祁臨高速公路高速公路段選線(xiàn)設(shè)計(jì)

祁臨高速公路高速公路段選線(xiàn)設(shè)計(jì)

工程概況及地質(zhì)特征祁林高速公路是國(guó)家的主要建設(shè)項(xiàng)目。這是中國(guó)最大的亞洲銀行貸款項(xiàng)目，也是中國(guó)重要的政治和經(jīng)濟(jì)實(shí)力之一。其中介休至霍州段全長(zhǎng)54.99km,在施工管理中祁臨全線(xiàn)分為18個(gè)標(biāo)段,而本段則占了10個(gè)標(biāo)段。其長(zhǎng)度不到全線(xiàn)里程176.17km的1/3,但其投資卻占到全線(xiàn)的1/2還要多。本段工程非常集中,為全線(xiàn)之困難地區(qū)。山巒起伏、溝壑縱橫、沖蝕切割劇烈,地形極為破碎,大多數(shù)溝深在50m以上,最深的仁義溝竟達(dá)300m。該段工程不良地質(zhì)現(xiàn)象比比皆是。有滑坡、煤礦采空區(qū)、濕陷性黃土、膨脹土、巖溶、崩塌、錯(cuò)落體、地裂縫、落水洞、天生橋等,被稱(chēng)為“全國(guó)地質(zhì)病害博物館”。其橋梁之高,隧道之多、之長(zhǎng),在我省尚屬少見(jiàn),為擬建的祁臨高速公路之咽喉。1主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)全線(xiàn)按高速公路建設(shè),重丘區(qū)計(jì)算行車(chē)速度v=100km/h,山嶺區(qū)計(jì)算行車(chē)速度v=80km/h,為雙向4車(chē)道,全封閉、全立交,并附設(shè)交通安全和管理設(shè)施及監(jiān)控、通信、收費(fèi)系統(tǒng)。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下:a.路基寬度:重丘區(qū)26.0m,山嶺區(qū)24.50m;b.設(shè)計(jì)車(chē)輛荷載:汽車(chē)—超20級(jí),掛車(chē)—120;c.設(shè)計(jì)洪水頻率:路基及橋涵1/100,特大橋1/300;d.橋梁凈寬:重丘區(qū)2×11.50m,山嶺區(qū)2×11.0m,分離式11.0m;e.隧道建筑限界凈寬:2×9.75m;f.地震基本烈度:Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度。2介休宏觀(guān)地形本段地處晉中新裂陷、呂梁塊隆、臨汾運(yùn)城新裂陷、沁水塊坳的結(jié)合部位,表現(xiàn)為靈石隆起。其東為太岳山脈,西為呂梁山脈,中間為汾河峽谷。海拔高度在1000m左右,山間河溝流向汾河,溝深坡陡。本路段介休的龍頭至靈石馬和為重丘區(qū)地形,最大相對(duì)高差241m;馬和至終點(diǎn)霍州楊棗為山嶺區(qū)地形,最高點(diǎn)為靈石的陳家山,頂點(diǎn)標(biāo)高1127.50m,最低點(diǎn)為霍州的楊棗,標(biāo)高645.0m,最大相對(duì)高差482.5m。3項(xiàng)目范圍本段公路各項(xiàng)工程非常集中,投資巨大,其主要工程詳見(jiàn)表1。4設(shè)計(jì)特點(diǎn)4.1經(jīng)濟(jì)和地質(zhì)條件本段高速公路規(guī)模大、標(biāo)準(zhǔn)高、工程項(xiàng)目多、涉及面廣,因此,在綜合考慮建設(shè)規(guī)模、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)定的前提下,著重對(duì)全段的總體布局以及多專(zhuān)業(yè)配套協(xié)調(diào)方面作出設(shè)計(jì),并對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了論證。a.在山丘區(qū)段,由于受地形及煤礦采空區(qū)和滑坡等嚴(yán)重不良地質(zhì)病害的影響,在“東線(xiàn)”與“西線(xiàn)”的走廊帶內(nèi)對(duì)路線(xiàn)局部方案進(jìn)行了反復(fù)比選,最終確定了經(jīng)濟(jì)及技術(shù)均較合理的方案;b.根據(jù)本公路在全省公路網(wǎng)中的功能,為保證高速公路與周?chē)貐^(qū)的聯(lián)系,論證了互通立交設(shè)計(jì)位置、設(shè)置條件、間距、規(guī)模、形式等,使之能大限度地吸收、疏散交通量;c.論證確定多種取、棄土方案和掌握路基高填深挖的尺度,并對(duì)特大深溝就筑橋與高填土路基、深挖方與隧道方案進(jìn)行比較,以節(jié)省工程造價(jià)。4.2提高公路的使用質(zhì)量本段高速公路采用重丘區(qū)和山嶺區(qū)標(biāo)準(zhǔn),其主要特點(diǎn)是:路線(xiàn)大致南北走向,30多條深溝東西向發(fā)育,地形之困難,地質(zhì)情況之復(fù)雜,在我省交通公路建設(shè)史上實(shí)屬罕見(jiàn),大、小型滑坡星羅棋布,斷裂、斷層比比皆是,煤礦采空區(qū)地域廣泛,還存在大段落的濕陷性黃土,膨脹土等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象,另外本項(xiàng)目屬亞行貸款項(xiàng)目,對(duì)環(huán)保等方面的要求較之以往公路也提出了新的要求。因此,在對(duì)路線(xiàn)布設(shè)時(shí),十分注意結(jié)合地形地貌,采取避讓與整治相結(jié)合的原則,在條件許可、經(jīng)濟(jì)合理的情況下,盡量采用較高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并特別注意路線(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響,同時(shí)做到少占地、少拆遷,盡量少破壞原有植被地貌等,以提高公路的使用質(zhì)量。a.本段路線(xiàn)平面設(shè)計(jì)線(xiàn)型基本上以S型方向曲線(xiàn)為主,線(xiàn)型流暢、順適、美觀(guān),平曲線(xiàn)半徑一般為1500m—3500m,最小偏角大于10°,直線(xiàn)最大長(zhǎng)度僅一處為2720m,曲線(xiàn)間最小直線(xiàn)長(zhǎng):同向曲線(xiàn)一般為600m—700m,反向曲線(xiàn)一般為200m—400m,平曲線(xiàn)占路線(xiàn)總長(zhǎng)78.52%。并采用卵型曲線(xiàn)進(jìn)行分離式斷面的設(shè)計(jì);b.豎曲線(xiàn)半徑一般為15000m—40000m,其最小半徑不小于視覺(jué)所需要的最小半徑值,縱坡設(shè)計(jì)車(chē)速為100km/h時(shí),一般采用2%—3%;設(shè)計(jì)車(chē)速為80km/h時(shí)采用2.5%—3.5%;最大縱坡:前者采用4%,后者采用5%。整個(gè)豎曲線(xiàn)均包含在平曲線(xiàn)或直線(xiàn)段內(nèi),且1個(gè)平曲線(xiàn)中一般包含2個(gè)豎曲線(xiàn),最多包含3個(gè)豎曲線(xiàn);c.在路線(xiàn)設(shè)計(jì)中,除嚴(yán)格掌握平、縱面指標(biāo)的配合與平、豎曲線(xiàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系外,還引入了縱坡、坡長(zhǎng)與通行能力的關(guān)系,把個(gè)別縱坡較長(zhǎng),坡度又較大,而影響通行能力的段落,通過(guò)修改、降低縱坡,重新驗(yàn)算通行能力,盡量避免增設(shè)爬坡車(chē)道。4.3線(xiàn)路設(shè)計(jì)4.3.1基邊線(xiàn)以下8.0m內(nèi)邊坡坡度路基斷面分為整體和分離式兩種,其路基寬度分別為:整體式26.0m、24.0m,分離式12.5m。路基邊坡:在路基邊線(xiàn)以下8.0m內(nèi)的邊坡坡度采用l∶15,并在變坡點(diǎn)處設(shè)一寬為2.0m的平臺(tái),對(duì)于棄方較多的路段,邊坡平臺(tái)寬度加寬至3m—5m。對(duì)在石方段擬將大量風(fēng)化砂、頁(yè)巖填筑路堤的,考慮用2.0m厚的素土包邊。路塹邊坡形式均為階梯(平臺(tái))式,臺(tái)階高8.0m,平臺(tái)寬度2.0m,但地質(zhì)條件復(fù)雜,邊坡較高時(shí),邊坡平臺(tái)加寬至2.5m—3.0m。4.3.2特殊端部設(shè)計(jì)4.3.2.最大挖方高達(dá)84m路基經(jīng)過(guò)地區(qū),約有29段挖方邊坡高度在30m以上,且最大挖方高達(dá)58m。設(shè)計(jì)時(shí)采用圓弧法進(jìn)行了驗(yàn)算,并結(jié)合沿線(xiàn)自然邊坡和人工邊坡用工程地質(zhì)比擬法選定路塹邊坡形式和邊坡坡率,并統(tǒng)籌、慎重考慮排水、防護(hù)等措施,以求穩(wěn)定。4.3.2.高路堤填土充填高度黃土梁、峁溝壑區(qū)的沖溝發(fā)育,溝谷幽深,溝坡陡立,除部分采用高架橋跨越外,填土在30m以上的高路堤還有11處,且最大填土高度53m。對(duì)個(gè)別匯水面積不大、流量較小的沖溝,根據(jù)需要采用了壩式路基與廢方填溝相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。4.3.3采空區(qū)治理方法a.黃土陷穴。本段存在大小不等的陷穴,其直徑一般為2m—4m,最大可達(dá)15m,發(fā)育深度1m—8m,設(shè)計(jì)中采用了對(duì)陷穴回填夯實(shí)的處理措施;b.煤礦采空區(qū)。本路線(xiàn)段內(nèi)煤礦采空區(qū)開(kāi)采方式多為短壁式和管道式,經(jīng)評(píng)價(jià)后,僅對(duì)南頭溝煤礦、灣立古采空區(qū)、仁義煤礦、道阡溝東采空區(qū)進(jìn)行治理。通過(guò)運(yùn)用已被交通廳鑒定通過(guò)的YLH—8預(yù)計(jì)軟件系統(tǒng)的概率積分法和BudrYK—Knothe理論引入二維積分變換方法預(yù)計(jì)程序進(jìn)行預(yù)計(jì)分析,同時(shí),應(yīng)用《礦山開(kāi)采沉陷學(xué)》理論,預(yù)測(cè)了采空區(qū)地表移動(dòng)和變形特征。治理方法一般采用壓力注漿法充填。注漿材料由水、水泥、粉煤灰速凝劑組成;c.滑坡。外業(yè)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)20多處滑坡體,其中對(duì)路線(xiàn)難以繞避,直接影響路基穩(wěn)定的十里河、羊道坡、窯深溝、棗洼、常家山、陶村、窯深溝大橋東南塌落體進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì),采取的整治方案有:頂部卸土,公路邊坡設(shè)抗滑樁,抗滑擋墻,抗剪井、地表水疏導(dǎo),大面積的100t級(jí)不張拉錨索和10t的錨桿,使巖體形成一條加縮帶等。4.3.4邊坡坡腳護(hù)面墻為防止邊坡坡腳土體的風(fēng)化剝落以及降水時(shí)雨水飛濺,對(duì)下坡腳的侵蝕污染,在土質(zhì)路塹邊坡坡腳設(shè)2m—3m高、頂寬0.4m的漿砌片石護(hù)面墻,強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖出露的路塹及第三系地層均設(shè)一級(jí)或多級(jí)護(hù)面墻,墻高8m。對(duì)土質(zhì)地層,除路塹邊坡坡腳設(shè)護(hù)面墻外,其上坡面部分采用護(hù)面板防護(hù)。對(duì)填土高度小于6m的路堤采用植草防護(hù)。4.4粗粒式瀝青清洗工藝路面除隧道和收費(fèi)廣場(chǎng)為水泥砼路面外,其余行車(chē)道均采用瀝青砼路面,路線(xiàn)帶及硬路肩路面與行車(chē)道路面結(jié)構(gòu)相同。主線(xiàn)行車(chē)道路面結(jié)構(gòu)面層依次為4cm中粒式瀝青砼抗滑層,5cm粗粒式瀝青砼中面層,6cm粗粒式瀝青砼下面層,32cm—36cm水泥穩(wěn)定碎石基層及綜合穩(wěn)定土底基層。為防止透入面層的雨水侵蝕、沖刷基層中的細(xì)料和保證基層在施工期間面上不受損害,在基層與下面層之間設(shè)置瀝青下封層。隧道內(nèi)水泥砼路面依次為:26cm水泥砼面層,15cm10號(hào)水泥砼平整層。瀝青砼路面設(shè)計(jì)采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性連續(xù)體系理論,以設(shè)計(jì)彎沉值作為路面整體剛度的設(shè)計(jì)指標(biāo),計(jì)算路面結(jié)構(gòu)厚度,并對(duì)瀝青砼面層和整體性材料基層、底基層進(jìn)行彎拉應(yīng)力驗(yàn)算。4.5主跨分離式橋梁本段路線(xiàn)設(shè)計(jì)特大、大橋18座,所經(jīng)主要河流有:靜升河、梧桐河、石村溝、仁義河、陶村河、十里河、南洞河、北澗河、石壁河等及其支流,另外對(duì)許多大型沖溝經(jīng)比較也采用橋梁跨越。a.對(duì)沿線(xiàn)特大、大、中橋選位及布孔時(shí),因其橋長(zhǎng)、橋高均不受水文控制,而大部分橋梁均處于地形地貌復(fù)雜、地質(zhì)狀況不良地段,且又處在高烈度地震區(qū),因此,對(duì)于橋高在35m—80m之間的橋梁,對(duì)主孔一般采用連續(xù)剛構(gòu)橋型。為便于設(shè)計(jì)和施工,將連續(xù)剛構(gòu)分成主跨145m,邊跨80m;主跨100m,邊跨60m;主跨80m,邊跨45m3種情況。在主跨布孔完成后,結(jié)合地形,以連續(xù)T梁作為較長(zhǎng)邊孔或以簡(jiǎn)支I型梁作為短的邊孔。對(duì)于高度在35m以下的橋梁,一般采用30m或40m先簡(jiǎn)支后連續(xù)T架結(jié)構(gòu);在有條件的地方采用30m—50m等跨頂推連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu);b.本段特大、大、中橋梁不可避免地處于曲線(xiàn)中,而部分橋梁尚處在整體式路基與分離式路基結(jié)合部位,多數(shù)橋梁為斜、彎、坡的組合。在設(shè)計(jì)中,對(duì)于箱形截面的橋梁,其曲線(xiàn)一般通過(guò)箱體漸變解決,橫坡通過(guò)腹板高差作調(diào)整,加寬則是通過(guò)翼板調(diào)整,然后再逐漸通過(guò)箱體作調(diào)整。對(duì)于T型及I型截面的橋梁,在曲線(xiàn)范圍內(nèi),則將梁按折線(xiàn)布設(shè),跨間弦弧差,用現(xiàn)澆橋面板調(diào)整;c.大部分橋梁下部構(gòu)造采用空心墩、I型墩、柱式墩及肋式橋臺(tái)、柱式橋臺(tái)等,基礎(chǔ)一般采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。如前所述,本段路線(xiàn)填土高度大于30m的路堤有30多處,最大填土高度為53m,因此,在設(shè)計(jì)中除采取將涵洞移位于溝坡等措施外,其余均視不同情況對(duì)結(jié)構(gòu)本身及地基和基礎(chǔ)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì),主要有石拱、砼拱、暗蓋板、箱、圓管等形式。4.6隧道圍巖形式隧道按高速公路山嶺區(qū)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),分上、下行分離的兩座獨(dú)立隧道。建筑眼界:隧道9.75m×5m;車(chē)行橫洞4.5m×5m,人行橫洞2m×2.5m。隧道所處地形起伏較大,相對(duì)高差可達(dá)200m(常家山隧道),最小也有100余m(燕家?guī)X隧道),除常家山隧道基巖裸露外,其余隧道均為Q3、Q4黃土覆蓋。圍巖類(lèi)別一般為Ⅰ(包括Ⅱ類(lèi)淺埋)、Ⅱ、Ⅲ類(lèi),局部可達(dá)Ⅳ類(lèi)。隧道除洞口段結(jié)合地形、地質(zhì)條件設(shè)置明洞外,其余均按新奧法原理設(shè)計(jì),推薦采用柔性支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)合式襯砌,即以錨桿、噴射砼,格柵剛架等為初期支護(hù),模筑砼或鋼筋砼為二次支護(hù),并在兩次襯砌之間敷設(shè)橡塑板防水層。計(jì)算理論采用有限元法及荷載——結(jié)構(gòu)法。隧道內(nèi)均未設(shè)平曲線(xiàn),洞內(nèi)縱坡在0.5%—3%之間設(shè)單側(cè)檢修道,襯砌斷面內(nèi)輪廓采用單心圓。洞門(mén)形式依據(jù)不同地形采用了端墻式、翼墻式、臺(tái)階或柱式等形式。隧道內(nèi)外有完善的防排措施以及齊全的通風(fēng)照明、監(jiān)控、消防等設(shè)施。4.7交叉設(shè)計(jì)流量設(shè)計(jì)4.7.1確定構(gòu)造物范圍,設(shè)置互通交通渠道,確保交通安全互通式立交位置、型式及間距的選擇,經(jīng)歷了多方案論證的過(guò)程,根據(jù)沿線(xiàn)行政區(qū)域劃分、地方發(fā)展規(guī)劃、被交叉公路等級(jí)、各轉(zhuǎn)向交通量大小。結(jié)合收費(fèi)制式、主線(xiàn)上跨與下穿,立交區(qū)自然條件等,經(jīng)工程造價(jià)與運(yùn)營(yíng)效益的綜合比較,才最終確定。對(duì)該區(qū)內(nèi)構(gòu)造物的布置,不僅考慮滿(mǎn)足通行的要求,同時(shí)考慮了使用者視覺(jué)上的需要。在經(jīng)濟(jì)合理的前提下,設(shè)計(jì)中注意了與立交區(qū)周?chē)坝^(guān)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。本段路線(xiàn)設(shè)3座互通,分別為靈石馬和、靈石仁義及霍州楊棗。前后兩個(gè)互通位于重丘區(qū),布設(shè)條件較好,仁義互通布設(shè)于高差為200余m的山嶺區(qū),條件較為困難,交叉形式均采用單喇叭。匝道車(chē)道數(shù)為單向車(chē)道和雙向車(chē)道,路基寬度分別為8.5m和10m。馬和、仁義兩個(gè)互通為三級(jí)互通、霍州楊棗為二級(jí)互通。由于霍州互通樞紐功能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于省干線(xiàn)公路第五橫的打通,故設(shè)計(jì)中考慮分期實(shí)施修建。4.7.2適當(dāng)?shù)母囊坪透脑炝⒔粚?duì)分離式立交的數(shù)量,主線(xiàn)上跨時(shí)基本保持原有道路的平面形式、寬度方向一般可壓縮,布孔時(shí)充分考慮了其發(fā)展規(guī)劃的要求,主線(xiàn)下穿時(shí)一般