云南高速公路设计的奇思妙想
2016-02-20
云南特殊的地形地貌决定了云南高速公路设计的难度，在一些采用常规设计思路难以通过的路段，设计人员发挥聪明才智，大胆创新，奇思妙想，让云南高速公路突破一道道难关，不断向前延伸。这些奇思妙想也成为云南高速公路设计的一个个闪光点。
悬臂悬空桥跨越西洱河峡谷
楚（雄）大（理）高速公路设计最难的一段是西洱河一级电站路段。这里是一个V形峡谷，线路左侧是陡峭的岩壁，并有高压输电线铁塔，右侧是宽77米、深32米的电站水库，水库旁便是电站的发电机房。电站水库、厂房以及原320国道几乎挤满了整个峡谷。楚大公路通行必须以不占水库库容为前提，而且要保证电站的绝对安全。经过近20次的反复论证、六个方案的比选，公路通过电站水库时，最终选择了建设一座长282米的悬臂悬空桥的方案，在水库靠山一面打好基础，沿水库边沿修建桥台，采用预应力结构，将22米桥面中的11米“悬”于水库上方。大悬臂悬空桥，不但未影响电站库容及电站生产，还保护了环境。
楚大高速公路悬臂悬空桥
楚大高速公路西洱河一级电站悬臂悬空桥是云南第一座悬空桥，该桥的设计研究荣获1999年云南省科技进步一等奖。这是云南公路行业获得的第一个省科技进步一等奖。
连拱隧道穿越练江河谷
玉（溪）元（江）高速公路通过的练江河谷，两岸山峰耸峙，练江在山谷里左冲右突，公路可利用地形不超过200米。213国道通过练江河谷时，有的地方一公里就有18个弯道。玉元公路通过练江河谷时，为了达到高速公路的标准，只得频繁换岸，设计人员还提出了设置曲线连拱隧道的方案。当时，连拱隧道在全国仅修建了一座，在平曲线上设置连拱隧道全国还没有先例。
连拱隧道最大的特点是左右两个隧道中间只有一道中墙相隔，它与分离式、小净距隧道相比，具有五大优点。一是隧道洞口呈整体式路基（桥梁），避免了路基（桥梁）分幅，减少征地面积，房建及其它构造物拆迁量小；二是隧道两端洞口接线对地形要求不高，接线难度降低，接线工程量小，路线线形更加顺畅、舒适；三是洞口边仰坡开挖面积减小，有利于环境保护；四是在傍山地形或城市及周边对交通有特殊要求处，洞口位置选择更加灵活；五是减少地下空间利用范围，提高了地下空间利用率。
练江隧道于2000年10月建成通车，成为云南第一座双跨连拱大跨度隧道，全国第一座双拱连拱曲线隧道，为在山岭重丘区、特殊地形地质条件下修建高速公路隧道积累了宝贵经验。思小高速公路有15座隧道，其中13座设计为连拱隧道。
扁斜桩大桥跨越长田水库
安（宁）楚（雄）高速公路从安宁前行后，在禄丰县境内要跨越长田水库。在修建安楚汽车专用二级公路时，长田水库上建了一座主跨130米、全省当时最大的开口箱形拱桥。安楚高速公路经过长田水库时最初的方案是：在原桥左侧再建一座宽17.975米、跨径138米的4车道箱形拱桥，其中3个车道作为高速公路的上行线，一个车道作为下行线的超车道。老桥作为下行线的另外两个车道。新老桥之间设5厘米的沉降缝，老桥左侧设置1.475米宽的安全带设施。
安楚高速公路长田水库大桥
按设计图纸提供的方案，长田水库大桥采用在老桥旁明挖基础的办法施工。施工队伍进场后，经实地勘察发现，若按这一方案施工，必然会影响老桥桥台的稳定，而且，开挖出的大量土石很难避免不落入桥下的水库中。
省交通厅了解这一情况后，专门邀请了10多名全国知名的桥梁专家到云南调研，提出了扁斜桩方案。新的设计很快付诸实施。具体做法是，新桥不设常规桥台，而是分别在安宁岸和楚雄岸打10米和24米的扁斜桩，与水平面成45度角，犹如两个巨型楔子，斜插进山体里，桩高4.4米，宽11.8米。这一方案，开挖的土石方量仅有普通基础桩开挖量的1/3，而且，开挖基本不在地表进行，便于水保和环保。大桥主拱圈轴向力直接传递给扁斜桩，并通过扁斜桩分布于山体，受力简单明了，施工过程中，老桥的稳定和行车也不会受到影响。
扁斜桩基础，在云南桥梁施工中尚属首次。建一个扁斜桩，实际上要打3个高4.4米、宽3米的斜洞，近似于打一个连拱隧道。施工时，先将两边的洞打好，边打边支护，然后再打中间一个洞，使3个洞连成一个整体，最后布设钢筋笼，浇筑混凝土。为了确保老桥安全，开挖爆破时，采用微量控制爆破。开挖出的土石则通过天线运走。整个施工过程中，水库管理人员严格监视，没有发现土石落入水库的情况。
扁斜桩设计，解开了长田水库大桥施工难题，确保了大桥施工与整条高速公路的施工同步进行。
安楚高速公路长田水库大桥，一半是老桥，一半是新桥。新桥、老桥，两桥合一桥。
螺旋隧道现身水麻高速公路
水（富）麻（柳湾）高速公路从伏龙口前行28公里加400米后，到达太平控制点。从太平到45公里加450米的凉风凹隧道进口，高差达658米。特别是地形狭窄的老堡山段，竖向高差72米，升坡十分困难。
水麻高速公路螺旋隧道
困难面前，云南省交通规划设计研究院大胆选定“螺旋形”升坡展线的特殊设计方案，设计了全国第一座螺旋型展线隧道。为顺利升坡，水麻路沿老堡山山嘴螺旋式展线，盘旋而上，5次连续右转回头，于老堡山南腰螺旋交叠，然后转东南沿复兴河左岸前行。螺旋展线路段5525米，集中升坡88.91米，设分离式隧道一座，单洞长2332米；连拱隧道一座，单洞长840米；大桥6座，单幅长1951米；中桥一座，长65米。全部桥、隧均位于右偏螺旋曲线上，总转角达330度，从空中鸟瞰，形似一个巨大的希腊字母“α”。展线段有桥梁，有隧道，其中的老店子1号隧道是标志性工程。这座隧道位于右偏卵形曲线上，最小曲线半径只有254米，最大横坡7%，整个隧道总转角约155°。如此大转角的螺旋曲线和桥、隧相连，在全国高速公路设计中尚属首例，在世界高速公路史上也极为罕见。
这一设计，克服了地形高差集中的难题，有效避开岩堆、悬崖、危岩等不良地质，合理利用地形，不仅有利于水土保持、环境保护及运营安全与畅通，还降低了工程施工难度，节省投资1.14亿元，得到了国家交通运输部专家的赞同和认可，开创了我国山区高速公路特殊展线思路的先河，该项目被评为“建国60周年公路交通勘察设计经典工程”。随后，螺旋型展线隧道的设计思路先后在云南水富至绥江二级公路新安隧道、香格里拉至丽江高速公路园宝山隧道以及四川省雅安至攀枝花高速公路干海子隧道等多个工程中推广应用。
乌蒙山中“编辫子”
昭（通）会（泽）高速公路原有道路为双车道二级公路标准，路线全长100.9公里。全线长大纵坡路段有7段，其中最长一段鲁甸大口子垭口至江底段长18.8公里，平均纵坡-3.7%；会泽邱家垭口至会泽坝子段长8.2公里，平均纵坡-4.1%。其余路段长均在3公里左右，平均纵坡4%左右。
在建设昭通至待补二级公路时，交通部批复文件明确指出：“起点（昭通）至会泽段约112公里，按远期扩建为高速公路标准规划设计，近期采用二级公路标准建设。”因此，在原二级公路设计、建设中充分考虑了远期扩建方案对二级公路的利用，尽量避免出现废止工程。在高速公路设计时，树立100%利用已建半幅道路的目标，宜合则合、宜分则分、宜桥则桥、宜隧则隧，灵活运用设计指标，合理采用技术规范标准，最大限度减少对已建半幅道路的影响与干扰，确保已建道路的安全、畅通。路线采用“平面分离、纵面分台、交叉换岸、编辫子”的思路设计，充分利用地形，使下坡幅位于靠山一侧。对于连续纵坡大于3%的路段（共7段），分两种情况：一是3公里左右的路段（共5段），维持原道路纵坡，但调整桥上纵坡大于4%的路段；二是纵坡大于3%的较长路段，采取交叉换岸等形式，使下坡幅纵坡小于3%。在分幅、分离路段，适当设置”U”形、“X”形等多种形式的连接，达到分幅路基使用上的完善。
昭会高速公路路线贯通长度106.207公里，全线采用四车道高速公路标准改扩建，由于新建公路与原有二级公路频繁交叉换岸，从空中鸟瞰，高速公路不少路段形似一条大辫子，因此，设计人员形象地把昭会高速公路的建设称为“编辫子”。
南天门下8字展线
全长128.39公里的龙（陵）瑞（丽）高速公路在南天门路段遇上了难题。南天门段位于高黎贡山山脉南延部分，地质构造比较复杂，褶皱、断裂构造形迹相当发育，属构造剥蚀中山中切割长垣垄状地形地貌区，地形起伏大，山高坡陡，峭壁耸立，岩体裸露，沟深林密，植被发育。从二关至南天门直线距离仅3公里，而海拔高程从1600米降至1100米，如何解决此段路线走向成了整个项目的关键。在初步设计中拟定了A、B、K、F、J和M共6个方案。其中A、B、K方案因平均纵坡过大，满足不了《公路路线细则》对长大纵坡的要求，只做方案论证。J方案为自然展线，里程最短，走向最顺捷，造价最省，但走廊带远离控制点，而且互通设置和施工进尝构件预制难度都比较大，还易造成对环境的破坏。F方案通过螺旋展线克服高差，线位布设于G320上方，里程长、工程量大、造价高，而且施工期间对G320干扰大，无法避让国防军事设施。通过比对，设计最终选定8字展线的M方案作为南天门段实施方案。
龙瑞高速公路南天门路段。从路上看，虽然看不出“8”字展线的全貌，但依然能看出公路在山间环绕的气势。
M方案起点位于龙陵城西三家村，路线前行约2.5公里后开始沿西南侧山腰展线降坡，穿茅草坪山，跨周家田河，经奔龙坪，前行7公里左右到达坝田河。接着，路线先左转238度迂回向北穿茅草坪山，再右转245度向南达南天门，尔后沿坝湾河右岸山腰展线降坡，经橄榄坡、新寨后山至那里，路线前行约500米后设芒市互通连接德宏州府继续沿芒市坝西侧山脚布线，止于允门，路线长39.97182公里。
8字形展线由回头展线、螺旋展线变化而来，是利用山脊或河谷布设一对转角大于180度满足线形指标的反向曲线来实现增长里程克服高差的展线方法，因其路线形似8字，称之为8字展现。在国内外已建或在建的高速公路中，龙瑞高速公路之前，8字展线还没有先例。
险路系上“安全带”
据有关资料统计，我国每年发生一次死亡10人以上的特大恶性公路交通事故近百起，其中翻下陡崖峭壁和桥梁的交通事故占80%左右。陡崖峭壁路段发生恶性交通事故，被人们称之为交通事故的“黑点”。要使陡崖峭壁路段不再成为交通事故的“黑点”，其中一项措施就是在这些路段设置有效的防护栏，防止事故车辆坠入山崖。
昆石高速公路阳宗海路段的安全护栏
随着高速公路不断向山岭重丘区延伸，不少路段要穿行于陡崖峭壁、深沟大壑之间，设置有效的护栏成了一个亟待解决的课题。2001年8月，交通部将《公路陡崖峭壁护栏开发研究》列入西部交通建设科技项目，云南省交通规划设计研究院参加了这一课题的技术攻关。
课题组经过3个多月的调查了解到，我国山区高速公路的护栏大多采用波形梁钢护栏，基础采用打入式或埋置式。前者用打桩机将立柱按设计深度直接打入路基中；后者在路基上挖出洞坑，将立柱置入，再用混凝土将洞坑填满。在高边坡、高挡墙路段，有的虽然设置了混凝土护栏，却大都采用的是直接埋入路基中的坎锁式基础，这些护栏由于基础较浅，容易被汽车撞倒。
课题组把选择护栏的基础形式作为开发陡崖峭壁护栏结构的关键一步，通过对L式、直壁式、座椅式3种土路基上的护栏基础形式进行分析研究，确认座椅式基础稳固性最好，可以利用路面结构对基础产生的抗力来提高护栏的稳定性。接着，他们又采用理论分析、模型试验、动态数值模拟和实车碰撞实验等对护栏进行造型、优化设计和功能检验评价，成功地开发出高速公路座椅式混凝土护栏、一般公路座椅式混凝土护栏、高速公路三波梁护栏三种安全、可靠、经济、实用的护栏结构形式。试验工程选在昆（明）石（林）高速公路和元（江）磨（黑）高速公路上进行，选择具有陡崖峭壁路线特征的高挡墙、高边坡、路侧特别危险的路段设置新型护栏。这种新型护栏改善了护栏基础的受力状态，提高了护栏的稳定性，为陡崖峭壁护栏防护能力的发挥提供了保证。
陡崖峭壁公路护栏好比汽车上的“安全带”，在一定程度上防止发生事故的车辆冲下陡崖，大大减少事故的损失。
自救匝道助驾驶员解危难
云南特殊的地形地貌决定了高速公路不可避免地会有一些长陡纵坡加急弯组合，为提高这些路段的行车安全系数，设计人员设计了相应的“自救匝道”，如保（山）龙（陵）高速公路采用擦碰式自救匝道；石（屏）红（龙厂）高速公路采用与主线纵坡一致的下坡式自救匝道；蒙（自）新（街）高速公路采用网索式自救匝道。
保龙高速公路“自救匝道”的提示牌
保龙高速公路是长下坡路段比较多的一条高速公路，其中有30.9公里连续长下坡高差达到1261米。在公路选线阶段，设计人员便考虑到通车后的运营安全，在常规选线的基础上，利用卫星导航系统，从均衡性、连续性综合考虑路线走向和衔接，通过三维仿真分析，听取交警和路政部门的意见，确定自救匝道的合理设置地点，全线设有加水点3处、自救匝道11个、临时停靠点64个。自救匝道还具有自动测速、报警和录相的功能。
在保龙高速公路起点路段，公路上方有这样一块醒目的标志牌：陡坡40公里，自救匝道4处。大型车辆，减档控速。车辆继续往前行，标志板会随时提醒驾驶员离自救匝道还有多少米，自救匝道还剩几处。一位安徽的大货车驾驶员第一次跑保龙高速公路，由于坡大，加之刹车管掉了，车辆失去控制。按标志牌的提示，他想法将车子开进了自救匝道。这次，他是与儿子一起来云南的。他感慨地说：“要是没有自救匝道，我们父子俩可能就送命了！”保山市辛街驾驶员李朝芳经常跑保龙路。他说：“跑这条路心上不累，比较轻松。因为路上临时停靠点多。开货车下坡时刹车容易疲软，在临时停靠点检查一下就放心了。再不行还有自救匝道。由于有了这些设施，开起车来，心里也轻松得多。”
