基于安全的山區(qū)高速公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)研究

李格格 陳子含

收稿日期：2024-03-12

作者簡(jiǎn)介：李格格（1998—），女，本科，助理工程師，研究方向：公路路線(xiàn)和互通立交設(shè)計(jì)、交通規(guī)劃、交通量等。

摘要 為了提高山區(qū)高速公路的安全水平，文章從某山區(qū)高速公路的路線(xiàn)設(shè)計(jì)入手，分析了基于安全的山區(qū)高速公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)的影響因素，論述了山區(qū)高速公路路線(xiàn)的安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)，歸納提出路線(xiàn)設(shè)計(jì)的總體思路。然后，從安全角度對(duì)山區(qū)高速公路路線(xiàn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，選擇高度安全的高速公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)方案，希望通過(guò)文章的案例分析，為類(lèi)似山區(qū)高速公路路線(xiàn)的安全設(shè)計(jì)提供一些參考。

關(guān)鍵詞 安全；山區(qū)；高速公路；路線(xiàn)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) U412.366文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0031-03

0 引言

公路交通是山區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐。近幾年，山區(qū)高速公路的建設(shè)線(xiàn)路不斷延長(zhǎng)。較之平原地區(qū)的高速公路，山區(qū)高速公路存在全線(xiàn)造價(jià)高、地形地質(zhì)復(fù)雜、交通安全風(fēng)險(xiǎn)多等問(wèn)題。上述問(wèn)題的存在，對(duì)山區(qū)高速公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)提出了較大挑戰(zhàn)。因此，研究基于安全的山區(qū)高速公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。

1 山區(qū)高速公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)背景

某山區(qū)高速公路路線(xiàn)的起止樁號(hào)為K103+508～K126+

168.251，長(zhǎng)度為17.362 km。公路為雙向四車(chē)道，整體式路基寬度為25.4 m，行車(chē)道寬度2 m×7.5 m，中央分隔帶寬度為1.8 m，中間帶寬度為2.8 m，最大縱坡5%，緩和曲線(xiàn)最小長(zhǎng)度為72 m。一般最小平曲線(xiàn)半徑與極限最小平曲線(xiàn)半徑分別為402 m、225 m，凸形豎曲線(xiàn)的一般最小半徑與凹形豎曲線(xiàn)一般最小半徑分別為4 502 m、3 002 m。公路設(shè)計(jì)速度為80 km/h，停車(chē)視距為111 m，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100，設(shè)計(jì)荷載為Ⅰ級(jí)，地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g。

該高速公路工程位于貴州省，地處云貴高原，整體地勢(shì)西高東低，其中山地和丘陵占92%左右的面積，巖溶地貌十分典型且分布范圍廣。區(qū)域內(nèi)廣泛覆蓋坡洪積層和坡殘積層，自然斜坡順層分布，平均坡度相對(duì)平緩。礦產(chǎn)資源豐富，煤炭?jī)?chǔ)量高且質(zhì)量?jī)?yōu)良。工程所在地為亞熱帶季風(fēng)氣候，不同季節(jié)降水量差異較大，夏季降水占全年降水量的85%以上。

2 基于安全的山區(qū)高速公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)影響因素分析

2.1 技術(shù)條件

工程所在地的地勢(shì)主要為高原，地形切割較為嚴(yán)重，高程變化較為劇烈。因技術(shù)條件的限制，工程采用的實(shí)際控制技術(shù)等級(jí)較低，頻見(jiàn)急彎陡坡，運(yùn)行條件不佳。同時(shí)，因路面通行能力下降，車(chē)輛行駛速度變緩，交通流中重載貨車(chē)的比例上升，埋下了運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)[1]?；诖?，針對(duì)上述工程的選線(xiàn)，應(yīng)以強(qiáng)有力的技術(shù)為支撐，在保證公路建設(shè)滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求的同時(shí)，提升公路的安全性。

2.2 氣象環(huán)境

高速公路是一種長(zhǎng)時(shí)期暴露于自然條件的線(xiàn)性工程，極易遭受氣象環(huán)境的影響，特別是濕度的影響[2]。工程所在地大氣降水的季節(jié)性變化較為顯著，在大氣降水量較多的季節(jié)，極易引發(fā)路基濕度上升、強(qiáng)度下降。比如，在降水量較多、降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的夏季（天氣數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示），山坡土地潮濕軟化、強(qiáng)度下降，極易誘發(fā)滑坡、泥石流等危害。因此，在路線(xiàn)選擇時(shí)，應(yīng)關(guān)注氣象環(huán)境特點(diǎn)，慎行通過(guò)濕度敏感的地區(qū)[3]。

表1 夏季天氣（局部）

時(shí)間 天氣 降水量/mm

7月1日 小雨 78.6

7月2日 陰轉(zhuǎn)陣雨 219.8

7月3日 多云轉(zhuǎn)陣雨 88.8

2.3 地形地貌

工程線(xiàn)路所在地勢(shì)呈現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn)，河流切割較深，地勢(shì)陡峻。復(fù)雜的地形對(duì)工程線(xiàn)路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生較大影響[4]。比如，在限制最大的情況下，路線(xiàn)設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合運(yùn)用回旋線(xiàn)、直線(xiàn)、超高曲線(xiàn)等組合形式，持續(xù)調(diào)整路線(xiàn)平面，盡可能滿(mǎn)足線(xiàn)路各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)，工程廣泛覆蓋沉積巖，未完全固結(jié)成巖，具有遇水軟化的特性。此時(shí)，在路線(xiàn)選擇時(shí)，需要考慮巖性，避開(kāi)不穩(wěn)定區(qū)域。

2.4 不良地質(zhì)

工程位于地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的山區(qū)，不良地質(zhì)現(xiàn)象種類(lèi)繁多，涉及滑坡、順層邊坡、泥石流等。在高速公路路線(xiàn)經(jīng)過(guò)不良地質(zhì)所在區(qū)域時(shí)，若未進(jìn)行深入全面的調(diào)查研究，無(wú)法明確不良地質(zhì)現(xiàn)象的類(lèi)型、分布范圍、規(guī)模與發(fā)生原因、發(fā)展規(guī)律、嚴(yán)重程度，極易造成路線(xiàn)穿越不良地質(zhì)段，增加安全隱患。特別是在部分規(guī)模較大、性質(zhì)嚴(yán)重、治理難度大的不良地質(zhì)段，在路線(xiàn)繞避不及時(shí)的情況下，高速公路路段易遭受毀損性影響[5]。

3 基于安全的山區(qū)高速公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 地面陡坡段的路線(xiàn)設(shè)計(jì)

工程原地面橫坡陡峭。在陡峭橫坡為路基的情況下，若路線(xiàn)向山體傾斜，設(shè)置6級(jí)路塹邊坡（全挖路基），極易出現(xiàn)路塹深度過(guò)大的問(wèn)題，增加后期路塹土石方邊坡防護(hù)的作業(yè)量；若路線(xiàn)朝向山體外側(cè)偏移，設(shè)置5級(jí)路塹邊坡，配合半填方半挖方路基的設(shè)置，極易造成路基填方部分的穩(wěn)定性不足，額外造成路基加筋、路基支擋、臺(tái)階開(kāi)挖等措施。

綜上，可以設(shè)計(jì)路線(xiàn)向山體傾斜的方案。對(duì)于地面陡坡段，結(jié)合橫斷面特性，統(tǒng)籌土石方規(guī)模、挖方路基規(guī)模、填方路基規(guī)模、工程造價(jià)、技術(shù)安全穩(wěn)定性等因素，持續(xù)優(yōu)化調(diào)整。最終確定地面陡坡段上行線(xiàn)的主流分流，可完全利用既有隧道，斷面借助先合流后分流的方式，在主線(xiàn)上進(jìn)行交織段的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)車(chē)道數(shù)的均衡。同時(shí)，在既有隧道的支持下，將主線(xiàn)分岔點(diǎn)設(shè)置于隧道出口后段落，改造與規(guī)范要求存在差異的既有適中戶(hù)提供段落主線(xiàn)平面。隨后，根據(jù)互通區(qū)主線(xiàn)平縱指標(biāo)要求，將下適中匝道流出點(diǎn)遷移到主線(xiàn)平面直線(xiàn)段。下適中匝道流出點(diǎn)所在主線(xiàn)需盡可能運(yùn)用既有道路的左幅路基，在隧道進(jìn)口前順接既有道路的右幅路基。在全面利用既有隧道右洞與既有隧道左洞后，將路段分離式路基進(jìn)行合流。合流需結(jié)合改造的主線(xiàn)長(zhǎng)為10.352 km，圓曲線(xiàn)最小半徑為3 100 m，最大縱坡為5%。合流后，經(jīng)主線(xiàn)分岔為主線(xiàn)3車(chē)道與匝道2車(chē)道。

下行線(xiàn)主流合流與上行線(xiàn)主流分流點(diǎn)一致，增設(shè)下行4車(chē)道單洞。同時(shí)，考慮主線(xiàn)合流位于隧道出口段落，洞內(nèi)車(chē)輛無(wú)法變道，極易造成單向四車(chē)道洞內(nèi)大車(chē)與小車(chē)混流行駛，主線(xiàn)與下適中的車(chē)輛嚴(yán)重交織，威脅交通運(yùn)營(yíng)安全。基于此，應(yīng)靈活運(yùn)用技術(shù)指標(biāo)，適應(yīng)地形地貌，以隧道、互通立交、橋梁為高速公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)的主要控制點(diǎn)，協(xié)調(diào)“路服從隧道”與“隧道服從路”的辯證關(guān)系，優(yōu)化隧道洞口位置，規(guī)避偏壓、混流等對(duì)隧道的負(fù)面影響。具體到技術(shù)指標(biāo)運(yùn)用方面，應(yīng)在區(qū)分主要平面指標(biāo)、縱面指標(biāo)與次要平縱面指標(biāo)的基礎(chǔ)上，聚焦“半路+半隧”的特點(diǎn)，分析地形地質(zhì)條件與水文因素，避開(kāi)不良地質(zhì)分布。同時(shí)，考慮山區(qū)夏季的集中性暴雨頻繁，在安全選線(xiàn)方針的指導(dǎo)下，需應(yīng)用迂回展線(xiàn)方式，控制下行線(xiàn)合流路段的平面縱坡，并借助運(yùn)行速度理論，進(jìn)行下行線(xiàn)平縱面線(xiàn)性的重新檢查，有針對(duì)性地優(yōu)化合流運(yùn)行速度偏差大、隧道洞門(mén)條件差、平面與縱面配合不佳的路線(xiàn)。

3.2 特殊地質(zhì)段的路線(xiàn)設(shè)計(jì)

3.2.1 特殊巖土覆蓋區(qū)選線(xiàn)

工程所在地覆蓋的特殊巖土主要為殘積巖，遇水軟化、崩解，直接造成工程強(qiáng)度急劇下降、路基失穩(wěn)、邊坡垮塌[6]。因此，路線(xiàn)設(shè)計(jì)人員應(yīng)主動(dòng)避開(kāi)巖層產(chǎn)狀不利于邊坡穩(wěn)定、規(guī)模大、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多的殘積巖區(qū)。對(duì)于無(wú)法繞避段，可以?xún)?yōu)選中高線(xiàn)位，降低后期填挖方對(duì)山體自然環(huán)境安全的影響。

在線(xiàn)位一定的情況下，為規(guī)避殘積巖危害，可以從填方路段入手，在路面結(jié)構(gòu)下設(shè)置砂礫墊層、封層土，每層之間間隔3 m，封層土兩側(cè)均根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)高度要求進(jìn)行包邊；而在挖方路段，向路槽下方設(shè)置超挖回填摻灰改性土層，并在改性土頂部與底部均增設(shè)砂礫滲水層，為后期工程的安全推進(jìn)提供有效參考。

3.2.2 滑坡地區(qū)選線(xiàn)

上述工程特殊的氣象環(huán)境與地質(zhì)地形決定了工程滑坡地質(zhì)體的規(guī)模性、復(fù)雜性。在滑坡地區(qū)路線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)選不破壞滑坡整體穩(wěn)定性的部位，調(diào)整規(guī)避路線(xiàn)。在不干擾滑坡體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，路線(xiàn)可在滑坡后緣通過(guò)；在干擾滑坡體穩(wěn)定性的情況下，路線(xiàn)需要在滑坡前緣通過(guò)，促進(jìn)滑坡前緣荷載提升。具體到工程實(shí)踐時(shí)，確定滑坡整體較為穩(wěn)定，且線(xiàn)路設(shè)計(jì)標(biāo)高與滑坡前緣位置滑床面的標(biāo)高差距不大，選擇以低路堤形式為主的滑坡前緣通過(guò)方式，并將支撐滲溝設(shè)置到路線(xiàn)兩側(cè)，達(dá)到抗滑支擋效果。

3.2.3 泥石流地區(qū)選線(xiàn)

泥石流在上述山區(qū)高速公路所在地高發(fā)，對(duì)公路路線(xiàn)具有毀滅性的影響。因此，路線(xiàn)設(shè)計(jì)人員應(yīng)提前了解受泥石流威脅的路段，繞避山區(qū)泥石流集中發(fā)生地區(qū)。具體到工程實(shí)踐時(shí)，若泥石流方量較小，可以在不開(kāi)挖溝床、改變泥石流溝的前提下，綜合利用明洞、渡槽等手段改變線(xiàn)路基礎(chǔ)工程，并沿路線(xiàn)側(cè)設(shè)置攔擋壩或?qū)Я鞫础?/p>

因工程泥石流屬于中等規(guī)模、中低頻稀性泥石流溝，根據(jù)泥石流溝上游縱坡陡峭、下游縱坡較緩的特點(diǎn)，經(jīng)混凝土渡槽設(shè)置路線(xiàn)，路線(xiàn)大角度相交橫跨泥石流排導(dǎo)槽中段，避免泥石流危害。

3.2.4 順層邊坡地區(qū)選線(xiàn)

在局部垂直穿越條狀山脈地形的干擾下，工程巖層產(chǎn)狀與路線(xiàn)基本垂直，自然邊坡順層分布。在地形條件不利于順層邊坡穩(wěn)定性的情況下，設(shè)計(jì)人員可以選擇繞避措施，反之則選擇小角度相交，盡可能減少線(xiàn)路與順層邊坡巖層傾向的夾角[7]。在上述方法無(wú)法保證邊坡安全性的情況下，設(shè)計(jì)人員可以改變?cè)新肪€(xiàn)方案，以橋梁代替，促使橋梁與既有路線(xiàn)順暢銜接，盡可能規(guī)避路線(xiàn)對(duì)順層邊坡的擾動(dòng)。

4 基于安全的山區(qū)高速公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

因上述工程路線(xiàn)影響因素較多，基于安全的路線(xiàn)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)是一個(gè)多目標(biāo)、多層次決策問(wèn)題，需要落實(shí)全面性、科學(xué)性、可比性與可操作性原則，將工程安全因素進(jìn)行層層分解，選出具有代表性的指標(biāo)。最終確定工程路線(xiàn)設(shè)計(jì)方案的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及技術(shù)安全、環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)安全等三個(gè)維度。

在技術(shù)安全維度，根據(jù)工程地形險(xiǎn)峻程度，以保證行車(chē)安全為核心，選擇行車(chē)速度、行車(chē)道寬度、路線(xiàn)長(zhǎng)度、停車(chē)視距、中間帶寬度、圓曲線(xiàn)最小半徑等幾個(gè)指標(biāo)。

在環(huán)境安全維度，根據(jù)工程路線(xiàn)建設(shè)地理位置復(fù)雜多樣性以及建設(shè)過(guò)程對(duì)區(qū)域地形地貌干擾大的特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)家對(duì)工程環(huán)境保護(hù)的要求，設(shè)定生態(tài)環(huán)境影響（大氣環(huán)境、水環(huán)境、土壤環(huán)境等）、社會(huì)環(huán)境影響（沿線(xiàn)土地開(kāi)發(fā)對(duì)沿線(xiàn)居民生活影響）等幾個(gè)指標(biāo)。

在經(jīng)濟(jì)安全維度，根據(jù)工程建設(shè)可行性、項(xiàng)目建成效果要求以及山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，設(shè)定工程造價(jià)、每公里總造價(jià)、經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比（或經(jīng)濟(jì)效益凈現(xiàn)值）、投資回收期（或內(nèi)部收益率）等幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.2 安全評(píng)價(jià)過(guò)程

在山區(qū)高速公路路線(xiàn)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)確定后，利用行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)家，對(duì)照指標(biāo)，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)。在專(zhuān)家評(píng)分法應(yīng)用的基礎(chǔ)上，借助層次分析思維，對(duì)技術(shù)安全、環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)安全等各單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行定量計(jì)算，獲得客觀(guān)性評(píng)價(jià)結(jié)果。層次分析結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 山區(qū)高速公路路線(xiàn)安全評(píng)價(jià)的層次分析結(jié)構(gòu)

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)圖1所示，得出山區(qū)高速公路路線(xiàn)安全評(píng)價(jià)的結(jié)果，見(jiàn)表2所示。

由表2可知，工程地面陡坡段路線(xiàn)、特殊地質(zhì)段路線(xiàn)均滿(mǎn)足總體要求，圓曲線(xiàn)最小半徑超出規(guī)定最小半徑要求，中間帶寬度、停車(chē)視距、行車(chē)道寬度均達(dá)到技術(shù)安全水平。同時(shí)，路線(xiàn)建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境的影響系數(shù)小于總體環(huán)境安全要求限制，路線(xiàn)造價(jià)、每公里總造價(jià)均在額定要求限額內(nèi)，地面陡坡段路線(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比較高，投資回報(bào)期低于要求投資回報(bào)期。表明：山區(qū)高速公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)的技術(shù)安全水平、環(huán)境安全水平、經(jīng)濟(jì)安全水平均達(dá)標(biāo)。

表2 山區(qū)高速公路路線(xiàn)安全評(píng)價(jià)的結(jié)果

指標(biāo) 地面陡坡

段路線(xiàn) 特殊地質(zhì)

段路線(xiàn) 總體要求

技術(shù)

安全 行車(chē)速度/（km/h） 80 80 80

行車(chē)道寬度/m 3.75 3.5 2×7.5

路線(xiàn)長(zhǎng)度/km 10.352 7.01 17.362

停車(chē)視距/m 130 112 111

中間帶寬度/m 3.0 2.8 2.8

圓曲線(xiàn)最小半徑/m 3 100 5 500 3 002

環(huán)境

安全 生態(tài)環(huán)境影響 0.65 0.74 0.75

社會(huì)環(huán)境影響 0.61 0.72 0.78

經(jīng)濟(jì)

安全 工程造價(jià)/億元 23.33 15.82 50

每公里總造價(jià)/萬(wàn)元 22 536.70 22 567.76 28 798.53

經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比 1.45 1.36 1.40

投資回收期/年 12.14 18.92 19.35

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，山區(qū)高速公路路線(xiàn)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)高度復(fù)雜的工作，受到地質(zhì)地形的直接影響。因此，在路線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重把控安全限制性指標(biāo)。

在路線(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)維度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行方案評(píng)價(jià)，選擇了最佳的路線(xiàn)設(shè)計(jì)方案，為山區(qū)高速公路的安全運(yùn)行提供了保障。

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