山區(qū)高速公路的線路選型與線路總體設(shè)計(jì)研究

楊寶生, 陳 鵬

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

我國(guó)近年來(lái)的公路建設(shè)領(lǐng)域不斷被拓展，取得了令人矚目的成績(jī)，但我國(guó)山區(qū)經(jīng)濟(jì)雖得到一定程度的發(fā)展，但相比于城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)還是相對(duì)落后，公路建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們出行、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，公路制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，落后的經(jīng)濟(jì)也導(dǎo)致了山區(qū)公路建設(shè)的相對(duì)不足，有些山區(qū)地區(qū)甚至還存在交通閉塞，經(jīng)濟(jì)作物等難以流入市場(chǎng)的問(wèn)題，造成有些地區(qū)資源過(guò)剩，有些地區(qū)資源不足，又無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源調(diào)配的尷尬境地。因此，山區(qū)公路的建設(shè)和發(fā)展的加強(qiáng)，越來(lái)越引起人們的重視，而山區(qū)由于其復(fù)雜的地形，較大的高差，對(duì)其在線路選型與線路總體設(shè)計(jì)中有著更大的挑戰(zhàn)。為此，本文將重點(diǎn)進(jìn)行山區(qū)高速公路的線路選型與線路總體設(shè)計(jì)研究工作，為山區(qū)高速公路的建設(shè)提供一些參考。

1 山區(qū)高速公路線路選型原則

(1)線路選型與總體設(shè)計(jì)注重安全性原則。安全是路線選型與總體設(shè)計(jì)的最基本原則。這里的安全不僅包括山區(qū)高速公路自身的穩(wěn)定安全性，還包括人們出行行車的安全。具體來(lái)說(shuō)，選線時(shí)不僅需要注意山區(qū)環(huán)境的特殊性，盡量避免不良地質(zhì)，如滑坡、坍塌、泥石流等，對(duì)于一些不可避免的不良地質(zhì)區(qū)域，需要采取相應(yīng)的工程措施，或者橋梁跨越，穿山隧洞，或者相應(yīng)的加固措施等，還要注意各種線形的選擇和組合。在設(shè)計(jì)時(shí)，一定保證線路在選擇時(shí)注意安全性原則，這是每個(gè)設(shè)計(jì)者都必須堅(jiān)守的原則。

(2)線路選型與總體設(shè)計(jì)考慮經(jīng)濟(jì)可行性。高速公路的造價(jià)一般都比較高，在修建時(shí)，不僅需要考慮修建成本，還要考慮后期能夠帶動(dòng)的經(jīng)濟(jì)效益，以一種發(fā)展的眼光進(jìn)行綜合考慮。山區(qū)環(huán)境的復(fù)雜性，使得其建設(shè)成本更高，技術(shù)難度較大。在選線的過(guò)程中，充分考慮當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，合理選擇線形組合和線路布局，在考慮帶動(dòng)周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)上節(jié)約成本，筑路材料可以建議盡可能多利用當(dāng)?shù)卦械牟牧希粌H促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，還在一定程度上節(jié)約了成本，盡可能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

(3)線路選型與總體設(shè)計(jì)注意與山區(qū)生態(tài)相協(xié)調(diào)。公路建設(shè)過(guò)程中會(huì)對(duì)原有的生態(tài)環(huán)境造成破壞，為避免進(jìn)一步對(duì)山區(qū)生態(tài)造成更大的影響，在線路選型與總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)，盡可能地將已有的影響降低，使山區(qū)生態(tài)能夠自行恢復(fù)。因此，在選線時(shí)，盡可能避免大開大挖，對(duì)已經(jīng)造成的破換，進(jìn)行植被恢復(fù)，對(duì)于邊坡防護(hù)，多采用植被防護(hù)，防護(hù)帶盡可能利用原有的山區(qū)資源，并做好人工標(biāo)識(shí)，在縱坡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以填方為主，盡量減少對(duì)原地面的開挖。使路線選型和山區(qū)生態(tài)相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)綠色公路的建設(shè)。

(4)線路選型與總體設(shè)計(jì)需要因地制宜。路線選型和總體設(shè)計(jì)時(shí)，除了滿足上述3條外，還需要因地制宜。每一處的山區(qū)環(huán)境都有其獨(dú)有的特性，不能以偏概全，都必須依據(jù)具體的環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)參照山區(qū)環(huán)境的特點(diǎn)，進(jìn)行局部細(xì)化，保證視線的通視，依照山區(qū)的地形，進(jìn)行平縱組合，也可以多多利用山區(qū)原有景觀，特色的景點(diǎn)，給人留下深刻印象，提升山區(qū)知名度，促進(jìn)山區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展等等。參照不同的山區(qū)環(huán)境，因地制宜，進(jìn)行有針對(duì)性的適應(yīng)性的綜合設(shè)計(jì)。

2 山區(qū)高速公路路線設(shè)計(jì)的方法

山區(qū)高速公路的線路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮路線平縱線形設(shè)計(jì)，因地制宜進(jìn)行合理布線。合理的路線設(shè)計(jì)不僅可以確保安全，減少交通事故的發(fā)生，還可以節(jié)約時(shí)間成本，一定程度減輕交通擁堵，因此，路線設(shè)計(jì)十分重要。

2.1 路線平縱線形設(shè)計(jì)

在進(jìn)行路線平縱設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮汽車的性能，以駕駛員的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)更為合理。平曲線設(shè)計(jì)時(shí)，既要保證相互間的通視，又要保證行車的安全。車輛在平曲線上行駛時(shí)，需要有合理的平緩過(guò)渡，不能發(fā)生突變，不然駕駛員一時(shí)難以適應(yīng)，無(wú)法做出正確的判斷，威脅行車安全。因此，在公路設(shè)計(jì)中引入了平曲線曲率半徑的限值并需設(shè)計(jì)相應(yīng)的緩和曲線進(jìn)行過(guò)渡，并對(duì)過(guò)渡段長(zhǎng)度也有最小長(zhǎng)度的要求。在山區(qū)高速公路路線設(shè)計(jì)時(shí)，更需注意這點(diǎn)的要求。其中曲率半徑不得低于400 m，或者曲率半徑較大時(shí)過(guò)渡連接長(zhǎng)度超過(guò)100 m。為確保行車安全，這一點(diǎn)則十分重要。山區(qū)地形復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)有很多細(xì)節(jié)不能忽視。

在進(jìn)行豎曲線設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意連接坡長(zhǎng)和行車視距。長(zhǎng)時(shí)間的爬坡和下坡都有著安全隱患，應(yīng)予以避免。視線的通視在這里是由于豎曲線的坡點(diǎn)造成的，爬坡時(shí)，視距變短，下坡時(shí)，駕駛員沒(méi)有做出調(diào)整，車速會(huì)加快，存在安全隱患等等問(wèn)題。具體設(shè)計(jì)時(shí)可參照表1進(jìn)行對(duì)照設(shè)計(jì)，一定注意安全問(wèn)題。

表1 不同設(shè)計(jì)速度豎曲線長(zhǎng)度和半徑取值范圍

2.2 因地制宜，合理布線

山區(qū)高速公路的線路選型與總體設(shè)計(jì)時(shí)，要因地制宜，合理布線，依據(jù)不同的山區(qū)環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。具體可分為以下情況進(jìn)行設(shè)計(jì)：

(1)綜合地形情況進(jìn)行多線布線。依據(jù)實(shí)際地形做出對(duì)比方案，山區(qū)高速地形差異較大，每一路線的選擇都會(huì)對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)造成很大的影響，在空間選擇上留出對(duì)比方案，選擇更優(yōu)更合理的路線。在紙上定線時(shí)，對(duì)有疑問(wèn)的地區(qū)，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)做更詳細(xì)的調(diào)研。尤其是不良地質(zhì)段的勘察要更為詳細(xì)，考慮合理的規(guī)避，對(duì)于無(wú)法避開的不良地段，注意布線位置，盡量減少不良地質(zhì)段對(duì)公路的影響，并注意后續(xù)設(shè)計(jì)中的加固措施，消除潛在的威脅。布線的好壞，直接影響著整個(gè)公路的設(shè)計(jì)和建設(shè)，因此布線時(shí)必須綜合考慮地形情況，進(jìn)行因地制宜的布線。

(2)考慮高架橋位的選擇。山區(qū)公路地形起伏較大，很有可能出現(xiàn)橫跨山谷或者峽谷的情況，采取繞行方案造價(jià)太高，得不償失，在進(jìn)行路線布局設(shè)計(jì)時(shí)，不能僅僅局限于公路的設(shè)計(jì)，要統(tǒng)籌兼顧，進(jìn)行整體布局，對(duì)于一些特殊地區(qū)，要考慮高架橋的選擇，而對(duì)需要架設(shè)橋梁的地段，合理確定高價(jià)橋位的位置，考慮橋梁長(zhǎng)度對(duì)造價(jià)和工期的整體影響以及修建高架橋的必要性。

(3)考慮隧洞的修建。山區(qū)高速公路，為了避免繞更多的彎路和減少對(duì)山區(qū)環(huán)境整體的影響，可以考慮隧洞的修建。隧洞的修建往往可以實(shí)現(xiàn)路線布局時(shí)以直代曲，極大減少整個(gè)路線的長(zhǎng)度，為后期的運(yùn)營(yíng)減少時(shí)間成本。對(duì)需要采用隧洞形式的路段，則需要對(duì)隧洞的位置，形式等等的選擇都需要進(jìn)行嚴(yán)密的考慮和設(shè)計(jì)。比如施工的難易程度、工程造價(jià)及整體的經(jīng)濟(jì)效益等，進(jìn)行綜合對(duì)比，做出更合理的設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，選線是首要的，也是十分重要的，路線線型完成之后，也即是完成了路線的平面設(shè)計(jì)，還需進(jìn)行路線的縱斷面設(shè)計(jì)，進(jìn)行拉坡和豎曲線的設(shè)計(jì)，路線縱坡的設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)土石方的利用調(diào)配等有著極大的影響。豎曲線的選擇，位置等對(duì)行車安全和舒適有著極大的影響，在進(jìn)行豎曲線的設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意與平曲線的組合，避免不良組合的出現(xiàn)，為以后的山區(qū)高速公路埋下安全隱患。綜合以上考慮，在路線的設(shè)計(jì)階段的過(guò)程中，可參照以下步驟進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)工作。

(1)設(shè)計(jì)過(guò)程中首先依據(jù)實(shí)際地形確定變坡點(diǎn)，變坡點(diǎn)確定后才能保證整個(gè)路線縱斷面的設(shè)計(jì)更加合理。依據(jù)山區(qū)公路的實(shí)地情況，變坡點(diǎn)盡量取在直線段上，并與平曲線隔出一定距離，這樣就可以避免出現(xiàn)不良的平縱組合，減少不必要的安全隱患，也在一定程度上降低了設(shè)計(jì)難度。變坡點(diǎn)數(shù)依據(jù)山區(qū)公路實(shí)地情況進(jìn)行確定，如果設(shè)計(jì)段過(guò)短，則可以只在路線中間設(shè)置一個(gè)變坡點(diǎn)。變坡點(diǎn)的設(shè)計(jì)時(shí)要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活選擇。

(2)變坡點(diǎn)確定好后，下一步進(jìn)行高程控制。在高程計(jì)算時(shí)可以利用切線控制法來(lái)確定曲線半徑，然后進(jìn)行豎曲線的確定，設(shè)計(jì)時(shí)盡量使豎曲線的半徑應(yīng)該與平曲線的半徑成比例設(shè)置，避免出現(xiàn)與平曲線交錯(cuò)布置的情況發(fā)生，一旦發(fā)生這種情況，則說(shuō)明設(shè)計(jì)存在缺陷，需要進(jìn)行調(diào)整，再次利用切線控制曲線半徑，調(diào)整豎曲線半徑，出現(xiàn)豎曲線半徑存在小數(shù)時(shí)，取整處理即可。

(3)線形設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于山區(qū)路況復(fù)雜，一旦遇到不得不改變斷面設(shè)計(jì)時(shí)，為保證整個(gè)設(shè)計(jì)線形符合組合要求，可只將變坡點(diǎn)的位置進(jìn)行平移，從而達(dá)到線形組合不被破壞的目的，避免出現(xiàn)一旦調(diào)整過(guò)大，不僅容易出現(xiàn)線形不良組合，還會(huì)造成設(shè)計(jì)返工，增加設(shè)計(jì)工作。

(4)充分利用現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)等，進(jìn)行路線設(shè)計(jì)的優(yōu)化等。如一般路線設(shè)計(jì)軟件都有智能自適布線，可對(duì)照進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行不斷調(diào)整，最終達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的合理化和優(yōu)化，完成最終路線設(shè)計(jì)。

3 工程實(shí)例

本文選定某公路，山區(qū)，地勢(shì)東高西低，全線海拔高差較大，140.0～1 530.0 m，設(shè)計(jì)最低點(diǎn)為225.0 m，設(shè)計(jì)最高點(diǎn)為875.0 m，相對(duì)高差為650.0 m。綜合考慮當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，臨近已有的公路等現(xiàn)狀，給定了如圖1所示的路線設(shè)計(jì)圖。

對(duì)于選定路線，進(jìn)行平縱線形設(shè)計(jì)。

路線在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能采用了直線設(shè)計(jì)，其中路線設(shè)計(jì)部分結(jié)果見表2。

其中曲率半徑大于400 m，過(guò)渡連接長(zhǎng)度大于100 m，曲率半徑和過(guò)渡段長(zhǎng)度取值滿足要求。與表1對(duì)比，相應(yīng)指標(biāo)也均達(dá)標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求。

為了確保路線設(shè)計(jì)合理性，本文運(yùn)用了運(yùn)行速度進(jìn)行了公路全線的平縱面指標(biāo)的檢驗(yàn)。這里將平曲線半徑小于1 000 m和縱坡坡度大于3%的特殊路段視為獨(dú)立單元，而其余一般路段上車輛運(yùn)行視為勻速行駛。運(yùn)行速度差的評(píng)價(jià)結(jié)果見表3，從中可以看出，路線設(shè)計(jì)中整體線形沒(méi)有突兀的現(xiàn)象，合乎要求。

圖1 路線設(shè)計(jì)圖

表2 路線相應(yīng)指標(biāo)實(shí)際值表

表3 線形設(shè)計(jì)的運(yùn)行速度差評(píng)價(jià)

4 結(jié) 論

山區(qū)高速公路的線路選型與線路總體設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)山區(qū)高速公路整體性能有著直接影響，路線的選定和其總體設(shè)計(jì)，直接決定了整個(gè)山區(qū)高速公路布局，影響了其使用性和安全性，其中包含的細(xì)節(jié)性東西 較多，無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)可能影響到山區(qū)高速公路的整體質(zhì)量，因此，本文進(jìn)行了山區(qū)高速公路的線路選型與線路總體設(shè)計(jì)的研究，探討了山區(qū)公路路線選型的原則，和路線設(shè)計(jì)的原則，并給出了選定路線后，進(jìn)行路線總體設(shè)計(jì)的具體操作步驟，使設(shè)計(jì)工作更加細(xì)化和可操作化，可為以后山區(qū)高速公路的設(shè)計(jì)提供一些借鑒。