岩溶地区高速公路总体设计要点

1 引言

喀斯特是一种在我国西南部广泛存在的地形。 溶洞、天坑等地质现象是喀斯特地貌的重要特点。 溶洞渗漏强烈，成土速度缓慢，侵蚀力强，植被易受损害，形成强烈的溶洞地区生态脆弱特性，因此，岩溶地貌对高速公路的建设提出了巨大挑战。

2 项目地质概况

曲靖至百色高速公路罗平至八大河段，全长约35 km，沿线多以桥梁、隧道跨越沟谷及斜坡凹地、岩溶洼地地段，地形呈波浪形起伏，一般沟谷内发育褐黄、灰黄色硬塑状粉质黏土、碎石等，路线处于碳酸盐岩区，对桥梁基础及隧道围岩的稳定性不利。 综合钻探结果、现场调查资料可知，路线现状下不良地质以岩溶、滑坡为主，岩溶发育，绝大部分集中分布在K56+700～K63+700 段，表现为溶沟、溶槽、岩溶洼地、溶洞等，这些不良地质均不利于工程建设的顺利进行，因此在设计时必须考虑岩溶地区地质条件的特殊性，深化设计，保证设计方案切实可行。

3 工程建设条件

3.1 地震

根据相关区域地质资料显示： 拟建路线通过区域处于多构造体系的复合部位， 断裂构造复杂， 且有强烈的继承性活动，形成了区内较为频繁的地震活动，但震级不高。

3.2 地形、地貌

3.2.1 峰丛洼地地貌

罗平盆地以东均发育有峰林谷地地形，峰体的形态、规模与峰丛的峰体相似，洼地相通或形成溶蚀谷地，其间为红色黏土层覆盖，溶斗和溶井、地下暗河发育良好，地下水位一般不深，地下水的运动形式以水平方向径流为主。

3.2.2 侵蚀深切山地地貌

主要分布在南盘江两侧，出露岩性以碎屑岩为主，塑造山地的主要作用为水流侵蚀和搬运。 地表河流、沟谷高度发育，切割密度很大，地形支离破碎。 侵蚀方向以下切为主，水流一般都很大，谷地横剖面层。

3.3 岩溶

根据地质调查、物探、钻探资料揭示，本项目路线范围内岩溶极发育，表现为溶沟、溶槽、石芽、岩溶洼地、岩溶漏斗、溶洞、地下暗河等。 特别是C2 线K57+400～K63+500 段溶洞、地下暗河极发育，对路线影响极大。

4 项目总体设计思路

4.1 路线设计

项目大水井至芭蕉菁路段位于山区、沟谷区，属峰丛洼地地貌，地形较复杂，沿线分布有万峰山风景保护区、800 kV 高压输电线路等控制因素，总体设计以桥隧为主。 路线布设充分考虑工程规模、地质条件、隧道进出口地形、桥位布设条件及万峰山风景区范围等因素，共对C1～C8 共8 个路线方案进行了研究，如图1 所示。

图1 大水井至芭蕉菁段路线方案比较平面图

在对C1～C8 方案研究后，放弃了受岩溶漏斗洪水位影响隧道纵坡大于3%的C3 方案、 侵入万峰山风景保护区核心区的C4 方案， 终点标高与两省接线协议不符的C5、C6、C7、C8方案。 选择路线偏工程可行性研究推荐方案西侧，以长隧道形式通过该路段的C1 线方案与总体设计以长隧道为主以及在工程可行性研究推荐方案基础上优化后形成C2 线方案进行分析比较[1-3]。

C1 线方案：路线起点位于新沟村东侧，于K56+179 设大水井互通，路线穿越牛角山鞍部后设折白隧道（长度4 924 m）穿过山脊至大坡山东侧，路线沿山坡一路降坡，设多依河大桥跨越Z046 县道、053 乡道及山坳至芭蕉箐。C1 线长8.381 km。C2 线方案：路线起点同C1 线，于C2K56+603 处设置大水井互通，路线一路向南设花房隧道（长度378 m）、大白岩隧道（长度278 m）穿过山体，设栗树坡大桥、板台口大桥跨越山谷及山间溶洞区域；路线转向南偏西方向设歇场隧道（长度2 557 m）穿越山体至大坡山东侧后与C1 线共线至芭蕉箐。C2 线长9.0 km。

1）建设条件。 两方案所经区域除大水井互通段为岩溶平原，其余地段均为峰丛洼地地貌，地形较复杂。 路线范围内地形起伏较大，局部山高坡陡。 两方案相距不远，工程地质条件基本一致，路线区域内不良地质主要为岩溶漏斗。 路线内上覆主要为第四系粉质黏土，下伏多为灰岩，总体而言，区域工程地质条件一般，二者相当。 C1 线局部隧道从岩溶漏斗边缘下方穿过， 施工期受降雨影响较大，C2 线局部区域穿过岩溶漏斗区，路线设计标高受淹没区洪水位标高影响较大。 沿线均有地方道路，施工进场条件稍好。

2）与原有公路、农田水利等干扰情况。 两线位穿越楚穗800 kV 高压输电线路段均满足相关电力要求。C2 线需两次上跨水电站输水隧道，路线设计标高受隧洞标高控制。

3）与风景区范围等已有规划的关系。 C1 线采用长隧道方案通过万峰山景区实验区， 路线完全避开景区缓冲区和核心区，满足风景保护区相关要求。 C2 线部分路段采用桥梁方式穿过万峰山景区缓冲区，无法满足《曲靖市林业局关于准予在罗平万峰山市级自然保护区实验区建设高速公路的行政许可决定》（曲市林[2016]156 号）中相关规定。

4）工程规模。 C1 线桥梁长度2 540 m，隧道长度4 924 m，其中，隧道最大长度4 924 m；C2 线桥梁长度4 550 m，隧道长度3 213 m，其中隧道最大长度2 557 m。 从主要工程数量看，C1 线比C2 线桥梁减少2 010 m，隧道增加1 711 m，特别是隧道最大长度4 924 m，建造成本和营运成本均比C2 线高。

综上所述， 本路段两个方案建设条件和地质情况相差无几，C2 方案主要以桥梁+ 短隧道方式通过，C1 方案主要以桥梁+ 长隧道方案通过，C2 方案建造成本和运营维护成本较C1 方案略微节省，但路线穿过万峰山景区缓冲区，纵坡限制条件较多，C1 方案隧道长度4 924 m，施工工期长，建造成本及运营成本略高，但完全避开万峰山风景区缓冲区，符合相关部门要求。 综合考虑，选择C1 线方案为推荐方案。

4.2 纵面设计

项目路线全长约35 km， 起点马鞍山枢纽处设计高程1 491.73 m，终点设计高程848.38 m，高差643.35 m，平均纵坡约1.8%，最大纵坡4.0%/3 处，最短坡长400 m/1 处，竖曲线半径均大于80 km/h 计算行车速度所对应的视觉所需的最小竖曲线半径。

本项目起点至K44+800 段纵坡较为平缓，K44+800～K56+700 段平均纵坡为2.217%，坡长11.9km。 纵面指标满足JTG D20—2017《公路路线设计规范》和设计细则的要求。本项目K56+150～K70+000 段一路降坡， 平均纵坡为-2.67%，坡长13.85 km，高差369.95 m，纵面指标满足JTG D20—2017《公路路线设计规范》中有关连续长、陡下坡的平均坡度与连续坡长的规定。

4.3 岩溶路基设计

1）填方路堤。 （1）基底基岩缺乏平整性，可见局部存在溶槽、石林等，直接于该处建设时可能出现结构不平整、不密实等问题，为此以爆破整平的方法处理基底，要求处理后的残留高差不大于50 cm。 （2）基底存在土洞，分两种情况考虑，覆土小于3 m 时安排开挖回填，覆土超过3 m 时进行钢花管注浆，利用浆液将土洞填充至密实的状态。 （3）基底存在溶洞时，首先确定溶洞顶板厚度与路基跨越长度的比值， 再根据比值采取相应的处理措施。

2）挖方路堑。 （1）挖方边坡存在露出的溶洞，为维持边坡的稳定性，采取浆砌片石封堵的处理方法。 （2）对于基底产生的开口溶洞，分小于2 m 和大于2 m 两种情况考虑，前者用钢筋混凝土盖板封盖严密，后者填充片石同时用浆砌片石封口。

3）开挖后基底存在溶洞时，首先确定溶洞顶板厚度与路基跨越长度的比值，再根据比值采取相应的处理措施[4]。

5 岩溶隧道的设计要点

1）隧道开挖面外发育深度＜2.0 m 的溶洞及仅存在少量地下水的施工段，或是发育溶洞但分布在边墙处，针对此类地质路段的处治宜采取回填的方法。 （1）溶洞在边墙发育：回填厚度不少于1.5 m 的浆砌片石，按2 m 的间距依次设置HDPE透水管，连通至侧水沟。 （2）溶洞在拱腰上发育：回填施工采用泵送C15 混凝土的方法，根据溶洞的尺寸，四周设锚杆，间距取1.2 m×1.2 m，锚杆入岩深度至少为1.0 m，以免二衬在泵送混凝土时受到过强的压力作用。 回填后，完成钢筋网初期支护及其他的防护工作。 （3）溶洞在基础及路面下发育：回填M7.5号砂浆片石，按2 m 的间距依次设置HDPE 透水管。

2）拱腰以上开挖面外发育深度超过2.0 m、宽度小于隧道开挖面的溶洞，按如下方法处理：（1）溶洞存在填充物但能够被有效清除， 或溶洞无填充物： 泵送厚度不少于100 cm 的C25 混凝土，按1.2 m×1.2 m 的间距、入岩深度不少于1.5 m 的要求打设锚杆。 随后，组织喷射混凝土、钢筋网初期支护等工作。 （2）溶洞内有填充物：以30 cm 的环向间距布设φ42 mm×4 mm 超前小导管，开挖预裂爆破，按50 cm 的间距设工字钢；钢架基脚部位适当扩挖，目的在于扩大基础，维持基础的稳定性；施作锁脚锚杆、铺设钢筋网，必要时采用钢筋混凝土结构（主要视溶洞发育情况而定）；为加强排水，预埋φ100 mmHDPE透水管。

3）基础及路面下方分布大型溶洞时，以跨越的方法加以处理。 （1）溶洞发育相对较宽：设桩基或扩大基础，以钢筋混凝土梁的形式进行跨越，为减小水对工程的影响，部分地段的水流量较大时，为促进排水而设置涵管或其他的过水通道。 （2）溶洞在某方向宽度较窄： 设置高度为50～100 cm 的钢筋混凝土梁，实现跨越。 排水方面，采取预埋φ100 mmHDPE 透水管的方法，部分地段的水流量较大，为促进排水而设置涵管或其他的过水通道。

4）桥梁设计。 （1）主梁设计。 钢箱组合梁采用单箱双室断面，主梁40 m、梁高200 cm，主梁30 m、梁高160 cm，其中，桥面板厚32 cm。钢箱顶底板横向平行，腹板高度相同，横坡由柱高及垫石调整。 钢主梁采用Q345D 槽形直腹板钢梁，混凝土桥面板和钢主梁通过剪力钉连接。 主梁之间采用横隔板加强横向联系， 中间每隔3 m 设置一道横隔板， 支点附近适当加密，支点设置支点隔板。 主梁下翼缘厚度变化，墩中支点范围采用20 mm 钢板，其余采用14 mm 钢板。上翼缘厚度变化，墩中支点范围采用28 mm 钢板，其余采用20 mm 钢板。 腹板厚度均采用14 mm 钢板。 （2）桥面板设计。 桥面板主梁范围采用等厚度形式，总厚度32 cm，其中预制板厚度8 cm，翼缘悬臂采用变厚度，翼缘端部厚18 cm，翼缘根部厚32 cm，梁端伸缩缝处采用等厚度。 桥面板混凝土采用C50 混凝土。

6 结语