山區(qū)高速公路的路線選線研究與橋梁設(shè)計優(yōu)化

摘要 該研究結(jié)合某山區(qū)高速公路的實際案例，分析了山區(qū)高速公路的路線選線與橋梁設(shè)計優(yōu)化問題。通過開展不同路線方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，論證了隧道方案規(guī)避落石等不良地質(zhì)的可行性和必要性。針對工程控制性特大橋，重點比較了連續(xù)剛構(gòu)橋與拱橋方案，并采用層次分析法進(jìn)行了多因素定量綜合評估，得出連續(xù)剛構(gòu)橋方案綜合效益更佳。研究結(jié)果表明：山區(qū)高速公路路線選線應(yīng)因地制宜，盡量避讓滑坡、落石等不良地質(zhì)。合理采用橋隧方案，在確保安全的前提下，可以有效壓減土石方，減少施工擾動，節(jié)約工程投資。

關(guān)鍵詞 高速公路；路線選線；橋梁設(shè)計

中圖分類號 U412 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0046-03

0 引言

我國山區(qū)高速公路建設(shè)面臨著地形地質(zhì)條件復(fù)雜、災(zāi)害問題突出等諸多挑戰(zhàn)。路線如何避讓不良地質(zhì)體、減少工程擾動，既是設(shè)計的重點也是施工的難點。同時，山區(qū)條件下特大橋選型也面臨多方面因素的制約。如何權(quán)衡比選、優(yōu)化方案，事關(guān)重大工程項目的安全性、經(jīng)濟(jì)性。該文以某項目為例，系統(tǒng)研究了山區(qū)高速公路的路線選線與橋梁設(shè)計優(yōu)化這一關(guān)鍵技術(shù)問題，旨在為今后同類工程提供有益借鑒。

1 案例概況

某山區(qū)高速公路全長約120 km，路線穿越崇山峻嶺、溝壑縱橫的復(fù)雜地形。沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，不良地質(zhì)廣泛分布，地震烈度高達(dá)8度。山高谷深、坡陡彎急，最大高差達(dá)1 500 m，最大縱坡12%。項目共包含特大橋8座，大橋12座，橋梁總長約35 km，占路線總里程的30%。其中一座跨徑達(dá)1×210 m的上承式混凝土箱型拱橋橫跨800 m寬的峽谷，兩座主跨超過160 m的連續(xù)剛構(gòu)橋分別跨越滾石溝谷和斷層破碎帶。隧道共56座，長度超過1000 m的就有22座，最長隧道4 300 m。

2 工程路線選線研究

2.1 不同方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選

2.1.1 東西兩岸路線方案比選

工程某河谷段全長15.2 km，谷深500～800 m，谷底寬60～100 m，兩岸坡度40°～70°。東岸發(fā)育多處順層巖質(zhì)邊坡，巖層傾向河谷，傾角多在25°～40°之間，局部可達(dá)55°。西岸巖層傾向山體內(nèi)部，傾角30°～50°，邊坡相對穩(wěn)定。

針對上述地形地質(zhì)條件，設(shè)計階段提出了對東西兩岸兩個路線方案進(jìn)行比選。東岸方案以橋梁為主，橋隧總長11.3 km，其中橋梁7座，長9.8 km；隧道3座，長

1.5 km。西岸方案隧道為主，橋隧總長13.5 km，其中隧道5座，長11.2 km；橋梁4座，長2.3 km。兩個方案的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表1。

從表1可以看出，雖然東岸方案線路較短，但大量橋梁建設(shè)導(dǎo)致總投資高出西岸方案2.7億元。東岸順層巖質(zhì)邊坡發(fā)育，橋梁沿岸邊坡防護(hù)工程量大，施工難度高，運營期維護(hù)成本大。東岸線路縱坡條件差，路線通過性不如西岸。同時東岸方案挖方1 300萬立方米，填方340萬立方米，土石方調(diào)配困難，棄渣量大，施工擾動范圍廣，生態(tài)影響大[1]。

綜合比較，西岸方案雖然隧道為主，工期略長，但在投資、運營維護(hù)、行車舒適性、環(huán)境影響等方面具有明顯優(yōu)勢。設(shè)計時規(guī)避了東岸不良地質(zhì)，充分利用了西岸相對穩(wěn)定的地質(zhì)條件，既避免了不利地質(zhì)對橋梁安全的威脅，又能大幅壓減土石方，節(jié)約投資，減小環(huán)境擾動[2]。因此從綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，應(yīng)選用西岸

方案。

2.1.2 隧道方案與橋梁方案比選

工程某控制性工點位于一個高山峽谷區(qū)，峽谷長約5 km，谷底海拔3 200 m，兩岸山頂海拔均超過4 500 m，相對高差1 300 m以上。峽谷內(nèi)冰川與河流并存，河床比降達(dá)40‰，匯水面積大，暴雨頻發(fā)，洪水沖刷強(qiáng)烈。兩岸坡度50°～70°，巖性主要為片麻巖、花崗巖，巖層產(chǎn)狀與坡向基本一致，順層節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，巨塊落石普遍存在，滾石堆積于谷底，直徑最大可達(dá)5 m。

針對該復(fù)雜工點，設(shè)計階段從安全性、施工條件兩個方面出發(fā)，重點比較了隧道方案與橋梁方案。隧道方案線路長5.6 km，主要為一座長5.2 km的特長隧道貫通峽谷。橋梁方案線路長4.8 km，包含4座特大橋，橋梁全長3.4 km，隧道3座，長1.4 km。兩個方案的主要技術(shù)指標(biāo)對比見表2。

橋梁方案路線長度較短，線形指標(biāo)較優(yōu)，但特大橋建設(shè)受地形限制，橋墩高度多在100 m以上，施工條件十分困難。加之峽谷內(nèi)滾石泥石流災(zāi)害頻發(fā)，橋址區(qū)巖體破碎，橋梁基礎(chǔ)埋深受限，樁基施工難度大。運營期存在滾石沖擊橋墩基礎(chǔ)、泥石流沖刷橋址沖溝等諸多安全隱患，防災(zāi)難度大，運營維護(hù)成本高[3]。隧道方案避開了峽谷段落石泥石流等地質(zhì)災(zāi)害影響，有效規(guī)避了對橋梁安全的威脅。隧道埋深大，圍巖以Ⅲ類為主，洞身穩(wěn)定性好，施工安全風(fēng)險小。雖然隧道方案線路較長，但土石方量大幅減少，投資節(jié)約1.7億元。隧道方案運營安全有保障，救援條件也更有利。

2.2 不良地質(zhì)避讓方案

2.2.1 優(yōu)化路線避讓順層滑坡

工程中標(biāo)段某河谷段長約8 km，谷深300～500 m，谷坡土層深厚，植被茂密，坡度20°～40°。沿河谷東岸，發(fā)育多處順層巖質(zhì)高陡邊坡，巖性主要為泥巖、頁巖夾薄層砂巖，層厚10～40 cm，巖層產(chǎn)狀310°∠25°，與邊坡傾向基本一致。巖體強(qiáng)風(fēng)化～全風(fēng)化，巖質(zhì)破碎，挖切后極易產(chǎn)生順層滑動，威脅公路安全。原設(shè)計路線緊靠東岸布設(shè)，橋隧比為54%，其中高邊坡路基長1.8 km，

橋梁17座，長4.5 km，隧道6座，總長3.3 km。為避讓順層滑坡影響，優(yōu)化后路線南移200～300 m，盡量布設(shè)于河谷內(nèi)，高邊坡路基長度減少至1.2 km，新增橋梁3座，長1.1 km，隧道數(shù)量減為5座，長度減少至3.0 km。

優(yōu)化后路線雖有所增長，但顯著減少了高邊坡路基長度，橋隧比例升至72%。橋梁替代了原方案的高邊坡路基，有效規(guī)避了順層巖質(zhì)邊坡對路基穩(wěn)定性的不利影響[4]。土石方減少40萬立方米，邊坡防護(hù)面積減少4.4萬立方米，降低了施工擾動強(qiáng)度?？偼顿Y也相應(yīng)節(jié)約0.4億元。因此該工程充分考慮了沿線滑坡體的空間展布特征，通過局部南移和增設(shè)橋隧的方式實現(xiàn)了避讓。

2.2.2 隧道替代橋梁規(guī)避落石

工程某河谷段谷深400～600 m，谷底寬40～80 m，兩岸坡度40°～60°，局部陡達(dá)70°以上。區(qū)內(nèi)地震活動頻繁，近年來發(fā)生3次5級以上地震，給陡峭岸坡帶來強(qiáng)烈擾動。巖性以白云巖、石灰?guī)r為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。遭受地震和長期風(fēng)化作用，兩岸巖壁風(fēng)化殘積體松動，孤石突出，落石滾石不斷威脅谷底公路安全[5]。該段初設(shè)橋隧比為61%，共布設(shè)橋梁12座，長7.5 km。其中跨越谷底的特大橋3座，全長3.6 km?？紤]落石對橋梁結(jié)構(gòu)安全的威脅，以及橋址區(qū)域防治落石的困難，優(yōu)化設(shè)計采用隧道方案替代特大橋方案，避開高危區(qū)域，遠(yuǎn)離陡峭巖壁。優(yōu)化后隧道總長增至9.1 km，新增特長隧道2座，分別為3.8 km和2.4 km，橋隧比例由原來的61%降至31%。

隧道方案路線雖略有增長，縱坡略有減緩，但土石方工程量減少45萬立方米，節(jié)約工程投資5 000萬元。同時隧道方案還避免了設(shè)置大量防撞護(hù)欄和防落石棚等附屬設(shè)施，減少了運營期養(yǎng)護(hù)成本。隧道洞身雖需增加超前支護(hù)，但施工安全風(fēng)險更低[6]。從工程安全角度看，隧道方案最大限度地規(guī)避了落石對公路運營安全的威脅。

3 工程橋梁設(shè)計優(yōu)化

3.1 連續(xù)剛構(gòu)、拱橋等不同橋型的方案比較

工程某特大橋跨越峽谷河流，橋位區(qū)河谷深切，河床高程720 m，兩岸高差達(dá)450 m。谷底寬80～120 m，兩岸發(fā)育多級階地，坡度40°～65°。場地區(qū)域構(gòu)造活動頻繁，地震烈度高達(dá)Ⅷ度，河谷內(nèi)斷層破碎帶發(fā)育。巖性以砂巖、頁巖為主，巖層產(chǎn)狀與邊坡傾向基本一致，順層節(jié)理發(fā)育，巖體風(fēng)化破碎，邊坡穩(wěn)定性差。橋梁全長1 120 m，設(shè)計階段重點比選了連續(xù)剛構(gòu)橋、鋼管混凝土系桿拱橋兩個方案。其中剛構(gòu)橋方案主跨220 m，橋面高30 m；拱橋方案主跨360 m，橋面高70 m。兩方案的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表3。

由表3可見，連續(xù)剛構(gòu)橋方案墩位布設(shè)靈活，橋墩數(shù)量多但單墩高度小，有利于規(guī)避局部不良地質(zhì)。施工無須搭設(shè)落地式支架，受河流淹沒影響小。拱橋方案跨徑大，橋型輕盈，景觀性好，但拱腳落點選址受巖體質(zhì)量制約大，個別橋墩高達(dá)160 m，施工難度大，墩柱混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)控制難度高。此外拱橋方案施工工期長，投資高出0.6億元。

因此綜合比較發(fā)現(xiàn)，連續(xù)剛構(gòu)橋方案在地質(zhì)適應(yīng)性、施工條件、抗震性能、工期、投資等方面具有優(yōu)勢，更適合本橋址區(qū)條件。雖然景觀性不如拱橋，但在確保安全、節(jié)約成本的前提下，景觀也并非首要決策因素。

3.2 橋型比選的多因素綜合評估

為實現(xiàn)綜合評估目標(biāo)，工程選擇采用層次分析法，針對連續(xù)剛構(gòu)橋和系桿拱橋方案進(jìn)行了定量評價。工程設(shè)置了準(zhǔn)則層和方案層兩個層次，準(zhǔn)則層包括安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境協(xié)調(diào)性4個因素，每個因素下設(shè)3～4個子因素。方案層即為待評估的連續(xù)剛構(gòu)橋和系桿拱橋2個方案。然后采用1～9標(biāo)度對各因素重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗，計算各因素權(quán)重[7]。再對子因素兩兩比較，確定子因素權(quán)重。最后計算各方案的加權(quán)總分，綜合評估指標(biāo)體系及權(quán)重計算結(jié)果見表4。

根據(jù)表5權(quán)重計算結(jié)果，對兩個方案的各項指標(biāo)進(jìn)行打分，總分采用百分制，得分情況見表5。

由表5可見，連續(xù)剛構(gòu)橋方案以87.81分位列第一，主要在安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性方面具有較大優(yōu)勢。系桿拱橋方案綜合得分為79.91分，居于次席，主要優(yōu)勢在于環(huán)境協(xié)調(diào)性方面，因此該工程最終選用連續(xù)剛構(gòu)橋方案進(jìn)行施工。

4 總結(jié)

山區(qū)高速公路建設(shè)必須因地制宜，從安全、投資、工期、環(huán)保等多方面比選論證，優(yōu)化路線方案。充分考慮沿線不良地質(zhì)的空間展布特點，采取隧道替代、局部繞避等方式，最大限度規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害威脅，是山區(qū)路線選線的重要原則。對于特大橋選型，應(yīng)立足橋址區(qū)實際，重點評估不同橋型的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境協(xié)調(diào)性等因素。采用層次分析等科學(xué)方法，輔以定量綜合評估，能夠有效提高決策的科學(xué)性和可靠性，促進(jìn)山區(qū)交通事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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收稿日期：2024-06-21

作者簡介：張佳旺（1992—），男，本科，工程師，研究方向：路線總體。