基于全生命周期的高速公路设计优化探索

李振珂 王汝波 熊和 郭璞

关键词 全生命周期;高速公路;设计优化

中图分类号 U412.366 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）04-0034-04

0 引言

进入21世纪以来，我国公路建设事业发展迅速，截至2018年底，我国公路总里程将近484.65万km，其中高速公路14.26万km。根据国家出台的《国家公路网规划（2013—2030年）》，要进一步加强区级联系，丰富完善高速公路路网，提高通道水平，规划远期展望线约1.8万km。“公路建设，设计先行”，加强设计创新、注重全生命周期设计、关注绿色公路设计、设计与施工深入融合设计等高速公路新的设计理念不断发展，极大地推动了高速公路设计创新，促进了高速公路设计的整体效应、关联效应。高速公路设计专业多、路线长，需要加强统筹规划，注重全生命周期设计，加强优化设计。

1 路线优化设计

路线是高速公路的骨架也将直接影响整个公路的设计方案[1]。合理选定路线方案就是在确保安全、舒适、快速行车的基础上，深入调查路线所经过路段地形地貌、气候条件、水文地质等自然情况，在充分考虑工程造价的情况下，提升技术指标，并尽可能使路线短捷[2]。

1.1 平面线形设计

（1）基于全生命周期及减碳排放的设计理念，尽量选择路线较短的方案，减少建设期工程量、运营的养护里程、车辆碳排放。高速公路平面线形的优化还需与沿线城市、乡镇的既有规划结合，加强设计优化与周围景观的协调设计，充分发挥公路的社会服务效益。

（2）平面线形应综合考虑项目地形、周围景观、当地环境等进行设计，高速公路一旦存在转角，必须设置平曲线，半径最大不应高于10 000 m，控制在9 000 m以内为宜。

1.2 纵断面设计

高速公路纵断面设计是一个系统性工程，关乎路基填土高度、桥梁、互通规模等全局设计，应控制纵断面变坡点与高程控制点重合，得到科学的、合适的高速公路纵断面。

（1）纵坡是决定桥梁规模的主要因素，在满足桥下净空、通航、防洪等需求及相关规范的情况下，应尽可能采取较大纵坡，缩短坡长，提高台背填土厚度，减少桥梁跨径。桥头纵坡应控制在2%～3%的范围之内，纵坡超过2.5%时，坡长不宜超过1 000 m。

（2）综合考虑排水要求，通道、涵洞应尽可能降低标高，如果条件允许，可以适当下挖交叉道路，降低标高，一般平原地区通道底标高控制在超出地面0.2～0.3 m左右。对于被交路上跨主线的分离式立交，在满足路基强度及稳定性的前提下，应尽可能地降低路基高度。

1.3 路线优化案例

某高速公路原线路方案路线于六汉沟河谷中部布线，向西设丰厚隧道穿山，隧道出口附近靠山布线，路线长度3.0 km。经过现场调研进行优化设计，现右移平面35 m，于六汉沟河谷偏北侧布线，向西设丰厚隧道穿山后线位右移25 m，减少隧道偏压段长度，路线长度3.0 km，原方案与优化方案对比情况如表1所示。

2 路基路面及排水设计

2.1 路基优化设计

路基应综合考虑沿线的气候条件、地形、地质情况、路基填料情况以及施工的便利性等分段进行方案设计。

不同的地质条件、材料供应情况、施工条件等分段进行方案设计。

（1）应加强软土路基处治方案优化。当采用水泥搅拌桩处理软土路基时，桥头段桩间距宜为1.1～1.3 m，过渡段宜为1.3～1.6 m;当应用超载预压方式处治软土路基时，不同处治方案的交接长度宜为10～20 m，避免不均匀沉降引起的裂缝。

（2）在填塘路段、新老路基拼接路段，可采用土工格栅处治，但要根据具体情况进行设计，比如填塘路段，当填至近原地面时，可以铺设1～2两层的双向土工格栅防止不均匀沉降;新老路基交界处填土高度大于3 m，填土时，可先布置2～3层单向土工格栅，再进行填土。

（3）高速公路路床、路基填料的掺料应根据土质类别及实验确定，而不是统一采用掺灰处治。路床80 cm内的填料掺灰比例宜为5%～7%，路基中部填料的掺灰比例应控制在5%以内。粘性土可掺适量水泥，降低掺灰比例，可以节约一定的造价。

2.2 路面优化设计

路面应统筹考虑气候条件、筑路材料、交通量、交通荷载等情况进行路面结构层、厚度、使用寿命等优化设计。总的来说，在所有的优化设计方案中，一定要全面解决重载交通车辆的问题，消除早期水损害的影响。通过层层的优化设计，合理配比混合料，从而更好地服务于后期的施工质量[3]。

（1）路面结构优化设计，应从路面的抗车辙、水稳定性、抗反射裂缝等方面进行优化设计，应开展半刚性基层、混合式基层探索应用。

（2）加强路面材料研究，进一步提高材料参数测试质量，提升环保型材料的应用水平。比如在立交匝道上通过橡胶粉沥青路面的使用具有低碳环保、减少变形和抗疲劳开裂等诸多优势，能科学合理地减少路面出现的噪声[4]。钢渣沥青混凝土、PE改性沥青混凝土等环保型路面材料的应用，可以有效保护生态环境。

2.3 排水优化设计

2.3.1 边沟优化设计

高速公路设计通常采用梯形边沟，尺寸一般為底部宽为60 cm，上口宽为180 cm，一般能够承受路面400 m的排水长度，对于平原地区或丘陵地区不适合，设计过于保守，且公路边沟过宽影响高速公路的美观。

根据相关规范，结合实际工作经验，一般地区高速公路，双向四车道的梯形边沟上口宽度不宜大于1.2 m;双向六车道的梯形边沟上口宽度不宜超过1.5 m;双向八车道的梯形边沟上口宽度不宜超过1.8 m。低填方及路堑边沟采用暗埋边沟比较合适。

2.3.2 中分带盲沟

中央带排水主要是为了排除中分带表面的下渗水，雨水下渗土中需经饱和，且渗水量有限，因此中分带盲沟尺寸不宜过大。

中央分隔带盲沟的大小宜在40×30 cm以内，横向过水管的布置应按80～100 m间隔较为合适，可以适当加密横向过水管的间距，从而减少中央分隔带盲沟尺寸。雨水量较大的地段可以适当加大中央分隔带盲沟尺寸和横向排水沟的间距，雨水量不大的路段可不设置中分带排水。

3 桥涵设计

3.1 桥梁设计

3.1.1 优化桥梁建筑高度

（1）主线桥梁线形应与路线布设相互协调，在被交路或者河流地方，可以适当改移，从而降低桥梁的交角及跨径。

（2）对于既有的被交路是二级及以下的公路时，宜在中分带设置桥墩，降低主线高速公路桥梁的跨径及建筑高度。

（3）桥梁全长不大于120 m时，应优先考虑采用先张法预应力混凝土简支空心板，从而减小桥梁的建筑高度和桥长。

3.1.2 主梁设计

（1）为保障混凝土的施工质量，现浇混凝土结构的主筋布置间距应加以控制，一般不宜大于9 cm。不然应适当增大结构尺寸或提高主筋的强度等级以保障受力。

（2）对于现浇预应力梁，当钢束的张拉长度大于125 m时，应合理分段进行浇筑和张拉，宜将平均预应力损失控制在25%之内。

（3）当一联全部采用独柱墩时，为保障桥梁的横向稳定性，联长应控制在125 m。

（4）为减少造价和保障工期，尽量采用结构形式较为简单的桥梁。

3.1.3 下部结构设计

（1）随着六车道、八车道等多车道高速公路的建设增多，其同跨径的墩台受力情况与四车道相比有明显改变，应重视承台的优化设计，确保安全。

（2）主线桥梁基础应优先考虑采用钻孔桩，支线桥梁应根据地质情况采用桩基础或扩大基础，从而控制投资。

3.2 涵洞设计

（1）在满足设计相关规范和过洪要求的情况下，应优先考虑采用管涵。

（2）为便于河沟清淤，涵底标高宜设在原河沟底标高下0.3 m。

（3）无压涵洞内定点至最高流水面的净高不仅要满足相关的规范规定，同时不宜小于1 m。

3.3 桥梁优化案例

某桥梁上跨西江河，桥位处设计洪水位为17.86 m，最高通航水位15.81 m，最低水位1.0 m，常水位时河面宽700 m，现为Ⅱ级航道，通航3 000 t级船舶，规划为内河Ⅰ级航道。原设计方案为主跨采用（70+120+400+120+70）m斜拉桥，上报估算建安费10.35亿元。为确保该桥结构的安全性和合规性，寻求最佳优化设计成果，控制投资规模，尽可能减少或避免该项目在施工和建成运营过程中因设计方案不当造成的工程变更和工程隐患，经研究，主梁桥梁上部构造采用变截面预应力混凝土箱梁，按全预应力构件设计，设置纵、横、竖三向预应力体系。箱梁主跨190 m，边跨110 m，优化方案为（110+2×190+110）m刚构桥，造价为7.747 3亿元。通过优化桥梁结构形式节约造价约2.6亿元，并且大大缩短了工期，极大地保障了投资收益。

4 隧道工程

4.1 隧道优化

（1）加强隧道洞口优化设计，选择合适的洞门形式，尽量避免对隧道洞口原地面边坡的破坏，保护自然环境。

（2）加强隧道围岩勘探，明确围岩级别，确定合适的支护方式。

（3）隧道照明要采用新的照明方式及控制方式，当前宜采用无极调光的LED照明。

4.2 隧道优化案例

某高速有两条中长隧道，长度分别为470 m、570 m，隧道照明原设计方案采用回路控制、高压钠灯的传统照明方式，经研究，决定采用新型的照明方式，即改用无极调光的LED照明方式，同时增加交通量、亮度等实时监测系统，实现隧道智能调光，经测算两条隧道采用新型照明方式后，每月节约电费额度可观，具体如表2所示。

5.1 分离式立交

上跨高速公路桥梁对高速公路的景观影响较大，总体上要做到结合周围环境，协调统一。

（1）上跨结构的地面要有良好的整体性，避免产生突然弯折。

（2）視距范围内的上跨高速公路桥梁的锥坡和护坡防护形式要结合地形放缓，同时辅以植物防护，形成良好的视觉效果。

5.2 互通式立交

应适当地降低互通匝道的设计时速，减小规模。

（1）枢纽互通的匝道设计速度应控制在40～60 km/h之间。

（2）当匝道采用的设计时速较低，应适当增加减速车道长度或者设置震荡带降低行驶速度，保障安全。

（3）当转向交通量不大于1 500 pcu/h，双车道匝道采用单匝道出入口设计时，可不设置辅助车道。

（4）当用地受到限制时，可以采用菱形或者半苜蓿叶型控制互通规模。

5.3 互通方案优化

某互通方案位于八渡乡福达村东侧，该互通主要服务于八渡乡及附近车辆上下该项目，发挥项目对沿线经济的带动作用。经研究，对互通方案进行了优化设计，减少了匝道长度和土方量，从而减小了互通规模，具体技术指标对比如表3所示。

6 服务区设计

应加强高速公路服务区设计，与主体工程同步设计，综合考虑，避免服务区设置不合理。

（2）现有的服务区，双边式占98%左右，单边式和跨线式设计还较少。为确保投资收益，在高速公路设计中，应考虑单边式，可以减少征地，节约设施，减少运营期的管理人员数量，提高管理效率。

（3）服务区内各功能性设施应尽量围绕停车场布设，避免“长蛇阵”和“满天星”现象。

7 结语

高速公路设计要基于全生命周期及降低碳排放的设计理念，综合考虑路线、路基路面、桥涵等多个专业的优化设计，主要优化方向如下：

（1）路线布设应降低长大纵坡路段行车危险性、降低采空区结构工程风险;注意降低填土高度、减少挖方高度，不断优化平、纵设计，以减少工程造价。

（2）充分考虑弃方占地、压实、防护、排水工程与高填路基的工程要求，在确保压实并补充辅助压实的前提下，可采用高填路基。尽量降低挖方路基的边坡高度，对不稳定边坡区段，采取技术措施降低边坡高度。

（3）原则上应采用部颁标准图或地方标准化设计通用图，合理选择桥型方案和施工方案，降低工程造价和难度，减少对地方的干扰。

（4）隧道洞口位置的确定遵循“早进洞、晚出洞”的原则，尽量减小洞口边坡、仰坡的开挖高度，保证山体的稳定;隧道进行专门的防排水设计，遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，对地表水、地下水采取妥善的处理，使洞内外形成一个完整、畅通的防排水系统。

（5）互通式立交形式的选择应根据互通功能要求和预测交通量分布情况，综合考虑地方规划、现场条件、投资成本、经济效益、美学效果和远期发展等因素进行优化。

高速公路设计要着眼长远发展，科学地“适度提前”，引进预留发展空间设计，从而实现高速公路建设的最大社会效益、服务效益和经济效益。

参考文献

[1]蓝生斌. 绿色低碳可循环理念下的高速公路设计优化策略[J]. 環保前沿， 2020（8）： 171-173.

[2]李鹏. 高速公路路线优化设计问题探讨[J]. 交通世界， 2021（16）： 75-77.

[3]张志强. 高速公路路面结构优化设计解析[J]. 黑龙江交通科技， 2021（2）： 223-224.

[4]段凌燕. 关于优化高速公路设计的思考[J]. 建设科技， 2017（11）： 117-118.

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