山區(qū)高速公路線形優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

沈翔

（中交鐵道（武漢）建設(shè)科技有限公司，武漢430056）

1 引言

隨著基礎(chǔ)交通設(shè)施網(wǎng)絡(luò)不斷完善，越來(lái)越多的公路工程開(kāi)始向山地區(qū)域擴(kuò)展。山區(qū)公路具有地質(zhì)條件復(fù)雜、地勢(shì)起伏大、造價(jià)高等特點(diǎn)，導(dǎo)致選線較為困難，設(shè)計(jì)質(zhì)量難以得到有效控制。如果線形方案選擇不合理，可能造成大量的高填深挖路段、地質(zhì)災(zāi)害，并對(duì)原有環(huán)境產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重影響后期的行車(chē)安全和行車(chē)舒適度[1]。鑒于此，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始通過(guò)研究山區(qū)公路路線設(shè)計(jì)，并取得了一些有價(jià)值的研究成果。但是，工程技術(shù)人員在山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)時(shí)仍以工程類(lèi)比法為主，對(duì)山區(qū)公路的特點(diǎn)和影響因素的理解不透徹，選擇的設(shè)計(jì)方案偏于保守，造成一定的資源浪費(fèi)。因此，研究山區(qū)高速公路線形優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的工程意義。

2 山區(qū)高速公路特點(diǎn)

2.1 地域性差異大

山區(qū)高速公路是一種三維線狀結(jié)構(gòu)物，且路線長(zhǎng)度一般較長(zhǎng)，沿線不同區(qū)域的氣候、水文、地質(zhì)條件等可能存在較大的差異[2]。如海拔較高的山區(qū)，山體迎風(fēng)面受冷空氣影響嚴(yán)重，容易出現(xiàn)積雪、結(jié)冰等現(xiàn)象；降雨量大小也會(huì)因山區(qū)巖土體物理力學(xué)性能、路基邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，一般降雨量大的區(qū)域山體出現(xiàn)滑坡、泥石流等可能性較大，這些因素都會(huì)影響高速公路的選線設(shè)計(jì)。

2.2 線形組合復(fù)雜

山區(qū)高速公路線形組合較復(fù)雜，平面線形以緩和曲線和圓曲線為主，直線較少，縱斷面坡度變化幅度較大，一般在4%～10%。在對(duì)高速公路的平面和縱斷面線形進(jìn)行組合時(shí)，很多指標(biāo)無(wú)法達(dá)到JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

2.3 施工難度大

山區(qū)公路施工難度較大，高等級(jí)公路需要挖掘隧道、建設(shè)橋梁以連接各段公路。巖體強(qiáng)度越大，山體開(kāi)挖難度越大。山區(qū)河流湍急，溝谷深切，一般采用斜拉橋、高橋等設(shè)計(jì)來(lái)確保橋梁的穩(wěn)定性。部分山區(qū)，大型機(jī)器很難進(jìn)入，安全防護(hù)措施難以實(shí)施，公路施工難度大。

2.4 車(chē)流量變化大

山區(qū)高速公路作為促進(jìn)沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域交流的重要基礎(chǔ)設(shè)施，交通量較大，交通流以轎車(chē)、客運(yùn)車(chē)等為主（占交通流的85%以上）。尤其是節(jié)假日期間，由于政府的免費(fèi)通行政策，道路車(chē)流量可能急劇增加，從而使得道路處于超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，容易出現(xiàn)大面積擁堵現(xiàn)象。

3 山區(qū)高速公路選線影響因素及優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

3.1 線形設(shè)計(jì)影響因素

山區(qū)高速公路的線形設(shè)計(jì)所涉及的專(zhuān)業(yè)廣泛，影響因素復(fù)雜，必須綜合考慮[3]。

3.1.1 公路使用性質(zhì)

高速公路建設(shè)的目的是為車(chē)輛通行服務(wù)，使用性質(zhì)決定了其在交通網(wǎng)絡(luò)中的地位，直接影響了路面走廊帶、中間控制點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)的選擇。

3.1.2 地形地質(zhì)

山區(qū)地形復(fù)雜，高速公路路線一般表現(xiàn)為“彎多坡陡”形式，這就使得土石方開(kāi)挖及邊坡防護(hù)工程量大。同時(shí)，山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，可能遇見(jiàn)各種滑坡、泥石流等不良地質(zhì)，這些不良地質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響高速公路在運(yùn)營(yíng)期間的安全性。因此，在進(jìn)行高速公路選線時(shí)遇到高填深挖或不良地質(zhì)路段應(yīng)以避讓為原則，如無(wú)法避讓?zhuān)蓪⒙坊桨概c橋梁或隧道方案進(jìn)行比選。

3.1.3 生態(tài)環(huán)境

傳統(tǒng)的高速公路線形設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)沿線生態(tài)重視程度不夠，可能出現(xiàn)占用野生動(dòng)植物棲息地、破壞綠化造成水土流失，污染水系，影響農(nóng)作物生長(zhǎng)等現(xiàn)象。隨著國(guó)家對(duì)工程建設(shè)期間的節(jié)能環(huán)保越來(lái)越重視，高速公路在選線時(shí)也應(yīng)當(dāng)以不破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境為基本原則。

3.1.4 社會(huì)環(huán)境

山區(qū)高速公路線形設(shè)計(jì)時(shí)必須從宏觀上充分考慮社會(huì)環(huán)境，避免線形方案影響當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和居民的生活水平。在選線之前，必須對(duì)高速公路沿線的基礎(chǔ)設(shè)施、房屋建筑、歷時(shí)文化景觀等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，并作為基礎(chǔ)資料，參與后期的路線方案論證。

3.2 線形優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

山區(qū)高速公路線形方案優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其視為一個(gè)整體，并依照其目標(biāo)、結(jié)構(gòu)、屬性選擇有效的評(píng)價(jià)方法來(lái)展開(kāi)全面性評(píng)價(jià)，以得到最佳線形組合方案。山區(qū)高速公路線形優(yōu)化設(shè)計(jì)原則如下[4]：（1）選線時(shí)盡量確保工程量小、造價(jià)低，利于施工與養(yǎng)護(hù)，但是也不能片面地追求成本，而忽視其他的指標(biāo)；（2）線形優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)平、縱、橫斷面的合理組合，盡可能保證各個(gè)斷面平順圓滑；（3）加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)，盡可能減少對(duì)沿線的破壞與污染；（4）選線應(yīng)當(dāng)與周?chē)坝^的協(xié)調(diào)性保持一致。

4 山區(qū)高速公路線形優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

4.1 線形設(shè)計(jì)基本步驟

山區(qū)高速公路線形設(shè)計(jì)包括全面布局、逐段安排、詳細(xì)定線3個(gè)階段，具體闡述如下[5]：（1）全面布局。山區(qū)高速公路項(xiàng)目參建各方的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人應(yīng)從宏觀角度來(lái)共同確定公路路線走廊帶，即按照規(guī)劃文件要求和地形地貌找出路線起點(diǎn)、終點(diǎn)和沿線重要控制點(diǎn)，并連接起來(lái)，可得到路線走向，并明確公路技術(shù)等級(jí)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及其在旅游區(qū)交通網(wǎng)中起到的作用。（2）逐段安排。在路線全面布局完成的前提下，設(shè)計(jì)人員需要在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)初步勘測(cè)的基礎(chǔ)上將公路路線的控制點(diǎn)進(jìn)一步加密，從而確保路線沿線各段的技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求。（3）詳細(xì)定線。公路各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地形地貌、水文地質(zhì)等條件詳細(xì)勘測(cè)，并將紙上定線和實(shí)地勘測(cè)定線相結(jié)合，對(duì)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(diǎn)間開(kāi)展反復(fù)插點(diǎn)，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。

4.2 平面線形設(shè)計(jì)

相對(duì)于平原區(qū)域而言，山地高速公路平面定線影響因素更加復(fù)雜，且受到地形、周邊道路等限制較大。山區(qū)高速公路在選線時(shí)首先應(yīng)盡量順應(yīng)地勢(shì)，減少高填深挖路段的出現(xiàn)，降低土石方量，如果部分線形指標(biāo)難以滿(mǎn)足規(guī)范要求，可進(jìn)行適當(dāng)放寬。

如果路線遇到歷史古跡或自然景觀，應(yīng)盡量選擇繞避方式。確實(shí)無(wú)法繞避的路段，應(yīng)邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家進(jìn)行論證，方案論證合格后方可采用。

山地高速公路直線段較少，大多數(shù)路段線形是采用圓曲線和緩和曲線組合。為了提高行車(chē)安全性，應(yīng)優(yōu)先選擇大半徑曲線。如果必須采用小半徑曲線時(shí)，既要避免長(zhǎng)直線接小半徑圓曲線，還應(yīng)避免長(zhǎng)陡坡接小半徑圓曲線。

4.3 縱斷面線形設(shè)計(jì)

山地高速公路縱斷面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定變坡點(diǎn)高程和變坡點(diǎn)位置，然后確定合適的坡長(zhǎng)、坡度及豎曲線（凹曲線和凸曲線），以確保公里路縱坡均勻平順、起伏緩和[6]。

山地高速公路坡度和坡長(zhǎng)必須要保證行車(chē)安全，不要拘泥于規(guī)范中的最大縱坡和最小縱坡，其中最大縱坡應(yīng)滿(mǎn)足車(chē)輛爬升能力，不出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象；最小縱坡應(yīng)確保道路排水順暢，路面不得積水。

山地高速公路豎曲線變坡點(diǎn)位置應(yīng)當(dāng)沿著地勢(shì)，不得與相鄰的平曲線同時(shí)采用極限值，同時(shí)避免凸型豎曲線頂部和反向平曲線拐點(diǎn)重合，否則會(huì)使駕駛?cè)说囊暰嘧儾?，并造成?yán)重的心理負(fù)擔(dān)。

4.4 平縱組合設(shè)計(jì)

山區(qū)高速公路線形方案優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其視為一個(gè)整體，并依照其目標(biāo)、結(jié)構(gòu)、屬性選擇有效的評(píng)價(jià)方法來(lái)展開(kāi)全面性評(píng)價(jià)，以得到最佳線形組合方案。為了確保山區(qū)高速公路行車(chē)安全性，必須深入了解各種平縱線形組合的基本特征，避免不良路段的出現(xiàn)。筆者結(jié)合多年工程經(jīng)驗(yàn)提出了山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)時(shí)的常用線形及不良線形，見(jiàn)表1[7]。

表1 山區(qū)高速公路線形組合特點(diǎn)

4.5 避險(xiǎn)車(chē)道線形設(shè)計(jì)

山區(qū)高速公路在運(yùn)營(yíng)期間，車(chē)輛行駛速度快，地形復(fù)雜，容易引發(fā)車(chē)輛制動(dòng)失靈等問(wèn)題，很有必要設(shè)置避險(xiǎn)車(chē)道。避險(xiǎn)車(chē)道應(yīng)當(dāng)綜合考慮主線坡長(zhǎng)、坡度、平曲線半徑、平均日交通量、重載車(chē)輛百分比、與居民點(diǎn)距離、與收費(fèi)站距離等因素。

1）避險(xiǎn)車(chē)道線形

山區(qū)高速公路避險(xiǎn)車(chē)道線形必須與與之連接的主線的線形相互協(xié)調(diào)，以保證車(chē)輛安全駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道。避險(xiǎn)車(chē)道的線形首先應(yīng)能保證駕駛?cè)说囊曇?，?chē)道線形應(yīng)以直線為主，盡量不在圓曲線路段設(shè)計(jì)避險(xiǎn)車(chē)道。這是因?yàn)檐?chē)輛行駛在曲線路段會(huì)產(chǎn)生較大離心力，引起車(chē)輛側(cè)翻事故。

2）避險(xiǎn)車(chē)道長(zhǎng)度

山區(qū)高速公路避險(xiǎn)車(chē)道長(zhǎng)度計(jì)算應(yīng)綜合考慮車(chē)輛極限速度、車(chē)道材料、車(chē)道坡度、受力情況等參數(shù)。由《公路安全保障工程實(shí)施技術(shù)指南》可知，山區(qū)公路避險(xiǎn)車(chē)道長(zhǎng)度S計(jì)算公式如式（1）：

式中，i為避險(xiǎn)車(chē)道坡度，（°）；v為行車(chē)速度，km/h；μ為車(chē)輛輪胎和避險(xiǎn)車(chē)道的摩擦系數(shù)，與車(chē)道材料類(lèi)型有關(guān)。

5 山區(qū)高速公路線形優(yōu)化設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)

5.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

山區(qū)高速公路線形方案評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法。由上文可知，影響路線設(shè)計(jì)方案的因素較多，沒(méi)有必要全部作為評(píng)價(jià)指標(biāo)考慮進(jìn)來(lái)，應(yīng)分清主次，否則會(huì)大幅增加評(píng)價(jià)工作量和評(píng)價(jià)成本。山區(qū)高速公路路線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表2 山區(qū)高速公路線形評(píng)價(jià)指標(biāo)

5.2 評(píng)價(jià)方法

山區(qū)高速公路路線設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)可采用價(jià)值分析法，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，先根據(jù)指標(biāo)的重要性程度來(lái)賦予單項(xiàng)指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重，再加權(quán)計(jì)算出公路避險(xiǎn)車(chē)道的總價(jià)值。其中單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，可邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家進(jìn)行打分得到。具體可按式（2）計(jì)算：

式中，V為路線方案的總價(jià)值；wi為路線單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)價(jià)值；vi為單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，權(quán)重大小可邀請(qǐng)多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家進(jìn)行打分確定。

6 結(jié)語(yǔ)

本文分析了山區(qū)高速公路的線形設(shè)計(jì)影響因素、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方案評(píng)價(jià)方法，主要得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：（1）山區(qū)高速公路線形設(shè)計(jì)復(fù)雜，受到公路使用性質(zhì)、地形地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境等因素的影響；（2）山區(qū)高速在選線時(shí)應(yīng)盡量順應(yīng)地勢(shì)，平面線形以圓曲線和緩和曲線組合為主，縱斷面線形設(shè)計(jì)主要是確定合適的坡長(zhǎng)、坡度及豎曲線；（3）山區(qū)高速公路平縱線形組合時(shí)應(yīng)根據(jù)其目標(biāo)、結(jié)構(gòu)、屬性選擇最佳線形組合方案；（4）山區(qū)高速公路線形優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可采用價(jià)值分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)。