四級山區(qū)公路路線線形設(shè)計方法

詹少錯

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710000）

0 引言

山區(qū)公路施工主要包括路基、路面、橋涵以及隧道等方面，路線線形設(shè)計需要根據(jù)工程項目所在區(qū)域內(nèi)的實際情況采取科學(xué)合理的路線線形設(shè)計方法，進而確保路線線形設(shè)計的合理性。該研究的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：路線線形設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循的原則、路線線形設(shè)計的定位、標(biāo)準(zhǔn)以及路線線形設(shè)計方法，希望該研究能為同類工程項目的路線線形設(shè)計提供參考。

1 案例概況

什運至白沙高速公路鸚哥嶺隧道及連接線工程（以下簡稱“該項目”）地處海南省中部山區(qū)，貫通經(jīng)濟欠發(fā)達的少數(shù)民族聚集的瓊中黎族苗族自治縣、白沙黎族自治縣及五指山市。該項目經(jīng)過瓊中縣、白沙縣和五指山市，分為主線、牙叉連接線和水滿連接線三部分，其中水滿連接線為四級公路（主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示），設(shè)計速度20 km/h，單向單車道，整體呈南北走向，路基寬度5.5 m；設(shè)計荷載為公路—I級，其余各項技術(shù)指標(biāo)均滿足部頒《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）的規(guī)定值。起點位于牙訓(xùn)村北側(cè)省道S224，利用既有村道和巡林路展線，自北向南穿越海南熱帶雨林國家公園，終點位于水滿鄉(xiāng)永訓(xùn)村東側(cè)縣道X583，全長19.382 km，沿線途經(jīng)主要城鎮(zhèn)為瓊中縣什運鄉(xiāng)和五指山市水滿鄉(xiāng)。

表1 水滿連接線主要技術(shù)指標(biāo)表

2 路線線形設(shè)計原則

根據(jù)該工程項目在路網(wǎng)中的功能和定位，結(jié)合沿線的地質(zhì)地形條件、水文特點以及周邊的自然環(huán)境，路線線形設(shè)計需要遵循以下幾方面的原則：

（1）在確定路線時，應(yīng)在滿足路線線形設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，盡量利用既有的道路，以最大限度地減少對林地和耕地的占用[1]。

（2）對于老路線形較差且又受地質(zhì)地形條件的影響無法調(diào)整的情況下，對于路線線形的設(shè)計應(yīng)盡量選擇在陽坡側(cè)。

（3）在確定路線時，應(yīng)合理利用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中允許的縱曲線組合，以滿足工程項目所在區(qū)域的地質(zhì)地形條件，并采用較高的路線指標(biāo)。對于特別困難的地段，可以在滿足業(yè)主要求的同時，適度降低平縱面線形標(biāo)準(zhǔn)，并通過疊加原理綜合考慮平面和縱面的影響因素。

其中，縱面標(biāo)準(zhǔn)下山區(qū)公路車輛行駛運行速度的測試結(jié)果可根據(jù)以下公式計算得出：

式中，S——距離坡頂?shù)木嚯x（km）；δ——汽車近彎道內(nèi)外側(cè)的汽車輪胎著地點；gp——汽車左右輪胎受的地面法向反力；Q——汽車燃油消耗（升/百km）；P——慣性力系數(shù)；v——汽車行駛速度（km）。

代入上述公式得出一個運行速度值：v1。

由此得出：汽車在山區(qū)高速公路行駛時，不僅會受平面條件的影響，還會受到縱向地形的限制。

（4）路線線形設(shè)計需要穿越村鎮(zhèn)時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展，加強與村民的溝通與協(xié)調(diào)。

（5）路線線形設(shè)計對于較為順直的路段，采用較高的路線標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)優(yōu)良的行駛條件奠定堅實基礎(chǔ)。

3 路線線形設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)定位

（1）在設(shè)計年限內(nèi)，如果公路的交通量達到該級公路下限，應(yīng)根據(jù)地形條件選擇適當(dāng)?shù)牡缆菲矫婧涂v斷面線形的標(biāo)準(zhǔn)定位，切忌為了追求較高的線形指標(biāo)增加不必要的工程任務(wù)量，造成浪費和對周邊生態(tài)環(huán)境的破壞，導(dǎo)致公路路線線形設(shè)計不協(xié)調(diào)、不合理。

（2）當(dāng)公路在設(shè)計年限內(nèi)的交通量未達到該級公路下限時，如果地質(zhì)地形條件允許，線形設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)選用較高的定位。例如，對于該項目的設(shè)計速度為20 km/h的情況，在公路設(shè)計年限內(nèi)的交通量為6 000~8 000輛且機動車保有量較高時，應(yīng)根據(jù)40 km/h的行車速度來確定平面和縱面的線形指標(biāo)。這樣一來，即使隨著交通量的增加需要進行改擴建時，還可以充分利用部分構(gòu)筑物，有效避免重復(fù)修復(fù)費用和改造的難度，進而提升公路的利用效率，減少二次投資[2]。

（3）為了確保所有車輛行駛的安全性和一致性，具體的設(shè)計過程應(yīng)綜合考慮所采用線形指標(biāo)的均衡性，避免平面指標(biāo)的突然變化。然而，在某些特殊的情況下，為了適應(yīng)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，減少工程任務(wù)量和項目建設(shè)成本，并綜合考慮地質(zhì)地形條件、交通量、車型組成和公路環(huán)境等因素，可以根據(jù)不同需求分段選擇不同的線形標(biāo)準(zhǔn)。不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的區(qū)間內(nèi)應(yīng)有相應(yīng)的過渡段，并且同一標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的路段應(yīng)集中進行設(shè)計。

4 路線線形設(shè)計方法

4.1 地質(zhì)選線

在山區(qū)公路建設(shè)中，需要合理控制規(guī)模、降低成本、確保交通安全和技術(shù)指標(biāo)，并協(xié)調(diào)地形與路線之間的關(guān)系，使線路設(shè)計與地勢、地形相結(jié)合，保護周圍環(huán)境，平衡整體公路的施工建設(shè)。地質(zhì)選線工作受到復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和災(zāi)害等不利因素的影響，可能導(dǎo)致不同程度的侵蝕。在山區(qū)公路的總體線路設(shè)計中，努力避免不良地質(zhì)影響，并認真了解地質(zhì)條件，同時降低對地貌和自然環(huán)境的破壞，提升山區(qū)公路抵御自然災(zāi)害的能力，避免施工風(fēng)險，確保整體施工建設(shè)的安全性。

4.2 平面設(shè)計

4.2.1 設(shè)計方法

目前，山區(qū)公路的路線線形設(shè)計主要采用導(dǎo)線法和曲線法。與平原和丘陵地區(qū)公路相比，山區(qū)公路的地形條件復(fù)雜，影響因素眾多，如果只使用導(dǎo)線法和直線法，定線效率將非常低，并且可能出現(xiàn)無法兼顧各方面需求和平曲線組合不合理等問題。為此，建議根據(jù)路面設(shè)計速度40 km/h進行路線線形設(shè)計，通過導(dǎo)線法對直線和曲線進行平衡，重新設(shè)計一條布局合理的路線線形，減少挖填差距。

4.2.2 曲線尖最小直線長度采用

根據(jù)《公路路線線形設(shè)計規(guī)范》（JTGD20—2019），在山區(qū)公路的路線線形設(shè)計中，為確保行車安全，需要調(diào)整反向曲線的圓曲線半徑和長度，以滿足2V夾直線的長度要求。然而，對于同向曲線而言，通常難以滿足此要求。私自增加曲線最小夾直線長度不僅會增加工程任務(wù)量，還會對周圍生態(tài)環(huán)境造成破壞[3]。

4.2.3 緩和曲線長度與超高過渡

對于四級山區(qū)公路來說，通過設(shè)計緩和曲線不僅可以滿足路面路基超高要求，消除直線與曲線的不利因素，科學(xué)合理的曲線緩和設(shè)計可促進曲線堆積，保證路線線形順暢，進而根據(jù)該工程項目的實際情況合理設(shè)置曲線，避免直線設(shè)計不合理，保證其能夠與項目所在區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)地形條件相適應(yīng)。然而，考慮到工程項目的地質(zhì)和地形條件，緩和曲線的長度不應(yīng)過長。

4.3 縱斷面設(shè)計

4.3.1 凸行豎曲線半徑設(shè)置

山區(qū)地質(zhì)地形條件復(fù)雜，公路路線線形設(shè)計會因此受到影響，連續(xù)小半徑曲線和豎曲線組合就會出現(xiàn)，這樣一來就很難做到平線和縱線的相互統(tǒng)一。從理論角度來看，這種平、縱路線線形設(shè)計方法是相對理想的。然而，這種方法可能會忽視視距的要求，當(dāng)車輛行駛在平整的曲線上時，受離心力作用的影響，汽車可能會出現(xiàn)橫向傾覆的情況。此外，同一運行速度下，平面曲線率會逐漸變小，離心力的作用就會越大。為保證駕乘人員的安全，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對曲線最小半徑進行了如下規(guī)定：

式中，R——汽車轉(zhuǎn)彎時受到的離心力；v——設(shè)計車速；i——汽車輪距；μ——橫向摩阻系數(shù)。

山區(qū)公路的路線線形設(shè)計應(yīng)考慮地質(zhì)地形、社會經(jīng)濟和環(huán)境因素，并充分利用地形和地貌特點。這是確保公路安全性和可持續(xù)發(fā)展的必要條件。根據(jù)《公路路線線形設(shè)計規(guī)范（JTGD20—2019）》，在山區(qū)公路的路線線形設(shè)計中，反向曲線應(yīng)根據(jù)2V夾直線的長度來調(diào)整圓曲線的半徑和長度，以確保行車安全，避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。平面視距的折減系數(shù)vs(km/h)如表2所示。

表2 平面視距折減系數(shù)vs

4.3.2 凹行豎曲線半徑設(shè)置

在山區(qū)公路的線形設(shè)計過程中，由于縱坡起伏較大，曲線的半徑很容易滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，然而，需要注意的是，增加凹曲線的半徑會增加路基填土量、防護設(shè)施和工程項目的建設(shè)成本[4]。

4.4 交叉設(shè)計

山區(qū)公路的交叉設(shè)計存在以下困難：

（1）范圍受限：山區(qū)地形限制了線路的擴展，因此需要在較小范圍內(nèi)進行交叉設(shè)計。

（2）道路坡度較大：大坡度會降低車輛行駛的安全性、穩(wěn)定性和舒適性，增加行車風(fēng)險。

（3）視線距離不足：在交叉口等地方，視線距離設(shè)計不足會增加駕駛風(fēng)險。

針對這些挑戰(zhàn)，相關(guān)人員需要采取措施優(yōu)化設(shè)計。例如，調(diào)整交叉線路的幾何形狀以滿足車輛行駛要求，改善視線距離，降低道路坡度等。

4.5 確定超高值

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，車輛的性能和數(shù)量不斷提升。在設(shè)計四級山區(qū)公路時，需要考慮車流量和車速的發(fā)展趨勢，以確定合適的超高值，確保提供更好的行駛路況。

5 結(jié)語

該文以實際案例為基礎(chǔ)，主要研究了四級山區(qū)公路的線形設(shè)計方法，并得出以下研究結(jié)論：

（1）提出了四級山區(qū)公路路線線形設(shè)計原則，盡可能地利用老路，減少對林地耕地的占用；路線線形的設(shè)計應(yīng)盡量選擇在陽坡側(cè)，以避免潮濕和滑坡等地質(zhì)問題，提高公路的安全性。

（2）設(shè)計還應(yīng)充分考慮工程項目所在區(qū)域的地質(zhì)地形條件，以選擇適合的路線指標(biāo)。地質(zhì)地形條件良好的地區(qū)指的是地貌平坦、無陡峭山脈、大河等自然地理障礙的地區(qū)。在這種地區(qū)，公路建設(shè)和規(guī)劃可以借助較高的路線指標(biāo)，以提高公路的通行能力和連通性。

（3）提出路線線形設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)定位，在山區(qū)公路的線性設(shè)計中會遇到一些困難。首先，由于山區(qū)的地形限制，設(shè)計范圍較小，需要在有限的空間內(nèi)進行交叉設(shè)計。為了解決這些問題，可以采取一些措施優(yōu)化設(shè)計。例如，可以通過調(diào)整交叉口的幾何形狀，改善視距，并降低道路的坡度。當(dāng)然，還可以選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)定位，根據(jù)地形選擇道路平坦和縱向形式，這樣就可以更好地滿足交通量要求。但需要注意的是，切忌為了追求較高的線形指標(biāo)而增加不必要的工程任務(wù)量，造成浪費和對周邊生態(tài)環(huán)境的破壞，導(dǎo)致公路路線線形設(shè)計不協(xié)調(diào)、不合理。線形設(shè)計應(yīng)優(yōu)先選擇較高的設(shè)計速度，以使公路具備更好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>