公路工程设计优化管理研究

尚雪仁 SHANG Xue-ren

（中交第一航务工程局有限公司，天津300461；兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070）

0 引言

公路工程项目在实施过程中，面对内外部复杂环境出现如资金短缺、价格透明化高、概预算不足等诸多问题，可利用技术优化等手段解决。在初步设计及施工图设计阶段，主要对设计图纸进行优化，应用技术手段规避风险，从而有利于项目总体投入的控制，为项目建设奠定一定基础；在实施阶段，通过对方案的设计进行优化，如临建、设计方案等优化，从而推进项目顺利实施，得到相应的经济效益[1]。对于公路工程项目建设来说，技术方案是公路工程最为关键的环节，对于项目的工程造价影响很大，而设计优化对项目效益起着重要作用，通过设计优化提升设计方案的技术经济水平，达到有效控制工程造价和提升经济效益的目的[2]。

1 工程概况

本文以百色南北过境线公路（百色市北环线）为例，从初步设计、施工图设计及施工阶段对设计优化管理进行叙述。

百色南北过境线公路（百色市北环线）项目属于《广西高速公路网规划（2018-2030年）》规划布局中的城市环线。路线全长52.456km，设计时速100km/小时，主线采用双向四车道高速公路标准，设计速度100km/h，路基宽度26m。本项目采用“BOT+EPC（施工图设计）+使用者付费+政府补贴”的PPP模式实施，项目合作期33年，其中建设期3年，运营期30年。本项目自然环境较好，线路走廊带狭窄，沿线地层岩性较复杂，地貌复杂多样，沿线地材资源匮乏，受高压线塔、铁路、自然保护区、油气管线等制约因素较多。

2 设计阶段存在问题

设计阶段存在设计不合理等系列问题，通过从技术角度结合实际对设计方案研究优化，实现对项目建设造价、安全及质量等风险的有效控制，从而更好地控制项目成本，获得较好的经济效益[3]。设计阶段存在问题如下：

2.1 初步设计阶段

初步设计阶段主要考虑把握整体投资规模和技术方案经济指标的合理性，但对诸多因素未充分考虑，主要表现在以下方面：

①往往容易忽视在建设过程中的可能发生的重大变更，如未避开滑坡体、断层带、采空区等不良地质导致在建设和运营期间可能发生的安全、质量、造价等风险。

②未充分考虑高压线塔三线迁改方案的实施难易程度及方案可行性，线路走廊带占用基本农田指标及补偿方案是否可行，征地拆迁的实施难易程度等影响造成的方案可行性及造价的风险，同时可能造成在后期过程中社会不良影响。

③未充分考虑保护区、文物遗址、临近铁路和高速公路、油气管线、水保及环保要求高等敏感点的问题，在设计过程中未做好相应的处理措施，导致在实施过程中很难实施或者重新选线。

2.2 施工图设计阶段

施工图设计阶段是对初步设计的深入和细化，结合前期相关批复对其进行实质性相应，同时对方案认真研究、比选，从而达到实施的要求，却在设计过程中存在诸多问题：

①设计人员设计思维固化，受初步设计影响较大，对方案比选深部不够，往往存在设计照搬照抄、专业设计基于软件出图、设计尺寸等取值靠以往设计经验的现象。

②设计人员对现场不熟悉甚至不了解现场情况，各方面设计考虑不周全，导致设计与实际不相符状况，造成在施工阶段资源的浪费和成本的增加。

2.3 施工阶段

施工阶段主要存在施工方案设计未结合现场实际进行方案设计、未有效考虑施工资源的周转利用等，从技术角度对项目管理没有相应的控制措施，如临时设备的配置、施工组织等方面，导致资源的浪费及建设成本的增加。

3 设计阶段优化内容

3.1 初步设计优化内容

初步设计阶段总体把握整体投资规模，充分考虑施工及运营情况，将不易调整的平面、纵断面、涉铁桥梁、桥隧比、预制梁调整、重大变更等进行优化设计。在原有走廊带的基础上，尽量避开不良地质，处理好与相接路、敏感点的设计方案。同时根据现场地形、地貌、地质情况、三线迁改及基本农田情况等方面，结合安全、质量及实施难易程度，对项目走线进行了微调，达到了降本增效的目的。

本项目初步设计较工可平面调整7处，桥改路10座（长度2.34km），调整结构形式及跨度5座，隧道改路基1座，桥隧比由32.6%调整至31.59%。主要简述以下几个方面：

①在平面段调整方面，主要从地形条件、国道G323、基本农田、110kV以及220kV高压塔等因素控制考虑，从降低桥梁工程规模。以新山隧道段（K36+400～K38+600）为例进行简述。

本段路线布设主要受地形、地质条件、110kV、220kV以及220kV新山变电站等因素控制。从减少桥梁隧道工程规模的角度考虑，将线位最大北移约150m。

调整后新山大桥、里兰1号大桥、里兰2号大桥优化为路基；同时本项目唯一一座短隧道新山隧道（382m），由于该段地质风化严重，覆盖高度小、地质多为粉砂岩且为平层、较破碎，隧道施工容易冒顶坍塌，极易发生安全事故，将本段由隧道改为路基，消化弃方130万m3，节约弃土场约150亩，节约造价约1.5亿，降低了桥隧比，降低了施工及运营安全事故风险。（图1）

图1 新山隧道段（K36+400～K38+600）优化对比图

②从桥隧比方面，考虑地形条件、消化弃方、施工可行性、节约用地等因素，对那兵1号大桥等10座桥梁优化为桥改路基，优化长度为2.34km，同时调整结构形式及跨度5座，降低了施工难度，节约造价约1.1亿。

3.2 施工图设计优化内容

在施工图阶段，要根据各方意见及结合实际深度挖掘优化空间，充分考虑施工标准化、运营更高效的原则进行深入设计。通过线路平纵面、结构物、标准化设计等优化提高设计方案的经济合理性和可行性，但是主要在初步设计阶段的基础上优化，优化范围受限，主要考虑以施工便利为原则，继续对局部平、纵面调整、降低桥隧比、减少桥梁跨径、减少取弃土场达等到土石方平衡，同时根据地质详勘结果，进行软基、桩基、墩柱、边坡、隧道支护、交安、绿化、房建、机电等方面优化调整，尽量做到与现场实际情况相符，从而间接降低成本。

本项目施工图与初步设计相比路线减少126m，桥梁缩短664.5m，隧道增长37m，桥隧比例由31.59%减少至30.48%。主要体现在以下几个方面：

①平面优化的段落主要有六扣哇段（K49+100～K50+200）；纵断面优化的段落主要有那谨至那浩段（K25+000～K27+500）等6处；另外互通区根据曲线半径、技术指标及结合被交工程等对其优化，以那谨至那浩段为例简述。

那谨至那浩段位于那谨和那浩附近，施工图设计从减少土石方工程规模角度考虑，将纵断面上抬约4.5m，优化后挖方减少约20.9万方、填方增加约5.3万方，总占地减少9.92亩，基本农田减少1.545亩，造价减少约850万。（图2）

图2 那谨至那浩段（K25+000～K27+500）优化对比图

②在其他方面，主要依据地质详细勘察、标准化设计、资源的集约利用、与运营相结合及永临结合等方面优化，主要如下：

1）地质详勘先行，为设计提供依据。根据地质详勘结果，得出部分边坡地质情况较差、采空区主要敏感区需验证补勘、部分桥梁初勘岩石抗压强度与详勘存在差异、隧道围岩等级较初步设计存在差异等结论，同时考虑初步设计考虑不充分因素，在施工图阶段通过提高边坡的安全系数、调整桩基参数、隧道围岩参数等，根据地形匹配优化涵洞、挡土墙、桥梁墩台等设计做到施工图与现场贴近实际，为现场后续施工提供基础。

如高边坡防护，初步设计采用预应力锚杆，每榀4孔，框架梁尺寸为50cm×40cm，锚杆采用PSB1080高强精轧螺纹钢；施工图采用普通锚杆，每榀6~8孔，框架梁尺寸为30cm×30cm，锚杆采用HRB400螺纹钢筋，相比初步设计，施工图设计阶段格梁尺寸减小，钢筋采用普通钢筋，同等条件下可显著减小工程量，降低了造价约1200万。

2）桥梁工程结合周边项目已有资源对结构物尺寸优化，例如将30m以下预制T梁改为小箱梁优化为已有模板尺寸，减少成本约3100万，达到降本增效、节约成本目的；同时根据现场地质优化边坡防护、软基，根据地形匹配优化涵洞、挡土墙、桥梁墩台等设计。

桥涵工程根据地质勘察、受力计算、贴近实际情况等，相比初步设计主要对桥梁长度、跨径组合、桥墩形式、结构等进一步优化细化。桥梁由初步设计10649.3m/37座减少至9984.8m/36座，共减少1座桥梁（那峭大桥），桥梁长度减少664.5m，减小造价约1800万。

3）标准化设计。对桥梁桥台结合地质情况，尽量统一形式，减小规模；挡墙、边沟、锥坡等统一采用C20混凝土或片石混凝土，减少小量混凝土种类；边坡防护、桩基、框格梁、盲沟、高填方路基、碎石换填、三背回填根据地质结果进行专项设计，统一全线标准。

4）与施工相结合。考虑到节约用地及消化弃方，优化互通匝道半径曲线，同时将互通内三角用地进行填实作为施工大临场地，这样既消化了弃方，也减少了高边坡及整体规模。

5）与运营相结合。交警、路政营房充分考虑属地化管理，按属地配置营房；收费站按照运营模式及人员进行设置用房，提前考虑运营期。

6）永临结合。主要对地方道路、服务区及收费场站用电、隧道口用电、三改工程等进行永临结合设计；同时在施工过程中做好永临结合，如控制梁场建设底标高将梁场硬化场地不予凿除作为基层使用等。

3.3 施工阶段设计优化内容

施工阶段设计优化是结合现场、工程环境等一系列施工设计方案的改进。在确保安全、质量的情况下，以造价要素全方位管理为核心，将人、材、机等关键的要素作为工作的重点进行优化，采取相应控制措施，减少成本投入，提高项目的经济效益[4]。施工方案设计优化主要表现在临时施工设备、施工组织上。

①施工方案设计优化主要指如钢栈桥、吊装设备等临时设备的选用优化，主要从临时设施的参数取值、构件连接、受力工况及构造设计等入手，使设计更加精准，符合实际施工状况，减少因设计造成的设备选型失误，导致临时设备投入增大。

②在施工组织上，主要从设备配置、材料周转、提高生产效率入手。设备配置体现在设计与现有资源的匹配，如考虑已有挂篮的吊装能力对现浇悬臂节段设计；材料周转体现在充分利用废弃材料，如在设计中考虑对洞渣的利用等；提高功效，从尽量缩短各个分项工程之间转换所用的时间、提高分项工程效率来优化方案，采用熟练班组、良好的设备、先进工法等达到降本增效的目的。

4 总结

公路工程设计优化管理工作，是工程实施过程中的关键环节，需要各个方面做出平衡，寻找平衡点，在各方工作合力的推动下，消除施工、运营期间的安全、质量隐患，降低施工风险，提高各方收益。设计优化管理从初步设计阶段、施工图设计阶段及施工阶段对设计图纸进行优化，并开展多方位的科学论证，从而达到经济可行、方案合理。本文以百色市南北过境线公路（百色市北环线）项目为案例，分析了设计优化的思路和内容，为类似公路工程的设计优化管理提供一定的参考和借鉴。