公路路線設(shè)計指標(biāo)的靈活運用研究

沙聲博

摘要 為了提升公路路線設(shè)計水平，文章總結(jié)了靈活設(shè)計公路路線指標(biāo)的原則和流程，從交通量變化、地形條件變化、布線方式等方面分析了路線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)靈活選擇方法。隨后，將路線平縱指標(biāo)進行分類，分析了直線長度、圓曲線半徑、平曲線長度、視距、最大縱坡、坡長、豎曲線半徑等強制性指標(biāo)的靈活運用方法，研究成果可為公路路線設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 公路；路線設(shè)計；靈活運用；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；平縱指標(biāo)

中圖分類號 U412.3文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0027-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路工程作為重要的基礎(chǔ)交通設(shè)施，其建設(shè)里程逐年增加。公路工程屬于三維帶狀構(gòu)造物，建設(shè)里程長達幾十公里至數(shù)百公里。公路路線設(shè)計水平的高低，會直接影響工程建設(shè)造價、周邊自然環(huán)境與社會環(huán)境及公路在運營期間的安全性和舒適性。在公路路線設(shè)計時，技術(shù)人員選擇指標(biāo)時往往將規(guī)范條文視作法律條文。但是，規(guī)范本身是不具備法律效應(yīng)，只有當(dāng)公路工程的各參建方（業(yè)主、設(shè)計、施工等單位）認同，才能作為法律仲裁的依據(jù)。這種做法不利于設(shè)計人員創(chuàng)造性地發(fā)揮和綜合能力的提升，并阻礙新技術(shù)、新材料等的應(yīng)用[1]。因此，進一步研究公路路線設(shè)計指標(biāo)的靈活運用具有重要的工程意義。

1 靈活設(shè)計公路路線指標(biāo)的原則和流程

1.1 靈活性設(shè)計原則

靈活性設(shè)計公路路線指標(biāo)并不是創(chuàng)造一個新的標(biāo)準(zhǔn)或完全脫離規(guī)范，而是在不降低工程安全性的前提下，結(jié)合項目實際情況靈活選用路線指標(biāo)，以促進公路工程的可持續(xù)發(fā)展?！豆仿肪€設(shè)計規(guī)范》（JTG D20—2017）中給出的路線指標(biāo)是范圍值，比如個別指標(biāo)選擇極限值仍會導(dǎo)致較高的工程造價或?qū)Νh(huán)境有嚴重影響，可考慮突破極限值。但設(shè)計人員應(yīng)清楚突破極限值可能帶來的后果，并提出相應(yīng)的措施。條件允許時，可組織專家對超標(biāo)現(xiàn)象進行論證，判斷設(shè)計方案是否可行。

公路路線指標(biāo)在靈活性設(shè)計期間要避免兩種傾向[2]：第一種傾向是認為標(biāo)準(zhǔn)越高越好。部分設(shè)計人員會生搬硬套規(guī)范，不考慮實際情況，選擇較高的平、縱線形指標(biāo)，這樣會造成公路的征地拆遷規(guī)模過大、造價過高，嚴重破壞與外界環(huán)境的協(xié)調(diào)性；第二種傾向是隨意突破規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)。部分設(shè)計人員安全意識薄弱，路線綜合比選能力較差，在沒有充分論證可行性就隨意突破規(guī)范，可能導(dǎo)致公路在運營期間交通事故頻發(fā)，造成人員傷亡。

1.2 靈活性設(shè)計流程

公路路線指標(biāo)的設(shè)計是層層推進、不斷深化的過程，大致包括以下流程：工程可行性研究→設(shè)計文件審查和批復(fù)→初步設(shè)計→設(shè)計文件審查和批復(fù)→施工圖設(shè)計→設(shè)計文件審查和批復(fù)。如果公路項目較復(fù)雜，需要在初步設(shè)計和施工圖設(shè)計時直接增加一個技術(shù)設(shè)計[3]。

（1）工程可行性研究。工程可行性研究階段是為了確定公路走廊帶，即路線的起點、終點和關(guān)鍵控制點等。設(shè)計前要詳細搜集相關(guān)資料，開展現(xiàn)場調(diào)查。在確定走廊帶時可聽取沿線行政主管部門的意見，但不宜盲目聽從，否則會大幅度地降低走廊帶方案的科學(xué)性。

（2）初步設(shè)計。初步設(shè)計階段對多條路線方案進行綜合比選，以明確路線各分部控制點，綜合考慮路線長度、橋隧比、土石方工程量、占地面積、施工難度、征地拆遷規(guī)模等因素，基本確定路線指標(biāo)。

（3）施工圖設(shè)計。施工圖階段是結(jié)合專家審查意見及咨詢單位意見對路線方案局部優(yōu)化，并逐段檢查路線平縱組合的協(xié)調(diào)性和安全性，實現(xiàn)經(jīng)濟、安全之間的平衡。

2 公路路線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的靈活性

公路路線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)直接影響設(shè)計指標(biāo)，尤其是大型公路項目，其建設(shè)里程長達幾十公里至數(shù)百公里，需根據(jù)公路功能、交通量不同，選擇合理的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)相關(guān)研究成果，設(shè)計速度相同的路段可視為同一標(biāo)準(zhǔn)的路段。

高速公路最小設(shè)計路段宜≥15 km，一級、二級公路最小設(shè)計路段宜≥10 km，三級、四級公路的設(shè)計路段長度根據(jù)實際需求確定，且不同設(shè)計速度的路段應(yīng)設(shè)置過渡段，平、縱線形指標(biāo)逐漸過渡。公路等級或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)變化的分界點應(yīng)盡量設(shè)置在視野開闊的路段，并設(shè)置醒目標(biāo)志。公路路線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的具體分段可考慮以下因素[4]。

2.1 交通量變化

交通量是選擇公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，直接影響公路設(shè)計速度和車道數(shù)，見表1。

由表1可知：在公路設(shè)計速度一定時，不同車道數(shù)所承擔(dān)的交通量不同。不同設(shè)計速度、不同車道數(shù)所對應(yīng)的交通量有一定重疊，使得公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選擇具有較大靈活性。

2.2 地形條件變化

設(shè)計里程較長的公路會穿越不同地區(qū)，可根據(jù)地形條件的不同合理選擇路線指標(biāo)。在平原區(qū)，地勢較平坦，公路選線影響因素大，路線平、縱指標(biāo)可適當(dāng)取大值；山嶺地區(qū)的公路地形條件復(fù)雜，地勢起伏大，路線設(shè)計指標(biāo)可選用較低的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)平原區(qū)公路與山區(qū)公路連接時，需注意路線平、縱指標(biāo)的平滑過渡。

2.3 布線方式

分離式路基是山區(qū)公路路線設(shè)計時常用的布線方式，通常采用平面分離的分離式路基，即左、右路幅完全分開，且每一幅的平、縱線形指標(biāo)相互獨立。左右幅路線的走向不同，其分擔(dān)的交通量或所處的地形環(huán)境也不同，可以靈活選用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。分離式路基的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)靈活運用體現(xiàn)在兩個方面：一是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)完全不同；二是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相同。

3 公路路線平、縱指標(biāo)的靈活性

公路工程的平、縱線形指標(biāo)相互協(xié)調(diào)，才能保證行車安全性和舒適性。路線方案在制定時，要遵循“安全、經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展”的基本原則，基于《公路路線設(shè)計規(guī)范》（JTG D20—2017），靈活選擇路線的平、縱線形指標(biāo)。

3.1 路線平、縱指標(biāo)的分類

結(jié)合相關(guān)研究成果，該文將公路路線設(shè)計劃分為強制性指標(biāo)和非強制性指標(biāo)兩類。強制性指標(biāo)（見表2）主要考慮公路行車的安全性，規(guī)范中用詞為“應(yīng)”。強制性指標(biāo)對公路建設(shè)指標(biāo)影響大，在設(shè)計時宜選擇較高指標(biāo)。即使受地形限制，也要大于一般最小值，盡量不用極限值。反之，要組織專家論證，審查通過后方可交付圖紙。非強制性指標(biāo)一般是從美學(xué)和行車舒適的角度考慮，規(guī)范中用詞為“宜”。

綜上，路線強制性指標(biāo)應(yīng)嚴格執(zhí)行，非強制性指標(biāo)正常條件下按規(guī)范執(zhí)行，但當(dāng)用規(guī)范要求指標(biāo)會在環(huán)保、節(jié)能、工程造價等方面付出較大代價時，可靈活應(yīng)用。

3.2 路線平面指標(biāo)靈活設(shè)計

（1）直線長度。公路上直線長度過長容易使司機感覺單調(diào)，產(chǎn)生焦躁情緒。在確定長直線長度時，要考慮司機的心理承受能力。但是，每個司機的心理承受能力不同，沿線地形、地物、綠化植物等對司機焦躁情緒的緩解也不同，因此最大直線長度難以有明確規(guī)定。大量工程實踐表明，最大直線長度控制在20V（V表示公路設(shè)計速度，下同）之內(nèi)。

如果相鄰圓曲線間的直線長度過短，會讓司機產(chǎn)生錯覺，影響行車安全?！豆仿肪€設(shè)計規(guī)范》（JTG D20—2017）中規(guī)定，同向曲線間的最短直線長度≥6V，反向圓曲線間的最短直線長度≥2V。如果受地形限制，采用規(guī)范指標(biāo)會大幅度地增加工程規(guī)模和造價，可適當(dāng)降低指標(biāo)。

（2）圓曲線半徑。圓曲線半徑應(yīng)結(jié)合設(shè)計速度、超高橫坡等參數(shù)確定，并盡量選擇較大值，主要原因在于：車輛在公路彎道上行駛，會受到離心力作用，從而出現(xiàn)外側(cè)滑移或傾覆病害。一般情況下，圓曲線半徑越小，車輛所受到的離心力越大，車輛出現(xiàn)事故的可能性越高。離心力大小F計算可按式（1）：

式中，G——汽車自身重力（kN）；g——重力加速度（m/s2）；v——設(shè)計速度（km/h）。

（3）平曲線長度。公路平曲線是由1條圓曲線和2條緩和曲線組成。為了避免車輛在彎道行駛時的離心加速度變化率過大，路線設(shè)計時要控制平曲線最小長度Lmin，具體可按式（2）計算：

式中，t——汽車通過平曲線的時間。

（4）視距。視距是保證公路上行車安全的重要指標(biāo)。高速公路、一級公路在設(shè)計時應(yīng)采用停車視距，設(shè)計速度為60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h，停車視距分別不小于75 m、110 m、160 m、210 m。二級及二級以下的公路在設(shè)計時應(yīng)采用會車視距，設(shè)計速度為20 km/h、

30 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h，會車視距分別不小于40 m、60 m、80 m、150 m、220 m。同時，還需注意互通立交合流點的識別視距，以確保“合流三角區(qū)”的視覺通暢。主線可按車輛行駛8 s距離控制，匝道可按車輛行駛5 s距離控制，見圖1[5]。

3.3 路線縱斷面指標(biāo)靈活設(shè)計

公路縱斷面指標(biāo)直接影響了路基填挖高度、隧道埋深、橋梁樁基長度、排水效果等，從而影響公路的工程造價。因此，縱斷面在設(shè)計時要控制好其坡度、坡長、合成坡度、豎曲線半徑等參數(shù)。

（1）縱坡坡度和坡長。公路路線縱坡坡度和坡長會直接影響車輛的形式狀態(tài)，縱坡越大，坡長越長，行車安全性越低。比如在連續(xù)上坡路段，司機需頻繁換擋（尤其是交通擁堵時），增大了司機操作失誤的概率。行駛一段距離后，發(fā)動機發(fā)熱，水箱溫度升高，增加了油耗。如果汽車性能差，甚至?xí)ɑ?；在連續(xù)下坡路段，汽車受到慣性力的作用，重力勢能轉(zhuǎn)換為動能，車速越來越大，司機需要頻繁制動，易導(dǎo)致安全事故。

由此可知，公路縱坡坡度和坡長在設(shè)計時必須充分考慮汽車的性能與路線最大縱坡imax的關(guān)系應(yīng)滿足式（3）和（4）：

式中，λ——海拔修正系數(shù)；T——汽車驅(qū)動力（kN）；Fa——空氣阻力（kN）；D——變量動力系數(shù)；f——滾動摩擦力系數(shù)。

為了驗證計算公式的可行性，該文統(tǒng)計了不同縱坡坡率下公路的交通事故率，統(tǒng)計結(jié)果見圖2[6]。

由圖2可知：縱坡越大，公路上的越容易發(fā)生交通事故。當(dāng)縱坡坡度＞4%，交通事故率急劇上升，故建立公路縱斷面設(shè)計時，縱坡坡度控制在4%以內(nèi)。

（2）合成坡度。在路基橫坡一定的條件下，公路路線縱坡越小，路面合成坡度較小，越不利于路面排水。為了保證公路排水，路線最小縱坡應(yīng)≥0.3%，合成坡度應(yīng)≥0.5%，否則應(yīng)采取綜合排水措施。需注意，當(dāng)陡坡與小半徑平曲線相重疊時，宜采用較小的合成坡度。以下三種情況路面合成坡度應(yīng)＜8%：①冬季路面有結(jié)冰、積雪的地區(qū)；②自然橫坡較陡峻的傍山路段；③非汽車交通量較大的路段。

（3）豎曲線半徑。當(dāng)汽車在縱斷面上的變坡點行駛時，為了緩和因車輛動能變化而產(chǎn)生的沖擊和保證視距，必須插入豎曲線（凸曲線和凹曲線）。豎曲線有圓曲線和二次拋物線兩種形式，由于豎曲線前后坡差小，拋物線平緩，曲率變化小，與圓曲線相差不大。在實際公路項目中，通常選擇圓曲線。

《公路路線設(shè)計規(guī)范》（JTG D20—2017）中所給出的各級公路的豎曲線最小半徑“極限值”，只有在地形限制的條件下才能使用。在實際設(shè)計中，為了保證車輛行駛的安全性和舒適性，應(yīng)采用規(guī)范所給“一般值”的1.5～2.0倍。

4 結(jié)語

該文主要分析了靈活運用公路路線設(shè)計指標(biāo)的原則、流程及平縱路線指標(biāo)的設(shè)計方法。研究成果表明：

（1）靈活性設(shè)計路線指標(biāo)并不是標(biāo)準(zhǔn)越高越好，也不是隨意突破規(guī)范，而是應(yīng)該結(jié)合工程實際情況選擇。

（2）公路路線指標(biāo)設(shè)計應(yīng)層層推進，先結(jié)合交通量變化、地形條件變化、布線方式等靈活確定路線各分段的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）公路路線平縱指標(biāo)可劃分為強制性指標(biāo)和非強制性指標(biāo)兩類，其中強制性指標(biāo)必須嚴格執(zhí)行，包括直線長度、圓曲線半徑、平曲線長度、視距、最大縱坡、坡長、豎曲線半徑等。

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