山區高速公路線形優化設計研究

沈翔

（中交鐵道（武漢）建設科技有限公司，武漢430056）

1 引言

隨著基礎交通設施網絡不斷完善，越來越多的公路工程開始向山地區域擴展。山區公路具有地質條件復雜、地勢起伏大、造價高等特點，導致選線較為困難，設計質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、地質災害，并對原有環境產生破壞，嚴重影響后期的行車安全和行車舒適度[1]。鑒于此，越來越多的學者開始通過研究山區公路路線設計，并取得了一些有價值的研究成果。但是，工程技術人員在山區高速公路設計時仍以工程類比法為主，對山區公路的特點和影響因素的理解不透徹，選擇的設計方案偏于保守，造成一定的資源浪費。因此，研究山區高速公路線形優化設計具有十分重要的工程意義。

2 山區高速公路特點

2.1 地域性差異大

山區高速公路是一種三維線狀結構物，且路線長度一般較長，沿線不同區域的氣候、水文、地質條件等可能存在較大的差異[2]。如海拔較高的山區，山體迎風面受冷空氣影響嚴重，容易出現積雪、結冰等現象；降雨量大小也會因山區巖土體物理力學性能、路基邊坡穩定性產生影響，一般降雨量大的區域山體出現滑坡、泥石流等可能性較大，這些因素都會影響高速公路的選線設計。

2.2 線形組合復雜

山區高速公路線形組合較復雜，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%。在對高速公路的平面和縱斷面線形進行組合時，很多指標無法達到JTG D20—2017《公路路線設計規范》的要求。

2.3 施工難度大

山區公路施工難度較大，高等級公路需要挖掘隧道、建設橋梁以連接各段公路。巖體強度越大，山體開挖難度越大。山區河流湍急，溝谷深切，一般采用斜拉橋、高橋等設計來確保橋梁的穩定性。部分山區，大型機器很難進入，安全防護措施難以實施，公路施工難度大。

2.4 車流量變化大

山區高速公路作為促進沿線經濟發展和區域交流的重要基礎設施，交通量較大，交通流以轎車、客運車等為主（占交通流的85%以上）。尤其是節假日期間，由于政府的免費通行政策，道路車流量可能急劇增加，從而使得道路處于超負荷運營狀態，容易出現大面積擁堵現象。

3 山區高速公路選線影響因素及優化設計原則

3.1 線形設計影響因素

山區高速公路的線形設計所涉及的專業廣泛，影響因素復雜，必須綜合考慮[3]。

3.1.1 公路使用性質

高速公路建設的目的是為車輛通行服務，使用性質決定了其在交通網絡中的地位，直接影響了路面走廊帶、中間控制點及技術指標的選擇。

3.1.2 地形地質

山區地形復雜，高速公路路線一般表現為“彎多坡陡”形式，這就使得土石方開挖及邊坡防護工程量大。同時，山區地質條件復雜，可能遇見各種滑坡、泥石流等不良地質，這些不良地質會嚴重影響高速公路在運營期間的安全性。因此，在進行高速公路選線時遇到高填深挖或不良地質路段應以避讓為原則，如無法避讓，可將路基方案與橋梁或隧道方案進行比選。

3.1.3 生態環境

傳統的高速公路線形設計時，對沿線生態重視程度不夠，可能出現占用野生動植物棲息地、破壞綠化造成水土流失，污染水系，影響農作物生長等現象。隨著國家對工程建設期間的節能環保越來越重視，高速公路在選線時也應當以不破壞當地的生態環境為基本原則。

3.1.4 社會環境

山區高速公路線形設計時必須從宏觀上充分考慮社會環境，避免線形方案影響當地的經濟發展和居民的生活水平。在選線之前，必須對高速公路沿線的基礎設施、房屋建筑、歷時文化景觀等進行現場調研，并作為基礎資料，參與后期的路線方案論證。

3.2 線形優化設計原則

山區高速公路線形方案優化設計時應將其視為一個整體，并依照其目標、結構、屬性選擇有效的評價方法來展開全面性評價，以得到最佳線形組合方案。山區高速公路線形優化設計原則如下[4]：（1）選線時盡量確保工程量小、造價低，利于施工與養護，但是也不能片面地追求成本，而忽視其他的指標；（2）線形優化設計過程中應當加強對平、縱、橫斷面的合理組合，盡可能保證各個斷面平順圓滑；（3）加強環保意識，盡可能減少對沿線的破壞與污染；（4）選線應當與周圍景觀的協調性保持一致。

4 山區高速公路線形優化設計要點分析

4.1 線形設計基本步驟

山區高速公路線形設計包括全面布局、逐段安排、詳細定線3個階段，具體闡述如下[5]：（1）全面布局。山區高速公路項目參建各方的項目負責人應從宏觀角度來共同確定公路路線走廊帶，即按照規劃文件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，并明確公路技術等級、建設標準及其在旅游區交通網中起到的作用。（2）逐段安排。在路線全面布局完成的前提下，設計人員需要在對現場初步勘測的基礎上將公路路線的控制點進一步加密，從而確保路線沿線各段的技術指標滿足規范要求。（3）詳細定線。公路各專業設計人員應對現場地形地貌、水文地質等條件詳細勘測，并將紙上定線和實地勘測定線相結合，對不合理的路線進行適當優化。詳細定線的關鍵是在重要的控制點間開展反復插點，在綜合考慮平、縱、橫指標及路線經濟性的前提下定出道路中線。

4.2 平面線形設計

相對于平原區域而言，山地高速公路平面定線影響因素更加復雜，且受到地形、周邊道路等限制較大。山區高速公路在選線時首先應盡量順應地勢，減少高填深挖路段的出現，降低土石方量，如果部分線形指標難以滿足規范要求，可進行適當放寬。

如果路線遇到歷史古跡或自然景觀，應盡量選擇繞避方式。確實無法繞避的路段，應邀請相關領域的專家進行論證，方案論證合格后方可采用。

山地高速公路直線段較少，大多數路段線形是采用圓曲線和緩和曲線組合。為了提高行車安全性，應優先選擇大半徑曲線。如果必須采用小半徑曲線時，既要避免長直線接小半徑圓曲線，還應避免長陡坡接小半徑圓曲線。

4.3 縱斷面線形設計

山地高速公路縱斷面設計的關鍵是確定變坡點高程和變坡點位置，然后確定合適的坡長、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必須要保證行車安全，不要拘泥于規范中的最大縱坡和最小縱坡，其中最大縱坡應滿足車輛爬升能力，不出現側滑現象；最小縱坡應確保道路排水順暢，路面不得積水。

山地高速公路豎曲線變坡點位置應當沿著地勢，不得與相鄰的平曲線同時采用極限值，同時避免凸型豎曲線頂部和反向平曲線拐點重合，否則會使駕駛人的視距變差，并造成嚴重的心理負擔。

4.4 平縱組合設計

山區高速公路線形方案優化設計時應將其視為一個整體，并依照其目標、結構、屬性選擇有效的評價方法來展開全面性評價，以得到最佳線形組合方案。為了確保山區高速公路行車安全性，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。筆者結合多年工程經驗提出了山區高速公路設計時的常用線形及不良線形，見表1[7]。

表1 山區高速公路線形組合特點

4.5 避險車道線形設計

山區高速公路在運營期間，車輛行駛速度快，地形復雜，容易引發車輛制動失靈等問題，很有必要設置避險車道。避險車道應當綜合考慮主線坡長、坡度、平曲線半徑、平均日交通量、重載車輛百分比、與居民點距離、與收費站距離等因素。

1）避險車道線形

山區高速公路避險車道線形必須與與之連接的主線的線形相互協調，以保證車輛安全駛入避險車道。避險車道的線形首先應能保證駕駛人的視野，車道線形應以直線為主，盡量不在圓曲線路段設計避險車道。這是因為車輛行駛在曲線路段會產生較大離心力，引起車輛側翻事故。

2）避險車道長度

山區高速公路避險車道長度計算應綜合考慮車輛極限速度、車道材料、車道坡度、受力情況等參數。由《公路安全保障工程實施技術指南》可知，山區公路避險車道長度S計算公式如式（1）：

式中，i為避險車道坡度，（°）；v為行車速度，km/h；μ為車輛輪胎和避險車道的摩擦系數，與車道材料類型有關。

5 山區高速公路線形優化設計方案評價

5.1 評價指標體系

山區高速公路線形方案評價的關鍵是選取合適的評價指標和評價方法。由上文可知，影響路線設計方案的因素較多，沒有必要全部作為評價指標考慮進來，應分清主次，否則會大幅增加評價工作量和評價成本。山區高速公路路線優化設計方案評價指標如表2所示。

表2 山區高速公路線形評價指標

5.2 評價方法

山區高速公路路線設計方案評價可采用價值分析法，該方法計算簡單，適用性強，先根據指標的重要性程度來賦予單項指標相應的權重，再加權計算出公路避險車道的總價值。其中單項評價指標權重，可邀請相關領域的專家進行打分得到。具體可按式（2）計算：

式中，V為路線方案的總價值；wi為路線單項評價指標價值；vi為單項評價指標權重，權重大小可邀請多個相關領域的專家進行打分確定。

6 結語

本文分析了山區高速公路的線形設計影響因素、設計要點及方案評價方法，主要得到以下幾個方面的結論：（1）山區高速公路線形設計復雜，受到公路使用性質、地形地質、生態環境、社會環境等因素的影響；（2）山區高速在選線時應盡量順應地勢，平面線形以圓曲線和緩和曲線組合為主，縱斷面線形設計主要是確定合適的坡長、坡度及豎曲線；（3）山區高速公路平縱線形組合時應根據其目標、結構、屬性選擇最佳線形組合方案；（4）山區高速公路線形優化設計方案可采用價值分析法進行評價。