某高速公路三灘段路線方案比選分析

韋世貴

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

三灘段(K59+400～K64+400仙垌隧道進(jìn)口至三灘2號(hào)隧道出口)是某高速公路的控制性工程，其方案選擇的合理性，不僅關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的安全性及項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，還直接影響到整個(gè)項(xiàng)目后期的運(yùn)營(yíng)安全、公路沿線的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和長(zhǎng)期的社會(huì)效益。本文通過(guò)對(duì)三灘段的工程地質(zhì)條件、平縱面指標(biāo)、公路用地、施工組織設(shè)計(jì)、綜合比選等條件進(jìn)行比選分析，確定了合適的路線方案。

1 項(xiàng)目總體概況

某高速公路是2010年修編的《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃修編》(2010—2020)中高速公路網(wǎng)布局方案中“縱4”全州(黃沙河)至友誼關(guān)高速公路支線北流清灣至南寧蘇圩高速公路的重要組成部分。路線總體自西向東，全長(zhǎng)125.4 km。

三灘段路線左側(cè)有天池大峽谷旅游風(fēng)景區(qū)規(guī)劃建設(shè)的山林水世界、童話小屋、峽谷漂流、汽車營(yíng)地、度假酒店等旅游設(shè)施；路線沿溝谷展線，對(duì)天池大峽谷景區(qū)有干擾，且根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告結(jié)果，K60+000～K60+600段右側(cè)為崩坡堆積體[1]，該處位于地震Ⅶ度區(qū)，若遇不利地質(zhì)情況或連續(xù)降水，極有可能導(dǎo)致該高位滑坡體下滑，對(duì)高速公路的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不利影響。因此，應(yīng)各方要求，設(shè)計(jì)了兩種隧道方案進(jìn)行比選(見圖1)。

圖1 兩方案總體位置圖

2 方案的選擇和布置情況

方案一(K線橋梁+隧道方案)：路線穿過(guò)仙垌隧道(隧道長(zhǎng)1 130 m)后，設(shè)置長(zhǎng)1 236.5 m的三灘特大橋(左線31×40 m，右線30×40 m)沿V型溝谷展線，接著設(shè)置長(zhǎng)550 m的路基填筑溝底(填筑路基橫斷面見附件)，再設(shè)置長(zhǎng)125 m的橋梁(3×40 m)跨越水溝，進(jìn)入三灘1號(hào)隧道(隧道長(zhǎng)2 760 m)，隨后路線進(jìn)入黃凌鎮(zhèn)白流村墨菜水。

方案二(2K線隧道方案)：路線穿過(guò)仙垌隧道(隧道長(zhǎng)1 165 m)后，設(shè)置長(zhǎng)360 m的路基填筑溝底，進(jìn)入三灘1號(hào)隧道(隧道長(zhǎng)4 080 m)，隨后路線進(jìn)入黃凌鎮(zhèn)白流村墨菜水，與方案一重合。

3 工程地質(zhì)條件比選分析

3.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)鉆探、物探及工程地質(zhì)測(cè)繪，方案一(橋梁+隧道方案)與方案二(隧道方案)地層主要由第四系人工填筑層(Qml)素填土、第四系沖洪積層(Qal+pl)碎石、漂石、第四系殘坡積層(Qel+dl)粉質(zhì)黏土、碎石及泥盆系中統(tǒng)郁江階(D2y)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁(yè)巖和泥盆系下統(tǒng)(D1)石英千枚巖、奧陶系片麻巖、泥盆系碎屑巖和燕山期侵入巖等組成。兩方案揭示的地層巖性基本一致。

3.2 地層巖性的影響分析

仙垌隧道、三灘1號(hào)隧道洞身段與斷層斜交，三灘2號(hào)隧道則位于云開隆起影響帶范圍內(nèi)，相應(yīng)路段圍巖等級(jí)比較低，但總體來(lái)說(shuō)構(gòu)造活動(dòng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性總體較好，滿足公路建設(shè)要求。地層巖性以?shī)W陶系片麻巖、泥盆系碎屑巖和燕山期侵入巖為主，覆蓋層較薄，基巖抗風(fēng)化能力較差，節(jié)理極發(fā)育，巖體完整性差異性比較大，且存在軟弱夾層。因此，本項(xiàng)目隧道的洞口、洞身地質(zhì)條件略差。仙垌隧道、三灘1號(hào)隧道圍巖以半堅(jiān)硬-軟質(zhì)碎屑巖為主，受構(gòu)造活動(dòng)影響，基巖風(fēng)化破碎比較嚴(yán)重，個(gè)別隧道存在構(gòu)造破碎帶、基巖破碎帶等不利夾層，對(duì)隧道洞身穩(wěn)定性較為不利，有可能在施工掘進(jìn)期間引發(fā)安全問(wèn)題，應(yīng)該加強(qiáng)支護(hù)，并做好應(yīng)對(duì)措施預(yù)案[2]。三灘2號(hào)隧道圍巖以半堅(jiān)硬-軟質(zhì)變質(zhì)巖及半堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖漿巖為主，屬于斷裂及褶皺活動(dòng)復(fù)合影響帶，未與斷裂構(gòu)造直接相交，基巖完整性相對(duì)較好，總體上以中風(fēng)化基巖為主，但局部存在構(gòu)造破碎帶，對(duì)隧道洞身穩(wěn)定性不利。因此，隧道施工宜做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，預(yù)先了解前方可能存在的破碎帶、軟弱夾層等不良地質(zhì)的位置、規(guī)模和走向，以指導(dǎo)施工，確保隧道施工的安全與穩(wěn)定。根據(jù)工程鉆(物)探成果資料，沿線各隧道場(chǎng)地工程地質(zhì)條件總體較好，具備工程建設(shè)條件，路線方案不受影響。

3.3 不良地質(zhì)的影響分析

方案一的地層巖性主要為泥盆系中統(tǒng)郁江階(D2y)砂巖、頁(yè)巖，砂巖為砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)較硬；頁(yè)巖為細(xì)砂、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁(yè)理構(gòu)造，巖質(zhì)較軟，風(fēng)干失水易開裂、軟化，兩者主要呈夾層或互層關(guān)系。頁(yè)巖巖質(zhì)較軟，易軟化，自然斜坡穩(wěn)定性較差[3]，在暴雨季節(jié)地表水下滲及人工破壞等觸發(fā)因素下，有可能引起邊坡崩塌、滑塌、滑坡等不良地質(zhì)。因此，邊坡及隧道進(jìn)出洞口的邊坡、仰坡需增強(qiáng)防護(hù)。

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭示，K60+000～K60+600段右側(cè)邊坡為崩塌堆積體，崩塌堆積體厚度達(dá)7.0～25.1 m，下伏基巖為強(qiáng)-中風(fēng)化頁(yè)巖，自然斜坡穩(wěn)定性較差，在暴雨季節(jié)地表水下滲及風(fēng)力電廠公路開挖等人工破壞觸發(fā)因素下，有可能引起邊坡崩塌、滑塌等不良地質(zhì)。

方案二在2K59+800～2K60+180段從天池大峽谷一側(cè)穿過(guò)，隧道埋深0～100 m不等，且左線左側(cè)拱肩厚度較?。籞K59+880～ZK59+960段左側(cè)拱肩厚度為25～45 m不等，地形偏壓嚴(yán)重。此外，該段隧道圍巖巖層傾角為42°～70°不等，存在一定的地質(zhì)偏壓。

方案二在2K60+800～2K61+060段從留基塘村莊下方穿越，該段隧道埋深約165 m，圍巖為薄-中厚層狀強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖。該段為物探電阻率低阻異常區(qū)，巖石裂隙密集發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性極差，易出現(xiàn)冒頂、大坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，可采用全斷面帷幕注漿后再進(jìn)行隧道開挖等方案解決。

3.4 構(gòu)造因素的影響分析

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料，三灘段為博白-北流褶斷帶的次生斷層F6通過(guò)，該斷層分布于三灘、墨菜水、塘肚一帶，西南端止于三灘區(qū)域斷裂，長(zhǎng)約14 km。受該斷層影響，區(qū)域內(nèi)巖體裂隙極發(fā)育，巖體極破碎-較破碎，隧道區(qū)圍巖級(jí)別等級(jí)較低，隧道圍巖以Ⅳ級(jí)圍巖為主，占總長(zhǎng)的44.9%，Ⅴ級(jí)圍巖次之，占總長(zhǎng)的28.3%，最后為Ⅲ級(jí)圍巖，占總長(zhǎng)的26.8%。由于頁(yè)巖巖質(zhì)較軟，巖體極破碎-較破碎，所以橋梁主要采用摩擦樁基礎(chǔ)。

3.5 隧道水文地質(zhì)條件的影響分析

隧址區(qū)內(nèi)無(wú)大的地表水體，主要為三灘沖溝溪流，地下水主要為賦存于第四系覆蓋層中的孔隙水及基巖中的破碎帶及構(gòu)造裂隙水。隧道開挖時(shí)涌水量不大，大部分路段地下水出水狀態(tài)以潮濕、點(diǎn)滴狀、線狀為主，局部為淋雨?duì)?、股狀，一般不?huì)出現(xiàn)大的涌水現(xiàn)象。局部巖石裂隙發(fā)育，巖體破碎的地段和地下水富集地帶，水量相對(duì)較豐富，可能會(huì)出現(xiàn)小規(guī)模涌水現(xiàn)象，所以在隧道開挖時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作。

4 方案平縱面指標(biāo)及連續(xù)均衡情況比選分析

方案一：路線沿溝谷展線，平面以曲線為主，平面共設(shè)置交點(diǎn)5個(gè)，平均每公里交點(diǎn)個(gè)數(shù)為0.867個(gè)，平曲線占路線長(zhǎng)度的72.5%，圓曲線最小半徑R=1 880 m，直線最大長(zhǎng)度為921.647 m。

K線縱斷面設(shè)計(jì)共設(shè)變坡點(diǎn)3個(gè)，平均每公里縱坡變更次數(shù)為0.520次。豎曲線占路線總長(zhǎng)的25.3%，最大縱坡3.0%/1處，最小坡長(zhǎng)750 m。最小豎曲線半徑：凸型20 000 m/2處，凹型45 000 m/1處。

方案二：方案以隧道為主，平面共設(shè)置交點(diǎn)2個(gè)，平均每公里交點(diǎn)個(gè)數(shù)為0.356個(gè)，平曲線占路線長(zhǎng)度的50.8%，圓曲線最小半徑R=2 000 m，直線最大長(zhǎng)度為2 517 m。

2K線縱斷面設(shè)計(jì)共設(shè)變坡點(diǎn)2個(gè)，平均每公里縱坡變更次數(shù)為0.356次。豎曲線占路線總長(zhǎng)的10.9%，最大縱坡2.6%/1處，最小坡長(zhǎng)1 400 m。最小豎曲線半徑：凹型22 000 m/1處。

5 公路用地情況分析

方案一與方案二征用土地范圍的差異主要在溝谷段。方案一在溝谷段占地約為0.102 km2，主要占用水溝、林地及旅游公路；方案二隧道占地約0.038 km2，主要占用溝谷及林地。

6 方案對(duì)旅游景區(qū)的影響分析

方案一：路線沿溝谷展線，對(duì)天池大峽谷景區(qū)有干擾，需改移旅游公路1 050 m，改移風(fēng)電廠便道150 m，改移水溝888 m，同時(shí)影響左側(cè)規(guī)劃的植物園、童話小屋、漂流等旅游項(xiàng)目。

方案二：路線以隧道為主，需改移水溝500 m，對(duì)景區(qū)基本無(wú)干擾。

7 方案對(duì)沿線環(huán)境的影響分析

方案一沿溝谷展線，占用旅游公路和河溝，對(duì)環(huán)境影響較大的因素主要是施工便道及旅游公路改道開挖，邊坡易產(chǎn)生滑塌。方案二以隧道穿越山體，2K61+000處正上方有村莊，受陸川區(qū)域大斷裂影響，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，圍巖等級(jí)差，且隧道埋深165 m，隧道施工時(shí)，若導(dǎo)致地下水位下降，存在村莊房屋開裂的風(fēng)險(xiǎn)，影響戶數(shù)30戶。經(jīng)地方政府調(diào)查反饋，該村莊均為土房，極少人居住。由此，方案一對(duì)環(huán)境影響大于方案二。

8 施工組織設(shè)計(jì)比選分析

方案一在K60+600～K61+250段右側(cè)溝底填筑2 m高的片石，片石量為16 850 m3。片石從博白縣恒基建材有限公司石場(chǎng)采購(gòu)，位于K56+600段右側(cè)，運(yùn)距3.5 km。路基填土29萬(wàn)m3，利用三灘1號(hào)隧道洞渣20萬(wàn)m3，利用仙垌隧道洞渣9萬(wàn)m3。橋梁為31跨×40 m跨徑。仙垌隧道進(jìn)口樁號(hào)為K58+200，預(yù)制梁廠設(shè)置在K57+400～K58+000路基段，長(zhǎng)度約為600 m，寬約28 m。根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于這種地形下31跨下構(gòu)施工完成需要時(shí)間約為15個(gè)月。

方案二主要為路基和隧道，路基段K59+420～K59+780共長(zhǎng)360 m，填方約35.8萬(wàn)m3，其中利用仙垌隧道洞渣7.8萬(wàn)m3，利用三灘1號(hào)隧道洞渣28.0萬(wàn)m3。

兩方案各隧道圍巖分級(jí)及工期預(yù)測(cè)如表1～2所示。

表1 隧道圍巖劃分及工期一覽表(方案一)

表2 隧道圍巖劃分及工期一覽表(方案二)

結(jié)合仙垌隧道和三灘特大橋施工工期的預(yù)估，擬定在仙垌隧道打通后通過(guò)隧道來(lái)進(jìn)行運(yùn)梁并進(jìn)行架設(shè)。

9 主要工程數(shù)量、造價(jià)的比選分析

對(duì)兩方案進(jìn)行同深度比選，其主要工程數(shù)量及造價(jià)比較見下頁(yè)表3。

與方案一相比，方案二隧道長(zhǎng)度增加1 355 m。受限于當(dāng)前的技術(shù)水平，隧道圍巖等級(jí)劃分無(wú)法保證準(zhǔn)確，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，隧道圍巖負(fù)變更的可能性更大，使隧道造價(jià)的控制更難。

表3 工程數(shù)量、造價(jià)綜合比較表

10 方案一與方案二綜合比選分析

(1)安全性

方案一的路線從溝谷穿越，K60+000～K60+600段右側(cè)山體有在建風(fēng)電廠施工便道，該山體為崩塌堆積體，在遇地震或連續(xù)降水時(shí)，有可能出現(xiàn)小型滑塌，且橋面距離山體19.8 m。K60+650～K61+150左側(cè)山體為逆向坡，設(shè)12 m高抗滑樁+2級(jí)邊坡，在遇地震等不利地質(zhì)情況下或連續(xù)降水時(shí)，也有可能出現(xiàn)小型滑塌[4]。這兩個(gè)路段存在一定的施工及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，但均在可控范圍內(nèi)。

方案二的路線以隧道穿越，三灘1號(hào)特長(zhǎng)隧道進(jìn)口段與左側(cè)峽谷近似平行，峽谷所在位置為斷層，隧道所在山體陡峭，坡度>45°，山體表層巖體較破碎，穩(wěn)定性差，存在淺層滑塌。左線進(jìn)口段約200 m的洞身拱肩厚度較薄，最薄處(ZK59+910)僅有28 m左右，地形偏壓嚴(yán)重；加之巖層傾向峽谷且傾角較大(42°～70°)，存在一定的地質(zhì)偏壓。此外，隧道施工爆破振動(dòng)荷載較大及隧道地處抗震設(shè)防烈度Ⅶ度區(qū)，在多重因素的作用下，隧道進(jìn)口段在施工和后期運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中存在垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。

另外，2K線三灘1號(hào)特長(zhǎng)隧道在K60+800～K61+060段下穿村莊，該村所處位置為洼地，地表分布較大面積的沼澤。物探結(jié)果顯示，該段巖石裂隙密集發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性極差，富水性強(qiáng)，易出現(xiàn)冒頂、大坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，施工風(fēng)險(xiǎn)大，且隧道開挖后可能引起地下水位的下降，導(dǎo)致地表沉降和房屋開裂，施工期間需對(duì)村莊進(jìn)行遷移。

(2)工程規(guī)模

方案一比方案二路線長(zhǎng)150 m、橋梁長(zhǎng)1 361.5 m、隧道短1 355 m、土石方數(shù)量少7.4萬(wàn)m3、工程造價(jià)少6 887.1萬(wàn)元。

(3)建設(shè)條件

方案一在溝谷中施工，占用河溝和地方旅游公路，需改移景區(qū)中的道路，干擾地方漂流旅游項(xiàng)目，協(xié)調(diào)相對(duì)困難。部分橋墩位于山體上，地形陡峭，橋梁施工時(shí)，設(shè)備搬運(yùn)相對(duì)困難，工作場(chǎng)地受限。預(yù)制場(chǎng)設(shè)在仙垌隧道前方的路基上，范圍有限。

方案二兩隧道之間路基長(zhǎng)度為360 m，需要填方34萬(wàn)m3，可將隧道洞渣利用起來(lái)。仙垌隧道棄渣總量為26.1萬(wàn)m3，三灘1號(hào)隧道棄渣總量為95.8萬(wàn)m3，可利用洞渣進(jìn)行路基填筑。

方案二中三灘1號(hào)隧道為特長(zhǎng)隧道，建設(shè)難度大。穿越村莊段地質(zhì)條件差，富水性強(qiáng)，易出現(xiàn)冒頂、大坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，該段擬采用全斷面帷幕注漿+雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)+抗水壓二次襯砌穿越，施工復(fù)雜且難度大，可能會(huì)影響整個(gè)項(xiàng)目的工期。

與方案一相比，方案二隧道長(zhǎng)度增加1 355 m，隧道洞渣增加31.2萬(wàn)m3。隧道進(jìn)口地形狹窄，無(wú)法棄渣，這部分洞渣需轉(zhuǎn)運(yùn)至較遠(yuǎn)處的棄渣場(chǎng)，費(fèi)用高。

(4)后期運(yùn)營(yíng)

與方案一相比，方案二在該路段由北流至浦北方向一路下坡，先是以1.6%的縱坡穿過(guò)長(zhǎng)4 080 m的三灘1號(hào)特長(zhǎng)隧道，經(jīng)過(guò)360 m路基后進(jìn)入縱坡為1.1%長(zhǎng)1 165 m的仙垌隧道，且三灘1號(hào)隧道為特長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)4 080 m，通風(fēng)、照明、消防標(biāo)準(zhǔn)更高，運(yùn)營(yíng)成本更高。

11 結(jié)語(yǔ)

三灘段是某高速公路的控制性工程，其方案選擇的合理性，直接影響到整個(gè)項(xiàng)目后期的運(yùn)營(yíng)安全及公路沿線的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和長(zhǎng)期的社會(huì)效益。從工程地質(zhì)條件看，兩個(gè)方案均可行，都存在不利的地質(zhì)因素，但都可以采用不同的處理方案解決。另外，區(qū)域地質(zhì)條件決定了兩個(gè)方案的地質(zhì)條件較差，兩者之間差異性不顯著。從平縱面指標(biāo)、對(duì)旅游景區(qū)的影響、對(duì)沿線環(huán)境的影響、施工組織設(shè)計(jì)、工程數(shù)量、造價(jià)、工程規(guī)模、建設(shè)條件等方面進(jìn)行對(duì)比分析，方案一與方案二各有優(yōu)缺點(diǎn)，總體上方案一優(yōu)于方案二。