山区高速公路的线路选型与路线设计

2017-04-08祝建平

城市道桥与防洪 2017年3期

关键词：线形选型坡度

祝建平

（招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆市400067）

山区高速公路的线路选型与路线设计

祝建平

（招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆市400067）

随着我国路网体系的完善，复杂地形地质条件下的山区高速公路建设愈加广泛。探讨了山区高速公路线路选型的方法和原则，并分析了开展线路设计的主要内容及设计要点，包含平面线形、纵面线形和线路交叉口。最后结合实际工程，分析了处于山区环境的高速公路线形设计的关键问题。

山区；高速公路；路线设计；线路选型

0 引言

我国幅员辽阔，人口散布，为了满足不同区域的经济交流和社会沟通，不可避免需要在山区环境建设高速公路，以解决人民的基本出行问题。山区环境地形、地貌复杂，高速公路的建设面临各种各样的问题。高速公路的路线选型对于沿线道路、桥梁、隧道等工程的建设具有非常重要的作用[1]，因此，在路线选型设计中，需要综合考虑环境、交通、经济、社会等一系列要求。

线路选型需要综合考虑诸多原则和方法，并基于这些原则的权重比较确定较优的线路方案。在明确大体的路线走势后，基于给定区域的地质和地形条件、环境特点、区域经济发展等因素，选择满足需求最大化的路线结构，并开展线路的横断面、纵断面等设计，为下一步进行道路、桥梁、隧道等工程建设打下基础[2,3]。论文首先总结路线选型的主要方法和考虑因素，并提出开展路线设计的主要内容和注意事项，最后结合重庆南川至两江新区高速公路的建设，分析具体的路线设计要点和方法。

1 山区高速公路线路选型原则

山区环境具有地形地质条件复杂的特点，因此高速公路的线路选型不仅需要满足安全、经济、环保等系列原则和要求，也需要因地制宜，避免公路的设计对地形和地质进行过大改造。因而，路线的选型设计需要基于以下原则确定。

（1）线路安全性原则

保证公路工程的运营安全性是最基本的线路选型原则。这个安全性不仅包括高速公路本身的运营稳定和安全，还包括车辆行车的安全。具体而言，所选线路应该尽可能避免不良地质灾害区域，如泥石流、地震、坍塌、滑坡等发生频率较高的区域，也要避免建设于软弱地基及活动断裂带上。如果无法规避上述危险区，则要采用工程措施进行潜在灾害的防护，保证高速公路的运营安全。

（2）经济效益化原则

高速公路的建设是一项耗资巨大的基础建设项目，其经济性体现在高速公路的后期利用率和运营寿命。由于山区环境的交通运输量并不太大，加上所穿越区域需要进行较大的改造建设，这使得山区高速公路的建设成本更高、技术要求更高。在路线选型中，应该充分考虑造价的影响。一方面，线路设计应尽可能带动当地的旅游业、农业、运输业等发展，保证道路的使用效率；另一方面，充分考虑高速公路建设对沿线城市和农村的发展效益，形成良性循环的经济圈。

（3）生态环保原则

公路建设不可避免对原有地区造成生态和环境的影响，特别是在目前提倡“绿色公路”建设形势下，更需要将这种影响降低至自然可恢复状态，以免造成生态和环境系统的破坏。具体而言，应充分考虑路线规划对人文景观和优秀生态系统的破坏。对于有历史保护要求的环境和受保护的生态系统，需要采用绕行原则尽量保护原有的生态构造；对于一般周边环境，同样以占地最少和减少工程开挖为原则，保护基础的地形、地貌和生态环境。对于已经形成破坏的路基开挖等，应进行后期的恢复设计，例如施工前对植物地表土或周边植物形成破坏的，需要在建造完成后进行恢复建造，使道路结构的设计与原有的周边环境协调共处。

（4）因地制宜原则

任何路线的设计，不仅需要考虑上述安全、经济和环保原则，还需要因地制宜，根据具体的地质环境特点，进行路线的局部优化，使之适应实际环境，真正利于区域发展。以地形和地质选线为例，根据山区环境特点，高速公路的路线应达到平面顺畅、纵断面均衡及横断面合理的目标。合理利用地形，巧妙利用环境布置线路，充分利用山区曲线，并与缓和线形进行有效结合，达到与环境融合一体的选线效果。对于地质选线而言，就是根据区域水文地质的差异性，调整线路设计的不确定因素，达到施工、运营安全和长期性目的。

2 山区高速公路的线路设计方法

山区高速公路的线路设计包含平面、纵面和线路交叉口三个主要方面。高速公路线形是道路使用状态和车辆运营安全的基本保障。不好的线路设计容易造成交通拥堵、交通事故频发、路段交通流量明显差异等问题，因此需要在设计阶段，充分考虑线形设计因素，规避上述风险。

2.1 平面线形设计

车辆在平曲线上的行驶主要表现为车辆的平动和径向转动。这种平曲线的驾驶过程应该平缓过渡，如果出现突然的曲线变化，则很容易造成车辆按照原本的转动和平动行驶，而无法做出及时改变，引发交通安全问题。这就要求一方面平曲线需要有最小曲率半径限制，另一方面平曲线的连接上需要有缓和曲线过渡。相关数据调查表明：当平曲线的曲率半径低于400 m时，或曲率半径转化过大且过渡连接长度低于100 m时，很容易引发交通安全事故。这一要求在山区公路的设计中尤为重要。

2.2 纵面线形设计

竖曲线与行车安全主要影响因素是坡长、坡度变换的变坡点曲率和行车视距等参数。这些参数与高速公路的设计时速紧密相连。车辆在竖曲线上的行驶机理主要是车辆的平动和法向转动。研究表明，车辆经过纵向坡道时车速的不自觉累加是造成交通事故的关键。表1给出了不同设计速度下的竖曲线最小半径和最小长度的要求。如果在给定的设计速度下，高速公路的竖曲线长度和半径都低于相关限值，则会导致驾驶员难以适应这种驾驶路线，加上时距的影响很容易引发安全问题。

表1 不同设计速度下的竖曲线最小长度和半径

此外，坡度和坡长也是行车安全的重要因素。过多的坡度转换会导致行车稳定性不好，容易导致驾驶员行车错觉，单一的坡度行驶则容易造成驾驶疲劳，因而需要进行坡度的有效组合。一般而言，道路设计中-2%～3%的坡度范围是合理的，过大坡度则容易造成车速的错误估计。德国交通安全研究所总结出：纵向坡度在-2%～2%的范围是最合理的，而且纵坡的交通安全事故统计发现，上坡的事故点主要在上坡道的上凸点和坡顶过后的连接段，下坡的事故点主要在下坡段的下凹部分。

2.3 交叉设计

山区高速公路的路线交叉主要难题在于：

（1）交叉范围小。由于山区地形限制，在线路交叉口也不容易拓展较大的面积作为交叉。

（2）道路坡度大。较大的坡度不仅降低车辆行驶的稳定性，也给行车舒适性带来问题，在交叉口较大的道路坡度，也进一步增加了交通风险。

（3）交叉口视距不足。较小的视距极大地增加了行车风险，特别是不同支路汇集的情况下，撞车风险更大。

因此，山区高速公路的坡度、视距、行车速度等都应该特别设计。如果路线交叉范围内的路线设计不能满足要求，应该调整主线或者交叉路线的几何线形。交叉路线的视距不能满足要求的，需要采取移除障碍物或者更换交叉位置等方式，改善行车视距。

3 工程案例分析

3.1 工程概况

重庆南川至两江新区高速公路项目位于重庆市中东部地区，路线全长77.678 km。该区域全线岩溶相对发育，沿线地区雨雾天气较多，路线范围内海拔高度为150～1 540 m，设计最低点为235 m，设计最高点为885 m，路线相对高差为650 m。区内峰、谷延展方向与构造线方向基本一致。根据社会调研和实地勘测，以若干桥梁和隧道为主要控制点，综合考虑各区域的地质状况、地形条件，以及区域旅游和农业的发展，设立了基本路线图（见图1），成为推荐设计路线方案。

图1 设计路线方案

3.2 线路设计

结合上述初定路线方法，对全线路段进行全面的平纵线形设计和交叉口设计。

（1）线形设计

推荐线最大程度采用直线，由于地形原因共设置平曲线37处，均大于圆曲线一般值，最小平曲线半径为720 m，确保超高在4%以内。最小缓和曲线长度为150 m，最大纵坡为4.5%，最小坡长525 m/1段。凸形竖曲线最小半径为12 000/2个、设置凸形竖曲线22处，半径均满足视觉所需最小竖曲线半径值（12 000 m）；凹形竖曲线最小半径为9 000/2个，设置凹形竖曲线23处，半径均满足视觉所需要的最小竖曲线半径值（8 000 m）；竖曲线最小长度为204 m。

（2）线形适宜性评价

为体现安全与环保的公路线形几何要素设计，需要对全线的平纵面指标进行检验。采用运行速度进行安全检验是改善线形几何要素指标必要的技术措施和有效手段，并具有一定的可靠性。

路段运行速度V85按《公路项目安全性评价指南》（JTG/TB 05-2004）所推荐的方法预测，将平曲线半径小于1 000 m和纵坡坡度大于3%的特殊路段视为独立单元，而其余一般路段上车辆运行视为匀速行驶。V85平直路段上的运行速度在《公路项目安全性评价指南》中的推荐值为小客车120 km/h、大型货车75 km/h；在小半径曲线上计算入口速度vin、曲中速度vmiddle、出口速度vout，并对大纵坡路段的V85进行修正。按《公路项目安全性评价指南》规定，对推荐方案分别进行了不同行驶方向（正向-右幅，反向-左幅）和不同测试车型（小客车代表小型车，大货车代表其他车辆）的运行速度测算。运行速度差的评价结果见表2，可知整体线形的连续性、一致性和衔接路段的级差均能满足要求，说明线形几何要素设计衔接顺适。