第五节 结构设计 一、路基 1985～2005年，黑龙江省依据交通部颁《公路工程技术标准》和《公路路基设计规范》等行业标准，相继设计了多条国省干线高等级公路。在路基设计中坚持的原则是：必须有足够的强度、稳定性和耐久性。按规范中路基临界高度参考值（各类土毛细水上升高度，冻结时的聚冰高度，车辆荷载在路基工作区的作用深度），确定路基填土高度，尽量使路基处于干燥状态。同时，改扩建工程的路基设计还要参考旧路病害，吸取原设计、施工中的经验教训。
（一）一般路基
填方路堤边坡坡率一般采用1：1.5，河滩路堤边坡坡率为1：1.75（如哈尔滨绕城高速公路西段河滩路堤）。填高大于6米（如同三公路集贤至佳木斯段）或8米（一般路线）的路堤下部边坡坡率采用1：1.75，有些路线设计在变坡点处设平台（如哈伊公路绥化至庆安段），平台宽2米，有的路线每隔6米设置1～2米的平台。低填浅挖段采用防积雪敞开式路基横断面，路堤高出护坡道0.6米，两侧护坡道均设排水边沟，使路堤高出边沟沟底1.2米，以保证路基的稳定性。挖方路段路堑边坡坡率多采用1：1.5（土质）或1：1（石质），以使边坡稳定及行车视距开阔。填方和低填浅挖路基边坡坡脚与排水沟之间设2米宽护坡道。挖方路堑在边沟以外设置宽度为2米的碎落台，当路堑边坡高度大于6米时，每隔6米设2米宽的平台，以保证路堑边坡的稳定。路基填土采用分层压实，压实标准采用重型击实标准。
（二）特殊路基
随着公路等级的提高，全省各公路勘察设计部门对一些不良地质地段及特殊路基设计采用了新的防治工艺结构和技术措施。
1987年开始勘测设计的绥满公路哈尔滨至大庆段，在对盐渍土路段的路基设计上，一般地段割除高草，不破坏原有草皮表层土壳，直接填土压实；地表有盐霜的松散盐渍土段，挖除松散层，回填粘性土；盐渍土积水段，根据积水深度，采用不同厚度的天然砂砾填筑。
对低填、浅挖或挖方路基，路槽以下0.8米以内土方换填砂砾或碎石等透水性好的材料，隔断毛细水的上升，以保证路基的稳定性。
对桥（涵）头两侧8～10米范围内土基挖除0.8米，基底碾压后回填天然砂砾或碎石等透水性材料，路堤部分两侧以粘土包边，中间分层填筑天然砂砾。对部分软土层较厚的桥头土基采用塑料插板排水、固结淤泥或以粉喷桩加固，以及刚性路面段采用搭板、桥头打桩、搭板下增设枕梁。以保证桥（涵）头两侧路基压实度，防止桥（涵）头跳车，皆取得明显效果。
对路基湿软地基设计，也从单一清基换填方案，扩展到多种方案。一般水田、河滩、鱼池路段采用挖除路基范围内淤泥或腐植土，换填透水性好的天然砂砾等材料，基底设置一层钢塑复合土工格栅（简称土工格栅）加固，平衡基底压应力，保证路基均匀地沉降。淤泥层较深路段，还采用塑料排水插板、袋装砂井排水固结的方法，以及挤密砂桩、碎石桩、粉喷桩等复合地基的方法等加固结构措施（如1998年4月开始勘测设计的哈伊公路哈尔滨至绥化段泥河河滩地段，淤泥层为6～13米，设计采用复合地基结构）。
有些路线设计，对填挖结合部、桥头两侧、高填方段和不良地质地段加铺土工格栅，增强了路基整体稳定性。对路基宽度受限的路段，设计采用了加筋土路基。
多年冻土路段路基设计，采用对冻深3.5米以内全部清除回填天然砂砾等透水性材料，3.5米以上清表面淤泥，换填天然砂砾，并铺设双层土工格栅。或采用不清基，直接在天然地表填筑1.2米砂砾，用塑料排水管固结，并加铺一层土工格栅的设计方案处理（1998年7月开始勘测设计的黑大公路黑河至北安段位于典型的低海拔高纬度岛状冻土区，全线有多年冻土23段，共5.705公里，最大冻深11.6米，最长路段760米，即是按上述方案设计的）。
改扩建工程路基设计，在旧路边坡挖大台阶与新路相接。当填高大于6米时，除挖台阶外，再加设二层双向土工格栅，以保证路基均匀沉降。当地面横坡大于20％时，也可采取挖纵向台阶的设计方案（如2000年9月开始勘测设计的同三公路佳木斯至哈尔滨段高速公路扩建工程）。
（三）路基防护工程
根据路基填高、挖深及地质条件，因地制宜确定坡面防护设计形式。以防止水土流失，稳定路基边坡，并美化环境。
填方路堤边坡防护：一般路线防护设计填高小于2米的种草防护（有的路线如同三公路佳木斯至哈尔滨段扩建工程采用自然长草，不做防护），填高在2～4米的采用浆砌片石拱形、三维网格种草防护，填高在4米以上的采用空心六棱块、空心圆混凝土预制块满铺配合空心内植草防护；对有泉眼处，根据冰湖特点、形成类型、规模等，对规模小的设计采取修筑盲沟的方式，将水排离路基进行防护，对规模较大的，采用挖截水沟，设置挡冰墙、挡冰坝、聚冰池、埋设软式透水管等方案综合防护，以防止冬季涎流冰；河滩路堤边坡采用方形预制块或浆砌片石满铺防护。
挖方路堑边坡防护：松散土质边坡一般采用空心六棱块、空心圆混凝土预制块配合人工植草或放缓边坡率后现浇混凝土拱肋与喷草生物加固结合的形式防护，有的路线设置加筋土挡土墙或重力式挡土墙防护；岩石边坡采用浆砌片石矮墙或浆砌片石护面墙等形式防护；对于层间水引起的边坡失稳路段，采用渗池或盲沟形式防护。
路基边沟沟底纵坡大易冲刷的排水沟和挖方边坡采用浆砌片石防护。
（四）排水
1985年起，省内干线公路路基、路面排水，根据地形、地势、地面纵横坡等因素，均设计了地面、地下完整的排水系统，并与桥涵构造物平顺衔接，使路基范围内汇水迅速排出，但不淹没农田，及时拦截路基范围以外的汇水，不侵入路基，解决了路基冻胀和翻浆问题。
一般路线填方路基多在上坡设置排水沟，地面纵坡大的路段设置跌水急流槽。挖方路基设置梯形边沟，挖方路堑边坡坡顶外有汇水路段设置截水沟或边坡急流槽。有的路线（如2000年4月开始勘测设计的绥北公路海伦至北安段）挖方和低填部分地下水较高的路段设置管式盲沟，通过软式透水管拦截地下水，降低地下水位，并将水引出路基范围以外。而2000年8月开始勘测设计的哈尔滨绕城高速公路西段，则对挖方及低填浅挖路段，均在边沟底部设置盲沟，以排除路基内部积水。村屯内有必要设置边沟的路段采用矩形边沟。路面水由路面纵横坡将水排至路肩拦水埂，通过边坡急流槽排至边沟或排水沟，并确保在凹形竖曲线最低处有一道急流槽。排水沟、边沟、截水沟、急流槽均采用浆砌结构。
（五）取、弃土
1985年以前，黑龙江省的公路取土设计，由于两侧取土运距近，占地费用较低，基本采用两侧扩大边沟取土。
1985年，绥满公路阿城至哈尔滨段勘测设计开始，除挖方路段土方进行纵向利用外，路基填筑设计改变了过去的两侧取土，采用了集中取土方案，设置大型取土场，减少了占用耕地和保证路基填土的需要。并对土场0.3米表土进行剥离，待取土结束后进行复垦，恢复了耕地。
路线零散挖方、边沟土方及路基清基土方弃在填方路基两侧护坡道上，以节约用地。大量的弃土，采用集中弃于弃土场的设计方案，弃土堆加以整平，以利于后期绿化。弃土场多设在取土场、荒地、湿地处。
经过煤矿区、发电厂等厂、矿的路线，路基设计采用煤矸石、粉煤灰等工业废渣填筑，既保护了环境，又减少了占地。
二、路面 1982年以前，黑龙江省的公路基本为三、四级公路，多属砂、石路面。自1982年设计的哈尔滨松花江公路大桥北岸引道水泥混凝土路面开始，陆续在一级、二级高等级公路采用水泥混凝土和沥青混凝土路面。至2005年，黑龙江省国省干线公路设计的路面六成系刚性（即水泥混凝土或称白色）路面，四成为柔性（即沥青混凝土或称黑色）路面。
（一）刚性（白色）路面
省内刚性路面最早是1982年设计的哈尔滨松花江公路大桥引道5公里水泥混凝土路面。路面结构形式为面层24厘米厚水泥混凝土板，基层18厘米水泥稳定砂砾，下基层16厘米水泥石灰稳定土，并设17厘米砂砾垫层。
20世纪80年代中后期至90年代初，由于当时符合要求的道路石油沥青，特别是重交通石油沥青短缺，因此省内高等级公路设计的大都是水泥混凝土路面。路面结构按1984年交通部颁发的《公路水泥混凝土路面设计规范》设计。水泥混凝土路面面板厚多为22厘米，少部分为24厘米。上下基层按就地取材的原则，多采用水泥稳定砂砾，水泥、石灰综合稳定粒料等结构。所设垫层多为天然砂砾。路面宽度二级路为9米，一级和高速公路为15米。路面厚度运用弹性地基板理论在“半无限地基”的假设上，应用“有限元法”分析应力的方法进行计算。从路面使用效果看，路面受路基沉降、变形的影响，以及重载、超重载车辆作用下，到90年代后期，使用期不到10年（设计使用年限为20或30年），面板即受到严重的破损，出现了大量的纵横断缝、板块破碎、沉降错台、折角等病害，达不到设计使用年限。
1994年12月1日开始，黑龙江省的水泥混凝土路面按交通部修订颁发的《公路水泥混凝土路面设计规范》进行设计。修订后的规范，除在设计方法和主要设计参数方面有所不同外，增加了路面平整度和抗滑标准、排水设计、混凝土混合料设计，碾压混凝土、钢纤维混凝土、连续配筋混凝土路面设计，复合式混凝土路面及旧混凝土路面上加铺层设计等内容。按照修订后的规范，结合本省土质、材料、实践经验，作出了符合使用要求的路面结构设计，增加了底基层的厚度，保证了水泥混凝土路面的结构强度，从使用效果看，明显减少了面板破损。
1994年部颁《公路水泥混凝土路面设计规范》实施以来，水泥混凝土路面有了很大发展，积累了较丰富的实践经验，并取得了路面结构可靠度、路面结构排水等研究成果，使水泥混凝土路面的技术水平提升到一个新的层次。
2002年6月1日，交通部再次修订的《公路水泥混凝土路面设计规范》开始实施。重新修订的规范主要内容包括：水泥混凝土路面组合设计、接缝设计，混凝土面层配筋、材料组成要求及性质参数、加铺层结构设计等。调整的主要内容有：增加了路面结构可靠度设计和水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层设计方法，充实了连续配筋混凝土面层配筋计算方法，细化了路面结构组合和材料组成及性质参数要求，修改了旧路水泥混凝土路面调查和评定方法，补充了交通分析方法。水泥混凝土路面结构设计方法，以行车荷载和温度梯度综合作用产生疲劳断裂作为设计的极限状态，取代原规范的定值设计法，即在度量路面结构可靠性上由经验方法转变为运用统计数字的方法，使路面结构更加符合使用要求。黑龙江省地处寒区，按交通部颁发新规范的水泥混凝土路面结构设计方法，水泥混凝土的强度采用28d龄期的弯拉强度控制，同时加入了引气剂，增加了水泥混凝土面板强度，提高了面板的密实度和耐久性。
（二）柔性（黑色）路面
20世纪70年代，黑龙江省开始设计渣油表面处治层，采用苏联伊凡诺夫公式以形变模量值进行路面厚度计算。
1978年起，按交通部颁发的《公路柔性路面设计规范》，沥青路面设计面层多采用沥青贯入式，或分双层，上层为热拌沥青碎石，下层为沥青贯入式。基层采用水泥稳定土、水泥石灰稳定土及水泥稳定砂砾，并设置砂砾垫层等就地取材的原则，选择技术可靠，经济合理的结构。路面厚度计算改用以双层弹性体系理论为基础，以路表容许弯沉值为设计指标。
1986年以后，省内二级以上公路，按交通部修订颁发的《公路柔性路面设计规范》进行路面结构设计。路面结构形式高速（一级）面层多为：上面层4厘米中粒式沥青混凝土，中面层5厘米粗粒式沥青混凝土，下面层6厘米沥青碎石。二级面层多为：上面层4厘米中粒式沥青混凝土，下面层6厘米粗粒式沥青混凝土。基层多为：上基层16～18厘米水泥稳定砂砾（碎石），下基层16～18厘米水泥石灰稳定土等就地取材粒料结构。中、潮湿路段设置18～30厘米天然砂砾垫层。路面厚度计算方法改变为：用三层体系为主或多层弹性体系理论，以路表容许弯沉值为路面整体刚度的控制指标，对沥青混凝土面层、半刚性基层、底基层进行弯拉应力验算。
90年代后期，由于进口石油沥青的增加、国产石油沥青加工工艺的提高，符合道路要求的重交通石油沥青及改性沥青得到缓解，黑龙江省高速公路、一级公路路面设计多为沥青路面。路面结构设计按交通部1997年再次修订颁发的《公路沥青路面设计规范》进行设计。沥青路面结构设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，以路表设计弯沉值为指标，计算结构层的总厚度。修订的主要内容包括：层间接触条件改为完全连续条件，弯拉模量改为抗压模量，弯拉强度改用劈裂强度。在设计方法上，设计弯沉值、抗拉强度结构系数、材料回弹模量等均有变化。黑龙江省高速公路、一级公路沥青路面设计结构形式为：表面层，中、下面层均采用沥青混凝土密实型防透水骨架结构，表面层采用改性沥青。基层采用水泥或石灰、粉煤灰稳定粒料类半刚性结构，以增强基层的强度和水稳定性，并具有一定的抗冻性，减少了低温收缩裂缝。上基层多为水泥稳定级配碎石、水泥稳定砂砾（或加碎石），单层厚度不小于18厘米，严格控制粗粒料含量；底基层多为二灰碎石、水泥稳定砂砾等集料，按照就地取材的原则，选择技术可靠经济合理的结构。中、潮湿路段路基和土质路堑段，设置砂砾垫层。
随着公路建设事业的发展，在提高路面结构质量上，涌现了一些新材料、新结构、新工艺和新的科研成果。交通部对1997年颁发的《公路沥青路面设计规范》重新进行了修订，2004年已完成征求意见稿。修订的主要内容有：强调了筑路材料调查，严格原材料的规格和质量；沥青混合料设计和结构设计中，采取一系列技术措施，减少水侵害；丰富了面层、基层结构类型，更加适应国家地域辽阔，气候、地质差异大，经济发展与交通组成的悬殊等需要；路面厚度计算上，调整了有关设计参数，使路面厚度设计更加合理。
三、桥梁 1985年以前，黑龙江省设计的桥梁多为拱式和钢筋混凝土梁式结构。1985年，交通部制定了石拱桥、钢筋混凝土桥和预应力混凝土桥设计规范。随着设计理论的更新，从允许应力的计算方法过渡到极限状态应力计算，设计理论由弹性理论进入到塑性理论设计的新阶段。此后黑龙江设计的桥梁多为预应力混凝土梁式桥，同时也设计了结构先进的钢管拱桥、斜拉桥，以及适应高等级公路建设需要的弯、坡、斜桥和高架桥、立交桥。
1987年完成施工图设计的绥满公路齐齐哈尔嫩江东江桥，为主跨100米五孔预应力混凝土连续梁桥，上部横断面为单箱单室大悬臂箱梁，下部为实体墩身，沉井基础。
1994年完成施工图设计的同三公路依兰牡丹江大桥，为主跨100米中承式钢管混凝土拱桥。此种结构的特点是：利用钢管做模板，将混凝土紧固在钢管内，其受力为三维空间形式，混凝土的强度可提高3～4倍；拱肋为三角形桁架，力学性能优越，且节省材料，这在黑龙江省温差75摄氏度，并有季风影响的情况下，保证了结构的稳定性。
1996年完成施工图设计的绥满公路牡丹江至横道河子段三股线高架桥，为主跨90米五孔预应力混凝土连续刚构和连续梁组合结构。由于高速公路跨越山谷，采用高填方路基既不经济，稳定性又差，为此，以桥代路是最合理的选择方案。设计为孔径35＋60＋90＋60＋35米连续刚构和连续梁组合结构，即35米和60米之间墩上设有支座，90米是墩身上部主梁联结在一起，墩高27米，这种桥高墩、薄壁，靠墩身纵向变形克服主梁产生的内力，是跨越深谷一种比较合理的桥型。
1998年完成施工图设计的同三公路哈尔滨至省界拉林河大桥，是跨黑、吉两省的界河桥，由于该河流没有通航要求，桥梁高度完全以水文计算确定，结合桥长，采用上、下部比例协调，上部高度较小的跨径35米单箱单室预应力混凝土箱梁，采用顶推法施工。此桥伸缩缝少，行车舒适，与周围景观相协调。
2000年完成施工图设计的牡丹江铁岭河桥，为主跨40米三孔变截面体外预应力混凝土连续梁桥。此桥断面小，自重轻；预应力筋通过梁体内的转向块调整受力方向，且与梁体接触少，预应力的摩阻损失小，保持了梁体的永存应力，增强了桥梁的耐久性；体外预应力不需要管道灌浆，预应力张拉不受季节限制，减少了工序，缩短了工期，在寒冷地区凸显了这种结构的优越性。
2001年完成施工图设计的哈尔滨绕城公路西段四方台松花江公路大桥，主跨为336米双塔双索面、钢－混凝土结合梁斜拉桥，由三跨斜拉桥和两个过渡跨结构组合而成；塔墩固结一体、塔与主梁纵向活动支承，属塔墩固结、塔梁支承式半悬浮体系。过渡跨与斜拉桥主梁连续，由钢主梁、钢横梁和钢纵梁组成，与混凝土桥面板通过连结结构件形成一个整体结合梁，与主梁共同受力。此种结构受力性能好，自重轻，施工方便。
斜拉桥主要由主梁、索塔、拉索三类构件组成，是桥面体系以梁受压或受弯为主、支承体系以斜索受拉及桥塔受压为主的桥梁，索塔是这种结构体系中重要的承重构件。索塔为门式塔，南塔高110.80米，北塔高106.10米（均为塔座以上高度），南北塔在桥面以上高度均为88.56米。索塔截面形式为单室类六边形。桥梁横向全宽33.20米，为双向四车道。斜拉索采用空间扇形布置，索面在主梁上横向间距为28.80米，顺桥向索距为12.00米。
2004年完成施工图设计的鹤大公路杏山至省界段跨越红岭深谷高架桥，为主跨130米五孔预应力混凝土连续刚构，墩高达25～49米。
2004年完成施工图设计的哈尔滨绕城公路东北段松花江公路大桥，主跨138米，主孔为预应力混凝土变截面连续箱梁结构，南北引桥皆为预应力混凝土T梁。下部主墩及过渡墩墩身为实体墩，引桥墩身为柱式桥墩，桥台为肋板式，钻孔桩基础。
在中小桥桥型结构设计上，上部构造以先张法或后张法预应力混凝土简支空心板梁、箱梁为主要形式。下部构造台高小于5米多采用薄壁式、U形或轻型桥台，柱式墩身；台高大于5米小于8米，采用重力式挑臂墩；大于8米采用肋形埋置式桥台。基础多采用扩大基础或钻孔桩基础。
由完成施工图设计的绥满公路阿城至哈尔滨段起，黑龙江省根据高等级公路建设的需要，设计了众多形式多样的立交桥。分离式立体交叉根据地势和被交叉道情况，设置主线上跨（填方段）和主线下穿（挖方段）两种形式。互通式立体交叉多采用苜蓿叶及单喇叭形式。立交桥上部多采用跨径为30～40米简支转连续预应力混凝土箱梁、预应力混凝土空心板（或T梁）、预应力混凝土连续箱梁和现场浇注钢筋混凝土连续箱梁结构。有些路线也根据地形和功能的需要设计了斜腿刚构桥，这种桥型既美观大方又方便施工。设计了部分预应力混凝土箱梁结构的立交桥，此种结构解决了全预应力混凝土存在的应力过大，梁上挠度过大的不足，受力比较均匀，而且减小断面，节省钢材。这两种结构在同三公路佳木斯至哈尔滨段、哈伊公路哈尔滨至绥化等路段随处可见。下部多采用柱式墩身，柱式或肋板式台身，钻孔灌注桩基础。
桥梁的长度和孔径大小，是根据水文水力计算求得的，大桥和特大型桥梁又考虑了通航的要求。
20世纪80年代初开始，省公路勘察设计院即以高级工程师许承铮为带头人，陆续研发了《黑龙江省小桥涵洪水流量计算方法》《大中桥洪水流量计算方法》和《平原宽滩性河流桥前壅水高度的计算方法》。上述科研成果在全省公路勘察设计单位推广使用，填补了省内桥梁孔径水文水力计算的空白，使桥梁长度、孔径水文计算更符合黑龙江河流的特点，提高了桥梁设计的可靠度。其中“平原宽滩性河流桥前壅水高度的计算方法”被交通部列入了1991年颁布执行的《公路桥位勘测规范》。在具体设计中，对大、中桥孔径采用单宽流量公式进行计算；对小桥涵孔径计算采用宽顶堰理论，桥下河床采用铺砌片石防护，在不考虑冲刷的条件下，按水流形式进行计算。
在水文水力计算工作中，黑龙江省对大型和特大型桥梁，均做了水工模型试验来验证设计方案的可靠性和计算精确度。1998年，又应用了“桥位设计软件系统”，这个系统汇总了全国通用的设计方法，并且加入了适合本省具体情况的相关内容，对提高桥梁的设计质量起到了保证和推动作用。
四、隧道 2005年6月，黑龙江省首次完成了绥满公路雾松岭隧道施工图设计（设计负责人吴岩），此隧道平面布置为上、下行分离式，上行隧道长501米，下行隧道长584米，围岩主要为花岗岩及少部分亚粘土夹块石松散堆积层，是一般山岭公路隧道。隧道宽度10.25米，净高5米，净空断面为三心圆曲墙断面，洞门采用削竹式。
隧道横断面构造采用锚喷支护复合混凝土衬砌（内夹防排水保温层），按新奥法设计施工，施工中以量测信息指导施工，通过反馈信息不断完善施工组织设计。
黑龙江省地处寒区，寒区的隧道常在春融期出现渗漏，渗漏易引发各种冻害，影响结构稳定和威胁行车安全。设计中采用施做保温隔热工程解决冻害问题，隧道的保温工程均采用“复合防水板＋保温层＋复合防水板”结构形式，保温结构层铺设在初期支护（注浆）和二次衬砌（泵送自防水混凝土）中间，防水保温板采用无钉孔铺挂。
隧道内排水设计包括衬砌背面、路基、路缘排水三个系统。其中路基排水设计采用纵向深埋排水管的方法，排水管一般设置在冻胀线以下2.5米，深埋排水管洞外采用掩埋式保温出口。
