山区高速公路安全韧性提升的思考

随着国家战略布局和基础设施发展的需求，公路、铁路等桥梁逐渐向山区、深山区迈进。面对复杂地形地质及特殊气候和不良地域环境等各种风险叠加，特别是一些不利因素耦合和多次叠加，高速公路路基、桥梁、隧道突发病害的几率急剧增大。如2024年的广东梅大、陕西柞水和四川雅康等灾害事故，都给业内敲响了山区桥梁全寿命安全的警钟。

山区高速公路路基、桥梁及隧道的安全韧性设计与施工技术研究是确保复杂地形条件下高速公路路基稳定、桥梁及隧道结构安全、耐久及抗灾能力的关键课题，需综合考虑地质、气候、生态等多重挑战。鉴于此，笔者结合以往的经验和近期的一些思考，谈几点感悟。

如果把路基当做一种结构去看，那么不妨从工程结构安全角度、维度去思考，究竟有那些结构安全风险。特别是在极端恶劣气候频发情况下会诱导或引发那些新的结构安全风险增量，又该如何应对。

先从路基结构安全谈起，大致可分为路基基底及处理、路堤填筑及边坡防护、上路堤填筑及路床处理、路堑开挖及边坡防护、每个部位的防排水五大部分。目前，从发生的几起风险及事故来看，主要是路基基底失稳和水毁会引发大的安全事故。有以下几种情况：

第一，路基基底整体或局部滑坡、滑移、坍塌，主要是陡斜坡基底，古滑坡体上，斜坡基底地质较差、覆盖层较厚且松散破碎，软岩基底或西南地区局部坡脚软土基底处置不到位和地下排水系统不完善等。

第二，水毁失稳下滑。陡斜坡基底地下水浸泡或地表水进入路基基底变成为地下水。例如，西南地区等软岩基底被水浸泡，陡斜坡坡脚软土或不良地质，鸡爪地形冲沟沟底地下及地表排水系统不完善等。

第三，路基不均匀沉降开裂下沉等。路基填料采用软岩或路基基底为软岩等不良地质，加之地下排水系统不完善，极端恶劣气候导致雨水进入路基浸泡路基填料或基底，引发的不均匀沉降甚至是滑塌等。

第四，极端恶劣气候引发的周边环境改变和不良地质因素耦合叠加导致风险增量剧增形成新的地质灾害，如路基作为带状结构，肯定会改变原有的地形地貌及自然排水系统。如果设计或施工考虑不全，没有一套完整的地下和地表排水系统，特别是在雨季施工，施工工序转换和交叉及衔接过程中，各个排水系统还没有完全发挥各自的作用，水的隐患及风险已经埋入其中，一旦遇到极端恶劣气候，或条件具备就会从量变到质变，突发滑坡、塌方等灾害。

在桥梁结构安全方面，目前发生的灾害风险主要包括水毁和滑坡及泥石流、雪崩（地震是另一种灾害）。具体有以下几种情况：

第一，泥石流引起的对墩柱和桩基冲撞毁坏。在泥石流冲沟沟底设置了墩柱，在极端恶劣气候影响下，原本不是泥石流冲沟变成或发生了特大泥石流，后果肯定是柱断桥毁。针对这一情况，可以尽可能采用加大跨径一跨跨越，如桃巴高速石桥河由小跨径优化设计为大跨连续刚构桥，彻底消除了泥石流隐患。

第二，雪崩灾害引起的安全事故，其原因和后果不必多说，本文也不过多讨论。

第三，季节性河道或是冲沟设置了小跨径桥梁跨越，河沟中设置了大量的小直径桩基和立柱，一旦遇到特大暴雨或爆发特大山洪，甚至不排除夹带大的漂浮物的冲击、冲撞和局部冲刷，以及泥石流灾害，后果肯定是立柱断裂，桥梁垮塌。

第四，深厚沙卵石河床一般采用较短的桩基，一旦遇到极端恶劣气候引发的特大洪水的冲击和局部的严重冲刷，甚至是地震引发的瞬间液化，会导致桥梁垮塌或不均匀沉降开裂等。例如，林拉某特大桥的桩基桩长的优化，对于此种或类似复杂地质条件下需要考虑一个最短安全桩长的要求。

第五，湿陷性黄土地区尽可能设置端承桩或避开古河道，一旦遇到极端恶劣气候引发的特大洪水，水对湿陷性黄土的冲刷和切割远比想象中或计算的更严重、更可怕。

第六，对于陡斜坡覆盖层较厚、松散破碎、地质较差的桥位，需要考虑一个最短安全桩长，也就是桩基有足够的入岩和锚固长度，同时需要考虑有足够的直径能够满足山体覆盖层滑塌时，桩基不被滑走或剪断。

隧道结构安全，主要是洞口坍塌和洞内地下暗河引发的路面拱起和冲毁等。包括：隧道洞口没有避开冲沟、泥石流及滑坡和雪崩等，以及极端恶劣气候引发的特大洪水或泥石流冲刷引起的洞口坍塌或倒灌及堵塞、淤积等；对隧道内已发现的暗河处理不彻底或不当，未发现和未处理，以及遭遇极端恶劣气候引发的新的增量等，导致洞内二衬开裂漏水，路面拱起堵塞等。

针对上述风险，以及极端恶劣气候影响下新的风险增量，应进一步研究和践行防火型管理理念，对其进行预判和预处理。

设计与现场实际地形地貌地质及环境的深度融合。一个结构的选址需要考虑环境对结构安全的风险及影响，同时需要考虑结构施工过程到建成运营对周边环境的改变和影响，特别是对周边环境及自然水系和沟谷及地形地貌的改变和影响，不是一个简单的图上或电脑上的布孔。具体的桩位一定要深度融合现场所有的地形地貌地质环境水系地质灾害等信息。例如，不能将桩位布设在冲沟沟底、季节性河流中间、滑坡体等极易发生泥石流、特大洪水等危险的位置上。特别是遭遇极端恶劣气候对环境风险的叠加和耦合，原来的不可能变成为可能，原来的百年一遇变成了一年一遇甚至是几遇。

第一，从选线源头提升质量及安全韧性。

从选线源头上加强风险排查及辩识，不管是路基、桥梁还是隧道，甚至包括涵洞及通道，都可看做是一个结构，需要从结构安全上去把控，也就是不要把结构置于死地或凶险之地，能避开的要尽量避开，实在避不开的就加强风险增量防控，尽可能减少水中小跨径桥墩，采用一跨跨越或增大跨径，特别是不要将桥墩设在冲沟沟底或河流中央最湍急的部位。比如，滑坡体，泥石流，雪崩，堆积体，古河道，陡斜坡，暴涨爆落的季节性河流等。

第二，精细化地质勘察。可采用无人机航测、三维地质建模技术，识别潜在滑坡、断层、岩溶、泥石流等风险。

第三，从工程风水学上提升结构安全及质量韧性。结构安全从工程风水学上要有一个总体的把控，用防火型管理的思维或风险预防和预控的思维，特别是对特殊不良地质叠加极端恶劣气候影响产生的地质灾害增量的风险提级设防。

第四，差异化基础设计。针对软基、陡坡等复杂地基，采用桩基托换、微型钢管桩等技术。陡斜坡桩基需引入一个最短安全桩长、安全襟边、有效入岩及嵌岩最短安全深度的验算。

第五，抗地质灾害设计。设置抗滑桩、锚索加固结构，防范地震、泥石流冲击。如防泥石流坝及通道等。

第六，标准化与差异化管理及非标准跨径设计。不是所有的结构和跨径都能够采用标准跨径。实现了标准化就做不到差异化，而现场实际是千变万化。所以，应尽可能在与现场实际深度融合的基础上进一步研究标准化，也就是将每一个桩位布设后，在现场实际放样后，结合实际再去优化，用差异化和精细化去规避和绕开一些可能发生的地质灾害及自然灾害风险等。针对陡斜坡、滑坡体、泥石流冲沟，跨河、跨沟及临河、临沟等可以采用非标准跨径设计，不宜在季节性沟底或易爆发山洪及泥石流的沟底或河中设置小直径的桩基及立柱，尽可能避开或跨越。

第一，韧性目标量化。基于性能的设计方法（PBD），明确桥梁在极端荷载（如百年一遇洪水、地震）下的可修复性指标。  

第二，冗余结构体系。采用多跨连续刚构桥、双柱式桥墩等冗余配置，避免单点失效导致整体垮塌。如墩梁固结等。 

第三，材料韧性提升。使用高强混凝土、纤维增强复合材料（FRP）提升抗裂与抗疲劳性能。

第四，装配化设计。大修、更换及提升应急快速修复处治速度，尽可能实现基础、下构、上构和附属护栏等全装配化设计及施工。

第五，提升安全韧性设计。复杂地形极端气候特殊环境下小跨径桥梁安全韧性设计提升，需结合实际提升现场风险辩识。如陡斜坡桩基需要考虑地质灾害和自然灾害的影响，也就是需要提高抵抗地质灾害的桩基安全韧性及研究。

第一，智能监测系统。部署光纤传感器、无人机巡检，实时监测结构变形、裂缝及环境荷载变化。如德余高速乌江特大桥通过采用智能监测系统，对主拱圈、塔架、锚索、锚碇等大临结构的应力和变形、现场环境温度、湿度、风速等进行实时监控及预警，保证施工安全。

第二，动态风险评估。结合大数据与AI算法，预测桥梁退化趋势并制定维护策略。

第三，极端气候不良地域环境风险防控及应急。可利用大数据检索和快速联动，及时反馈和发出预警及预报，提前做好预防，提高突发风险快速发现和快速救援能力。

第四，全生命周期动态精细化管理。应用EPC及全寿命、全过程管理理念，从选线到施工图设计，提前谋划永临结合，将大临设计、管养维护纳入到永久设计施工里。过程结合实际做好优化设计和变更设计。如新疆西藏西南云贵川渝两广及江浙闽赣及荆楚等复杂地形地域环境。

第一，模块化与装配化施工。采用预制节段拼装技术，减少现场浇筑场地处理、施工平台、施工便道、墩台及系梁基坑开挖对山体稳定性的破坏。

第二，生态友好型施工。包括便道优化、弃渣再利用降低植被破坏，应用绿色防护（如植生混凝土）等。

第三，陡坡运输技术。研发轻型缆索吊装系统或轨道及管道运输装置，解决重型机械无法进场，及桥梁施工运输通道等问题。

第四，便道设计优化。在陡峭地形破碎地质环境脆弱地区，如新疆、西藏、云南等地区，便道设计施工尽可能少破坏或不破坏，可考虑采用装配式便桥及全装配式一体化。例如，乌江特大桥就曾经采用跨墩龙门及栈桥实现垂直提升，代替施工便道，环保效果非常明显。

第五，关于大临设施及临时工程标准的设置。从大临到永久结构安全的标准设置，一般是十年、二十年、三十年、五十年、一百年等。如今，随着极端恶劣气候影响与区域不良地质地形灾害风险的叠加和耦合，导致设防标准已经落后实际情况，需要重新研究和制定新的标准的设置。可以通过收集近几年发生地质灾害和自然灾害的规模和频率，再考虑与局部区域小气候环境的影响，将标准设置进一步下沉到某一个工点。还是那句话，不能离开实际，必须与现场实际深度融合。

包括：三维协同设计，基于BIM模型优化桥梁线形与地质匹配，模拟施工过程冲突；施工过程仿真，利用有限元分析（FEA）验证高墩大跨桥梁的稳定性，规避风振、温度应力风险。

第一，提前做好风险辨识。应用大数据及AI检索强大功能，提前分析模拟极端恶劣气候影响程度及风险辨识，提前做好施工组织策划，尽可能安排实现合适的时候做合适的事情，少些抢工期、逆流而上的做法。

第二，季节性施工策略。雨季采用防雨棚覆盖作业面，冬季应用低温早强混凝土。旱季施工也需提前完善排水系统，特别是严禁桥下弃土，防止雨季冲刷或是基底积水导致弃土下滑引发的对桥梁墩柱推移等病害及次生地质灾害。

第三，抗冰融设计。在桥面铺装中掺入融雪剂涂层，或设置电热除冰系统。

第四，防冻涨设计。南方地区不良地质膨胀土怕干湿循环；北方地区空心墩、空心板、小箱梁等需设置泄水孔及排水孔，施工期防积水，养护期常检查、常疏通。

第一，复合灾害场景模拟，研究地震-滑坡-洪水多灾种叠加效应下的结构响应；

第二，自适应修复技术，开发自愈合混凝土、形状记忆合金（SMA）阻尼器，实现灾后快速功能恢复。

第一，分阶段通行能力，确保主桥受损时，临时支桥或桥侧应急车道可维持基本通行；

第二，可更换构件设计，关键节点采用标准化连接件，便于灾后快速更换。

第一，灾害预警联动，整合桥梁监测数据与地方应急管理系统，实现灾害信息实时共享，提升预警预报能力；

第二，韧性培训与演练，针对桥区影响范围内山区居民开展桥梁灾害逃生与应急响应培训，提升突发应急逃生能力。

上述技术整合，其核心目的就是希望山区高速公路路基、桥梁、隧道可实现从“被动抗灾”到“主动适应”的转变，为山区高速公路质量及安全韧性提升和交通网络的安全可持续发展提供一些科学支撑。

同时，随着AI技术的诞生、普及和深度融合及应用场景的不断更新，今后很可能会诞生一种新型复合技术。

包括：智能材料与结构创新，如4D打印桥梁构件、碳纳米管增强材料；数字孪生技术，构建桥梁全寿命数字镜像，实现动态优化与预测性维护；低碳韧性设计，结合山区生态承载力，探索低能耗、可循环的桥梁技术路径；多学科联动和融合，工程风水学与工程地质学、工程结构学和工程技术及工程艺术的多学科联动和融合。

总之，在实际工程中，特别是在极端恶劣气候与不良地形地貌地质及环境的叠加和耦合的影响下，必须提高对地质灾害和自然灾害风险高频率发生的警惕，对如何发现、规避和预防风险的发生进行深入思考。在风险和事故面前，我们能做的不仅仅是祈祷，还需要再“走上去、走下去、走进去”，既要怀着敬畏自然之心，又要抱有人定胜天的决心，更要用一种科学之心去思考、面对山区高速公路安全韧性的提升。