山區高速公路施工便道路線平縱設計

何洋

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

1 引言

依托國家“一帶一路”倡議，作為國家經濟發展基礎設施的重要組成，高速公路建設正在向中西部地區傾斜。中西部地區山區分布廣泛，地勢高差大，地質條件差，施工條件艱苦。施工便道由于其等級低，標準低，臨時性的特征，往往成為設計過程中極易忽視的設計內容。目前，尚未有明確的設計規范對施工便道設計進行規范，因此，施工便道的修建極為隨意，施工人員車輛安全性保障不足，施工效率低下。

在施工便道線形技術指標方面，2009年，關兵[1]說明了施工便道的定義，論述了施工便道在公路工程建設中的重要性。本文通過對施工便道的特點分析，指出施工便道設計指標選擇的參考標準，構建施工便道總體設計方案，力圖為規范施工便道設計提供指導。

2 施工便道特點

施工便道通常指在施工過程中，為施工材料、施工機械設備、施工人員、施工廢土棄渣進出施工現場而改造或建設的臨時性的低等級道路，根據需要可臨時設置便橋等必要設施。其主要特點如下。

2.1 臨時性

施工便道一般僅為施工目前而設置，施工完成后則進行廢除或恢復為地方一般道路。

2.2 地形地貌受限

施工便道先于項目主體建設，故而在現狀地形地貌未改變前建設，山區坡度極大，地形條件十分復雜多樣。

2.3 經濟控制

施工便道為臨時性設施，投入資金有限，力求滿足功能需求的前提下，盡可能節約投入。

2.4 低技術指標

施工便道由于其臨時性，只需滿足施工期間車輛人員進出場需求即可，同時為合理控制臨時設施投入，施工便道技術指標尤其是平縱指標極低，以便更好地適應地形地貌，滿足實際需求。

2.5 車輛荷載重

施工便道建設目的以運輸工程機械設備、建筑材料及開挖土石渣等，目前國內常用的車輛以重載25 t自卸車為主，實際操作中存在部分車輛超載等問題，因此，施工便道通行車輛荷載大。

3 施工便道路線指標選擇

施工便道為滿足施工需要，應充分結合現場地形地貌，投入的經濟性，不宜選擇較高的設計標準，可充分利用既有的道路加以改造。目前，尚未有明確的設計規范對設計指標進行規定，參考JTG D20—2017《公路路線設計規范》（以下簡稱《規范》）及JTG 2111—2019《小交通量農村公路工程技術標準》（以下簡稱《農村公路標準》），采用四級公路及農村公路標準，因地制宜、靈活應用指標。

3.1 施工便道平面技術指標

3.1.1 直線

直線最大長度：山區高速施工便道地形條件較為復雜，長直線段落較少，最大直線長度要求對施工便道無考察意義。

直線最小長度：根據《規范》中規定設計速度大于或等于60 km/h時，反向曲線與同向曲線間的直線距離應分別大于設計速度的2倍和6倍為宜。當設計速度不大于40 km/h時可參考執行。《農村公路標準》則尚未對最小直線長度要求。過短直線易使駕駛員視覺上產生“斷背曲線”，誤認為反向曲線，導致駕駛失誤，不能操作自如，形成反向平穩過渡。因此，考慮視覺需要和車輛制動條件，同向曲線間最小直線長度不小于3倍設計速度，反向曲線間最小直線長度不小于1.2倍設計速度[2-3]。

3.1.2 圓曲線半徑R

圓曲線半徑直接影響車輛的行駛穩定性。根據車輛傾覆及滑移半徑控制條件，為防止車輛傾覆，必須保證：

式中，V為車輛速度，km/h；b為汽車輪距，m；hg為汽車重心高度，m；ih為路面橫向坡度。

為防止車輛在行駛過程中，不向外橫向滑移，必須保證：

式中，φh為橫向摩阻系數。

由式（1）、式（2）計算可知，在15 km/h的運行速度下，防止傾覆最小半徑為4.2 m，防滑移最小半徑為3.2 m。

依據《規范》圓曲線半徑計算公式：

式中，μ為橫向力系數；i為路面坡度。

最大超高8%時，圓曲線最小半徑取整為10 m。

綜上可知，施工便道在15 km/h的運行速度下，圓曲線最小半徑為10 m。

3.1.3 緩和曲線

為使曲率、超高等指標連續均勻，不出現局部突變點，在直線與圓曲線之間設置緩和曲線，以使線形空間連續均勻，提高駕駛操作性和行車平穩性。緩和曲線過短，車體偏移過大，背離正常行車軌跡，會使駕駛員操作困難，引發事故。緩和曲線主要考察超高漸變過渡需要。根據《規范》超高漸變段長度按式（4）計算：

式中，Lc為超高過渡段長度；Δi為超高橫坡度與路拱坡度的代數差；B為超高旋轉軸至行車外側邊緣的寬度；P為超高漸變率。

考慮施工便道錯車需要路面寬度為7.5 m，計算可知，一般地區的施工便道超高過渡長度為6.75 m，結合施工便道線元長度要求，緩和曲線至少為8.33 m。綜上可知，施工便道在15 km/h的運行速度下，緩和曲線最小半徑為10 m。

3.2 施工便道縱斷面技術指標

3.2.1 最大縱坡

施工便道主要為大型車輛進出場，行駛速度較慢，且有計劃有組織行駛，受到干擾較小。突出矛盾為車輛重載和最大縱坡間的關系，因此，技術指標中最為重要的就是最大縱坡和最大坡長。根據現場調研，目前施工常用的自卸式載重車輛類型為中國重汽金王子系列，滿載總重2 500 kg，最大輸出功率Pe為221 kW。根據車輛在爬坡階段的受力情況可知：

式中，F為車輛行駛的牽引力；a為車輛的加速度；m為車輛的質量，可由車輛重量W/g獲得；T為車輛發動提供的牽引力；Rf為車輛行駛過程中受到的滾動阻力；Ri為車輛在爬坡過程中受到的坡度阻力。

結合現場實際調研，施工便道一般坡度為4%~15%，個別極限條件下坡度可達20%，甚至25%，本文考量普適性傾角范圍為2.3°~12°。

根據物體運動速度與距離計算關系，可得到車輛速度與加速度的行駛特性關系，進一步可得到車輛性能限制的最大極限縱坡。

同時，結合實際調研情況，施工便道的最大坡度應滿足駕駛員在滿載時，以滿足正常運輸速度完成運輸工作時，能接受的最低爬坡勻速狀態對應的坡度。根據現場調查研究，實測車輛最低運行速度為10 km/h，同時當便道超過20%的坡度，車輛行駛速度迅速下降，駕駛員需高度警惕車輛下滑風險。從而可得到施工便道最大坡度18%~20%，考慮車輛運營的實際情況及便道路面因雨水浸泡等因素，施工便道最大縱坡為18%。

3.2.2 最大坡長

根據上文所指出的最大坡度計算過程中，車輛在18%時，可保持最低10 km/h的速度正常行駛100 m左右，此時車輛仍能正常駕駛。根據計算結果，當坡度升至20%時，僅50 m速度就降低至5 km/h，無法維持10 km/h的最低速度運行。在駕駛員熟練的操作下，縱坡坡度在18%以下的縱坡并不會對行駛速度有很大影響[5]。故此施工便道最大坡長限制在100 m，尚能維持正常使用。

4 結語

本文通過對山區高速公路施工便道的特點分析，結合施工車輛爬坡性能和受力分析，對高山區施工便道的平面技術指標和縱斷面主要技術指標進行分析，提出了主要控制指標的取值。山區高速公路施工便道設計應充分結合實際使用情況，尤其是車輛性能，選擇適宜的參數，優化施工便道使用效率和服務質量。