云南高速公路設(shè)計的奇思妙想
2016-02-20
云南特殊的地形地貌決定了云南高速公路設(shè)計的難度，在一些采用常規(guī)設(shè)計思路難以通過的路段，設(shè)計人員發(fā)揮聰明才智，大膽創(chuàng)新，奇思妙想，讓云南高速公路突破一道道難關(guān)，不斷向前延伸。這些奇思妙想也成為云南高速公路設(shè)計的一個個閃光點。
懸臂懸空橋跨越西洱河峽谷
楚（雄）大（理）高速公路設(shè)計最難的一段是西洱河一級電站路段。這里是一個V形峽谷，線路左側(cè)是陡峭的巖壁，并有高壓輸電線鐵塔，右側(cè)是寬77米、深32米的電站水庫，水庫旁便是電站的發(fā)電機房。電站水庫、廠房以及原320國道幾乎擠滿了整個峽谷。楚大公路通行必須以不占水庫庫容為前提，而且要保證電站的絕對安全。經(jīng)過近20次的反復(fù)論證、六個方案的比選，公路通過電站水庫時，最終選擇了建設(shè)一座長282米的懸臂懸空橋的方案，在水庫靠山一面打好基礎(chǔ)，沿水庫邊沿修建橋臺，采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，將22米橋面中的11米“懸”于水庫上方。大懸臂懸空橋，不但未影響電站庫容及電站生產(chǎn)，還保護了環(huán)境。
楚大高速公路懸臂懸空橋
楚大高速公路西洱河一級電站懸臂懸空橋是云南第一座懸空橋，該橋的設(shè)計研究榮獲1999年云南省科技進步一等獎。這是云南公路行業(yè)獲得的第一個省科技進步一等獎。
連拱隧道穿越練江河谷
玉（溪）元（江）高速公路通過的練江河谷，兩岸山峰聳峙，練江在山谷里左沖右突，公路可利用地形不超過200米。213國道通過練江河谷時，有的地方一公里就有18個彎道。玉元公路通過練江河谷時，為了達到高速公路的標準，只得頻繁換岸，設(shè)計人員還提出了設(shè)置曲線連拱隧道的方案。當時，連拱隧道在全國僅修建了一座，在平曲線上設(shè)置連拱隧道全國還沒有先例。
連拱隧道最大的特點是左右兩個隧道中間只有一道中墻相隔，它與分離式、小凈距隧道相比，具有五大優(yōu)點。一是隧道洞口呈整體式路基（橋梁），避免了路基（橋梁）分幅，減少征地面積，房建及其它構(gòu)造物拆遷量??；二是隧道兩端洞口接線對地形要求不高，接線難度降低，接線工程量小，路線線形更加順暢、舒適；三是洞口邊仰坡開挖面積減小，有利于環(huán)境保護；四是在傍山地形或城市及周邊對交通有特殊要求處，洞口位置選擇更加靈活；五是減少地下空間利用范圍，提高了地下空間利用率。
練江隧道于2000年10月建成通車，成為云南第一座雙跨連拱大跨度隧道，全國第一座雙拱連拱曲線隧道，為在山嶺重丘區(qū)、特殊地形地質(zhì)條件下修建高速公路隧道積累了寶貴經(jīng)驗。思小高速公路有15座隧道，其中13座設(shè)計為連拱隧道。
扁斜樁大橋跨越長田水庫
安（寧）楚（雄）高速公路從安寧前行后，在祿豐縣境內(nèi)要跨越長田水庫。在修建安楚汽車專用二級公路時，長田水庫上建了一座主跨130米、全省當時最大的開口箱形拱橋。安楚高速公路經(jīng)過長田水庫時最初的方案是：在原橋左側(cè)再建一座寬17.975米、跨徑138米的4車道箱形拱橋，其中3個車道作為高速公路的上行線，一個車道作為下行線的超車道。老橋作為下行線的另外兩個車道。新老橋之間設(shè)5厘米的沉降縫，老橋左側(cè)設(shè)置1.475米寬的安全帶設(shè)施。
安楚高速公路長田水庫大橋
按設(shè)計圖紙?zhí)峁┑姆桨?，長田水庫大橋采用在老橋旁明挖基礎(chǔ)的辦法施工。施工隊伍進場后，經(jīng)實地勘察發(fā)現(xiàn)，若按這一方案施工，必然會影響老橋橋臺的穩(wěn)定，而且，開挖出的大量土石很難避免不落入橋下的水庫中。
省交通廳了解這一情況后，專門邀請了10多名全國知名的橋梁專家到云南調(diào)研，提出了扁斜樁方案。新的設(shè)計很快付諸實施。具體做法是，新橋不設(shè)常規(guī)橋臺，而是分別在安寧岸和楚雄岸打10米和24米的扁斜樁，與水平面成45度角，猶如兩個巨型楔子，斜插進山體里，樁高4.4米，寬11.8米。這一方案，開挖的土石方量僅有普通基礎(chǔ)樁開挖量的1/3，而且，開挖基本不在地表進行，便于水保和環(huán)保。大橋主拱圈軸向力直接傳遞給扁斜樁，并通過扁斜樁分布于山體，受力簡單明了，施工過程中，老橋的穩(wěn)定和行車也不會受到影響。
扁斜樁基礎(chǔ)，在云南橋梁施工中尚屬首次。建一個扁斜樁，實際上要打3個高4.4米、寬3米的斜洞，近似于打一個連拱隧道。施工時，先將兩邊的洞打好，邊打邊支護，然后再打中間一個洞，使3個洞連成一個整體，最后布設(shè)鋼筋籠，澆筑混凝土。為了確保老橋安全，開挖爆破時，采用微量控制爆破。開挖出的土石則通過天線運走。整個施工過程中，水庫管理人員嚴格監(jiān)視，沒有發(fā)現(xiàn)土石落入水庫的情況。
扁斜樁設(shè)計，解開了長田水庫大橋施工難題，確保了大橋施工與整條高速公路的施工同步進行。
安楚高速公路長田水庫大橋，一半是老橋，一半是新橋。新橋、老橋，兩橋合一橋。
螺旋隧道現(xiàn)身水麻高速公路
水（富）麻（柳灣）高速公路從伏龍口前行28公里加400米后，到達太平控制點。從太平到45公里加450米的涼風凹隧道進口，高差達658米。特別是地形狹窄的老堡山段，豎向高差72米，升坡十分困難。
水麻高速公路螺旋隧道
困難面前，云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院大膽選定“螺旋形”升坡展線的特殊設(shè)計方案，設(shè)計了全國第一座螺旋型展線隧道。為順利升坡，水麻路沿老堡山山嘴螺旋式展線，盤旋而上，5次連續(xù)右轉(zhuǎn)回頭，于老堡山南腰螺旋交疊，然后轉(zhuǎn)東南沿復(fù)興河左岸前行。螺旋展線路段5525米，集中升坡88.91米，設(shè)分離式隧道一座，單洞長2332米；連拱隧道一座，單洞長840米；大橋6座，單幅長1951米；中橋一座，長65米。全部橋、隧均位于右偏螺旋曲線上，總轉(zhuǎn)角達330度，從空中鳥瞰，形似一個巨大的希臘字母“α”。展線段有橋梁，有隧道，其中的老店子1號隧道是標志性工程。這座隧道位于右偏卵形曲線上，最小曲線半徑只有254米，最大橫坡7%，整個隧道總轉(zhuǎn)角約155°。如此大轉(zhuǎn)角的螺旋曲線和橋、隧相連，在全國高速公路設(shè)計中尚屬首例，在世界高速公路史上也極為罕見。
這一設(shè)計，克服了地形高差集中的難題，有效避開巖堆、懸崖、危巖等不良地質(zhì)，合理利用地形，不僅有利于水土保持、環(huán)境保護及運營安全與暢通，還降低了工程施工難度，節(jié)省投資1.14億元，得到了國家交通運輸部專家的贊同和認可，開創(chuàng)了我國山區(qū)高速公路特殊展線思路的先河，該項目被評為“建國60周年公路交通勘察設(shè)計經(jīng)典工程”。隨后，螺旋型展線隧道的設(shè)計思路先后在云南水富至綏江二級公路新安隧道、香格里拉至麗江高速公路園寶山隧道以及四川省雅安至攀枝花高速公路干海子隧道等多個工程中推廣應(yīng)用。
烏蒙山中“編辮子”
昭（通）會（澤）高速公路原有道路為雙車道二級公路標準，路線全長100.9公里。全線長大縱坡路段有7段，其中最長一段魯?shù)榇罂谧訄嚎谥两锥伍L18.8公里，平均縱坡-3.7%；會澤邱家埡口至會澤壩子段長8.2公里，平均縱坡-4.1%。其余路段長均在3公里左右，平均縱坡4%左右。
在建設(shè)昭通至待補二級公路時，交通部批復(fù)文件明確指出：“起點（昭通）至會澤段約112公里，按遠期擴建為高速公路標準規(guī)劃設(shè)計，近期采用二級公路標準建設(shè)。”因此，在原二級公路設(shè)計、建設(shè)中充分考慮了遠期擴建方案對二級公路的利用，盡量避免出現(xiàn)廢止工程。在高速公路設(shè)計時，樹立100%利用已建半幅道路的目標，宜合則合、宜分則分、宜橋則橋、宜隧則隧，靈活運用設(shè)計指標，合理采用技術(shù)規(guī)范標準，最大限度減少對已建半幅道路的影響與干擾，確保已建道路的安全、暢通。路線采用“平面分離、縱面分臺、交叉換岸、編辮子”的思路設(shè)計，充分利用地形，使下坡幅位于靠山一側(cè)。對于連續(xù)縱坡大于3%的路段（共7段），分兩種情況：一是3公里左右的路段（共5段），維持原道路縱坡，但調(diào)整橋上縱坡大于4%的路段；二是縱坡大于3%的較長路段，采取交叉換岸等形式，使下坡幅縱坡小于3%。在分幅、分離路段，適當設(shè)置”U”形、“X”形等多種形式的連接，達到分幅路基使用上的完善。
昭會高速公路路線貫通長度106.207公里，全線采用四車道高速公路標準改擴建，由于新建公路與原有二級公路頻繁交叉換岸，從空中鳥瞰，高速公路不少路段形似一條大辮子，因此，設(shè)計人員形象地把昭會高速公路的建設(shè)稱為“編辮子”。
南天門下8字展線
全長128.39公里的龍（陵）瑞（麗）高速公路在南天門路段遇上了難題。南天門段位于高黎貢山山脈南延部分，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，褶皺、斷裂構(gòu)造形跡相當發(fā)育，屬構(gòu)造剝蝕中山中切割長垣壟狀地形地貌區(qū)，地形起伏大，山高坡陡，峭壁聳立，巖體裸露，溝深林密，植被發(fā)育。從二關(guān)至南天門直線距離僅3公里，而海拔高程從1600米降至1100米，如何解決此段路線走向成了整個項目的關(guān)鍵。在初步設(shè)計中擬定了A、B、K、F、J和M共6個方案。其中A、B、K方案因平均縱坡過大，滿足不了《公路路線細則》對長大縱坡的要求，只做方案論證。J方案為自然展線，里程最短，走向最順捷，造價最省，但走廊帶遠離控制點，而且互通設(shè)置和施工進嘗構(gòu)件預(yù)制難度都比較大，還易造成對環(huán)境的破壞。F方案通過螺旋展線克服高差，線位布設(shè)于G320上方，里程長、工程量大、造價高，而且施工期間對G320干擾大，無法避讓國防軍事設(shè)施。通過比對，設(shè)計最終選定8字展線的M方案作為南天門段實施方案。
龍瑞高速公路南天門路段。從路上看，雖然看不出“8”字展線的全貌，但依然能看出公路在山間環(huán)繞的氣勢。
M方案起點位于龍陵城西三家村，路線前行約2.5公里后開始沿西南側(cè)山腰展線降坡，穿茅草坪山，跨周家田河，經(jīng)奔龍坪，前行7公里左右到達壩田河。接著，路線先左轉(zhuǎn)238度迂回向北穿茅草坪山，再右轉(zhuǎn)245度向南達南天門，爾后沿壩灣河右岸山腰展線降坡，經(jīng)橄欖坡、新寨后山至那里，路線前行約500米后設(shè)芒市互通連接德宏州府繼續(xù)沿芒市壩西側(cè)山腳布線，止于允門，路線長39.97182公里。
8字形展線由回頭展線、螺旋展線變化而來，是利用山脊或河谷布設(shè)一對轉(zhuǎn)角大于180度滿足線形指標的反向曲線來實現(xiàn)增長里程克服高差的展線方法，因其路線形似8字，稱之為8字展現(xiàn)。在國內(nèi)外已建或在建的高速公路中，龍瑞高速公路之前，8字展線還沒有先例。
險路系上“安全帶”
據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，我國每年發(fā)生一次死亡10人以上的特大惡性公路交通事故近百起，其中翻下陡崖峭壁和橋梁的交通事故占80%左右。陡崖峭壁路段發(fā)生惡性交通事故，被人們稱之為交通事故的“黑點”。要使陡崖峭壁路段不再成為交通事故的“黑點”，其中一項措施就是在這些路段設(shè)置有效的防護欄，防止事故車輛墜入山崖。
昆石高速公路陽宗海路段的安全護欄
隨著高速公路不斷向山嶺重丘區(qū)延伸，不少路段要穿行于陡崖峭壁、深溝大壑之間，設(shè)置有效的護欄成了一個亟待解決的課題。2001年8月，交通部將《公路陡崖峭壁護欄開發(fā)研究》列入西部交通建設(shè)科技項目，云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院參加了這一課題的技術(shù)攻關(guān)。
課題組經(jīng)過3個多月的調(diào)查了解到，我國山區(qū)高速公路的護欄大多采用波形梁鋼護欄，基礎(chǔ)采用打入式或埋置式。前者用打樁機將立柱按設(shè)計深度直接打入路基中；后者在路基上挖出洞坑，將立柱置入，再用混凝土將洞坑填滿。在高邊坡、高擋墻路段，有的雖然設(shè)置了混凝土護欄，卻大都采用的是直接埋入路基中的坎鎖式基礎(chǔ)，這些護欄由于基礎(chǔ)較淺，容易被汽車撞倒。
課題組把選擇護欄的基礎(chǔ)形式作為開發(fā)陡崖峭壁護欄結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵一步，通過對L式、直壁式、座椅式3種土路基上的護欄基礎(chǔ)形式進行分析研究，確認座椅式基礎(chǔ)穩(wěn)固性最好，可以利用路面結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)產(chǎn)生的抗力來提高護欄的穩(wěn)定性。接著，他們又采用理論分析、模型試驗、動態(tài)數(shù)值模擬和實車碰撞實驗等對護欄進行造型、優(yōu)化設(shè)計和功能檢驗評價，成功地開發(fā)出高速公路座椅式混凝土護欄、一般公路座椅式混凝土護欄、高速公路三波梁護欄三種安全、可靠、經(jīng)濟、實用的護欄結(jié)構(gòu)形式。試驗工程選在昆（明）石（林）高速公路和元（江）磨（黑）高速公路上進行，選擇具有陡崖峭壁路線特征的高擋墻、高邊坡、路側(cè)特別危險的路段設(shè)置新型護欄。這種新型護欄改善了護欄基礎(chǔ)的受力狀態(tài)，提高了護欄的穩(wěn)定性，為陡崖峭壁護欄防護能力的發(fā)揮提供了保證。
陡崖峭壁公路護欄好比汽車上的“安全帶”，在一定程度上防止發(fā)生事故的車輛沖下陡崖，大大減少事故的損失。
自救匝道助駕駛員解危難
云南特殊的地形地貌決定了高速公路不可避免地會有一些長陡縱坡加急彎組合，為提高這些路段的行車安全系數(shù)，設(shè)計人員設(shè)計了相應(yīng)的“自救匝道”，如保（山）龍（陵）高速公路采用擦碰式自救匝道；石（屏）紅（龍廠）高速公路采用與主線縱坡一致的下坡式自救匝道；蒙（自）新（街）高速公路采用網(wǎng)索式自救匝道。
保龍高速公路“自救匝道”的提示牌
保龍高速公路是長下坡路段比較多的一條高速公路，其中有30.9公里連續(xù)長下坡高差達到1261米。在公路選線階段，設(shè)計人員便考慮到通車后的運營安全，在常規(guī)選線的基礎(chǔ)上，利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，從均衡性、連續(xù)性綜合考慮路線走向和銜接，通過三維仿真分析，聽取交警和路政部門的意見，確定自救匝道的合理設(shè)置地點，全線設(shè)有加水點3處、自救匝道11個、臨時?？奎c64個。自救匝道還具有自動測速、報警和錄相的功能。
在保龍高速公路起點路段，公路上方有這樣一塊醒目的標志牌：陡坡40公里，自救匝道4處。大型車輛，減檔控速。車輛繼續(xù)往前行，標志板會隨時提醒駕駛員離自救匝道還有多少米，自救匝道還剩幾處。一位安徽的大貨車駕駛員第一次跑保龍高速公路，由于坡大，加之剎車管掉了，車輛失去控制。按標志牌的提示，他想法將車子開進了自救匝道。這次，他是與兒子一起來云南的。他感慨地說：“要是沒有自救匝道，我們父子倆可能就送命了！”保山市辛街駕駛員李朝芳經(jīng)常跑保龍路。他說：“跑這條路心上不累，比較輕松。因為路上臨時?？奎c多。開貨車下坡時剎車容易疲軟，在臨時?？奎c檢查一下就放心了。再不行還有自救匝道。由于有了這些設(shè)施，開起車來，心里也輕松得多。”
