川藏北线四川俄岗段总体设计思路与关键技术对策
国道317线俄岗路(川藏北线四川俄岗段)是四川省通往西藏最便捷的通道,是四川省藏区公路的主骨架之一,也是甘孜州经济主干线中的一段,在国家西部综合交通体系中具有重要地位。
受特殊的地形及当年投入不足等因素影响,公路随山就势、弯急坡陡,路线标准低,部分路段存在季节性冻土,阴山日照少,冬季积雪期长等问题,以致于路基破坏、路面龟裂,雨季或积雪期泥泞不堪,车祸频发,虽经历次改建,但仍未从根本上解决问题。本文涉及的改建工程,自2 010年开始启动,路段横贯甘孜州东西全境共385公里,海拔高度在32 0 0米至5 0 5 0米,地震烈度为Ⅶ度至Ⅷ度,拟按二级公路(局部三级)标准实施,是国内近几年来最为典型的高海拔、高烈度、高寒区域的公路等级化改建项目之一。
本文以国道317线(川藏北线)俄尔雅塘至岗托段改建公路工程为例,对高原改建公路的关键技术问题进行分析,初步提出了高原地形、地震区、冻土区等复杂综合条件下改建公路路线平、纵面设计的对策措施,同时从总体设计的角度对高寒地区公路走廊季节性冻土综合设计、长大纵坡考虑、高原生态环境保护等方面进行了阐述,可为后续同类项目提供借鉴。
项目特点和难点
项目特点
首先,建设环境具有“三高三差”的特点,即海拔高、地应力高、地震烈度高,地形差、地质差、自然环境差,特别是存在深切峡谷区以及青藏高原边缘台地海拔急剧上升区,导致勘察设计及施工难度大。
其次,项目走廊带不良地质病害发育,有滑坡、泥石流、崩塌、水毁、季节性冻土、路基冻融与翻浆、路基沉陷、雪阻,以及涎流冰等。由于其成因复杂,故改建工程对特殊工点的绕避或治理难度大。
同时,项目沿线风景优美,自然人文景观集中,号称“中国的景观大道”。但是,其生态环境极为脆弱,自然环境恶劣,破坏后不易恢复。特别是几十年以来修建和养护道路的前辈们培植成活的高原行道树,更是一道亮丽的风景,如若大规模破坏将会造成难以恢复的遗憾。
除去上述项目实体特点,综合来说该项目是重要的政治路、国防路、民族团结路、旅游路、经济发展之路,并具有独特的人文特点。
项目难点
针对“三高三差”的项目特点,项目总体设计主要有4个方面的难点:
(1)深切峡谷区的平面布线和海拔急剧拉升段的长大纵坡。
例如,项目起点色尔曲河段和德格一线天段,都为典型的高原深切峡谷区,平面极为狭窄,路河相争,同时还有电力铁塔、通讯光缆等干扰,如何控制平面指标和因地制宜布线是一大难点。
平均纵坡大是影响行车安全的重要因素,在客观的地形、地质、高差及社会环境下,设计如何综合全面地考虑方案布局,通过对路线纵面的优化,减少工程规模的同时减缓纵坡是一大难点。
(2)脆弱生态环境的保护和资源节约。
本项目影响区生态环境极为脆弱,公路两旁的行道树及路域资源极其宝贵,需要执行最严格的土地保护措施,而公路的建设又不可避免地要占用部分土地及其他资源,有限的资源供给与需求的矛盾特别突出,环境需求与保护、水土保持十分敏感。
(3)高地震烈度的公路总体设计。
项目全线位于地震烈度Ⅶ至Ⅷ区,桥隧挡防等结构物的局部抗震及3 8 5公里公路走廊带的整体抗震,都是值得深思考究的,高地震烈度是总体设计不能避免的难点。
(4)高原环境下不良地质。
项目区域走廊单独或合并存在滑坡、泥石流、崩塌、水毁、雪阻、涎流冰、季节性冻土、路基冻融翻浆和路基沉陷等不良工点类型。如何安全经济地处治或总体线路上绕避是一大难点。
总体设计
狭窄地形和陡升地形平纵指标等总体考虑
项目区域位于青藏高原东南边缘,存在深切峡谷区和海拔陡升段。峡谷区最窄处甚至仅有10米左右,且存在路、河、铁塔等争占空间的局面;海拔陡升段往往在1 0公里左右的平距范围,却存在400米至600米的高差。
深切峡谷区,河流两侧都是峭壁,平面展线在空间上存在困难。设计上主要分三个层次进行总体考虑:首先通过精确的外业控制测量,精细化的内业设计,尽量做足二级或三级标准的临河线、傍山线;实在无法满足明线线形标准的,可考虑隧道、半山洞等造价稍高的构造物;若现场地形过于狭窄、迂回,明线达不到设计等级标准,而工程造价又不允许修建隧道等高成本构造物的情况下,可以从技术标准的灵活性上寻找解决办法。一个项目等级定为高速公路、二级公路或者多少等级的公路,在普遍情况下应严格遵照规范、规程对相应等级公路技术指标的规定,但在特殊的矛盾或需求下,设计者可依据现场实际情况灵活掌握指标,适当地突破规范。规范存在灵活性语言“突破口”和现场实际需求是我们适当突破的支撑。比如本项目川藏北线工可批复设计速度为4 0 k m/h至6 0k m/h,在初设阶段,由于现场一线天段地形狭窄、迂回情况超出预期,最终批复同意了我们提出的局部路段降低为3 0 k m/h的推荐方案。当然,我们按照《公路工程技术标准》等相关规定,从路网、公路功能、交通量等方面作了大量的论证工作,并对高标准增设隧道、低标准降速、折衷维持4 0k m/h的时速过分侵占河道等全部可能方案,进行了优选筛查。
海拔陡升段容易形成长大纵坡,而长大纵坡的行车安全性一直是行业的难题。本项目主要分三个方面进行解决长纵坡、大高差问题,首先以平面换纵面,老折山下山段的螺旋桥和罗锅梁子上山段的回头展线,都属于平面迂回来换取纵面指标的提高;第二点需要注意的是原路改建纵坡增加1%与高原纵坡折减1%相互抵消后,总体设计的最大纵坡与控制道路安全性的合成纵坡应综合考虑,在平纵组合设计中应提前考虑到超高横坡与主线纵坡的合成坡度关系;第三点长大纵坡段做好交安限速标志标牌、震荡减速彩色标线、紧急避险车道、港湾式停车带、安全护栏等综合配套设计。
生态保护及高原行道树保护
《国家地理》杂志评选出的中国最美的雪山、冰川、村庄、寺院、河流等,多半都集中在川藏南线(国道318线)和川藏北线(国道317线)路域这片广袤的土地上,大美风光,壮丽景色,文化传奇,感动着无数中外游客,因此被誉为“中国最美的景观大道”。一直是自驾爱好者的天堂,也是四川对国际游客最具吸引力的潜在旅游区域。日前,“中国最美景观大道——317、318川藏世界旅游目的地规划”通过初评,有望纳入国家“十三五”旅游发展总体战略。
此时,回顾我们三年前的总体设计,颇有验证和告诫作用。“不破坏就是最大的保护”“宁填方勿挖方”等从初设阶段就坚持的环保理念,有效地保护了沿线的自然边坡、草坪、白塔、藏式民居;强化自然风光保留和后期草、灌、树绿化相结合的“川九路”风貌;高原行道树成活不易,极其宝贵,以最虔诚的态度和最精细化的设计达到最大限度的保留的目的。
改建公路保护原有行道树,有三点措施:(1)通过精细化的外业勘测,让每一棵树在纸上定位,然后反复地作纸上移线,再综合其他各方面既有条件,调整平纵对行道树的影响直至最小;(2)边沟外移到行道树外侧,或在不影响建筑限界的原则下,将行道树保留在土路肩上;(3)让护坡、护肩、挡墙等构造物与行道树融合共生。
高地震烈度的公路总体设计
川藏北线俄岗路走廊地震烈度高,具体分布为起点至K 10 9为Ⅶ度,K10 9-K 382为Ⅷ度,之后到止点3 0公里为Ⅶ度。公路抗震的总体设计主要分为以下3点:
(1)尽量让路线布设在断裂带的同一侧,不频繁跨越断裂带,若必须跨越时尽量采用路基等后期容易修复的结构物形式,桥梁等结构物布设在路线总体设计时,要考虑到距离断裂带一定距离且置于相对稳定盘。比如K165附近鲜水河断裂与路线及桥梁的关系,就充分体现了这一思路。
(2)出于抗震考虑,桥梁原则上采用双柱式桥墩,尽量少采用独柱式桥墩;桥墩盖梁满足a≥70+0.5 L的搁置长度规定;墩柱截面变化部位设计成喇叭形渐变截面,且在墩柱潜在塑性铰区域加密箍筋间距和加大箍筋直径;预应力混凝土简支小箱梁盖梁两侧分别设置横向防震挡块;对位于平面曲线半径小于2 0 0 m的桥梁及位于S型曲线上的桥梁设置纵向防落梁缓冲链;加强桥梁抗震计算,墩柱较高的桥梁可采用铅芯橡胶支座。
(3)长大纵坡路段运用平面换纵面总体思路时,要充分考虑到地震工况下的结构安全因素。比如老折山隧道上山段的3处螺旋展线的C线方案,以平面的迂回换取了纵坡的降低,但需在40 0 0米海拔、Ⅷ度抗震区增设3处螺旋桥。在初步设计时,经综合权衡放弃了螺旋方案。
季节性冻土处治的总体考虑
川藏北线俄岗路横贯甘孜州东西全境,海拔均在320 0米以上,普遍存在0.8米至1.2米的季节性冻土,典型路段为雀儿山前后。在总体设计时,常对季节性冻土进行预防性的全盘考虑。
季节性冻土对路基路面的影响主要可概括为四个组成因素:路线、水、土和温度。公路设计的各个阶段应充分考虑这4个因素对路基的影响,在前期总体设计的时候更应综合权衡,力争做到全面了解、全面照顾、全面优化,力争使不均匀冻胀和融化翻浆现象降到最低。
(1)路线因素
对于路线因素,从总体设计的角度考虑,结合项目实际情况,总结为三点措施:
首先,让路线尽可能地布设于阳坡或半阳坡坡面,以便增加路面的日照时间,且最大限度地将埋深设计得大些。
其次,因季节性冻土地区涵盖的范围广,气候条件恶劣,自然和地质病害种类多,布线时,应详细研究路线走廊内的气候、地质等自然条件,深入进行工程地质、水文地质的勘察工作,查清病害对公路工程的影响程度,采取合适的应对措施,并坚持地质选线原则,尽量避绕病害严重的区域,力争就在路线平面上让冻土的影响达到最小的程度。对于冻土影响较大的局部湿地或淤泥质路段,尤其应让路线在平面上“绕避通过”。如本项目K161+70 0~K162+30 0路段,路线平面就紧贴原路靠左基岩边坡而行,最大限度地避免路线进入右侧湿地之中。
另外,季节性冻土地区的路线纵断面设计,以路堤形式为主,避免零填方和路堑。路基最小填土高度以当地最大冻深高出0.8米至1米左右进行控制。本项目在设计路线纵坡时,考虑冻土影响的路基最小填土高度为1.5米,即尽量以填方1.5米以上的路基形式通过冻土区域。这就要求设计者,在项目施工图阶段充分细致地考虑路线的每一段纵坡,将路线的平、纵、横综合起来衡量。
(2)水、土、温度因素
首先,季节性冻土形成的关键因素是水。如何快速地疏排地表水并有效地降低地下水位,是设计总体上把握的重点。这就要求勘察设计者在外业期间,应对项目沿线水系进行详细的调查分析,无论是地表的还是地下的。如此,才能在内业阶段做到有的放矢。
其次,土也是冻土路基设计上要考虑的一个重要因素。透水性好的土可以以盲沟的形式形成排水通道,有效疏排地下水,同时减小毛细水上升的空间;抗冻胀性好的土可以减少冻胀作用引起的路基路面翻浆开裂现象。设计前期就需要考虑的是,全面调查路基下卧层的岩土性质,作出客观评价,最终评判是利用原有天然基础还是换填符合要求的土。第三,温度因素。地温和温度的变化是季节性冻土对路基造成破坏的必要条件。地温大幅度的变化,引起土的冻融作用,带动土体自下而上的破坏,最终导致公路基层和面层的开裂或凹陷。对地温较低的季节性冻土实行保温原则,对地温较高的不稳定季节性冻土实行控制融化速率原则,是我们进行总体设计、考虑工程处置措施的核心思想。
总之,在对水、土、温度各因素的全面了解的基础上,采取措施对各因素在影响路基稳定的发育过程相关阶段进行阻截,是我们总体考虑季节性冻土路基工程处置措施的出发点。
钢波纹管涵等新技术的应用
任何一项好的总体设计,都应在传承以往项目经验的同时考虑技术革新,以包容接纳的心态推广应用新技术、新材料。
为减小国道保通压力,总体设计时考虑了部分钢波纹管涵。事实上只要严格控制了波纹管涵洞的回填压实,最终的保通和使用功能都能满足预期。
为解决部分圬工工点地基承载力不足的问题,在罗锅梁子上山段设计了泡沫轻质混凝土挡墙,利用新技术解决了工程问题,同时较好地兼顾了造价。
为解决季节性冻土路基边沟底部的冻胀问题,总体设计时考虑了高强土工格栅组合边沟预制安装技术。
总之,川藏北线俄岗路项目因地制宜地利用了新技术和新材料,在实践中取得了良好效果,为今后同类项目的推广应用积累了经验。
结语
伴随着国家西部基础设施提档升级战略进一步实施,西部高原亟待建设的公路乃至高速公路仍然较多,如川、青、藏、甘等省份待改建的国省道干线,川藏高速的汶川—马尔康、马尔康—炉霍—德格—昌都—林芝等项目。公路走廊带存在高原峡谷、地形困难、气候恶劣、地质条件复杂,掌握总体设计思路、合理运用关键技术,直接关系到工程的造价乃至成败。
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