高速公路路線方案綜合研究

陳晨

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司深圳分院，廣東深圳518049）

1 引言

隨著基礎(chǔ)交通網(wǎng)絡(luò)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(jì)快速發(fā)展的重要工程，其建設(shè)規(guī)模日益擴大，同時，對建設(shè)和運營水平的控制也更加嚴(yán)格。尤其是高速公路，往往具有結(jié)構(gòu)物布置困難，線形組合難度大等特點。如果路線設(shè)計方案選擇不當(dāng)，可能大幅度增加工程造價，并使駕駛員開車期間心理負(fù)擔(dān)大，容易出現(xiàn)駕駛疲勞，導(dǎo)致嚴(yán)重的交通安全事故等。選擇經(jīng)濟(jì)、合理、綠色的高速公路路線設(shè)計方案和技術(shù)指標(biāo)已成為設(shè)計人員要解決的重要問題[1]。但是，目前設(shè)計人員在開展高速公路線形設(shè)計期間，仍以工程類比法為主，設(shè)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(jìn)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(shè)難度大，常受到環(huán)境、安全、技術(shù)等因素的綜合影響[2]。

2.1 環(huán)境保護(hù)

高速公路工程的總體方案確定之前，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行深入細(xì)致的比選，不能盲目地追求高技術(shù)指標(biāo)，走“先破壞后治理”的設(shè)計理念。而是應(yīng)當(dāng)將生態(tài)環(huán)保作為關(guān)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(shè)與和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2.2 與地形地質(zhì)相協(xié)調(diào)

高速公路沿線的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，會對高速公路建設(shè)和運營造成嚴(yán)重影響。在開展路線設(shè)計前，需要全面勘察路線走廊帶內(nèi)的地質(zhì)地形，根據(jù)地質(zhì)條件確定路線走行，對特殊巖土或不良地質(zhì)應(yīng)盡可能地避讓。同時，路線指標(biāo)及構(gòu)造物必須適應(yīng)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(jìn)行山區(qū)高速公路路線設(shè)計時，要嚴(yán)格保護(hù)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(shè)計時的最大難題是土石方數(shù)量大，且一般挖方工程量遠(yuǎn)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(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡，還可能導(dǎo)致水土流失問題。為了確保高速公路工程建設(shè)期間的土石方調(diào)配平衡，需要調(diào)整設(shè)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(shè)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(shè)計的基本步驟有全面布局、逐段安排、詳細(xì)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(fù)責(zé)人應(yīng)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(shù)等級、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計人員需要在對現(xiàn)場初步勘測的基礎(chǔ)上將公路路線的控制點進(jìn)一步加密，從而確保路線沿線各段的技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

詳細(xì)定線：公路各專業(yè)設(shè)計人員應(yīng)對現(xiàn)場地形地貌、水文地質(zhì)等條件進(jìn)行詳細(xì)勘測，并將紙上定線和實地勘測定線相結(jié)合，對不合理的路線進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。詳細(xì)定線的關(guān)鍵是在重要的控制點間開展反復(fù)插點，在綜合考慮平、縱、橫指標(biāo)及路線經(jīng)濟(jì)性的前提下定出道路中線。

3.2 平面線形設(shè)計

3.2.1 直線設(shè)計

直線是公路平面設(shè)計中應(yīng)用較廣泛的線形，當(dāng)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(shè)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?cè)藛T的視距，故JTG D20—2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》要求：公路設(shè)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(shè)計速度（以km/h計）的6倍和2倍為宜。但是，山區(qū)，地形復(fù)雜，直線長度指標(biāo)往往難以達(dá)到，如果強制滿足規(guī)范，則必然會減小平曲線半徑。結(jié)合多個山區(qū)高速項目的設(shè)計經(jīng)驗，如果車輛運行速度檢驗合格，可以適當(dāng)降低曲線間的直線段長度（以m計）不得小于設(shè)計速度（以km/h計）的4倍為宜。

3.2.2 平曲線設(shè)計

高速公路平曲線包括圓曲線和緩和曲線，路線設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注圓曲線半徑、長度和緩和曲線長度等技術(shù)指標(biāo)的選擇。

圓曲線半徑：公路在需要改變方向的路段，往往應(yīng)設(shè)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(guān)，還會受到離心力的影響。離心力會使車輛出現(xiàn)向外側(cè)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(guān)。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(shè)計時，應(yīng)當(dāng)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(shè)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(jìn)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(yīng)綜合考慮路線轉(zhuǎn)角、地形、設(shè)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(yīng)滿足3 s行程。

3.3 縱斷面線形設(shè)計

3.3.1 坡長設(shè)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(dǎo)致汽車熄火后溜。同時，上坡坡長較大會導(dǎo)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(yán)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(shè)計時，必須對坡長嚴(yán)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(shè)計

最小縱坡應(yīng)滿足路基排水要求，防止水滲進(jìn)路基影響行車路基穩(wěn)定性。對于挖方、設(shè)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(yīng)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(shè)計方案評價

4.1 評價指標(biāo)選擇

高速公路路線設(shè)計方案評價的關(guān)鍵是選取合適的評價指標(biāo)和評價方法。由上文可知，影響路線設(shè)計方案的因素較多，沒有必要全部作為評價指標(biāo)考慮進(jìn)來，應(yīng)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(shè)計方案評價可分為技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)3類[5]，具體可參考表2。

表2 高速公路路線設(shè)計方案評價指標(biāo)

4.2 評價方法

高速公路路線設(shè)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(biāo)的重要性程度來賦予單項指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重，再加權(quán)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(shè)計方案的總價值；wi為路線單項評價指標(biāo)價值；vi為單項評價指標(biāo)權(quán)重，權(quán)重大小可邀請多個相關(guān)領(lǐng)域的專家進(jìn)行打分確定。

5 結(jié)論

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

1）高速公路建設(shè)難度大，受到環(huán)境保護(hù)、與地形地質(zhì)相協(xié)調(diào)、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(shè)計包括全面布局、逐段安排、詳細(xì)定線3個階段，設(shè)計內(nèi)容主要有直線、平曲線、坡長、坡度、豎曲線設(shè)計等。

3）高速公路路線設(shè)計方案評價指標(biāo)有技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)3類，可采用價值分析法進(jìn)行評價。