公路工程开挖路堑及中短隧道方案可代换性的分析研究

　　公路工程开挖路堑及中短隧道方案可代换性的分析研究1绪论1.1研究背景及研究意义公路工程建设伴随着人类社会的发展，公路是联接城市之间的纽带，自古以来公路工程的发展和地方经济建设的发展是紧密相关的，我国一直以来也十分注重公路工程建设。1906年中国第一条公路广西镇南关至龙州间公路问世，自此揭开了中国公路发展的历史[2]。自1949年新中国建国以来，尤其是1980年改革开放以后，中国公路建设的发展可谓是日新月异，同时也取得了非常巨大的成就，到目前为止我国公路总里程数已经达了386万多公里，其中高速公路总里程6.5万多公里，在全世界排名仅次于美国居第二位，根据有关专家的预测，到2020年我国的公路总长度量将会超过600万公里[2]；另外在货运量方面公路运输要占到总运输量的94%以上，在客运量方面公路运输占到总运输量的75%以上，由此可见公路建设的发展对国民经济建设发展的基础性和重要性。中国是一个多山的国家，其中山地占全国陆地总面积的比重为51.9%，高平丘陵占全国陆地总面积的11.7%[1]，由此可见山丘面积占中国陆地总面积的2/3左右。1999年国家党中央为了加快中西部地区经济的发展，促进东西部地区的交流，实施了西部大开发战略；十一五期间国家交通部又提出了十三纵十五横的公路建设规划[2]，规划建设公路7.3万公里，其中西部地区的公路建设里程3.8万公里，占到了总数目的一半以上，由此可见国家对西北地区公路发展的重视程度，然而西部地区以山区丘陵居多，因此西部公路建设必然面临着大量的高山深壑，与平原地区公路工程相比，山区公路工程建设有着更高的要求。1.2工程方案优选国内外研究现状 由于设计者之间的差异，考虑的因素也往往存在差异，所以不同的设计者根据彼此认识的不同针对一个工程会设计出不同的方案，施工方案优选的基本含义就是在可以备选的方案之中选择出一个相对造价低，较安全，对周围生态环境影响相对较小的施工方案。随着施工方案优选的发展，经历了早期的单凭一个或者几个专家的经验评选之后，随着数学方法在各个领域的发展和应用，施工方案优选的定量分析问题渐渐的取得一定的理论基础。经过大量的学者和专家的分析和研究，到目前为止最常用的施工方案优选方法主要有以下几种。定性分析法主要是根据设计人员和施工人员的施工经验，评价分析各个备选方案的优势和劣势，结合具体工程的特点，根据少数服从多数的基本原则，以此来确定较为优势的施工方案。由于这种方法简单易行，而且非常容易掌握，所以即使在计算机高度发达的今天这种方法在很多领域依然还在使用。施工方案综合评价法主要是考虑施工方案的工程造价问题，单纯的以经济性指标为出发点，分析每一个备选方案的综合造价建立起一个系统模型，通过分析比较每个方案的盈亏问题，以此来确定每一个备选方案的经济性指标范围，以节约工程造价为主要目标，根据每个方案的工程造价高低来优选施工方案。2深挖路堑方案与中短隧道方案2.1深挖路堑方案的特点和施工方法 本文主要是重庆金山大道西延段花沟隧道为主要依托展开分析与研究的，根据重庆市的地质地貌和地质条件的特点，研究所涉及的主要是岩石深挖路堑与中短隧道可替代方案的优选问题。深挖路堑方案的工程挖方量一般较大，但是整个工程当中需要填方的地方一般远远小于挖方的数量，所以工程开挖过程中的弃石方量比较大，而且山岭地区受到交通路线的影响，同时弃石方地点的选择也受到地形的影响，这些客观因素无形之中在弃石方运输方面一定程度上增加了工程的造价。另外路堑开挖全部都是外部作业，并且工程施工的工期一般都比较长，所以受到雨季和外部环境的影响会比较大。深挖路堑工程占用的土地量非常大，工程占地主要包括两个方面：挖方占地和弃方占地，其中挖方占地主要是指工程主体占地面积，弃石方占地主要是指多余的土石方丢弃放置所占用的土地面积，两部分加起来占地面积相当巨大，丢弃的土石方需要分层压实，如果压实不够均匀，非常容易引起严重的水土流失现象甚至诱发严重的地质灾害。深挖路堑对自然景观破坏严重，深挖路堑一般是将山体从中间刨开，一分为二，公路从山体中间穿过，严重的破坏了山体的原有地质地貌，原先的绿化覆盖层受到了严重的破坏，在一定程度上破坏了原先自然山体的美观性。深挖路堑必然伴随着高边坡的出现，高边坡的存在必然伴随着很多不稳定的因素与危险性的存在，为了保持高边坡的稳定性，需要人工结构加固，采取一定的加固措施才能维持边坡的稳定。如果处理不当容易诱发地质灾害，引起二次投资和交通事故；另外深挖路堑留下了光秃秃的石质边坡形成了一道灰色景观，与周围的绿色山体显得格格不入，严重影响了视觉景观[6]；随着生态路概念的提出，边坡复垦渐渐地得到了广泛的推广，然而岩石高边坡的植被复垦存在一定的难度，技术要求非常高，所以高边坡的后期维护与治理需要一定的经济投入，而且由于受到土层厚度的限制，植被复垦存在一定的难度。2.2中短隧道方案的特点和施工方法所谓隧道就是指一种修建在地层中的地下工程建筑物[5]，按照其分类方式的不同可以分为很多种，根据本文所研究的内容是深挖路堑与隧道的可替代方案优选，所以界定了本文所涉及的主要是中短隧道。中短隧道工程方案在隧道开挖的过程中隧道周围围岩受到扰动，容易引起受力失衡造成坍塌，给施工带来了一定的困难，有的时候需要做超前支护或者前期注浆加固处理。中短隧道工程方案容易引起工程主体上部地表沉降，工程主体工程受力比较复杂，为了弥补地层受力损失进而引起隧道围岩地层位移下降，另外在隧道开挖的过程中破坏了地下的储存容器，地下水位下降一定程度上也会引起地表沉降。山区公路工程采用隧道穿山能够在很大程度上降低了穿山路线的高程，在一定程度上提高了车辆运行的安全性，而且隧道主体工程在建设完成之后，在公路的运营期间较为安全，一般不会带来较大的次生灾害。3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选方法.....253.1深挖路堑方案与中短隧道方案经济可行性比较......253.2深挖路堑与中短隧道方案优选中环境价值问题......283.3考虑生态环境价值深挖路堑与中短........323.4本章小结.........434工程实例分析....454.1实例项目背景.......454.2模糊综合评判法在实例中的应用.....474.2.1深挖路堑与中短隧道可替代方案评选.........484.2.2模糊综合评判模型的建立.....494.2.3指标权重的确定.........524.2.4指标隶属度的确定....584.2.5模糊综合评判.......624.2.6结果比较.........66 4.3最小环境成本法在实例中的应用.....664.4本章小结.........695结论与展望....715.1结论.....715.2展望.....724工程实例分析4.1实例项目背景在我国施行西部大开发战略以来，重庆取得了长足的发展，尤其是近二十年间的快速发展，使得重庆发生了翻天覆地的变化，五个重庆之一畅通重庆的提出大大的加快了重庆公路隧道的建设。随着重庆的不断发展与扩建，连接主城与郊区的公路建设就显得尤为重要，由于重庆地处山区，郊区通往主城区的公路建设难免需要大量的穿山工程，同时也出现了深挖路堑与隧道方案优选问题。本文主要是以导师承担的隧道监测项目重庆金山大道西延段工程花沟隧道为依托项目展开分析与研究的，从经济性、技术性、环境和生态四个方面全面的分析和研究深挖路堑与中短隧道方案优选的问题。重庆金山大道西延段花沟隧道位于重庆市渝北区鸳鸯镇花沟村，地处亚热带季风气候区，全年的平均降雨量为1000~1400毫米。该隧道地处龙王洞背斜西翼，地层呈单斜产状，岩层倾向290o~300o，倾角18o~20o。金山隧道洞轴线与地层走向正交，区内未发现断层及次级褶皱，地质构造较为简单。进口处于东侧山岭下部缓坡地带，地面高程在390.86~412.16m，地形坡度10o~20o；出口处于西侧斜坡上，地面高程在411.10m~414.50m，地形坡度5o~10o[60]，相对高差约70m。结论本文主要根据工程方案优选的基本特点选用了模糊综合评判法和最小环境成本法进行山区公路工程深挖路堑与隧道可替代方案优选，并结合具体工程实例重庆金山大道西延段工程穿山方案的优选之中，通过重庆金山大道西延段工程花沟隧道和假设的深挖路堑方案对比建立了优选数学模型，重点考虑工程基础建设与生态环境的协调性，把生态环境作为第一要素进行了方案的优选，在比选的过程中得到的结论如下：①在技术条件可行性的条件下，单纯的考虑经济指标对深挖路堑与隧道方案优选的影响，通过具体工程方案的理想估算，得到了深挖路堑与隧道开挖的临界高度 H0：微、弱风化硬质岩石临界挖方深度H0=35~37m，软质岩石或者强风化硬质岩石临界挖方深度H0=28~30m；当开挖深度H<H0时宜采用深挖路堑方案，当开挖深度H>H0时宜采用隧道方案。②从经济、技术、生态和环境四个方面进行模糊综合评判，指标权重超过0.08的主要有工程造价、施工难易程度、安全可靠性、取弃土场设置的影响和工程占地，说明高等级公路工程建设更加注重工程的安全可靠性和对生态环境的影响。二级模糊综合评价值VV路堑隧道，从模糊评判的角度可以看出山区公路工程中短隧道方案要比深挖路堑方案更加合理。