制約因素

（1）大石圍天坑國家地質公園；（2）雅長蘭科國家級自然保護區；（3）大利水庫、上崗水庫、那桂水庫水源保護區、雞公嶺水源保護區；（4）樂業縣運賴金礦、方解石礦等；（5）樂業機場、規劃鐵路；（6）地形起伏，高差大，地質條件復雜。

3.1.2 選線原則

（1）路線應符合廣西交通運輸發展格局，符合廣西高速公路網規劃；（2）路線應符合沿線城市及鄉鎮的總體規劃，充分服務于沿線城鎮經濟及社會發展；（3）路線應處理好與相交路網的關系，路線走向盡可能順捷；（4）路線方案選擇時應妥善處理好與沿線敏感點的關系，盡可能規避；（5）堅持地質選線，最大程度避開地質不良路段[1]；（6）路線設計應充分考慮隧道洞口成洞條件、洞身埋置條件、高墩大跨橋梁布置條件、互通立交布設條件；（7）利用地形升坡展線，合理控制平均縱坡。

3.1.3 路線走廊帶方案比選

本項目總體走向為：鳳山縣—樂業縣—望謨縣蔗香鎮。 根據樂業縣、鳳山縣位置關系；樂業縣敏感點分布、樂業縣城、沿線鄉鎮分布情況，本次共布設了北線（K1 線）、中線（K2 線）、南線（K3 線）以及南線+中線（K 線）4 個大走廊帶方案比選（圖6），相關里程見表1。

圖6 路線走廊帶方案示意圖

表1 各走廊帶方案路線里程比較

北線（K1 線），擬建段工程規模最小，但由于偏離鄉鎮及縣城太遠， 帶動沿線鄉鎮經濟作用弱，地方明確反對。 中線（K2 線），擬建段工程規模最大，行車總里程最長；避開了雅長蘭科保護區，但同K1線，偏離樂業縣城太遠，不利于帶動沿線鄉鎮經濟發展，地方不贊同。 南線（K3 線），行車總里程最短，有效服務樂業縣城、大石圍天坑群景區，兼顧花坪鎮、雅長鄉，由于穿越雅長蘭科保護區，影響緩沖區及核心區，不符合相關要求。 南線+中線（K 線），規模適中，干擾最少，可以更有效地服務樂業縣城、大石圍天坑群景區、花坪鎮，也符合地方利益，因此推薦K 線方案。

3.1.4 局部路落方案比選

在K 線走廊帶內，根據地形、地質條件進行地質選線，并結合沿線城鎮規劃、自然景觀以及永久基本農田占用情況等， 利用1∶2000 地形圖擬定不同的路線方案進行比選：（1）提出詳細論述比較方案4 段，分別為同樂隧道段（K、L1）、達記段（K、L2、L3、L4）、巴 蕉 段 取 直 比 較（K、L5）、壩 巖 寨 段（K、L6），論述比較方案里程達36.9 km；（2）提出同深度比較方案4 段，分別為大石圍段（K、A）、達記段（K、B）、巴蕉段（K、C）、丁龍段（K、D）里程達30.270 km。

達記路段是全線地質條件最復雜、工程難度最大的路段，巖溶洼地密布，現場勘察亦發現多處落水洞。 本段從工程規模及對巖溶洼地的處理方式，布設了K 線和B 線進行比選，見圖7。

圖7 達記段（K、B）路線方案示意圖

K 線主要以隧道穿越，離村莊較遠，少拆遷5 295.6 m2，少占基本農田4.15 hm2；B 線部分路段采用路基填筑，消化周邊棄方，節約造價3 967.9 萬元；B 線沿線溶洞、溶蝕洼地較K 線發育，不利于施工安全性和結構穩定。 經綜合比選，該路段推薦K 線方案。

以上其余7 個路段，通過對工程地質、水文條件、占用基本農田、自然環境、施工難易、工程造價、地方意見、對促進沿線經濟發展作用等方面綜合研究比較，均推薦K 線方案。

3.1.5 縱面設計

本項目從壩巖寨至紅水河路段， 路線連續下坡，利用地形條件進行下坡展線，合理控制平均縱坡（圖8）。 該路段路線里程為27.05 km，兩側高差627 m，平均縱坡為2.32%；其中運賴至巴蕉路段，路線里程為8.29 km， 高差244 m， 平均縱坡為2.95%， 各個路段縱坡/坡長均符合JTG D20-2017《公路路線設計規范》8.3.5 規定。

圖8 壩巖寨至紅水河段縱面示意圖

3.2 巖溶路基設計

3.2.1 巖溶路基處理原則

（1）細致勘察，科學評估；（2）預防為主，防治結合；（3）因地制宜，經濟合理；（4）安全可靠，便于施工。

3.2.2 巖溶水處治措施

巖溶地區地表水與地下水聯系密切且復雜多變，碳酸鹽巖溶蝕作用強烈，是導致路基沖刷淘蝕等工程病害的主要因素[2]。 因此，巖溶水控制是巖溶地區公路工程病害處治的關鍵，本工程擬采用以下4 類措施：

（1）截流

截斷巖溶水的滲入或降低某一范圍水位，使路基免受巖溶水的影響，適用于流量較小，但水路復雜、出水點多、影響范圍廣、水流分散不易匯集等地段，如成群的巖溶泉處理。 截流工程措施有截水盲溝、截水墻、截水洞等，設置方向與水流方向垂直。

（2）排泄

排泄措施適用于流量大而集中的巖溶水處理。對常流的間歇性巖溶水，尤其當流量、流速較大，或直接影響當地農田灌溉的巖溶水都應考慮采用排泄處理措施。 排水設施所設方向常與水流方向一致，工程措施有泄水洞、管道、橋涵及明溝等。

（3）疏導

主要處理路基基底處出水量較大的巖溶泉及季節性冒水洞，采用豎井+涵管或封堵+涵管等綜合措施將水流引出路基外，并保持地下管道水汽壓力與地面一致，防止水汽壓力驟變對路基產生沖擊或真空吸蝕。

（4）跨越

跨越有橋跨、涵跨等措施。 橋跨適用于流量較大的暗河、冒水洞或消水洞等，涵跨適用于一般巖溶泉。 在跨越季節性或經常性積水而水深不大的溶蝕洼地時，可采用填石透水路堤。

3.2.3 漏斗、洼地路段排水設計

項目沿線分布溶蝕洼地、漏水洞、溶洞共38處，部分路段見表2。

表2 沿線巖溶路基漏斗、洼地路段列舉

典型路段：K19+000～K19+480 路段設計情況如圖9 所示。 由圖可知，該路段位于樂業北互通區，地形平坦，四周都為水田，地表水、灌溉水系多且復雜，路線經過路段為該洼地較高點。 地表為沖洪積粉質黏土，據鉆孔揭示，堆積物厚達33 m 以上，兩側中風化灰巖出露。

圖9 K19+000～K19+480 路段溶蝕洼地

路線以橋梁形式跨越洼地，橋梁設計時樁端進入穩定地層。 排水方案：收集橋面及隧道水，設置引水溝，接入地方水系，采用自然消水為主的排水方式。

3.3 橋梁設計

3.3.1 設計原則

（1）橋梁必須服從于總體設計，其平面、縱面應與公路線形相融合[3]；（2）橋梁設計應滿足技術先進、安全可靠、適用耐久、經濟合理等要求，同時注重環保與景觀需求；（3）抓住山區橋梁的特點，精心布跨，減少對自然環境的破壞，注重橋梁與周圍環境的協調；（4）橋梁方案選擇時，充分考慮施工場地、施工工藝、造價及工期，盡量選擇標準化、系統化、便于施工及節約造價的方案作為推薦；（5）合理布孔和橋孔分聯，充分考慮橋梁下部的剛度協調一致，達到最佳受力效果。

3.3.2 橋梁布設情況

本項目設拱橋1 座，為廣西—貴州省交界處跨紅水河的樂望紅水河特大橋；連續剛構橋梁11 座，主跨分別為120、140、160 m，見表3；普通橋梁28 座，上構均采用T 梁；現澆箱梁橋1 座；鋼箱梁橋2 座（諧里互通匝道）。

表3 連續剛構橋梁主跨跨徑一覽表

典型橋梁：雅長特大橋、樂望紅水河特大橋設計情況如下。

（1）雅長特大橋

橋位區屬剝蝕低山地貌， 地面標高在470～710 m，地形起伏較大，山間沖溝較發育。 橋址區地震動峰值加速度為0.15 g， 地震動反應譜特征周期為0.35 s，抗震設防烈度為7 度。

雅長特大橋是廣西連續剛構第一高墩，最大主墩墩高158 m。 左橋上部結構采用9×40+（75+140+75）+10×40+（90+3×160+90）+15×40 m 預應力砼連續剛構+預應力砼T 梁；右橋上部結構采用10×39+（75+140+75）+9×40+（90+3×160+90）+15×39 m 預應力砼連續剛構+預應力砼T 梁， 下部結構橋墩采用箱形墩、實體墩、圓柱墩，橋臺采用樁柱臺，墩臺均采用樁基礎，見圖10。

圖10 雅長特大橋效果圖

（2）樂望紅水河特大橋

樂望紅水河特大橋在樂業縣雅長鄉三寨村附近自南向北跨越紅水河，連接廣西和貴州。 橋位區屬剝蝕丘陵夾山間河谷地貌， 地面標高在341～489 m，地形起伏較大。 紅水河寬約300 m，最大水深約90 m，最高水位375 m，最低水位330 m。 受河水沖刷，河道兩岸基巖出露，自然邊坡穩定，地形坡度45°～55°， 無護坡。 橋址區地震動峰值加速度0.1 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，抗震設防烈度為7 度。

樂望紅水河特大橋是世界第三大跨徑鋼管砼拱橋，主橋長528 m，計算跨徑508 m。 主橋跨越紅水河（Ⅲ級航道），結合通航、地形及地質情況，采用中承式鋼管混凝土拱橋方案。 橋跨組合2×30+3×40+5×（4×40）+3×40 m 預應力砼T 梁+528 m 中承式鋼管砼拱橋+2×30 m 預應力砼T 梁，橋梁全長1 701 m，見圖11、12。

圖11 樂望紅水河特大橋立面圖

圖12 樂望紅水河特大橋效果圖

3.4 隧道設計

3.4.1 設計原則

（1）地質選線：隧道軸線選擇盡量避免斷裂構造等大的地質病害，軸線選擇應以地質條件作為主控因素，隧道盡可能布置在地質條件較好的地層中[4]。 （2）洞口位置：以地形地質條件為首要控制因素，避免不良地質病害的影響，提倡早進洞、晚出洞， 減少洞口開挖， 做到洞口段無不良地質現象。（3）洞口形式：注重水保、環保，盡量減少對自然環境的破壞，洞門形式應和環境協調融合。 （4）在中、長、特長隧道內，緊急停車帶、車行橫通道的設置要方便緊急停車，便于檢修和維護管理，人行橫通道的設置便于人員緊急避難和疏散。

3.4.2 隧道布設情況

本項目主線共設置隧道22 765.5 m/19 座，其中特長隧道3 996.5 m/1 座，長隧道11 803 m/7 座，中隧道5 998.5 m/9 座，短隧道967.5 m/2 座；樂業北互通D 匝道設置中隧道611 m/1 座。 樂業北互通主線隧道、 樂業北互通D 匝道隧道、 花坪2 號隧道、達記1 號隧道等隧址附近分布巖溶洼地，測設過程加強水文地質調繪，詳細分析地表水對隧道施工的不利影響，避免意外涌突水引發安全事故。

典型隧道：花坪2 號隧道設計情況如圖13 所示。

圖13 花坪2 號隧道平面布置圖

花坪2 號隧道全長1 651 m， 隧道按分離式布設，進口采用端墻式洞門，出口采用削竹式洞門。 由圖14 可知，隧道洞身圍巖主要為碎塊狀強風化～微風化灰巖， 圍巖級別主要為Ⅲ～Ⅴ級。 根據地質測繪、物探成果及鉆孔揭示，巖溶發育區主要位于隧道南側的二疊系上統合山組灰巖中，地表發育多處巖溶洼地和落水洞，隧道可能存在隱藏溶洞。

圖14 花坪2 號隧道地質縱斷面示意圖

巖溶發育地段（305 m）采用S5-T 型復合式襯砌，采用洞內管棚超前支護，采用FD3 帷幕注漿堵水注漿。

3.5 互通立交設計

3.5.1 設計原則

（1）互通立交總體布局與區域路網、沿線城鎮總體規劃相吻合，輻射周邊地區，帶動沿線經濟發展；（2）互通立交選用的型式和規模，應滿足交通功能需求、適合現場情況、便于運營管理，并獲得最大的社會經濟效益[5]；（3）互通立交選址以集約用地為目標，有效利用土地資源，做到不占或少占永久基本農田；（4）互通立交作為高速公路綠化景觀的關鍵節點，注重景觀提升，打造和諧綠色的高速公路。

3.5.2 互通布設情況

本項目共設置互通3 處， 依次為諧里樞紐互通、樂業北互通以及大石圍互通，分別與樂百高速、G212 以及X790 銜接。

典型互通：諧里樞紐互通、樂業北互通設計情況如下。

（1）諧里樞紐互通

諧里樞紐互通位于樂業縣諧里村，主要解決本項目與既有樂業至百色高速之間的交通流轉換功能， 受地形限制交叉處兩條高速標高相差85 m，難以設置十字樞紐，故而在交叉處東南向約4.4 km 處設置雙T 型樞紐互通，見圖15。

圖15 諧里樞紐互通方案平面示意圖

（2）樂業北互通

樂業北互通位于樂業縣城北側，互通布置于同樂至上崗隧道群之間，受地形條件制約，本互通需設置主線隧道及D 匝道隧道，見圖16。

圖16 樂業北互通方案效果圖

設計采用單喇叭A 形互通式立交，互通匝道及連接線于樂業縣新區向北側沿山邊展線，接入國道212 線，并對現狀國道212 線改線。

4 K 線方案工程規模及適應性分析

4.1 K 線方案工程規模

本項目擬采用雙向4 車道、設計速度100 km/h的高速公路標準修建，推薦K 線方案主要工程數量見表4。

表4 K 線方案主要工程數量

4.2 工程適應性分析

（1）經過對多個路線走廊帶的認真研究、對比分析，推薦的路線方案基本避讓了各種敏感制約因素，也符合地方需求；（2）通過地質測繪、物探、鉆孔等手段，進行地質選線，最大程度避開地質不良地段，提高工程安全及穩定性；（3）選線過程嚴格貫徹“實行最嚴格的耕地保護制度”精神，繞避村莊密集區，最大程度減少基本農田占用，減少拆遷量；（4）利用地形克服高差展線，合理控制長下坡路段平均縱坡，確保行車安全；（5）結合截流、排泄、疏導、跨越等措施，合理處治巖溶水，確保路基及橋隧構造物的穩定及安全；（6）服從總體設計及路線的平縱面布設情況，結合地形地貌條件，合理布設高墩大跨橋梁，使天塹變通途；（7）根據勘察資料、水文地質專題成果，摸清隧道路段地質情況，確保隧道工程的安全與穩定；（8）結合沿線城鎮總體規劃布局，合理選用互通的型式和規模，服務社會經濟發展，造福地方百姓。

5 結語

本項目位于百色市樂業縣境內，受復雜的地形地質條件以及諸多敏感因素制約，工程選線是一項困難的工作。在近1000 km2的區域內尋找一條合理可行、節約便捷的路線走廊實屬不易，設計人員潛心研究方案，花費了大量時間和精力；設計成果獲得業主的好評：“崇山峻嶺中只有一條狹縫可以通過，被你們尋找到了！ ”由于建設條件的復雜性，本項目路基、橋梁、隧道以及互通等專業的設計工作同樣復雜，但功夫不負有心人，通過項目組全體成員的共同努力，順利完成了項目設計工作。 回顧項目設計過程， 鑒于巖溶地區工程建設的復雜性，特總結本項目的技術積累，可供其他項目參考。