高山峽谷地區(qū)高速公路施工組織設(shè)計(jì)方法分析

胡 涵, 汪曉峰, 趙 金, 孫孝謙

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610041)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)以及國(guó)防建設(shè)需求的迫切性，高速公路建設(shè)不斷向高緯度、高寒和高烈度的高山峽谷中擴(kuò)展，由于這些地區(qū)人煙稀少、無(wú)交通道路和氣候環(huán)境極其惡劣給高速公路的施工建設(shè)帶來(lái)了前作未有的挑戰(zhàn)。同時(shí)施工組織設(shè)計(jì)作為施工過(guò)程的主要依據(jù)，在整個(gè)公路工程中占據(jù)了重要的地位[1-3]。因此，在高山峽谷無(wú)人區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中施工組織的有效設(shè)計(jì)就顯得更為重要，不僅能夠說(shuō)明線路選線的合理性，還能說(shuō)明隧道、路基、橋涵和環(huán)保等工程設(shè)計(jì)的施工可行性。

在施工組織方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程師進(jìn)行了大量理論實(shí)踐與研究。張福全[4]針對(duì)目前高速公路施工組織設(shè)計(jì)方案中存在的實(shí)施難度大、技術(shù)水平低、缺乏側(cè)重點(diǎn)等問(wèn)題，提出將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模塊化技術(shù)充分運(yùn)用到設(shè)計(jì)工作中，提高設(shè)計(jì)作效率。周新湘[5]從施工組織設(shè)計(jì)對(duì)公路施工進(jìn)程的影響角度出發(fā)，分析了兩者之間的關(guān)系，提出不斷完善施工組織方案是獲得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的基礎(chǔ)。為了解決工程施工工序之間的沖突對(duì)施工組織設(shè)計(jì)的影響，Chua等[6]建立了以工藝和工程實(shí)體為2個(gè)主要因素的決策模型。以上學(xué)者和工程師在一般地區(qū)的公路施工組織設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量研究，結(jié)合目前的計(jì)算機(jī)等輔助軟件提出了大量的設(shè)計(jì)方法。但是目前對(duì)于高山峽谷無(wú)人區(qū)的施工組織設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少，沒(méi)有可供參考的完善設(shè)計(jì)理論法，嚴(yán)重制約了我國(guó)高速公路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展[7]。因此，本文以新疆獨(dú)庫(kù)高速公路的DGKSJ-2合同段為研究對(duì)象，采用緯地軟件分區(qū)段對(duì)施工場(chǎng)地和棄土場(chǎng)的設(shè)置與規(guī)劃、土石方的調(diào)配與運(yùn)輸、施工工期的計(jì)算等進(jìn)行了分析討論，提出針對(duì)高山峽谷無(wú)人區(qū)的施工組織設(shè)計(jì)方法，能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁﹨⒖肌?/p>

1 工程概況及項(xiàng)目特點(diǎn)

1.1 工程概況

G217線獨(dú)山子至鞏乃斯至庫(kù)車2個(gè)公路建設(shè)項(xiàng)目北起“石油之城”獨(dú)山子，南至龜茲古國(guó)庫(kù)車，途經(jīng)烏蘇、尼勒克、新源、和靜等縣；北接G30，南接G3012，與規(guī)劃的G0711烏尉高速和巴里坤至哈密高速一起形成南北疆之間的聯(lián)系大通道。本文研究對(duì)象為DGKSJ-2合同段，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目地理位置

DGKSJ-2合同段推薦線K線起點(diǎn)位于將軍廟，路線向南沿奎屯河右岸一路爬坡布設(shè)，設(shè)置克扎依特長(zhǎng)隧道(14 837 m)穿越克扎依達(dá)坂，出隧道后沿喀什河谷南行，設(shè)置玉希莫勒蓋特長(zhǎng)隧道(14 362.5 m)穿越玉希莫勒蓋達(dá)坂，出隧道后沿阿爾先溝U型河谷南下，一路降坡至鞏乃斯鎮(zhèn)北，設(shè)置鞏乃斯樞紐互通與待建G218那拉提至巴倫臺(tái)公路相接。路線全長(zhǎng)101.383 km,路線布置如圖2所示。

圖2 路線方案示意

1.2 地形地貌

工程區(qū)地形、地貌復(fù)雜，河谷發(fā)育，溝壑縱橫，山區(qū)地形切割劇烈，路線走廊帶跨越地貌單元較多。擬建路線地區(qū)地貌單元可分為河谷堆積地貌區(qū)、剝蝕構(gòu)造中山地區(qū)、剝蝕構(gòu)造高山地區(qū)3種地貌單元。

1.2.1 河谷堆積地貌區(qū)

此類地貌位于喀什河、阿爾先溝等，河谷較寬緩，海拔高程多在2 000～2 750 m。地層主要為第四系沖積層(Q3-4al)和沖洪積層(Q4al+pl)等組成,如圖3所示。

圖3 河谷堆積地貌區(qū)

1.2.2 剝蝕構(gòu)造中山山地區(qū)

在本線路中，此類地貌多分布于巴音溝至克扎依達(dá)坂段、喀什腦子溫泉至玉希莫勒蓋達(dá)坂段、阿爾先溫泉溝、將軍廟至哈希勒根達(dá)坂段、喬爾瑪至玉希莫勒蓋段，區(qū)內(nèi)海拔在1 500～3 000 m之間，相對(duì)高差在200～700 m間，此類地貌中巖石風(fēng)化程度一般，地形相對(duì)起伏較大，山頂多呈脊?fàn)?，溝谷切割較深，多為“V”形谷。

1.2.3 剝蝕構(gòu)造高山山地區(qū)

該類地貌在本項(xiàng)目中主要位于哈希勒根達(dá)坂段，克扎依達(dá)坂段、玉希莫勒蓋達(dá)坂段等區(qū)域，此區(qū)域多為地形復(fù)雜、高山凸起的復(fù)雜地貌區(qū)，海拔高程普遍為3 000～4 500 m，相對(duì)高差為350～1 000 m之間，該區(qū)域內(nèi)多山高坡陡，易形成懸崖峭壁，巖石風(fēng)化破碎，冰川地貌(如冰斗、幽谷、冰蝕洼地、終磧堤等)較發(fā)育，河谷切割較深，多為“V”“U”型峽谷,如圖4所示。

圖4 剝蝕構(gòu)造中山地貌區(qū)

1.3 施工組織特點(diǎn)

路線線位從天山山脈的中部橫穿而過(guò)，沿線顛連逶迤、雪峰雄峙，沿線穿越克扎依、玉希莫勒蓋等達(dá)坂，導(dǎo)致施工組織復(fù)雜，具有的特點(diǎn)：

(1)高山峽谷地形，不良地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，施工場(chǎng)地和棄土場(chǎng)選址困難。

項(xiàng)目縱貫天山北部，整個(gè)天山山脈總體走勢(shì)是西高東低，一般海拔在3 000～5 000 m之間，地形相對(duì)比高較大，屬典型的高山區(qū)地貌。沿線地形地貌極為復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、地質(zhì)條件差、地震烈度高、滑坡、泥石流、崩塌碎落等地質(zhì)及自然災(zāi)害多發(fā)、氣候惡劣、冬季寒冷、冰凍期長(zhǎng)，建設(shè)條件十分復(fù)雜，項(xiàng)目施工場(chǎng)地和棄土場(chǎng)選址困難。

(2)狹窄的路線走廊和復(fù)雜的施工干擾，導(dǎo)致施工運(yùn)輸組織復(fù)雜。

項(xiàng)目路線走廊多為“V”型河谷，兩側(cè)地形陡峭，谷底狹窄。路線大部分沿河谷布線，復(fù)雜的地形、惡劣多變的氣候，較高的海拔將會(huì)給施工運(yùn)輸造成極大不便，項(xiàng)目地處天山腹地，僅既有G217和G218可作為施工便道，極不利于施工設(shè)備進(jìn)場(chǎng)。同時(shí)場(chǎng)內(nèi)便道修建工程量巨大且不易維護(hù)，施工運(yùn)輸組織復(fù)雜。

(3)隧道比例高，且集中于前半部分，棄方量巨大。

路線隧道比高達(dá)66%，隧道眾多，主要集中于起點(diǎn)至克扎依隧道進(jìn)口路段，棄渣量巨大，需大量棄土場(chǎng)容納棄方。

(4)超長(zhǎng)隧道施工周期長(zhǎng)，將線路分割成3大區(qū)段。

克扎依隧道和希莫勒蓋隧道作為本標(biāo)段工期決定性因素，其將本標(biāo)段分劃為3大部分，分別為起點(diǎn)至克扎依隧道進(jìn)口區(qū)段、克扎依隧道出口至玉希莫勒蓋隧道進(jìn)口區(qū)段和玉希莫勒蓋隧道出口至止點(diǎn)區(qū)段。

2 施工場(chǎng)地和棄土場(chǎng)總體規(guī)劃設(shè)計(jì)

根據(jù)本項(xiàng)目工程特點(diǎn)，施工場(chǎng)地布置主要依據(jù)幾個(gè)原則進(jìn)行：

(1)充分適應(yīng)工程施工特點(diǎn)的原則。本工程橋隧多，特長(zhǎng)隧道施工時(shí)間長(zhǎng)，為方便施工管理，施工總布置宜采取分區(qū)規(guī)劃、相對(duì)集中的布置方式為主。

(2)與施工方案及進(jìn)度安排相協(xié)調(diào)的原則。

(3)充分適應(yīng)施工場(chǎng)地條件的原則。本工程各主要施工點(diǎn)的施工場(chǎng)地條件總體較好，便于臨建布置，為節(jié)省工程投資，施工布置以盡量少占草地和林地為原則。

圖5 將軍廟至水文站奎屯河谷場(chǎng)地布置條件示意

(a)水文站至烏斯吐隧道奎屯河谷場(chǎng)地布置條件示意

(b)烏斯吐隧道至三岔河奎屯河谷場(chǎng)地條件示意圖6 水文站至三岔河奎屯河谷場(chǎng)地布置示意

圖7 三岔河至中峽谷河河谷場(chǎng)地布置條件示意

2.1 起點(diǎn)至克扎依隧道進(jìn)口區(qū)段

施工場(chǎng)地及駐地均位于河谷內(nèi)，充分利用河岸兩側(cè)的河漫灘進(jìn)行設(shè)置，場(chǎng)地面積大，布置條件好，區(qū)段內(nèi)可通過(guò)河谷內(nèi)縱向施工便道與既有國(guó)道G217線相接和通過(guò)橫向便道與隧道口相接。由于該區(qū)段內(nèi)隧道眾多，應(yīng)按隧道的施工情況靈活設(shè)置臨時(shí)施工場(chǎng)地，方便施工,場(chǎng)地規(guī)劃布置如圖5～圖7所示。

2.2 克扎依隧道出口至玉希莫勒蓋隧道進(jìn)口區(qū)段

克扎依隧道出口至玉希莫勒蓋隧道進(jìn)口均位于喀什河谷內(nèi)，施工場(chǎng)地及駐地可充分利用河漫灘和路基部分進(jìn)行設(shè)置。其中克扎依隧道出口為溫泉區(qū)，可充分利用既有設(shè)施或者自行修建。駐地和施工場(chǎng)地布置遠(yuǎn)離山坡雪水形成的地表徑流，避免遭受泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。區(qū)段內(nèi)通過(guò)利用喀什腦子溫泉牧道新建沿河谷的縱向便道與既有國(guó)道217公路相連,場(chǎng)地規(guī)劃布置如圖8所示。

圖8 喀什河河谷場(chǎng)地布置示意

2.3 玉希莫勒蓋隧道出口至止點(diǎn)區(qū)段

玉希莫勒蓋隧道出口至止點(diǎn)除阿爾先隧道外均位于阿爾先溝河谷內(nèi)，施工場(chǎng)地及駐地可充分利用河漫灘和路基部分進(jìn)行設(shè)置。其中可利用鞏乃斯服務(wù)區(qū)、鞏乃斯互通和主線路基設(shè)置熱拌站、橋梁預(yù)制場(chǎng)等施工設(shè)施。區(qū)段內(nèi)通過(guò)利用阿爾先溫泉公路整修沿河谷的縱向便道與既有G218公路相連,場(chǎng)地規(guī)劃布置如圖9所示。

圖9 阿爾先溝河谷場(chǎng)地布置示意

3 土石方的調(diào)配與運(yùn)輸

3.1 土石調(diào)配

全線主線路基總挖方131.51萬(wàn)m3，隧道出渣量1 489.72 m3。主線及互通路基填方576.42萬(wàn)m3，連接線填方135.36萬(wàn)m3，其他工程利用19.9萬(wàn)m3，筑路材料利用275.91萬(wàn)m3。路基總棄方28.36萬(wàn)m3，隧道總棄渣599.83萬(wàn)m3，其他工程及便道棄方96.79萬(wàn)m3，總棄方724.98萬(wàn)m3。全線路基表土和松土均用于邊坡綠化。全線棄土分別棄于1號(hào)～8號(hào)棄土場(chǎng)，均位于奎屯河河谷區(qū)域，為天山無(wú)人區(qū)。河谷內(nèi)通過(guò)縱向便道和橫向便道將隧道口與各個(gè)棄土場(chǎng)連接起來(lái)，可保證土石運(yùn)輸通道順暢。土石調(diào)配如表1所示。

3.2 土石運(yùn)輸?shù)缆?/h3>

3.2.1 起點(diǎn)至克扎依隧道進(jìn)口區(qū)段

區(qū)段內(nèi)起點(diǎn)至奎屯河水文站路線與既有G217道路平行，可利用既有G217線作為該段線路的縱向便道，然后新建烏拉斯臺(tái)1號(hào)隧道進(jìn)口便道、烏拉斯臺(tái)3號(hào)隧道進(jìn)出口便道等橫向便道與其連接，組成施工道路網(wǎng)絡(luò)。水文站至克扎依隧道進(jìn)口線路位于奎屯河右側(cè)山體中，首先沿奎屯河谷新建平行于線路的縱向便道，然后修建各隧道口、棄土場(chǎng)和施工場(chǎng)地與縱向便道相互連接的橫向便道，組成施工運(yùn)輸路網(wǎng)。由于縱向便道作為施工的主干道路，按四級(jí)公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度6.5 m，路面采用水泥混凝土路面。同時(shí)考慮冬季路面結(jié)冰對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊?，也可以只采用水泥混凝土路面的下面層作為路面材料。而橫向便道作為只到對(duì)應(yīng)工程點(diǎn)的運(yùn)輸?shù)缆?，采用等外?jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬度為4.5 m。

3.2.2 克扎依隧道出口至玉希莫勒蓋隧道進(jìn)口區(qū)段

區(qū)段內(nèi)連接線起點(diǎn)至止點(diǎn)路線與既有喀什腦子溫泉牧道平行，可利用該牧道整修與連接線平行的縱向便道，整修長(zhǎng)度約為29.09 km。然后繼續(xù)沿喀什河谷新建平行主線的縱向便道，直至玉希莫勒蓋隧道進(jìn)口。按四級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬度6.5 m，路面采用水泥混凝土路面，新建長(zhǎng)度約為8.16 km。同時(shí)由于該段線路和施工場(chǎng)地均位于河谷內(nèi)，縱向便道就能滿足施工運(yùn)輸需求，故除了新建克扎依隧道出口便道和玉希莫勒蓋隧道斜井便道外，不規(guī)劃其他橫向便道。

3.2.3 玉希莫勒蓋隧道出口至止點(diǎn)區(qū)段

該區(qū)段內(nèi)主線與既有阿爾先溝溫泉公路平行且有多處交叉，可對(duì)該溫泉公路整修或改移后作為施工縱向便道，整修長(zhǎng)度為26 km。同時(shí)該段線路和施工場(chǎng)地基本位于河谷內(nèi)，僅需修建較短橫向便道與其連接。

表1 工程棄渣規(guī)劃 單位：104 m3

4 施工工期的設(shè)計(jì)與計(jì)算

由于建設(shè)地區(qū)地形復(fù)雜，建設(shè)難度大，且部分位于天山無(wú)人區(qū)，因此合理的編制本項(xiàng)目施工組織計(jì)劃，加快項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度將顯得尤為重要。結(jié)合總體施工方案，本階段主要從均衡施工和投資強(qiáng)度的角度出發(fā)對(duì)施工總進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行安排。

4.1 施工期限的總體安排

本項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)總工期5年，2021年底開工，2026年底建成通車。隧道的施工工序包括洞通(含襯砌)、機(jī)電、路面及交安工程，其中隧道洞通的方式由到達(dá)隧道口的橫向便道和斜豎井決定。橋梁的施工工序包括下部結(jié)構(gòu)施工、梁板架設(shè)、橋面鋪裝、路面及交安工程，其中由于起點(diǎn)至克扎依隧道進(jìn)口區(qū)段內(nèi)線路位于河谷一側(cè)陡峭的山體中，與谷底高差達(dá)200～300 m，無(wú)條件修建運(yùn)梁的橫向便道。因此該區(qū)段共設(shè)置2座橋梁預(yù)制場(chǎng)，分別為起點(diǎn)處利用挖方路基設(shè)置的1#橋梁預(yù)制場(chǎng)和克扎依隧道進(jìn)口處的2#橋梁預(yù)制場(chǎng)。由于1#橋梁預(yù)制場(chǎng)場(chǎng)地較小，僅給克勒1號(hào)大橋至特克勒2號(hào)大橋供梁，而中峽谷特大橋至清水河大橋均由2#橋梁預(yù)制場(chǎng)供梁，架梁方式為依次推進(jìn)架設(shè)。通過(guò)代號(hào)計(jì)算法[8]得到本路線的控制性工程為克扎依和玉希莫勒蓋2座超特長(zhǎng)隧道，克扎依隧道長(zhǎng)14 884 m，設(shè)置了1處長(zhǎng)1 655 m的無(wú)軌運(yùn)輸斜井和1處深422 m的豎井，考慮斜豎井輔助主洞施工，最大獨(dú)頭掘進(jìn)距離約5.8 km，施工工期約58個(gè)月；玉希莫勒蓋隧道長(zhǎng)14 367 m，設(shè)置了2處無(wú)軌運(yùn)輸斜井，長(zhǎng)度分別為2 650 m和2 495 m，考慮斜井輔助主洞施工，最大單頭掘進(jìn)距離約5 km，施工工期約57個(gè)月。隧道施工工序如表2所示。

表2 隧道總體施工安排

4.2 施工總進(jìn)度編制

根據(jù)工程規(guī)模及特點(diǎn)，結(jié)合推薦的總體施工方案并參考國(guó)內(nèi)同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，確定工程施工總工期為60個(gè)月，其中施工準(zhǔn)備期2個(gè)月，主體工程施工期56個(gè)月，竣工收尾2個(gè)月。進(jìn)度計(jì)劃安排如表3所示。

5 結(jié)論

高速公路施工組織設(shè)計(jì)作為整個(gè)工程設(shè)計(jì)的一小部分，往往得不到重視，在高山峽谷無(wú)人區(qū)來(lái)說(shuō)易造成重大工程事故。鑒于此，本文重點(diǎn)對(duì)高山峽谷無(wú)人區(qū)的施工組織中的施工場(chǎng)地和棄土場(chǎng)的設(shè)置與規(guī)劃、土石方的調(diào)配與運(yùn)輸、施工工期的計(jì)算等進(jìn)行分析討論，得到結(jié)論：

(1)高山峽谷無(wú)人區(qū)的施工場(chǎng)地設(shè)置應(yīng)盡可能的利用河谷內(nèi)平緩的河漫灘或坡地，同時(shí)結(jié)合全線主體工程的施工工序、場(chǎng)內(nèi)交通情況和土石方情況綜合考慮；棄土場(chǎng)應(yīng)盡可能的利用隧道進(jìn)出口下方的溝槽設(shè)置，既方便棄土又能節(jié)約造價(jià)。

(2)根據(jù)路線經(jīng)過(guò)的地形特點(diǎn)，將其分為3個(gè)區(qū)段，分別為起點(diǎn)至克扎依隧道進(jìn)口區(qū)段、克扎依隧道出口至玉希莫勒蓋隧道進(jìn)口區(qū)段和玉希莫勒蓋隧道出口至止點(diǎn)區(qū)段。對(duì)于起點(diǎn)至克扎依隧道進(jìn)口區(qū)段，隧道占比大，應(yīng)綜合考慮將隧道棄渣首先運(yùn)用于筑路材料、路基填筑和施工場(chǎng)地，剩余部分再棄置于棄土場(chǎng)。

(3)場(chǎng)內(nèi)無(wú)人區(qū)交通運(yùn)輸路網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)包括縱向便道和橫向便道，縱向便道沿河谷布設(shè)并作為運(yùn)輸主干道路，其設(shè)計(jì)為兩車道且為防滑路面。而橫向便道在溝谷兩側(cè)山體中展線，作為工點(diǎn)施工道路。

(4)起點(diǎn)至克扎依隧道進(jìn)口區(qū)段內(nèi)僅設(shè)2座橋梁預(yù)制場(chǎng)，架梁方式均為依次推進(jìn)架設(shè)，各主要工程節(jié)點(diǎn)完工時(shí)間均能滿足工期要求，其中克扎依隧道施工總工期58個(gè)月，為本項(xiàng)目的控制性工程。