高山峡谷地区高速公路施工组织设计方法分析

胡 涵, 汪晓峰, 赵 金, 孙孝谦

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610041)

随着我国经济实力的不断增强以及国防建设需求的迫切性，高速公路建设不断向高纬度、高寒和高烈度的高山峡谷中扩展，由于这些地区人烟稀少、无交通道路和气候环境极其恶劣给高速公路的施工建设带来了前作未有的挑战。同时施工组织设计作为施工过程的主要依据，在整个公路工程中占据了重要的地位[1-3]。因此，在高山峡谷无人区高速公路设计中施工组织的有效设计就显得更为重要，不仅能够说明线路选线的合理性，还能说明隧道、路基、桥涵和环保等工程设计的施工可行性。

在施工组织方面，国内外学者和工程师进行了大量理论实践与研究。张福全[4]针对目前高速公路施工组织设计方案中存在的实施难度大、技术水平低、缺乏侧重点等问题，提出将现代计算机模块化技术充分运用到设计工作中，提高设计作效率。周新湘[5]从施工组织设计对公路施工进程的影响角度出发，分析了两者之间的关系，提出不断完善施工组织方案是获得良好的经济和社会效益的基础。为了解决工程施工工序之间的冲突对施工组织设计的影响，Chua等[6]建立了以工艺和工程实体为2个主要因素的决策模型。以上学者和工程师在一般地区的公路施工组织设计方面进行了大量研究，结合目前的计算机等辅助软件提出了大量的设计方法。但是目前对于高山峡谷无人区的施工组织设计研究相对较少，没有可供参考的完善设计理论法，严重制约了我国高速公路设计技术的发展[7]。因此，本文以新疆独库高速公路的DGKSJ-2合同段为研究对象，采用纬地软件分区段对施工场地和弃土场的设置与规划、土石方的调配与运输、施工工期的计算等进行了分析讨论，提出针对高山峡谷无人区的施工组织设计方法，能够为类似工程提供参考。

1 工程概况及项目特点

1.1 工程概况

G217线独山子至巩乃斯至库车2个公路建设项目北起“石油之城”独山子，南至龟兹古国库车，途经乌苏、尼勒克、新源、和静等县；北接G30，南接G3012，与规划的G0711乌尉高速和巴里坤至哈密高速一起形成南北疆之间的联系大通道。本文研究对象为DGKSJ-2合同段，如图1所示。

图1 项目地理位置

DGKSJ-2合同段推荐线K线起点位于将军庙，路线向南沿奎屯河右岸一路爬坡布设，设置克扎依特长隧道(14 837 m)穿越克扎依达坂，出隧道后沿喀什河谷南行，设置玉希莫勒盖特长隧道(14 362.5 m)穿越玉希莫勒盖达坂，出隧道后沿阿尔先沟U型河谷南下，一路降坡至巩乃斯镇北，设置巩乃斯枢纽互通与待建G218那拉提至巴伦台公路相接。路线全长101.383 km,路线布置如图2所示。

图2 路线方案示意

1.2 地形地貌

工程区地形、地貌复杂，河谷发育，沟壑纵横，山区地形切割剧烈，路线走廊带跨越地貌单元较多。拟建路线地区地貌单元可分为河谷堆积地貌区、剥蚀构造中山地区、剥蚀构造高山地区3种地貌单元。

1.2.1 河谷堆积地貌区

此类地貌位于喀什河、阿尔先沟等，河谷较宽缓，海拔高程多在2 000～2 750 m。地层主要为第四系冲积层(Q3-4al)和冲洪积层(Q4al+pl)等组成,如图3所示。

图3 河谷堆积地貌区

1.2.2 剥蚀构造中山山地区

在本线路中，此类地貌多分布于巴音沟至克扎依达坂段、喀什脑子温泉至玉希莫勒盖达坂段、阿尔先温泉沟、将军庙至哈希勒根达坂段、乔尔玛至玉希莫勒盖段，区内海拔在1 500～3 000 m之间，相对高差在200～700 m间，此类地貌中岩石风化程度一般，地形相对起伏较大，山顶多呈脊状，沟谷切割较深，多为“V”形谷。

1.2.3 剥蚀构造高山山地区

该类地貌在本项目中主要位于哈希勒根达坂段，克扎依达坂段、玉希莫勒盖达坂段等区域，此区域多为地形复杂、高山凸起的复杂地貌区，海拔高程普遍为3 000～4 500 m，相对高差为350～1 000 m之间，该区域内多山高坡陡，易形成悬崖峭壁，岩石风化破碎，冰川地貌(如冰斗、幽谷、冰蚀洼地、终碛堤等)较发育，河谷切割较深，多为“V”“U”型峡谷,如图4所示。

图4 剥蚀构造中山地貌区

1.3 施工组织特点

路线线位从天山山脉的中部横穿而过，沿线颠连逶迤、雪峰雄峙，沿线穿越克扎依、玉希莫勒盖等达坂，导致施工组织复杂，具有的特点：

(1)高山峡谷地形，不良地质灾害频发，施工场地和弃土场选址困难。

项目纵贯天山北部，整个天山山脉总体走势是西高东低，一般海拔在3 000～5 000 m之间，地形相对比高较大，属典型的高山区地貌。沿线地形地貌极为复杂、地质构造发育、地质条件差、地震烈度高、滑坡、泥石流、崩塌碎落等地质及自然灾害多发、气候恶劣、冬季寒冷、冰冻期长，建设条件十分复杂，项目施工场地和弃土场选址困难。

(2)狭窄的路线走廊和复杂的施工干扰，导致施工运输组织复杂。

项目路线走廊多为“V”型河谷，两侧地形陡峭，谷底狭窄。路线大部分沿河谷布线，复杂的地形、恶劣多变的气候，较高的海拔将会给施工运输造成极大不便，项目地处天山腹地，仅既有G217和G218可作为施工便道，极不利于施工设备进场。同时场内便道修建工程量巨大且不易维护，施工运输组织复杂。

(3)隧道比例高，且集中于前半部分，弃方量巨大。

路线隧道比高达66%，隧道众多，主要集中于起点至克扎依隧道进口路段，弃渣量巨大，需大量弃土场容纳弃方。

(4)超长隧道施工周期长，将线路分割成3大区段。

克扎依隧道和希莫勒盖隧道作为本标段工期决定性因素，其将本标段分划为3大部分，分别为起点至克扎依隧道进口区段、克扎依隧道出口至玉希莫勒盖隧道进口区段和玉希莫勒盖隧道出口至止点区段。

2 施工场地和弃土场总体规划设计

根据本项目工程特点，施工场地布置主要依据几个原则进行：

(1)充分适应工程施工特点的原则。本工程桥隧多，特长隧道施工时间长，为方便施工管理，施工总布置宜采取分区规划、相对集中的布置方式为主。

(2)与施工方案及进度安排相协调的原则。

(3)充分适应施工场地条件的原则。本工程各主要施工点的施工场地条件总体较好，便于临建布置，为节省工程投资，施工布置以尽量少占草地和林地为原则。

图5 将军庙至水文站奎屯河谷场地布置条件示意

(a)水文站至乌斯吐隧道奎屯河谷场地布置条件示意

(b)乌斯吐隧道至三岔河奎屯河谷场地条件示意图6 水文站至三岔河奎屯河谷场地布置示意

图7 三岔河至中峡谷河河谷场地布置条件示意

2.1 起点至克扎依隧道进口区段

施工场地及驻地均位于河谷内，充分利用河岸两侧的河漫滩进行设置，场地面积大，布置条件好，区段内可通过河谷内纵向施工便道与既有国道G217线相接和通过横向便道与隧道口相接。由于该区段内隧道众多，应按隧道的施工情况灵活设置临时施工场地，方便施工,场地规划布置如图5～图7所示。

2.2 克扎依隧道出口至玉希莫勒盖隧道进口区段

克扎依隧道出口至玉希莫勒盖隧道进口均位于喀什河谷内，施工场地及驻地可充分利用河漫滩和路基部分进行设置。其中克扎依隧道出口为温泉区，可充分利用既有设施或者自行修建。驻地和施工场地布置远离山坡雪水形成的地表径流，避免遭受泥石流等地质灾害。区段内通过利用喀什脑子温泉牧道新建沿河谷的纵向便道与既有国道217公路相连,场地规划布置如图8所示。

图8 喀什河河谷场地布置示意

2.3 玉希莫勒盖隧道出口至止点区段

玉希莫勒盖隧道出口至止点除阿尔先隧道外均位于阿尔先沟河谷内，施工场地及驻地可充分利用河漫滩和路基部分进行设置。其中可利用巩乃斯服务区、巩乃斯互通和主线路基设置热拌站、桥梁预制场等施工设施。区段内通过利用阿尔先温泉公路整修沿河谷的纵向便道与既有G218公路相连,场地规划布置如图9所示。

图9 阿尔先沟河谷场地布置示意

3 土石方的调配与运输

3.1 土石调配

全线主线路基总挖方131.51万m3，隧道出渣量1 489.72 m3。主线及互通路基填方576.42万m3，连接线填方135.36万m3，其他工程利用19.9万m3，筑路材料利用275.91万m3。路基总弃方28.36万m3，隧道总弃渣599.83万m3，其他工程及便道弃方96.79万m3，总弃方724.98万m3。全线路基表土和松土均用于边坡绿化。全线弃土分别弃于1号～8号弃土场，均位于奎屯河河谷区域，为天山无人区。河谷内通过纵向便道和横向便道将隧道口与各个弃土场连接起来，可保证土石运输通道顺畅。土石调配如表1所示。

3.2 土石运输道路

3.2.1 起点至克扎依隧道进口区段

区段内起点至奎屯河水文站路线与既有G217道路平行，可利用既有G217线作为该段线路的纵向便道，然后新建乌拉斯台1号隧道进口便道、乌拉斯台3号隧道进出口便道等横向便道与其连接，组成施工道路网络。水文站至克扎依隧道进口线路位于奎屯河右侧山体中，首先沿奎屯河谷新建平行于线路的纵向便道，然后修建各隧道口、弃土场和施工场地与纵向便道相互连接的横向便道，组成施工运输路网。由于纵向便道作为施工的主干道路，按四级公路建设标准，路基宽度6.5 m，路面采用水泥混凝土路面。同时考虑冬季路面结冰对运输的影响，也可以只采用水泥混凝土路面的下面层作为路面材料。而横向便道作为只到对应工程点的运输道路，采用等外级公路标准建设，路基宽度为4.5 m。

3.2.2 克扎依隧道出口至玉希莫勒盖隧道进口区段

区段内连接线起点至止点路线与既有喀什脑子温泉牧道平行，可利用该牧道整修与连接线平行的纵向便道，整修长度约为29.09 km。然后继续沿喀什河谷新建平行主线的纵向便道，直至玉希莫勒盖隧道进口。按四级公路标准建设，路基宽度6.5 m，路面采用水泥混凝土路面，新建长度约为8.16 km。同时由于该段线路和施工场地均位于河谷内，纵向便道就能满足施工运输需求，故除了新建克扎依隧道出口便道和玉希莫勒盖隧道斜井便道外，不规划其他横向便道。

3.2.3 玉希莫勒盖隧道出口至止点区段

该区段内主线与既有阿尔先沟温泉公路平行且有多处交叉，可对该温泉公路整修或改移后作为施工纵向便道，整修长度为26 km。同时该段线路和施工场地基本位于河谷内，仅需修建较短横向便道与其连接。

表1 工程弃渣规划 单位：104 m3

4 施工工期的设计与计算

由于建设地区地形复杂，建设难度大，且部分位于天山无人区，因此合理的编制本项目施工组织计划，加快项目建设进度将显得尤为重要。结合总体施工方案，本阶段主要从均衡施工和投资强度的角度出发对施工总进度计划进行安排。

4.1 施工期限的总体安排

本项目计划建设总工期5年，2021年底开工，2026年底建成通车。隧道的施工工序包括洞通(含衬砌)、机电、路面及交安工程，其中隧道洞通的方式由到达隧道口的横向便道和斜竖井决定。桥梁的施工工序包括下部结构施工、梁板架设、桥面铺装、路面及交安工程，其中由于起点至克扎依隧道进口区段内线路位于河谷一侧陡峭的山体中，与谷底高差达200～300 m，无条件修建运梁的横向便道。因此该区段共设置2座桥梁预制场，分别为起点处利用挖方路基设置的1#桥梁预制场和克扎依隧道进口处的2#桥梁预制场。由于1#桥梁预制场场地较小，仅给克勒1号大桥至特克勒2号大桥供梁，而中峡谷特大桥至清水河大桥均由2#桥梁预制场供梁，架梁方式为依次推进架设。通过代号计算法[8]得到本路线的控制性工程为克扎依和玉希莫勒盖2座超特长隧道，克扎依隧道长14 884 m，设置了1处长1 655 m的无轨运输斜井和1处深422 m的竖井，考虑斜竖井辅助主洞施工，最大独头掘进距离约5.8 km，施工工期约58个月；玉希莫勒盖隧道长14 367 m，设置了2处无轨运输斜井，长度分别为2 650 m和2 495 m，考虑斜井辅助主洞施工，最大单头掘进距离约5 km，施工工期约57个月。隧道施工工序如表2所示。

表2 隧道总体施工安排

4.2 施工总进度编制

根据工程规模及特点，结合推荐的总体施工方案并参考国内同类工程施工经验，确定工程施工总工期为60个月，其中施工准备期2个月，主体工程施工期56个月，竣工收尾2个月。进度计划安排如表3所示。

5 结论

高速公路施工组织设计作为整个工程设计的一小部分，往往得不到重视，在高山峡谷无人区来说易造成重大工程事故。鉴于此，本文重点对高山峡谷无人区的施工组织中的施工场地和弃土场的设置与规划、土石方的调配与运输、施工工期的计算等进行分析讨论，得到结论：

(1)高山峡谷无人区的施工场地设置应尽可能的利用河谷内平缓的河漫滩或坡地，同时结合全线主体工程的施工工序、场内交通情况和土石方情况综合考虑；弃土场应尽可能的利用隧道进出口下方的沟槽设置，既方便弃土又能节约造价。

(2)根据路线经过的地形特点，将其分为3个区段，分别为起点至克扎依隧道进口区段、克扎依隧道出口至玉希莫勒盖隧道进口区段和玉希莫勒盖隧道出口至止点区段。对于起点至克扎依隧道进口区段，隧道占比大，应综合考虑将隧道弃渣首先运用于筑路材料、路基填筑和施工场地，剩余部分再弃置于弃土场。

(3)场内无人区交通运输路网设计应包括纵向便道和横向便道，纵向便道沿河谷布设并作为运输主干道路，其设计为两车道且为防滑路面。而横向便道在沟谷两侧山体中展线，作为工点施工道路。

(4)起点至克扎依隧道进口区段内仅设2座桥梁预制场，架梁方式均为依次推进架设，各主要工程节点完工时间均能满足工期要求，其中克扎依隧道施工总工期58个月，为本项目的控制性工程。