張扁高速公路六壩互通連接線穿越蘭新鐵路設(shè)計(jì)方案探討

陳昆

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043)

張(掖)-扁(都口)高速六壩互通連接線與蘭新高鐵立體交叉案例，由于蘭新高鐵建設(shè)時(shí)間先于該工程，互通連接線規(guī)劃滯后且未考慮與蘭新高鐵交叉關(guān)系，導(dǎo)致互通連接線面臨下穿通過鐵路橋時(shí)不滿足百年洪水位要求，上跨通過高鐵時(shí)對(duì)既有道路改建范圍大、工程規(guī)模過大以及難以獲得鐵路部門審批的困境。該文針對(duì)各控制因素提出對(duì)應(yīng)4個(gè)設(shè)計(jì)方案，并從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、行車安全以及對(duì)高鐵運(yùn)營的影響多個(gè)方面進(jìn)行綜合比選。

1 項(xiàng)目概況

擬建的張扁高速公路是《國家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013—2030年)》批準(zhǔn)的國家高速公路網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線——張掖至汶川國家高速公路(G0611)的重要組成路段，北起甘肅省張掖市甘州區(qū)，南至甘青養(yǎng)護(hù)界，全線90 km，是《甘肅省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2009年調(diào)整)》中規(guī)劃的一條位于甘肅西部地區(qū)的重要的跨省際南北向高速通道。項(xiàng)目地理位置見圖1。

六壩互通為A形單喇叭互通，位于民樂縣六壩鎮(zhèn)與新天鎮(zhèn)交界處。通過設(shè)置該互通完成張扁高速公路與省道S236線的交通轉(zhuǎn)換與疏解，為六壩鎮(zhèn)及沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)、廠礦企業(yè)及園區(qū)提供交通服務(wù)。其中S236六壩互通至G227段作為互通連接線目前仍未實(shí)施，其包含在該項(xiàng)目工程范圍內(nèi)(圖2)。

因周邊農(nóng)業(yè)用地資源及河道限制，互通設(shè)置位置的選擇較為受限。同時(shí)，現(xiàn)狀G227與蘭新高鐵在此段幾乎并行布線且橫向距離較近，蘭新高鐵前后段無穿越條件，故針對(duì)連接線在此處穿越蘭新鐵路的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討。

圖1 項(xiàng)目地理位置圖

圖2 六壩互通初設(shè)平面圖

2 主要影響因素現(xiàn)狀及分析

(1) G227線。G227線起于青海西寧，終點(diǎn)為甘肅張掖，是連接青海和甘肅兩個(gè)省份的重要國道線。G227此段以二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬度12.0 m，設(shè)計(jì)速度80 km/h，是目前連接張掖和扁都口段最重要的公路通道?；ネㄟB接線起點(diǎn)接G227與東六路平面交叉。

(2) 省道S236。根據(jù)《甘肅省省道網(wǎng)規(guī)劃(2013—2030年)》，規(guī)劃省道S236北起山丹縣東樂鄉(xiāng)，與G227平交后，穿越蘭新高鐵，接六壩互通下地匝道，然后南至民樂縣境內(nèi)。道路規(guī)劃等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度24.5 m。目前S236東樂鄉(xiāng)至G227段已建設(shè)完成，G227至六壩互通段仍未實(shí)施，連接線以S236規(guī)劃建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。

(3) 蘭新鐵路第二雙線。蘭州至新疆第二雙線為雙線電氣化客運(yùn)專線鐵路(以下簡(jiǎn)稱“蘭新高鐵”)，是國家《“十二五”綜合交通體系規(guī)劃》中的區(qū)際交通網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)工程，于2014年建成通車。蘭新高鐵在交叉處設(shè)有洪水河順河特大橋，孔跨布置為92×32 m，與連接線交叉處橋下凈高Δh=4.54 m。因該區(qū)域?qū)儆诤樗酉掠挝查倕^(qū)，河道內(nèi)常年基本無水，河道上下游大面積已開墾為農(nóng)田，建有大量的廠房、村舍民居，加之因高鐵建設(shè)、S236規(guī)劃滯后，未預(yù)留一級(jí)公路通過高鐵橋下的通道。

(4) X201?，F(xiàn)狀G227西向互通方向交通通行仍利用現(xiàn)X201，其以過水路面形式下穿通過蘭新鐵路橋，二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬度10.0 m，設(shè)計(jì)速度60 km/h。

(5) 洪水河。洪水河位于民樂縣境內(nèi)中東部，是民樂縣第一大河，屬黑河水系，距民樂縣9 km處設(shè)有雙樹寺水庫，壩址以上流域面積578 km2，干流平均坡降56.8‰。

3 互通連接線初設(shè)方案設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

擬建連接線呈自東向西布線，起點(diǎn)接?xùn)|六路與國道G227交叉口，分幅下穿蘭新高鐵(利用橋孔，樁號(hào)NK0+563)，與六壩互通A匝道“T”形平面交叉，連接線全長(zhǎng)3.33 km。其中起點(diǎn)至互通段，受起訖點(diǎn)接線關(guān)系、既有鐵路橋孔位置、沿線廠區(qū)建筑物，以及規(guī)劃S236線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等影響，路線平面布線采用分離式路基(分離式路基寬12.75 m)，平曲線采用單圓弧布線，半徑R左幅=1 360 m，R右幅=1 100 m。縱斷面受蘭新高鐵橋下凈空高度影響，采用了順應(yīng)地形地貌的“貼地爬”方案，即低挖淺填路基。同時(shí)于連接線上游側(cè)設(shè)置有攔水壩，該攔水壩從蘭新高鐵橋下穿過，基本平行連接線布設(shè)。

3.2 初設(shè)方案存在問題

初設(shè)連接線設(shè)計(jì)方案因平面線位，受起訖點(diǎn)接線、蘭新鐵路橋孔位及其橋下凈空、洪水河河道位置及其百年洪水位標(biāo)高、六壩互通布局以及終點(diǎn)接線條件等因素的影響，平面布線條件基本限定，布線位置也基本合理。但初設(shè)推薦縱斷面設(shè)計(jì)受蘭新高鐵橋下凈空高度(現(xiàn)狀為4.5 m)影響，采用了順應(yīng)地形地貌的“貼地爬”方案，即低挖淺填路基，利用橋孔分幅下穿蘭新高鐵，于NK0+804處(洪水河主河槽)設(shè)置了1×20 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，并于NK0+563～NK0+800范圍內(nèi)的洪水河上游側(cè)設(shè)置攔水壩(長(zhǎng)800 m，平行于連接線設(shè)置)。

初設(shè)連接線縱斷面方案存在的主要問題：

(1) 根據(jù)該項(xiàng)目定測(cè)階段水文計(jì)算及蘭新高鐵相關(guān)水文資料，六壩連接線線位跨越洪水河處百年流量為Q=565.6 m3/s。而初步設(shè)計(jì)于NK0+804處設(shè)置的1×20 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，過水能力明顯不足，不滿足百年水位要求。同時(shí)，泄洪期間洪水將阻斷連接線的交通，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全亦存在可能被掀翻或沖走的安全隱患，威脅河道兩側(cè)廠房安全。

(2) 攔水壩對(duì)河道水流攔截引起的局部沖刷對(duì)蘭新高鐵既有橋的樁基安全存在較大安全隱患。同時(shí)，連接線小里程側(cè)(蘭新高鐵東側(cè))次河槽處缺少有效的縱向排水設(shè)施(連接線未設(shè)置橋涵結(jié)構(gòu)物)，此攔水壩會(huì)導(dǎo)致水流向東匯集無法排出，亦對(duì)河道東側(cè)的廠房民居和道路形成潛在安全威脅。

4 互通連接線施工圖方案設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)連接線推薦方案，下穿蘭新高鐵段縱斷面設(shè)計(jì)高程低于洪水河百年洪水位，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，且河道泄洪期會(huì)出現(xiàn)阻斷交通的情況發(fā)生；以及受蘭新高鐵橋下凈空高度(現(xiàn)狀為Δh=4.54 m)影響，當(dāng)滿足規(guī)劃一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于其建筑限界凈空高度應(yīng)不小于5.0 m情況下，需于鐵路橋下淺挖通過(下挖約0.8 m)，致使下挖后的路面設(shè)計(jì)標(biāo)高與洪水河主河槽河底標(biāo)高幾乎相同。此外，初設(shè)采用的貫通于鐵路橋下的橫向攔水壩構(gòu)造物，還存在對(duì)鐵路橋樁基局部沖刷的風(fēng)險(xiǎn)。

基于以上問題，施工圖設(shè)計(jì)階段結(jié)合六壩互通的布設(shè)情況、擬建連接線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，沿線地形地貌、河道水文、既有蘭新高鐵位置及標(biāo)高、鐵路及河道安全要求，以及實(shí)測(cè)的東六路與國道G227交叉口位置及高程成果，收集到的蘭新高鐵施工圖資料及定測(cè)階段的水文調(diào)查、計(jì)算結(jié)果等，從連接線工程的實(shí)施難易程度、運(yùn)營期管養(yǎng)及交通安全，施工期的干擾及施工組織，以及工程規(guī)模及其造價(jià)等方面，對(duì)連接線縱斷面提出以下4個(gè)設(shè)計(jì)方案。

(1) 方案1：過水路面方案(貼地淺挖下穿高鐵方案)

該方案為下穿蘭新高鐵方案，采用低填淺挖的“貼地爬”縱斷面設(shè)計(jì)，在下穿蘭新高鐵橋下段，盡可能減少連接線下挖段落長(zhǎng)度及深度(最大下挖約0.8 m)，以最大限度減少因該工程施工對(duì)蘭新高鐵橋墩及承臺(tái)、樁基的干擾和影響為原則，而且在縱斷面設(shè)計(jì)高程低于洪水河百年洪水位路段采用過水路面(圖3)。

圖3 互通連接線縱斷面設(shè)計(jì)圖(方案1)

該方案中，連接線縱斷面處于百年洪水位高程以下段落為JK0+313～JT0+882，過水路面長(zhǎng)569 m。構(gòu)筑物設(shè)置情況：于鐵路東側(cè)(起點(diǎn)側(cè))JK0+351處設(shè)置1×1 m圓管涵，西側(cè)(終點(diǎn)側(cè))JK0+809處設(shè)置2×1 m圓管涵；在過水路面上游側(cè)設(shè)置“人”字形截水溝及部分?jǐn)r水壩(截水溝采用2.0 m×0.8 m淺梯形斷面)，以滿足一定流量以下的洪水能經(jīng)截水溝引入涵洞排至下游，保證道路的正常通行，同時(shí)也能適當(dāng)減少河道泄洪期間夾雜的漂石或較大粒徑石塊進(jìn)入道路而影響交通。為避免過水路面段水流在中央分隔帶處聚集，中央分隔帶處采取淺碟狀邊溝并做硬化處理(上層50 cm用漿砌片石處理)。此外，設(shè)置必要的過水路面的警示標(biāo)志及標(biāo)尺、標(biāo)牌等。

(2) 方案2：駝峰方案(導(dǎo)流堤+橋梁方案)

該方案屬下穿蘭新高鐵方案，因方案1所采用的過水路面存在河道泄洪期間阻斷交通的問題，且不滿足百年洪水位要求，故提出此方案。該方案在下穿蘭新高鐵處，仍然采用方案1低填淺挖的“貼地爬”縱斷面設(shè)計(jì)(最大下挖約0.8 m)，而于跨洪水河河槽處采用“抬高”設(shè)置橋梁的方案(圖4)。

為減小洪水河水位變化對(duì)百年洪水位高程以下路段通行能力的影響，從而提高擬建連接線道路的通行安全性，并滿足洪水河的泄洪需求，于鐵路東、西兩側(cè)設(shè)4×20 m及8×20 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)箱梁。連接線左側(cè)(洪水河上游側(cè))設(shè)置“人”字形導(dǎo)流堤(堤壩高程為百年洪水位+雍水高/波浪侵襲高+0.5 m安全高度)，自連接線東西兩側(cè)橋梁錐坡(近鐵路端)處起，連接至蘭新高鐵洪水河順河特大橋起點(diǎn)錐坡處(DK456+722)，將河道水流導(dǎo)流至東西兩側(cè)橋下通過連接線公路，導(dǎo)流堤全長(zhǎng)約2.5 km。并于下游側(cè)設(shè)置攔水壩(防止倒灌，壩高1.5 m)，連接線東西兩側(cè)橋梁之間路基段設(shè)置蒸發(fā)池，避免因降水造成路面積水。

(3) 方案3：上跨方案(上跨蘭新高鐵方案)

該方案為連接線采用整幅全橋方式上跨蘭新高鐵。因優(yōu)化后的方案2依然存在因下穿蘭新鐵路段低于百年洪水位的問題。雖采用了導(dǎo)流堤設(shè)施防止泄洪期間阻斷交通，但該方案存在導(dǎo)流堤設(shè)置需連接至蘭新高鐵路基段，導(dǎo)流設(shè)施設(shè)置過長(zhǎng)，故提出此方案。

受蘭新高鐵建筑限界之凈空高度要求(≥7.25 m)的控制，加之?dāng)M建連接線起點(diǎn)(G227與東六路交叉口)距離蘭新高鐵距離僅559 m，平均縱坡為4.25%，不滿足現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于橋上及橋頭路線的縱坡規(guī)定，故該方案將連接線平面設(shè)計(jì)起點(diǎn)向東延伸，將既有約150 m東六路抬高改建，以滿足連接線縱斷面設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和跨越處蘭新高鐵建筑限界之凈空要求。該方案橋梁設(shè)置于JK0+236.747～JK1+226.747段，橋梁全長(zhǎng)990 m，孔跨布置為(15×30)+(2×45)+(15×30)m箱梁(圖5)。

(4) 方案4：地道方案(明挖箱涵下穿蘭新高鐵方案)

為避免河道泄洪期間阻斷交通的風(fēng)險(xiǎn)，繼方案3(上跨方案)后，提出以箱涵明挖方式下穿蘭新高鐵及洪水河道的方案，以避免因工程建設(shè)導(dǎo)致壓縮河道斷面可能引發(fā)的次生問題，同時(shí)該方案箱涵兩端設(shè)置攔水壩，以防河水進(jìn)入道路(圖6、7)。

圖5 互通連接線縱斷面設(shè)計(jì)圖(方案3)

圖6 互通連接線縱斷面設(shè)計(jì)圖(方案4)

圖7 箱涵(框架橋)施工防護(hù)示意圖(單位：mm)

5 方案綜合比選

4個(gè)方案綜合經(jīng)濟(jì)比較見表1。根據(jù)表1，從以下幾個(gè)方面對(duì)比選方案分析：

(1) 從符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析

方案1因采用貼地淺挖方式，低于洪水河百年水位，故部分段落采用過水路面，不滿足規(guī)范相關(guān)要求，方案2、3、4均滿足。

(2) 從設(shè)計(jì)采用的主要技術(shù)指標(biāo)分析

受連接線起訖點(diǎn)接線及沿線地物影響，4個(gè)方案中，方案1、2、4均為下穿蘭新高鐵方案，為從既有橋下采用分離式路基通過，而方案3為上跨蘭新高鐵的跨線橋方案，采用整體式路基。4個(gè)方案的平面線形均滿足一級(jí)公路技術(shù)指標(biāo)要求，且均較好。

但路線縱斷面設(shè)計(jì)各方案均不同，其中方案2(駝峰方案)縱斷面因同時(shí)滿足凈高不小于5.0 m、縱面段最小坡長(zhǎng)要求、洪水河百年水位及排洪斷面，以及橋梁布設(shè)條件等，采用了連續(xù)短坡長(zhǎng)、大縱坡設(shè)計(jì)，故技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最差；方案3因上跨蘭新高鐵，加之起點(diǎn)接線位置(接國道G227與東六路平交口)距離鐵路僅559 m，高差達(dá)20.08 m，不滿足橋上及橋頭路線的縱坡規(guī)定，設(shè)計(jì)采用了4%的最大縱坡(致使需改建現(xiàn)有的國道G227，及剛剛建成的G227與東六路平交口——抬高約1.5 m)，縱斷面設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)亦較差，方案4次之，方案1因采用順地爬的縱斷面設(shè)計(jì)思路，故縱斷面設(shè)計(jì)指標(biāo)4個(gè)方案中最優(yōu)。

(3) 從對(duì)蘭新高鐵的干擾、施工風(fēng)險(xiǎn)、工期控制及協(xié)調(diào)難度等分析

方案1、2均為淺挖低填路基方案，對(duì)鐵路橋承臺(tái)及其樁基影響最小，施工風(fēng)險(xiǎn)及協(xié)調(diào)難度亦最小，取得鐵路部門的建設(shè)許可的可能性最大；方案4下挖深度約6.5 m，且采用圍護(hù)樁加固處理，作業(yè)期間對(duì)鐵路橋承臺(tái)及其樁基影響較大，施工干擾較大，施工風(fēng)險(xiǎn)及協(xié)調(diào)難度亦較大，取得鐵路部門的建設(shè)許可的可能性一般；方案3因?yàn)樯峡绺哞F方案，無橋下下挖作業(yè)，但是中孔2×45 m橋梁采用轉(zhuǎn)體施工，需要鐵路天窗時(shí)間較長(zhǎng)，施工風(fēng)險(xiǎn)在4個(gè)方案中最大，取得鐵路部門的建設(shè)許可的可能性最小，施工和協(xié)調(diào)難度最大，工期受控于鐵路運(yùn)營計(jì)劃最大。

(4) 從對(duì)洪水河河道泄洪能力影響分析

根據(jù)水文計(jì)算，擬建連接線處洪水河處百年流量為Q=565.6 m3/s。方案1因采用過水路面方案，而方案4采用上跨高鐵方案，對(duì)洪水河河道均無大的導(dǎo)流設(shè)施，未對(duì)河道進(jìn)行壓縮和改移，故對(duì)河道泄洪能力基本無干擾和影響。方案3采用下穿地道方案，僅于地道進(jìn)出口兩端設(shè)置必要的導(dǎo)流設(shè)施，對(duì)主河槽及次河槽無壓縮，故對(duì)河道泄洪能力影響甚微；方案2因于主河槽和次河槽設(shè)置兩座橋梁，并設(shè)置導(dǎo)流設(shè)施，對(duì)河道水流方向有一定的干擾，但泄洪能力滿足需求。

(5) 從連接線工程建成后的交通行車安全分析

方案1因采用過水路面，洪水河泄洪期間，過水路面段將中斷交通，故對(duì)連接線(即S236)的交通通行、六壩互通東向交通流的快速疏解，以及通過連接線的搶險(xiǎn)救災(zāi)車輛通行造成的影響最大,而方案2、3、4對(duì)行車安全影響較小。

(6) 對(duì)G227及東六路等沿線道路的改擴(kuò)建影響

因方案3采用上跨高鐵方案，受縱坡技術(shù)指標(biāo)及交叉口交通轉(zhuǎn)向和進(jìn)入交叉口連接線縱坡過大造成交通安全風(fēng)險(xiǎn)等，該方案將國道G227與東六路交叉口豎向抬高約1.5 m，致使改建G227及東六路各約150 m，此外對(duì)老G227(現(xiàn)為園區(qū)道路)無銜接。方案4因采用地道方案及導(dǎo)流堤設(shè)施的設(shè)置，致使地道進(jìn)口端距離老G227無法銜接，需要改移。

表1 主要工程數(shù)量、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

(7) 從工程投資角度分析

方案4工程造價(jià)最高，方案3其次，方案2較低，方案1工程造價(jià)最低。

綜合以上分析，以滿足功能、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、工程投資較小、行車安全性較高、建設(shè)工期受外界因素影響較小等為原則，推薦采用方案2(駝峰方案)，其既能滿足相關(guān)規(guī)范要求，保證洪水河泄洪期間道路能夠正常通行，并且對(duì)高鐵橋影響較小，工程投資也較少。

6 結(jié)語

隨著中國鐵路及公路網(wǎng)密度不斷提高，公路與鐵路交叉的情況不可避免。但由于鐵路與公路的規(guī)劃、建設(shè)的不協(xié)調(diào)性導(dǎo)致個(gè)別情況下公鐵立交設(shè)置條件較為苛刻。此時(shí)在技術(shù)可行的前提下，需要從行車安全性、經(jīng)濟(jì)合理性、社會(huì)影響等多個(gè)方面對(duì)方案進(jìn)行綜合比選，既要減少對(duì)鐵路運(yùn)營的干擾及潛在風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免設(shè)計(jì)方案功能不足或規(guī)模過大，努力實(shí)現(xiàn)道路功能發(fā)揮和經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的最大化。