云南高速公路设计的奇思妙想(西安佳信公路工程咨询有限公司)

云南高速公路设计的奇思妙想 云南特殊的地形地貌决定了云南高速公路设计的难度，在一些 采用常规设计思路难以通过的路段，设计人员发挥聪明才智，大胆 创新，奇思妙想，让云南高速公路突破一道道难关，不断向前延伸。 这些奇思妙想也成为云南高速公路设计的一个个闪光点。 悬臂悬空桥跨越西洱河峡谷 楚（雄）大（理）高速公路设计最难的一段是西洱河一级电站 路段。这里是一个 V 形峡谷，线路左侧是陡峭的岩壁，并有高压输 电线铁塔，右侧是宽 77 米、深 32 米的电站水库，水库旁便是电站 的发电机房。电站水库、厂房以及原 320 国道几乎挤满了整个峡谷。 楚大公路通行必须以不占水库库容为前提，而且要保证电站的绝对 安全。经过近 20 次的反复论证、六个方案的比选，公路通过电站水 库时，最终选择了建设一座长 282 米的悬臂悬空桥的方案，在水库 靠山一面打好基础，沿水库边沿修建桥台，采用预应力结构，将 22 米桥面中的 11 米“悬”于水库上方。大悬臂悬空桥，不但未影响电 站库容及电站生产，还保护了环境。 楚大高速公路悬臂悬空桥 楚大高速公路西洱河一级电站悬臂悬空桥是云南第一座悬空桥， 该桥的设计研究荣获 1999 年云南省科技进步一等奖。这是云南公路 行业获得的第一个省科技进步一等奖。 连拱隧道穿越练江河谷 玉（溪）元（江）高速公路通过的练江河谷，两岸山峰耸峙， 练江在山谷里左冲右突，公路可利用地形不超过 200 米。213 国道 通过练江河谷时，有的地方一公里就有 18 个弯道。玉元公路通过练 江河谷时，为了达到高速公路的标准，只得频繁换岸，设计人员还 提出了设置曲线连拱隧道的方案。当时，连拱隧道在全国仅修建了 一座，在平曲线上设置连拱隧道全国还没有先例。 西安佳信公路工程咨询有限公司 第 3 页 共 14 页 连拱隧道最大的特点是左右两个隧道中间只有一道中墙相隔， 它与分离式、小净距隧道相比，具有五大优点。一是隧道洞口呈整 体式路基（桥梁） ，避免了路基（桥梁）分幅，减少征地面积，房建 及其它构造物拆迁量小；二是隧道两端洞口接线对地形要求不高， 接线难度降低，接线工程量小，路线线形更加顺畅、舒适；三是洞 口边仰坡开挖面积减小，有利于环境保护；四是在傍山地形或城市 及周边对交通有特殊要求处，洞口位置选择更加灵活；五是减少地 下空间利用范围，提高了地下空间利用率。 练江隧道于 2000 年 10 月建成通车，成为云南第一座双跨连拱 大跨度隧道，全国第一座双拱连拱曲线隧道，为在山岭重丘区、特 殊地形地质条件下修建高速公路隧道积累了宝贵经验。思小高速公 路有 15 座隧道，其中 13 座设计为连拱隧道。 扁斜桩大桥跨越长田水库 安（宁）楚（雄）高速公路从安宁前行后，在禄丰县境内要跨 越长田水库。在修建安楚汽车专用二级公路时，长田水库上建了一 座主跨 130 米、全省当时最大的开口箱形拱桥。安楚高速公路经过 长田水库时最初的方案是：在原桥左侧再建一座宽 17.975 米、跨径 138 米的 4 车道箱形拱桥，其中 3 个车道作为高速公路的上行线， 一个车道作为下行线的超车道。老桥作为下行线的另外两个车道。 新老桥之间设 5 厘米的沉降缝，老桥左侧设置 1.475 米宽的安全带 设施。 安楚高速公路长田水库大桥 按设计图纸提供的方案，长田水库大桥采用在老桥旁明挖基础 的办法施工。施工队伍进场后，经实地勘察发现，若按这一方案施 工，必然会影响老桥桥台的稳定，而且，开挖出的大量土石很难避 免不落入桥下的水库中。 省交通厅了解这一情况后，专门邀请了 10 多名全国知名的桥梁 专家到云南调研，提出了扁斜桩方案。新的设计很快付诸实施。具 体做法是，新桥不设常规桥台，而是分别在安宁岸和楚雄岸打 10 米 和 24 米的扁斜桩，与水平面成 45 度角，犹如两个巨型楔子，斜插 进山体里，桩高 4.4 米，宽 11.8 米。这一方案，开挖的土石方量仅 有普通基础桩开挖量的 1/3，而且，开挖基本不在地表进行，便于 水保和环保。大桥主拱圈轴向力直接传递给扁斜桩，并通过扁斜桩 西安佳信公路工程咨询有限公司 第 5 页 共 14 页 分布于山体，受力简单明了，施工过程中，老桥的稳定和行车也不 会受到影响。 扁斜桩基础，在云南桥梁施工中尚属首次。建一个扁斜桩，实际 上要打 3 个高 4.4 米、宽 3 米的斜洞，近似于打一个连拱隧道。施 工时，先将两边的洞打好，边打边支护，然后再打中间一个洞，使 3 个洞连成一个整体，最后布设钢筋笼，浇筑混凝土。为了确保老 桥安全，开挖爆破时，采用微量控制爆破。开挖出的土石则通过天 线运走。整个施工过程中，水库管理人员严格监视，没有发现土石 落入水库的情况。 扁斜桩设计，解开了长田水库大桥施工难题，确保了大桥施工 与整条高速公路的施工同步进行。 安楚高速公路长田水库大桥，一半是老桥，一半是新桥。新桥、 老桥，两桥合一桥。 螺旋隧道现身水麻高速公路 水（富）麻（柳湾）高速公路从伏龙口前行 28 公里加 400 米后， 到达太平控制点。从太平到 45 公里加 450 米的凉风凹隧道进口，高 差达 658 米。特别是地形狭窄的老堡山段，竖向高差 72 米，升坡十 分困难。 水麻高速公路螺旋隧道 困难面前，云南省交通规划设计研究院大胆选定“螺旋形”升坡 展线的特殊设计方案，设计了全国第一座螺旋型展线隧道。为顺利 升坡，水麻路沿老堡山山嘴螺旋式展线，盘旋而上，5 次连续右转 回头，于老堡山南腰螺旋交叠，然后转东南沿复兴河左岸前行。螺 旋展线路段 5525 米，集中升坡 88.91 米，设分离式隧道一座，单洞 长 2332 米；连拱隧道一座，单洞长 840 米；大桥 6 座，单幅长 1951 米；中桥一座，长 65 米。全部桥、隧均位于右偏螺旋曲线上， 总转角达 330 度，从空中鸟瞰，形似一个巨大的希腊字母“” 。展 线段有桥梁，有隧道，其中的老店子 1 号隧道是标志性工程。这座 隧道位于右偏卵形曲线上，最小曲线半径只有 254 米，最大横坡 7%，整个隧道总转角约 155。如此大转角的螺旋曲线和桥、隧相 连，在全国高速公路设计中尚属首例，在世界高速公路史上也极为 罕见。 西安佳信公路工程咨询有限公司 第 7 页 共 14 页 这一设计，克服了地形高差集中的难题，有效避开岩堆、悬崖、 危岩等不良地质，合理利用地形，不仅有利于水土保持、环境保护 及运营安全与畅通，还降低了工程施工难度，节省投资 1.14 亿元， 得到了国家交通运输部专家的赞同和认可，开创了我国山区高速公 路特殊展线思路的先河，该项目被评为“建国 60 周年公路交通勘察 设计经典工程” 。随后，螺旋型展线隧道的设计思路先后在云南水富 至绥江二级公路新安隧道、香格里拉至丽江高速公路园宝山隧道以 及四川省雅安至攀枝花高速公路干海子隧道等多个工程中推广应用。 乌蒙山中“编辫子” 昭（通）会（泽）高速公路原有道路为双车道二级公路标准， 路线全长 100.9 公里。全线长大纵坡路段有 7 段，其中最长一段鲁 甸大口子垭口至江底段长 18.8 公里，平均纵坡-3.7%；会泽邱家垭 口至会泽坝子段长 8.2 公里，平均纵坡-4.1%。其余路段长均在 3 公 里左右，平均纵坡 4%左右。 在建设昭通至待补二级公路时，交通部批复文件明确指出： “起点（昭通）至会泽段约 112 公里，按远期扩建为高速公路标准 规划设计，近期采用二级公路标准建设。 ”因此，在原二级公路设计、 建设中充分考虑了远期扩建方案对二级公路的利用，尽量避免出现 废止工程。在高速公路设计时，树立 100%利用已建半幅道路的目标， 宜合则合、宜分则分、宜桥则桥、宜隧则隧，灵活运用设计指标， 合理采用技术规范标准，最大限度减少对已建半幅道路的影响与干 扰，确保已建道路的安全、畅通。路线采用“平面分离、纵面分台、 交叉换岸、编辫子”的思路设计，充分利用地形，使下坡幅位于靠 山一侧。对于连续纵坡大于 3%的路段（共 7 段） ，分两种情况：一 是 3 公里左右的路段（共 5 段） ，维持原道路纵坡，但调整桥上纵坡 大于 4%的路段；二是纵坡大于 3%的较长路段，采取交叉换岸等形式， 使下坡幅纵坡小于 3%。在分幅、分离路段，适当设置”U”形、 “X”形等多种形式的连接，达到分幅路基使用上的完善。 昭会高速公路路线贯通长度 106.207 公里，全线采用四车道高 速公路标准改扩建，由于新建公路与原有二级公路频繁交叉换岸， 从空中鸟瞰，高速公路不少路段形似一条大辫子，因此，设计人员 形象地把昭会高速公路的建设称为“编辫子” 。 南天门下 8 字展线 全长 128.39 公里的龙（陵）瑞（丽）高速公路在南天门路段遇 上了难题。南天门段位于高黎贡山山脉南延部分，地质构造比较复 杂，褶皱、断裂构造形迹相当发育，属构造剥蚀中山中切割长垣垄 状地形地貌区，地形起伏大，山高坡陡，峭壁耸立，岩体裸露，沟 深林密，植被发育。从二关至南天门直线距离仅 3 公里，而海拔高 程从 1600 米降至 1100 米，如何解决此段路线走向成了整个项目的 关键。在初步设计中拟定了 A、B、K、F、J 和 M 共 6 个方案。其中 A、B、K 方案因平均纵坡过大，满足不了公路路线细则对长大 纵坡的要求，只做方案论证。J 方案为自然展线，里程最短，走向 西安佳信公路工程咨询有限公司 第 9 页 共 14 页 最顺捷，造价最省，但走廊带远离控制点，而且互通设置和施工进 场、构件预制难度都比较大，还易造成对环境的破坏。F 方案通过 螺旋展线克服高差，线位布设于 G320 上方，里程长、工程量大、造 价高，而且施工期间对 G320 干扰大，无法避让国防军事设施。通过 比对，设计最终选定 8 字展线的 M 方案作为南天门段实施方案。 龙瑞高速公路南天门路段。从路上看，虽然看不出“8”字展线 的全貌，但依然能看出公路在山间环绕的气势。 M 方案起点位于龙陵城西三家村，路线前行约 2.5 公里后开始 沿西南侧山腰展线降坡，穿茅草坪山，跨周家田河，经奔龙坪，前 行 7 公里左右到达坝田河。接着，路线先左转 238 度迂回向北穿茅 草坪山，再右转 245 度向南达南天门，尔后沿坝湾河右岸山腰展线 降坡，经橄榄坡、新寨后山至那里，路线前行约 500 米后设芒市互 通连接德宏州府继续沿芒市坝西侧山脚布线，止于允门，路线长 39.97182 公里。 8 字形展线由回头展线、螺旋展线变化而来，是利用山脊或河 谷布设一对转角大于 180 度满足线形指标的反向曲线来实现增长里 程克服高差的展线方法，因其路线形似 8 字，称之为 8 字展现。在 国内外已建或在建的高速公路中，龙瑞高速公路之前，8 字展线还 没有先例。 险路系上“安全带” 据有关资料统计，我国每年发生一次死亡 10 人以上的特大恶性 公路交通事故近百起，其中翻下陡崖峭壁和桥梁的交通事故占 80% 左右。陡崖峭壁路段发生恶性交通事故，被人们称之为交通事故的 “黑点” 。要使陡崖峭壁路段不再成为交通事故的“黑点” ，其中一 项措施就是在这些路段设置有效的防护栏，防止事故车辆坠入山崖。 西安佳信公路工程咨询有限公司 第 11 页 共 14 页 昆石高速公路阳宗海路段的安全护栏 随着高速公路不断向山岭重丘区延伸，不少路段要穿行于陡崖峭 壁、深沟大壑之间，设置有效的护栏成了一个亟待解决的课题。 2001 年 8 月，交通部将公路陡崖峭壁护栏开发研究列入西部交 通建设科技项目，云南省交通规划设计研究院参加了这一课题的技 术攻关。 课题组经过 3 个多月的调查了解到，我国山区高速公路的护栏大 多采用波形梁钢护栏，基础采用打入式或埋置式。前者用打桩机将 立柱按设计深度直接打入路基中；后者在路基上挖出洞坑，将立柱 置入，再用混凝土将洞坑填满。在高边坡、高挡墙路段，有的虽然 设置了混凝土护栏，却大都采用的是直接埋入路基中的坎锁式基础， 这些护栏由于基础较浅，容易被汽车撞倒。 课题组把选择护栏的基础形式作为开发陡崖峭壁护栏结构的关 键一步，通过对 L 式、直壁式、座椅式 3 种土路基上的护栏基础形 式进行分析研究，确认座椅式基础稳固性最好，可以利用路面结构 对基础产生的抗力来提高护栏的稳定性。接着，他们又采用理论分 析、模型试验、动态数值模拟和实车碰撞实验等对护栏进行造型、 优化设计和功能检验评价，成功地开发出高速公路座椅式混凝土护 栏、一般公路座椅式混凝土护栏、高速公路三波梁护栏三种安全、 可靠、经济、实用的护栏结构形式。试验工程选在昆（明）石（林） 高速公路和元（江）磨（黑）高速公路上进行，选择具有陡崖峭壁 路线特征的高挡墙、高边坡、路侧特别危险的路段设置新型护栏。 这种新型护栏改善了护栏基础的受力状态，提高了护栏的稳定性， 为陡崖峭壁护栏防护能力的发挥提供了保证。 陡崖峭壁公路护栏好比汽车上的“安全带” ，在一定程度上防止 发生事故的车辆冲下陡崖，大大减少事故的损失。 自救匝道助驾驶员解危难 云南特殊的地形地貌决定了高速公路不可避免地会有一些长陡 纵坡加急弯组合，为提高这些路段的行车安全系数，设计人员设计 了相应的“自救匝道” ，如保（山）龙（陵）高速公路采用擦碰式自 救匝道；石（屏）红（龙厂）高速公路采用与主线纵坡一致的下