祁临高速公路高速公路段选线设计

祁临高速公路高速公路段选线设计

工程概况及地质特征祁林高速公路是国家的主要建设项目。这是中国最大的亚洲银行贷款项目，也是中国重要的政治和经济实力之一。其中介休至霍州段全长54.99km,在施工管理中祁临全线分为18个标段,而本段则占了10个标段。其长度不到全线里程176.17km的1/3,但其投资却占到全线的1/2还要多。本段工程非常集中,为全线之困难地区。山峦起伏、沟壑纵横、冲蚀切割剧烈,地形极为破碎,大多数沟深在50m以上,最深的仁义沟竟达300m。该段工程不良地质现象比比皆是。有滑坡、煤矿采空区、湿陷性黄土、膨胀土、岩溶、崩塌、错落体、地裂缝、落水洞、天生桥等,被称为“全国地质病害博物馆”。其桥梁之高,隧道之多、之长,在我省尚属少见,为拟建的祁临高速公路之咽喉。1主要技术标准全线按高速公路建设,重丘区计算行车速度v=100km/h,山岭区计算行车速度v=80km/h,为双向4车道,全封闭、全立交,并附设交通安全和管理设施及监控、通信、收费系统。主要技术标准如下:a.路基宽度:重丘区26.0m,山岭区24.50m;b.设计车辆荷载:汽车—超20级,挂车—120;c.设计洪水频率:路基及桥涵1/100,特大桥1/300;d.桥梁净宽:重丘区2×11.50m,山岭区2×11.0m,分离式11.0m;e.隧道建筑限界净宽:2×9.75m;f.地震基本烈度:Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度。2介休宏观地形本段地处晋中新裂陷、吕梁块隆、临汾运城新裂陷、沁水块坳的结合部位,表现为灵石隆起。其东为太岳山脉,西为吕梁山脉,中间为汾河峡谷。海拔高度在1000m左右,山间河沟流向汾河,沟深坡陡。本路段介休的龙头至灵石马和为重丘区地形,最大相对高差241m;马和至终点霍州杨枣为山岭区地形,最高点为灵石的陈家山,顶点标高1127.50m,最低点为霍州的杨枣,标高645.0m,最大相对高差482.5m。3项目范围本段公路各项工程非常集中,投资巨大,其主要工程详见表1。4设计特点4.1经济和地质条件本段高速公路规模大、标准高、工程项目多、涉及面广,因此,在综合考虑建设规模、技术标准、设计规定的前提下,着重对全段的总体布局以及多专业配套协调方面作出设计,并对以下几个方面进行了论证。a.在山丘区段,由于受地形及煤矿采空区和滑坡等严重不良地质病害的影响,在“东线”与“西线”的走廊带内对路线局部方案进行了反复比选,最终确定了经济及技术均较合理的方案;b.根据本公路在全省公路网中的功能,为保证高速公路与周围地区的联系,论证了互通立交设计位置、设置条件、间距、规模、形式等,使之能大限度地吸收、疏散交通量;c.论证确定多种取、弃土方案和掌握路基高填深挖的尺度,并对特大深沟就筑桥与高填土路基、深挖方与隧道方案进行比较,以节省工程造价。4.2提高公路的使用质量本段高速公路采用重丘区和山岭区标准,其主要特点是:路线大致南北走向,30多条深沟东西向发育,地形之困难,地质情况之复杂,在我省交通公路建设史上实属罕见,大、小型滑坡星罗棋布,断裂、断层比比皆是,煤矿采空区地域广泛,还存在大段落的湿陷性黄土,膨胀土等不良工程地质现象,另外本项目属亚行贷款项目,对环保等方面的要求较之以往公路也提出了新的要求。因此,在对路线布设时,十分注意结合地形地貌,采取避让与整治相结合的原则,在条件许可、经济合理的情况下,尽量采用较高的技术标准,并特别注意路线对周围环境的影响,同时做到少占地、少拆迁,尽量少破坏原有植被地貌等,以提高公路的使用质量。a.本段路线平面设计线型基本上以S型方向曲线为主,线型流畅、顺适、美观,平曲线半径一般为1500m—3500m,最小偏角大于10°,直线最大长度仅一处为2720m,曲线间最小直线长:同向曲线一般为600m—700m,反向曲线一般为200m—400m,平曲线占路线总长78.52%。并采用卵型曲线进行分离式断面的设计;b.竖曲线半径一般为15000m—40000m,其最小半径不小于视觉所需要的最小半径值,纵坡设计车速为100km/h时,一般采用2%—3%;设计车速为80km/h时采用2.5%—3.5%;最大纵坡:前者采用4%,后者采用5%。整个竖曲线均包含在平曲线或直线段内,且1个平曲线中一般包含2个竖曲线,最多包含3个竖曲线;c.在路线设计中,除严格掌握平、纵面指标的配合与平、竖曲线的对应关系外,还引入了纵坡、坡长与通行能力的关系,把个别纵坡较长,坡度又较大,而影响通行能力的段落,通过修改、降低纵坡,重新验算通行能力,尽量避免增设爬坡车道。4.3线路设计4.3.1基边线以下8.0m内边坡坡度路基断面分为整体和分离式两种,其路基宽度分别为:整体式26.0m、24.0m,分离式12.5m。路基边坡:在路基边线以下8.0m内的边坡坡度采用l∶15,并在变坡点处设一宽为2.0m的平台,对于弃方较多的路段,边坡平台宽度加宽至3m—5m。对在石方段拟将大量风化砂、页岩填筑路堤的,考虑用2.0m厚的素土包边。路堑边坡形式均为阶梯(平台)式,台阶高8.0m,平台宽度2.0m,但地质条件复杂,边坡较高时,边坡平台加宽至2.5m—3.0m。4.3.2特殊端部设计4.3.2.最大挖方高达84m路基经过地区,约有29段挖方边坡高度在30m以上,且最大挖方高达58m。设计时采用圆弧法进行了验算,并结合沿线自然边坡和人工边坡用工程地质比拟法选定路堑边坡形式和边坡坡率,并统筹、慎重考虑排水、防护等措施,以求稳定。4.3.2.高路堤填土充填高度黄土梁、峁沟壑区的冲沟发育,沟谷幽深,沟坡陡立,除部分采用高架桥跨越外,填土在30m以上的高路堤还有11处,且最大填土高度53m。对个别汇水面积不大、流量较小的冲沟,根据需要采用了坝式路基与废方填沟相结合的设计方案。4.3.3采空区治理方法a.黄土陷穴。本段存在大小不等的陷穴,其直径一般为2m—4m,最大可达15m,发育深度1m—8m,设计中采用了对陷穴回填夯实的处理措施;b.煤矿采空区。本路线段内煤矿采空区开采方式多为短壁式和管道式,经评价后,仅对南头沟煤矿、湾立古采空区、仁义煤矿、道阡沟东采空区进行治理。通过运用已被交通厅鉴定通过的YLH—8预计软件系统的概率积分法和BudrYK—Knothe理论引入二维积分变换方法预计程序进行预计分析,同时,应用《矿山开采沉陷学》理论,预测了采空区地表移动和变形特征。治理方法一般采用压力注浆法充填。注浆材料由水、水泥、粉煤灰速凝剂组成;c.滑坡。外业调查中发现20多处滑坡体,其中对路线难以绕避,直接影响路基稳定的十里河、羊道坡、窑深沟、枣洼、常家山、陶村、窑深沟大桥东南塌落体进行了重点设计,采取的整治方案有:顶部卸土,公路边坡设抗滑桩,抗滑挡墙,抗剪井、地表水疏导,大面积的100t级不张拉锚索和10t的锚杆,使岩体形成一条加缩带等。4.3.4边坡坡脚护面墙为防止边坡坡脚土体的风化剥落以及降水时雨水飞溅,对下坡脚的侵蚀污染,在土质路堑边坡坡脚设2m—3m高、顶宽0.4m的浆砌片石护面墙,强风化砂质泥岩出露的路堑及第三系地层均设一级或多级护面墙,墙高8m。对土质地层,除路堑边坡坡脚设护面墙外,其上坡面部分采用护面板防护。对填土高度小于6m的路堤采用植草防护。4.4粗粒式沥青清洗工艺路面除隧道和收费广场为水泥砼路面外,其余行车道均采用沥青砼路面,路线带及硬路肩路面与行车道路面结构相同。主线行车道路面结构面层依次为4cm中粒式沥青砼抗滑层,5cm粗粒式沥青砼中面层,6cm粗粒式沥青砼下面层,32cm—36cm水泥稳定碎石基层及综合稳定土底基层。为防止透入面层的雨水侵蚀、冲刷基层中的细料和保证基层在施工期间面上不受损害,在基层与下面层之间设置沥青下封层。隧道内水泥砼路面依次为:26cm水泥砼面层,15cm10号水泥砼平整层。沥青砼路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论,以设计弯沉值作为路面整体刚度的设计指标,计算路面结构厚度,并对沥青砼面层和整体性材料基层、底基层进行弯拉应力验算。4.5主跨分离式桥梁本段路线设计特大、大桥18座,所经主要河流有:静升河、梧桐河、石村沟、仁义河、陶村河、十里河、南洞河、北涧河、石壁河等及其支流,另外对许多大型冲沟经比较也采用桥梁跨越。a.对沿线特大、大、中桥选位及布孔时,因其桥长、桥高均不受水文控制,而大部分桥梁均处于地形地貌复杂、地质状况不良地段,且又处在高烈度地震区,因此,对于桥高在35m—80m之间的桥梁,对主孔一般采用连续刚构桥型。为便于设计和施工,将连续刚构分成主跨145m,边跨80m;主跨100m,边跨60m;主跨80m,边跨45m3种情况。在主跨布孔完成后,结合地形,以连续T梁作为较长边孔或以简支I型梁作为短的边孔。对于高度在35m以下的桥梁,一般采用30m或40m先简支后连续T架结构;在有条件的地方采用30m—50m等跨顶推连续箱梁结构;b.本段特大、大、中桥梁不可避免地处于曲线中,而部分桥梁尚处在整体式路基与分离式路基结合部位,多数桥梁为斜、弯、坡的组合。在设计中,对于箱形截面的桥梁,其曲线一般通过箱体渐变解决,横坡通过腹板高差作调整,加宽则是通过翼板调整,然后再逐渐通过箱体作调整。对于T型及I型截面的桥梁,在曲线范围内,则将梁按折线布设,跨间弦弧差,用现浇桥面板调整;c.大部分桥梁下部构造采用空心墩、I型墩、柱式墩及肋式桥台、柱式桥台等,基础一般采用钻孔灌注桩基础。如前所述,本段路线填土高度大于30m的路堤有30多处,最大填土高度为53m,因此,在设计中除采取将涵洞移位于沟坡等措施外,其余均视不同情况对结构本身及地基和基础进行了特殊设计,主要有石拱、砼拱、暗盖板、箱、圆管等形式。4.6隧道围岩形式隧道按高速公路山岭区标准设计,分上、下行分离的两座独立隧道。建筑眼界:隧道9.75m×5m;车行横洞4.5m×5m,人行横洞2m×2.5m。隧道所处地形起伏较大,相对高差可达200m(常家山隧道),最小也有100余m(燕家岭隧道),除常家山隧道基岩裸露外,其余隧道均为Q3、Q4黄土覆盖。围岩类别一般为Ⅰ(包括Ⅱ类浅埋)、Ⅱ、Ⅲ类,局部可达Ⅳ类。隧道除洞口段结合地形、地质条件设置明洞外,其余均按新奥法原理设计,推荐采用柔性支护体系结构的复合式衬砌,即以锚杆、喷射砼,格栅刚架等为初期支护,模筑砼或钢筋砼为二次支护,并在两次衬砌之间敷设橡塑板防水层。计算理论采用有限元法及荷载——结构法。隧道内均未设平曲线,洞内纵坡在0.5%—3%之间设单侧检修道,衬砌断面内轮廓采用单心圆。洞门形式依据不同地形采用了端墙式、翼墙式、台阶或柱式等形式。隧道内外有完善的防排措施以及齐全的通风照明、监控、消防等设施。4.7交叉设计流量设计4.7.1确定构造物范围,设置互通交通渠道,确保交通安全互通式立交位置、型式及间距的选择,经历了多方案论证的过程,根据沿线行政区域划分、地方发展规划、被交叉公路等级、各转向交通量大小。结合收费制式、主线上跨与下穿,立交区自然条件等,经工程造价与运营效益的综合比较,才最终确定。对该区内构造物的布置,不仅考虑满足通行的要求,同时考虑了使用者视觉上的需要。在经济合理的前提下,设计中注意了与立交区周围景观的协调统一。本段路线设3座互通,分别为灵石马和、灵石仁义及霍州杨枣。前后两个互通位于重丘区,布设条件较好,仁义互通布设于高差为200余m的山岭区,条件较为困难,交叉形式均采用单喇叭。匝道车道数为单向车道和双向车道,路基宽度分别为8.5m和10m。马和、仁义两个互通为三级互通、霍州杨枣为二级互通。由于霍州互通枢纽功能的实现依赖于省干线公路第五横的打通,故设计中考虑分期实施修建。4.7.2适当的改移和改造立交对分离式立交的数量,主线上跨时基本保持原有道路的平面形式、宽度方向一般可压缩,布孔时充分考虑了其发展规划的要求,主线下穿时一般