高原山區(qū)公路勘察設(shè)計(jì)與路線方案選擇方法分析

樊康義

（云南行一工程檢測(cè)有限公司,云南 昆明 650500）

0 引言

高原山區(qū)地質(zhì)復(fù)雜、地勢(shì)起伏大，選擇公路路線方案時(shí)平縱指標(biāo)受限因素多，布線自由度小，設(shè)計(jì)難度大。如果路線方案選擇不合理，可能影響公路運(yùn)營(yíng)期間的行車安全性和舒適度。同時(shí)，路線方案是由若干個(gè)平縱橫指標(biāo)組成，不同指標(biāo)對(duì)路線方案優(yōu)劣的影響程度有較大差異。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員也針對(duì)高原山區(qū)公路的勘察設(shè)計(jì)開(kāi)展了一些研究，但尚未形成統(tǒng)一的學(xué)術(shù)理論來(lái)指導(dǎo)高原山區(qū)公路路線設(shè)計(jì)。因此，為了確保高原山區(qū)公路可靠、安全運(yùn)營(yíng)，進(jìn)一步研究路線指標(biāo)選擇和方案比選方法具有十分重要的工程價(jià)值。

1 高原山區(qū)公路選線特點(diǎn)及勘察設(shè)計(jì)理念

1.1 選線特點(diǎn)分析

和平原區(qū)相比，高原山區(qū)公路在選線時(shí)主要有以下特點(diǎn)[1]：一是高差大。在高原山區(qū)內(nèi)穿梭的公路必須通過(guò)長(zhǎng)距離展線克服高程障礙，從而產(chǎn)生越嶺線、山腰線、傍山線等。此時(shí)，縱斷面指標(biāo)是路線方案的決定性因素，直接決定了工程項(xiàng)目的規(guī)模和投資。二是復(fù)雜性。高原山區(qū)地形、地質(zhì)等錯(cuò)綜復(fù)雜，且氣候多變，公路路線方案比選的重點(diǎn)隨路段而不斷變化，比選難度大。三是反復(fù)性。高原山區(qū)公路選線難度大，對(duì)設(shè)計(jì)人員的綜合能力要求高，路線方案可能隨著設(shè)計(jì)階段的不斷深入和專家審查意見(jiàn)反復(fù)修改，甚至出現(xiàn)不同設(shè)計(jì)階段路線方案相互否定的現(xiàn)象。

1.2 勘察設(shè)計(jì)原則

高原山區(qū)公路在選線時(shí)，不僅要滿足公路的交通運(yùn)輸功能，還應(yīng)確保公路與外界自然環(huán)境協(xié)調(diào)。高原山區(qū)公路在選線期間建議遵循以下原則[2]：

（1）安全性原則。高原山區(qū)公路的建設(shè)目標(biāo)是使用者提供交通出行服務(wù)，選線時(shí)要綜合考慮人、車輛、道路、外界環(huán)境、運(yùn)營(yíng)管理等因素。條件允許時(shí)，可適當(dāng)提高路線技術(shù)指標(biāo)，并采取主動(dòng)或被動(dòng)防護(hù)措施，消除公路運(yùn)營(yíng)期間的安全隱患。

（2）節(jié)約資源原則。高原山區(qū)公路地質(zhì)情況不易查明，在勘測(cè)階段，應(yīng)加大人員和設(shè)備，準(zhǔn)確識(shí)別可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，以免后期路線方案或特殊路基處治方案大變更。此外，高原山區(qū)公路選線的另一個(gè)困難是土石方量過(guò)大，且挖方工程量遠(yuǎn)大于填方工程量，導(dǎo)致大量廢方無(wú)法利用，只能存放在棄土場(chǎng)內(nèi)，會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。

（3）環(huán)境保護(hù)原則。公路建設(shè)里程一般較長(zhǎng)，在跨越山嶺時(shí)不可避免地穿越森林、濕地生態(tài)系統(tǒng)、自然保護(hù)區(qū)、水資源保護(hù)區(qū)等生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)于上述生態(tài)敏感型控制點(diǎn)，在選線階段應(yīng)加強(qiáng)識(shí)別，并結(jié)合環(huán)境評(píng)價(jià)專項(xiàng)報(bào)告采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

（4）綜合比選原則。高原山區(qū)公路設(shè)計(jì)時(shí)可能有多種典型工程，如深路塹、隧道、高路堤、高邊坡等，這些工程對(duì)路線總體方案和工程造價(jià)起著控制作用，應(yīng)非常注重對(duì)典型工程的綜合比選。

2 高原山區(qū)公路選線流程及主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 選線流程

高原山區(qū)公路選線是一個(gè)循序漸進(jìn)過(guò)程，貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)階段。隨著設(shè)計(jì)階段的持續(xù)深入，路線方案的研究范圍也從大變小，研究深度從淺變深，研究?jī)?nèi)容由宏觀變微觀，從而提升路線設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少施工期間的設(shè)計(jì)變更，降低工程造價(jià)。

（1）走廊帶選擇。走廊帶選擇主要應(yīng)用在公路的可行性研究階段，以確定公路起點(diǎn)、關(guān)鍵控制點(diǎn)、終點(diǎn)及基本走向。在走廊帶選擇階段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料和調(diào)查數(shù)據(jù)，選擇多條路線方案同深度比較。比較應(yīng)實(shí)事求是，不要有傾向，不刻意挑選無(wú)效方案來(lái)襯托推薦方案。

（2）路段方案比較。路段方案比較主要應(yīng)用于高原山區(qū)公路的初步設(shè)計(jì)階段，是在路線走廊帶確定的條件下，選擇路線細(xì)部控制點(diǎn)，完成路線總體布局，確定主要工程技術(shù)指標(biāo)。路段方案比較是工作量最大，研究最深入，耗費(fèi)時(shí)間和人力最大的選線階段。

（3）局部線位優(yōu)化。局部線位優(yōu)化是高原山區(qū)公路路線方案選擇的最后一步，主要應(yīng)用于公路的施工圖階段。在局部線位優(yōu)化階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)積極與咨詢單位、專家溝通審查意見(jiàn)，確實(shí)有誤的地方必須修改，以保證路線各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，提升路線方案的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 平面線形指標(biāo)

公路平面線形由直線、圓曲線、緩和曲線等組成。

直線段視野開(kāi)闊，方向明確，車輛運(yùn)行速度受直線長(zhǎng)度影響大，但高原山區(qū)公路基本不會(huì)出現(xiàn)太長(zhǎng)的直線；圓曲線合理性與半徑和轉(zhuǎn)角影響較大，圓曲線半徑和轉(zhuǎn)角過(guò)小，駕駛員容易產(chǎn)生急轉(zhuǎn)彎的錯(cuò)覺(jué)，突然減速易發(fā)生交通事故；緩和曲線主要起到曲率過(guò)渡作用。

高原山區(qū)公路的圓曲線半徑R、緩和曲線參數(shù)A可按以公式（1）~（2）計(jì)算：

式中，V——設(shè)計(jì)速度（km/h）；μ——橫向力系數(shù)，無(wú)量綱，與路面材料、輪胎質(zhì)量等因素相關(guān)；r——回旋線上某點(diǎn)曲率半徑（m）；l——回旋線某點(diǎn)到原點(diǎn)的曲線長(zhǎng)（m）；i合——合成坡度，由超高橫坡和道路縱坡決定（%）。

2.3 縱斷面線形指標(biāo)

高原山區(qū)公路的縱斷面線形指標(biāo)（坡度、坡長(zhǎng)、曲線半徑等）反映了路線的縱向起伏，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮考慮土石方填挖平衡，盡量使線形服從地形。

（1）縱坡設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)研究成果，公路縱坡越大、坡長(zhǎng)越長(zhǎng)，其行車安全越不利，交通事故發(fā)生可能性越高。高原山區(qū)公路的最大縱坡值不僅要考慮車輛行駛安全性，還應(yīng)考慮汽車的爬坡性能，比如在公路上坡路段，車輛一般需要降低擋位來(lái)提升動(dòng)力，車輛的爬坡性能不同，降擋引起的速度衰減比例也不同，貨車速度衰減會(huì)大于小客車，兩者在上坡時(shí)可能互相干擾，影響行車安全性。

汽車的爬坡性能與高原山區(qū)公路縱坡i計(jì)算見(jiàn)公式（3）~（4）：

式中，λ——海拔修正系數(shù)；T——汽車驅(qū)動(dòng)力；Fa——空氣阻力；G——車輛重力；D——變量動(dòng)力因素；f——滾動(dòng)摩擦力系數(shù)。

高原山區(qū)公路的最大坡長(zhǎng)和最小坡長(zhǎng)均可不做特殊要求，參考《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20—2017)取值即可。

（2）豎曲線設(shè)計(jì)。高原山區(qū)公路豎曲線包括凸曲線和凹曲線，合適的豎曲線半徑、長(zhǎng)度和形式可以確保變坡點(diǎn)位置平滑過(guò)渡，有效控制工程造價(jià)，提高行車安全性。不同設(shè)計(jì)速度下，高原山區(qū)公路豎曲線具體尺寸可參考表1：

表1 高原山區(qū)公路豎曲線半徑和長(zhǎng)度

2.4 平縱組合設(shè)計(jì)

高原山區(qū)公路在設(shè)計(jì)線形時(shí)不能單獨(dú)考慮平面線形指標(biāo)或縱斷面線形指標(biāo)，還要考慮平縱指標(biāo)的搭配組合。結(jié)合相關(guān)研究成果，高原山區(qū)公路平曲線應(yīng)包絡(luò)豎曲線，即滿足“平包縱”，此時(shí)豎曲線半徑可取平曲線半徑的10~20倍。

3 高原山區(qū)公路路線方案綜合比選

3.1 工程概況

以云南某山區(qū)公路為研究對(duì)象，利用“可靠度法”對(duì)路線方案進(jìn)行比選。

該高速公路是省內(nèi)交通網(wǎng)重要組成，沿線自然保護(hù)區(qū)、歷史人文景觀豐富，征地拆遷困難，導(dǎo)致永久征地和臨時(shí)征地緊張。高速公路路線全長(zhǎng)35.6 km，路線起訖樁號(hào)為K0+000~K35+600，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路—I級(jí)，橫斷面為雙向4車道，路基寬度27 m（其中中間帶寬4.5 m，行車道寬2×2×3.75 m，硬路肩寬2×3 m，土路肩寬2×0.75 m），瀝青路面結(jié)構(gòu)厚72 cm。為打造高品質(zhì)示范交通項(xiàng)目，組織大批骨干設(shè)計(jì)人員對(duì)路線方案進(jìn)行比選。

3.2 可靠度法

高原山區(qū)公路的設(shè)計(jì)可靠度是指在運(yùn)營(yíng)期限內(nèi)，在規(guī)定的交通條件下，公路安全性、適用性等滿足規(guī)范要求的概率。高原山區(qū)公路的路線設(shè)計(jì)可靠度由若干個(gè)相互獨(dú)立的參數(shù)決定，且這些參數(shù)大多屬于隨機(jī)變量。因此，路線設(shè)計(jì)可靠度可由路線設(shè)計(jì)參數(shù)在正常使用極限狀態(tài)下的功能函數(shù)Z判定，見(jiàn)公式（5）：

式中，S——路線設(shè)計(jì)參數(shù)；D——滿足道路功能的路線參數(shù)。

如果Z＞0，表明路線設(shè)計(jì)參數(shù)滿足功能要求；Z=0，路線設(shè)計(jì)參數(shù)處于極限狀態(tài)；Z＜0，路線設(shè)計(jì)參數(shù)不滿足功能要求，即路線設(shè)計(jì)方案失效。

失效概率P越低，路線方案越好。失效概率可利用一次二階矩法計(jì)算，該方法適用性強(qiáng)，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，且計(jì)算精度能滿足工程需求。一次二階矩法的計(jì)算要點(diǎn)是將“非線性功能函數(shù)線性化、非正態(tài)隨機(jī)變量正態(tài)變化”。

3.3 路線方案比選

綜合考慮沿線地形、地質(zhì)條件、工程規(guī)模、施工條件、環(huán)境保護(hù)等因素，初步擬定了K線、A1線、A2線三條路線方案進(jìn)行比選。其中，K線里程短，線形順暢，占地面積和征拆規(guī)模較小，但是沿線有一座特大橋，施工難度大，后期運(yùn)營(yíng)成本高，且路線局部有“三角地”，降低農(nóng)田利用率。比較線A1線和A2線的里程較長(zhǎng)，無(wú)施工難度大的特大橋梁和長(zhǎng)隧道，但局部平縱線形指標(biāo)組合不良，占地面積較大，沿線經(jīng)過(guò)生態(tài)敏感區(qū)，需設(shè)置油水分離池、聲屏障、隔聲窗等措施來(lái)減少高速公路運(yùn)營(yíng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。不同路線方案的可靠度指標(biāo)和失效概率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2：

表2 不同路段方案可靠度指標(biāo)和失效概率

由表2計(jì)算結(jié)果可知，在高速公路運(yùn)營(yíng)期間，K線的可靠度指標(biāo)最大，失效概率最小，A1和A2線的可靠度指標(biāo)和失效概率相差不大，兩者誤差基本在10%以內(nèi)，故可認(rèn)為K線的設(shè)計(jì)方案最優(yōu)，將K線作為推薦線。

3.4 路線方案安全性評(píng)價(jià)

高原山區(qū)公路路線的方案確定之后，需對(duì)其安全性進(jìn)行檢驗(yàn)，文章以視距和運(yùn)行速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（1）視距檢驗(yàn)。高原山區(qū)公路的每個(gè)車道都必須有足夠的行車視距，以確保司機(jī)能全面察覺(jué)前方路面的障礙物，并及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，以免出現(xiàn)交通事故。行車視距不僅受到平、縱線形指標(biāo)的影響，還與路側(cè)邊坡、護(hù)欄等遮擋物有關(guān)。

高原山區(qū)公路的行車視距計(jì)算可根據(jù)圖1所示的空間兩點(diǎn)通視原理，計(jì)算結(jié)果就是某一運(yùn)行速度下在司機(jī)視角所能看到的最遠(yuǎn)距離。

圖1 空間兩點(diǎn)通視原理

（2）運(yùn)行速度檢驗(yàn)。車輛在山區(qū)公路的實(shí)際運(yùn)行速度與交通量、外界環(huán)境、車輛性能、駕駛?cè)诵睦淼纫蛩叵嚓P(guān)，并不一定等于設(shè)計(jì)速度。如運(yùn)行速度和設(shè)計(jì)速度之間差值較大，路線設(shè)計(jì)參數(shù)可能無(wú)法滿足行車要求。根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》（JTG B05—2015），可利用相鄰路段（平面線形指標(biāo)和縱斷面線形指標(biāo)差別較大的路段）運(yùn)行速度差值ΔV85對(duì)路線協(xié)調(diào)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出存在安全隱患的路段。ΔV85＜10 km/h、10 km/h＜ΔV85＜20 km/h、ΔV85＞20 km/h所對(duì)應(yīng)運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性等級(jí)分別為協(xié)調(diào)性好、較好、不良。

在檢查路線協(xié)調(diào)性前，按圓曲線半徑和縱坡大小共劃分18個(gè)評(píng)價(jià)單元，編號(hào)為1#路段~20#路段。不同路段的ΔV85計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 相鄰路段運(yùn)行速度的差值

由圖2計(jì)算結(jié)果可知：ΔV85絕對(duì)值的最大值為21 km/h，最小值為3 km/h。同時(shí)，ΔV＞20 km/h、10 km/h＜ΔV＜20 km/h、＜10 km/h的路段分別有1個(gè)、3個(gè)和14個(gè)。該山區(qū)公路大部分路段的運(yùn)行速度均屬于協(xié)調(diào)性好或較好，占比94.4%；只有5#路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不良，占比為5.6%。

4 結(jié)論

文章研究了高原山區(qū)公路選線特點(diǎn)、設(shè)計(jì)原則、平縱指標(biāo)選擇、路線方案比選方法等，主要得到以下結(jié)論：①高原山區(qū)公路具有高差大、復(fù)雜性、反復(fù)性等特點(diǎn)，在勘察設(shè)計(jì)時(shí)建議遵循安全性、節(jié)約資源、環(huán)境保護(hù)、綜合比選的原則；②高原山區(qū)公路的選線包括走廊帶選擇、路段方案比較、局部線位優(yōu)化三個(gè)階段；③高原山區(qū)公路的平縱線形指標(biāo)選擇應(yīng)參照設(shè)計(jì)規(guī)范，滿足“平包縱”；④建議采用可靠度法對(duì)路線方案進(jìn)行比選，確定路線方案后還應(yīng)檢驗(yàn)其視距和運(yùn)行速度。