高质量发展理念在黎霍高速公路设计中的应用

刘志胜，袁正兵

（山西交通控股集团有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

截止2020年底，我国公路总里程达500余万公里，其中高速公路里程达15余万公里，位居世界第一。我国公路行业已具备由通车里程累积、路网密度增加阶段向品质提升阶段转变的基础，为进一步满足人民对高质量交通基础设施的要求、适应新时代经济社会的发展需求、提升公路服务水平，助力交通强国建设纲要实施，积极推进公路行业高质量发展，在规划、设计、施工阶段积极贯彻落实高质量发展理念，已成为必不可少的研究内容[1]。

现阶段，我国高速公路主要按照传统方法进行设计，存在新技术应用保守，“四新”技术推广不够；采空区过度处治，资源浪费；隧道通风照明过于保守，设施闲置率较高；安全设计较为传统，运营风险难以达到预测预警等问题[2-3]。为此，本文以山西省黎霍高速公路设计项目为依托，以高质量发展理念为指导，提出优化的设计方案，提升公路品质，为山西省建设安全可靠、便捷高效、绿色智能、融合创新的高质量高速公路提供理论指导。

1 项目概况

黎霍高速公路为山西省“三纵十二横十二环”高速公路网第八横的重要组成部分，按双向四车道高速公路标准建设，设计速度80 km/h，整体式路基宽度25.5 m，全线设置桥梁90余座，隧道20余座，涵洞200余道，立交10余座，收费及服务站区10余处。设计关键控制要素包括：与10条国省干线公路相交，与两条铁路线相交，与多条河流相交，沿线途经20余村庄城镇，沿线煤矿涉及采空区，途经自然保护区、地质公园、水源保护地及文物遗址等多处环境敏感点。

2 高质量发展理念

2.1 加强总体设计，贯彻绿色发展理念

项目途经村庄城镇众多，与河流、铁路交叉多次，涉及自然保护区、水源地、文物遗址及采空区等较多。在国家“绿水青山就是金山银山”“保护基本农田”等理念下，最大限度地保护基本农田、保护生态，积极利用低碳节能技术，减少项目对自然环境的影响，优化线形，提高区域路网服务效率[4-5]。

2.2 强化安全设计，降低运营风险

针对存在的运营安全问题，加强安全性评估和风险防控，优化风险路段的基础设施，加强环境复杂路段（气象、地形等）的安全监测，完善重点路段、区域的应急保障设置，提升高速公路安全运营等级，全力保障运营安全。

2.3 贯彻品质理念，提高基础设施质量

基于全寿命周期设计理念，以耐久性公路建设为目标，从公路构造物结构与材料设计、施工工艺、新技术应用、长期性能监测等方面打造长寿命公路建设体系，全方位控制公路工程质量，降低全寿命周期成本[6]。

2.4 创新驱动发展，推进高速公路智能化

全面推进新材料、新设备、新工艺应用，借助大数据、信息技术等集成，构建高速公路设计、信息管理系统，兼顾智慧公路发展需求，扩展智能感知等智慧功能，综合应用数字化技术对高速公路基础设施进行数字化管理，以科技创新实现高速公路的智能化。

3 设计方案

3.1 总体方案

3.1.1 线形优化

以提高公路整体服务水平为目的，充分考虑环境保护、节约用地、节约投资，根据沿线地形、地物、地质条件和构造物设置情况，从路线平纵断面线形均衡性、减少高填深挖、减少沿线干扰因素等方面进行线形优化[7-8]。

3.1.2 采空区处治

传统的理念为“遇采空区必处治”且“采空区处治不惜代价”。专题开展“公路穿越采空区地质灾害早期识别、监测与处治成套技术”等8项科技项目，充分论证公路穿越采空区地表变形行为、致灾机理，提出沿线采空区分类、处治及监测技术。确定采空区是否处治、处治规模及是否监测等，有效降低工程规模，节约工程造价。

3.1.3 生态防护

总体设计方案充分考虑沿线气候特点、地层及边坡稳定情况，确定喷混植生护坡、窗口植生护坡、SNS柔性主动防护网、框架锚杆+喷混植生、拱形骨架植生、土工格室等多种以生态防护为主、工程防护为辅的边坡防护及水土保持方案，全面贯彻绿色环保理念。

3.2 路基工程

3.2.1 预制拼装涵洞

在涉村落便涵等位置，采用预制涵洞设计方案，通过涵洞构件的集中预制加工和高性能混凝土的应用，提高构件的品质，降低工程项目的全寿命周期成本。预制构件的现场安装以机械化施工为主，人力为辅，较传统施工模式可节省人力成本。

3.2.2 加筋土过渡段

在桥台、涵洞与路基过渡段，增设加筋土过渡段，除在纵向方向上使用摩擦或机械连接放置筋材以外，在横向方向的两侧面板上同样安装筋材，缩小桥涵与路基的刚度差异，减小桥涵与路堤间差异沉降量，有效缓解“桥头跳车”问题。改善高速公路行驶舒适度，并降低后续维护成本。

3.2.3 径流导流系统

在长大纵坡坡底前端、单坡隧道高位洞口等特殊路段，由于纵断面线形导致路面径流严重的局部设置路面径流导流系统，当降雨量较大时，可串联设置两套，将路面径流及时引导至路基范围以外。防止降雨过程中，路面径流对下游结构的冲刷，尤其是桥头、隧道入口等衔接路段。

3.2.4 长期性能监测

以公路边坡地质灾害预警为目的，对特殊地质条件下的构造物（如高陡边坡、抗滑桩等）进行长期性能监测，在对灾变规律、灾变信息研判的基础上，从时间和空间上对灾害发生过程及可能造成的损失进行预测、预警、预防。

图1 高陡边坡长期性能监测

3.3 路面结构与材料

3.3.1 结构设计

贯彻落实交通运输部及山西省交通运输厅环保、绿色交通的相关精神，推广废旧轮胎及废弃材料等应用，在上面层采用废旧胶粉复合改性沥青混合料，中面层采用抗辙裂沥青混合料[9]，基层采用级配碎石+水泥稳定碎石结构，降低半刚性基层沥青路面的裂缝反射问题。在特重交通方向通过增加水泥稳定碎石层和下面层厚度来满足需求。混凝土桥梁铺面在双钢混凝土与沥青铺面之间增设2 cm的SMA-5，以提高桥面防水性能。

3.3.2 材料设计

a）路基段路面材料 在分析沥青路面力学响应的基础上，基于沥青路面主要结构层的功能要求，进行下面层抗疲劳沥青混合料设计、中面层抗车辙沥青混合料设计、上面层抗滑降噪沥青混合料设计，包括材料的改性剂掺量、级配及油石比等因素。

b）隧道路面材料 采用连续配筋混凝土路面，通过小间距微裂缝构造降低普通水泥混凝土路面伸缩缝对行车舒适性的影响，其中连续配筋混凝土路面分上下两层施工。隧道内部采用表面纹理丰富、构造深度更大、抗滑性能更好的露石混凝土，以满足路面抗滑性能要求；隧道出入口采用铝矾石骨料沥青混合料，以满足刹车对路面抗滑表层的磨损。

c）桥梁铺面材料 钢箱梁桥面采用环氧树脂改性沥青混合料进行铺筑，增加铺面与桥梁结构的变形协调性，有效避免铺装层的推移、车辙等病害。

3.3.3 路面性能监测

在路面结构各层位布设传感器监测相关结构层的变形及应变情况。根据车辆行驶时车轮渠化交通的作用位置，在横断面上间隔1.5 m依次布设横向和纵向应变传感器，并布设分布式光纤监测级配碎石的变形情况，分别感知轮载正下方结构层的拉应变、偏离轮底处可能出现的压应变以及多轮荷载叠加作用下路面结构的复杂应变场。根据沥青路面结构损伤模式和厚度设计控制指标，分别在沥青面层内部、面层底部和基层底部设置横向和纵向动态应变计，监测车辆荷载作用下沥青路面不同结构层位的应力、应变响应量，为沥青路面的长期工作性能监测提供数据支撑。

3.4 桥梁工程

3.4.1 桩基溶蚀区域

综合分析沿线岩溶区的特点和工程特性，确定综合勘察方法，判定岩溶范围的岩土层力学指标，结合地层稳定情况，灵活设置桩型。通过地质勘察，确定溶蚀空洞的形成机理，判定其类型和形态以及填充物和填充率；同时结合现场试验手段，确定岩溶范围内桩侧摩阻力和桩端承载力。在岩溶极发育情况下，应比选加长桩长和加固桩周边地基方案，确定合理的处治方案，降低桩基成本，减短岩溶区的勘察设计施工周期。

3.4.2 柔性桥台

跨径较小的桥梁可以尝试柔性桥台，常见的“土工合成材料加筋土”柔性桥台复合结构既保持了加筋土桥台能够有效缓解“桥头跳车”问题，其施工便捷、绿色环保、抗震性能优良且造价和后期维护成本低廉的优点，又进一步提高了结构的整体性和承载能力。

3.4.3 预制拼装

在充分研究预制拼装结构连接部位荷载传递机制与构造要求、抗震构造及施工技术的情况下，在中小跨径桥梁的下部结构考虑预制拼装结构的设计、施工及维修方案，对桥梁构件化养护及推进装配式桥梁工业化快速制造具有重要意义。

3.4.4 智能监测

总结不同类型桥梁的监测项目，提出桥梁监测的关键指标，并制定基于物联网的智能监测措施。根据布设的传感器类型、信号特征、数据处理要求等，进行智能监测系统开发，提出荷载、结构及环境监测、展示与预警方案，做到桥梁病害的预测、预警及预防。

3.5 隧道工程

3.5.1 侧壁水性瓷化涂料

在隧道侧壁采用水性瓷化涂料进行施工，使得侧壁形成漫反射表面，在保证一定反射率的同时，又能避免产生眩光效果，这样既可以协助和改善洞内照明系统，又不影响行车安全性。此外，便于定期清洁，在满足隧道行车安全的条件下，改善行车环境，协调洞内外的景观。

3.5.2 节能照明系统

隧道选用长寿命、低光衰、高显性、高效节能、绿色环保的LED灯，并配置无极调光系统，从提高光源光效、优化系统设计、加强能耗管理等方面入手，在保障隧道照明的情况下，实施节能环保措施。同时，在隧道洞口及内部按间距设计LED投影交通标识，完善交通安全细节，改善驾驶体验[10]。

3.5.3 静电除尘

在特长隧道灯具下部安装隧道静电除尘装置，利用阴极在高压电场中发射的电子以及电子碰撞空气粒子产生的负离子来捕捉空气中的颗粒物，使带电颗粒吸附在阳极，达到除尘目的。可减少散装货物运输对隧道内基础设施的污染，提高隧道能见度，降低照明电能消耗。

3.5.4 消防管道防漏防冻远程安全监测

在特长隧道洞口1 000 m范围内安装消防管道防漏防冻远程安全监测系统，对隧道内消防管道存在的渗漏和温度异常问题及时预警、报警，提示管理人员做到对异常点的准确定位和及时维护处理，有效提升隧道消防安全水平。

3.6 生态环保

3.6.1 桥面径流收集系统

在跨越河流、村镇农田、水源地、自然保护区、地质公园等环境敏感的桥梁布设桥面径流收集系统，主要用于桥面径流水集中收集，减少桥面径流对水环境的污染，尤其是解决径流污染没有净化处理、危化品泄露时被动收集等问题。

3.6.2 生态声屏障

将粉煤灰陶粒和环氧树脂优点进行耦合制造粉煤灰陶粒生态景观型声屏障，有效发挥粉煤灰多孔材料的吸声性能与聚合物的连续相结构较稳定的优势，又可在声屏障上营造绿化景观，项目的有效实施可有效解决嵌板型金属结构声屏障绿化景观协调性差、造价成本高等问题，进一步促进高速公路绿色、低碳、循环发展。

3.6.3 分布式光伏发电

开发隧道出入口中央分隔带、向阳边坡、站区顶棚及互通枢纽闲置土地资源，安装分布式发电系统，大力开发、利用太阳能，既符合国家、山西省低碳环保可持续发展战略要求，又适应绿色公路、智慧高速建设理念，还能盘活高速公路闲置资产，培育新的利润增长点，拓展光伏发电应用新模式，达到“降本增效”的目标。

3.7 安全应急

3.7.1 雾区防撞诱导系统

在急弯陡坡、特殊气候及自然保护区等区域路段，在道路两侧安装气雾检测设备（包括诱导灯），借助无线自动组网，能够根据路面能见度情况，自动开启应对团雾条件下的道路交通安全保障控制模式，实现公路团雾监测、诱导、防撞预警等功能。

3.7.2 特殊标线

在部分特殊路段，设置趣味音乐标线，当车辆匀速通过时，汇合产生高低不同、错落有致的旋律，改善驾驶体验，赋予高速公路多尺度行为特性。在急弯陡坡路段设置红白警示振动标线，提示驾驶员纠正行车方向。

3.7.3 服务区危化品车辆规划停放、监控

在满足服务区服务功能与服务水平的前提下，在停车区域划分上进行专项设计，侧重于对危化品车辆的安全管控，包括专用停车位的位置、大小、车位之间的距离、停车位两侧是否设置活动栏杆进行围蔽，警示标志标线的设置等。同时，开发危化品车辆区域定位跟踪系统，当危化品车辆在临近服务区时，实时提示危化品车辆剩余停车位，并在服务区入口进行自动识别，管控平台实时跟踪监控车辆在服务区内运行情况等，发生突发事件时自动报警，解决智慧服务区危化品车辆的安全管控问题。

3.7.4 应急物质储备

以所在区域近十年高速公路突发事件特点为参考，综合考虑路网规模、路网管理、交通量分布等因素开展应急物资储备需求分析，基于实际情况，兼顾高速公路应急处置与日常养护，对辖区内各级应急物资储备中心进行统一规划、布局。通过进一步优化选址、科学配置应急物资，可以在充分利用现有资源的前提下，有效缩短应急响应时间、提高应急处置效率、减少经济损失，确保高速公路安全畅通高效运营。

3.8 三维实景数字化

结合互联网及3S等技术，将基础设施融合纳入高速公路三维实景数据库，构建“多源二三维实景一体化GIS平台”，实现实景数据的一体化联动查询展示，实现交通基础设施数字化，实现高速公路建设、管理、养护和运营的精细化，并为智能网联车路协同应用提供数据支撑[11]。

图2 三维实景图

4 结语

建设绿色生态、安全高效、耐久舒适及智能高速公路已成为公路工程高质量发展的趋势，在设计阶段从总体方案、特殊路基、路面结构与材料、桥梁健康状态、隧道功能、生态环保及安全应急等方面贯彻高质量发展理念，并将这6个方面作为高质量发展理念的重要方向和任务，逐步探索高速公路品质工程发展之路。此外，对高速公路基础设施进行数字化管理，为高速公路高质量的运营管理作前期准备。