高速公路路線方案綜合研究

陳晨

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司深圳分院，廣東深圳518049）

1 引言

隨著基礎交通網(wǎng)絡的持續(xù)完善，公路工程作為加強沿線文化交流與帶動經(jīng)濟快速發(fā)展的重要工程，其建設規(guī)模日益擴大，同時，對建設和運營水平的控制也更加嚴格。尤其是高速公路，往往具有結構物布置困難，線形組合難度大等特點。如果路線設計方案選擇不當，可能大幅度增加工程造價，并使駕駛員開車期間心理負擔大，容易出現(xiàn)駕駛疲勞，導致嚴重的交通安全事故等。選擇經(jīng)濟、合理、綠色的高速公路路線設計方案和技術指標已成為設計人員要解決的重要問題[1]。但是，目前設計人員在開展高速公路線形設計期間，仍以工程類比法為主，設計方案較保守，不能很好地依托項目具體特點來選擇方案。因此，對高速公路路線方案進行綜合性研究具有十分重要的意義。

2 高速公路選線影響因素分析

高速公路建設難度大，常受到環(huán)境、安全、技術等因素的綜合影響[2]。

2.1 環(huán)境保護

高速公路工程的總體方案確定之前，應當進行深入細致的比選，不能盲目地追求高技術指標，走“先破壞后治理”的設計理念。而是應當將生態(tài)環(huán)保作為關鍵評價因素，盡量不破壞或少破壞原有生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)高速公路建設與和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調統(tǒng)一。

2.2 與地形地質相協(xié)調

高速公路沿線的地質構造復雜，地質災害頻發(fā)，會對高速公路建設和運營造成嚴重影響。在開展路線設計前，需要全面勘察路線走廊帶內(nèi)的地質地形，根據(jù)地質條件確定路線走行，對特殊巖土或不良地質應盡可能地避讓。同時，路線指標及構造物必須適應地形走勢，減小填挖工程量，控制工程造價。

2.3 減少占地和征拆

山區(qū)耕地、水田等農(nóng)業(yè)用地十分貧瘠，主要分布在山間平原或河谷階地，同時，這些區(qū)域也是居民居住地。進行山區(qū)高速公路路線設計時，要嚴格保護土地紅線，盡量不占用或少占用農(nóng)業(yè)用地、減少拆遷工程量。

2.4 土石方平衡

高速公路設計時的最大難題是土石方數(shù)量大，且一般挖方工程量遠大于填方工程量，會產(chǎn)生較多的棄方，并且高速公路沿線挖方與棄方不僅會破壞當?shù)厣鷳B(tài)平衡，還可能導致水土流失問題。為了確保高速公路工程建設期間的土石方調配平衡，需要調整設計方案，例如，將填方高度大的路段改為橋梁方案、挖方深度大的路段選擇隧道方案、減小邊坡開挖坡率等。

3 高速公路路線線形方案設計

3.1 路線方案確定的基本步驟

高速公路的路線方案包括平面線形、縱斷面線形及平縱組合3個內(nèi)容。高速公路路線方案設計的基本步驟有全面布局、逐段安排、詳細定線3個階段[3]。具體闡述如下：

全面布局：高速公路項目參建各方的項目負責人應從宏觀角度來共同確定公路路線走廊帶，即按照規(guī)劃文件的要求和地形地貌找出路線起點、終點和沿線重要控制點，并連接起來，可得到路線走向，然后明確公路技術等級、建設標準及其在交通網(wǎng)中起到的作用。

逐段安排：在路線全面布局完成的前提下，設計人員需要在對現(xiàn)場初步勘測的基礎上將公路路線的控制點進一步加密，從而確保路線沿線各段的技術指標滿足規(guī)范要求。

詳細定線：公路各專業(yè)設計人員應對現(xiàn)場地形地貌、水文地質等條件進行詳細勘測，并將紙上定線和實地勘測定線相結合，對不合理的路線進行適當優(yōu)化。詳細定線的關鍵是在重要的控制點間開展反復插點，在綜合考慮平、縱、橫指標及路線經(jīng)濟性的前提下定出道路中線。

3.2 平面線形設計

3.2.1 直線設計

直線是公路平面設計中應用較廣泛的線形，當公路沿線區(qū)域平坦、障礙少時，優(yōu)先考慮直線通過。為了確保交通安全，直線線形在布設時長度不宜過長也不宜過短。曲線間直線長度過短，會影響線形的連續(xù)性、美觀性，并且會影響駕駛人員的視距，故JTG D20—2017《公路路線設計規(guī)范》要求：公路設計速度V超過60 km/h時，同向曲線間和反向曲線間的直線最小長度（以m計）分別以不小于設計速度（以km/h計）的6倍和2倍為宜。但是，山區(qū)，地形復雜，直線長度指標往往難以達到，如果強制滿足規(guī)范，則必然會減小平曲線半徑。結合多個山區(qū)高速項目的設計經(jīng)驗，如果車輛運行速度檢驗合格，可以適當降低曲線間的直線段長度（以m計）不得小于設計速度（以km/h計）的4倍為宜。

3.2.2 平曲線設計

高速公路平曲線包括圓曲線和緩和曲線，路線設計應重點關注圓曲線半徑、長度和緩和曲線長度等技術指標的選擇。

圓曲線半徑：公路在需要改變方向的路段，往往應設計圓曲線來過渡。圓曲線上的行車安全性除了與自身重力有關，還會受到離心力的影響。離心力會使車輛出現(xiàn)向外側滑移或傾覆的趨勢，而離心力的大小與圓曲線半徑的大小密切相關。即圓曲線半徑越小，車輛受到的離心力越大，越不利于行車安全，故路線設計時，應當限制圓曲線最小半徑[4]。高速公路工程圓曲線半徑初步擬定可參考式（1）：

式中，F(xiàn)為車輛離心力，N；G為車輛重力，N；v為車輛設計速度，m/s；R為圓曲線半徑，m；g為重力加速度，可取9.81 m/s2。在初步擬定平曲線半徑之后，再與規(guī)范進行比較，條件允許時盡量取大值。

圓曲線長度：為了確保車輛平穩(wěn)行駛，圓曲線長度不宜過短或過長。在選擇平曲線長度時，應綜合考慮路線轉角、地形、設計速度、回旋線長度等因素，可參考表1。

表1 高速公路平曲線長度

緩和曲線長度：緩和曲線的作用主要是連接直線和圓曲線或半徑不同的同向圓曲線，長度大小取決于其所需發(fā)揮的功能，如緩和曲線是為了方便車輛遵循行駛軌跡，其長度應滿足3 s行程。

3.3 縱斷面線形設計

3.3.1 坡長設計

汽車上坡期間，如果坡長過大，汽車行駛期間換擋頻率高，可能會引起發(fā)動機發(fā)熱，水箱溫度上升，油耗增加，導致汽車熄火后溜。同時，上坡坡長較大會導致車輛以較低速度“壓道”行駛，后者盲目超車引發(fā)安全事故。

汽車在下坡期間，如果坡長過大，車速會快速增加，車輛行駛期間的需持續(xù)踩制動器，會對剎車片造成嚴重磨損，影響車輛制動性能。此外，坡長不宜過短，否則會造成路線變坡點過多（縱向起伏），影響行車舒適度。因此，在開展高速公路路線設計時，必須對坡長嚴格控制，建議縱坡最小坡長在600～800 m，最大坡長（以m計）不能超過速度（以km/h計）的15倍為宜。

3.3.2 坡度設計

最小縱坡應滿足路基排水要求，防止水滲進路基影響行車路基穩(wěn)定性。對于挖方、設置邊溝的低填方路段等，縱坡不得小于0.3%，其中在雨水充沛地區(qū)，縱坡不得小于0.5%。在干旱少雨地區(qū)，也可不限制最小縱坡。最大縱坡在確定時應綜合考慮車輛爬坡能力、制動性能、油耗量等因素。

4 高速公路線設計方案評價

4.1 評價指標選擇

高速公路路線設計方案評價的關鍵是選取合適的評價指標和評價方法。由上文可知，影響路線設計方案的因素較多，沒有必要全部作為評價指標考慮進來，應分清主次，否則會大幅增加評價工作量和評價成本。高速公路路線設計方案評價可分為技術指標、經(jīng)濟指標、環(huán)境指標3類[5]，具體可參考表2。

表2 高速公路路線設計方案評價指標

4.2 評價方法

高速公路路線設計方案評價可采用價值分析法，該方法計算簡單，適用性強，先根據(jù)指標的重要性程度來賦予單項指標相應的權重，再加權計算出高速公路路線方案的總價值，具體可按式（2）計算：

式中，V總為路線設計方案的總價值；wi為路線單項評價指標價值；vi為單項評價指標權重，權重大小可邀請多個相關領域的專家進行打分確定。

5 結論

本文詳細分析了高速公路選線影響因素、平面和縱斷面線形的設計方法及路線方案評價方法。主要得到了以下結論：

1）高速公路建設難度大，受到環(huán)境保護、與地形地質相協(xié)調、減少占地和征拆、土石方平衡等方面因素的影響。

2）高速公路路線方案設計包括全面布局、逐段安排、詳細定線3個階段，設計內(nèi)容主要有直線、平曲線、坡長、坡度、豎曲線設計等。

3）高速公路路線設計方案評價指標有技術指標、經(jīng)濟指標、環(huán)境指標3類，可采用價值分析法進行評價。