考虑能耗指标的山区高等级公路路线方案综合优选研究

2021-12-13韩菲洁

工程技术研究 2021年18期

韩菲洁

中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075

近年来，随着我国高等级公路建设工作的大力推进，山区高等级公路建设规模明显扩大。选线作为公路建设工作的重要内容，在山区公路建设中是不容忽视的，需要结合地质情况，综合考虑项目投资、环境保护等因素来进行路线方案的比选，最终确定最为合理的路线方案[1]。当前工程建设领域大力推进绿色节能，因此在进行路线方案比选时，能耗也要作为一项重要的指标纳入其中。

1 山区高等级公路选线原则及方法

1.1 选线原则

（1）适应环境。在山区公路路线选定的过程中，需要结合项目现场的实际环境，实现纵断面与地形地貌之间的有机结合。常用的布线方法为曲线定位法，能够对路线进行准确的把控，尤其是在地形地貌较为复杂的区域效果更佳，同时可以有效避免高填深挖路段的出现，降低对线路周边环境的影响。

（2）经济节约。在进行公路建设时，经济成本是需要重点考虑的因素。因为工程量直接取决于线形设计，所以在进行选线工作时需要树立起经济节约的理念，应尽可能地以降低工程成本为最终目标，在确保使用性的基础上进行优化设计。

（3）节能环保。节能环保原则体现在两方面，即降低建设期间与运营期间对周边环境的影响和能源消耗。首先，要尽量避免高填深挖路基，降低对周边环境的破坏，这样能在降低施工难度的同时，有效减少施工期间对能源的消耗；其次，要合理进行纵断面设计，避免车辆在行驶过程中需要频繁地急加速而导致油耗增加，同时减少尾气中有害气体的排放，避免对周边环境造成污染。相关研究表明，在车辆急加速过程中，尾气中的有害物质会明显增多[2]，如表1所示。

表1 不同行驶状态下汽车尾气中有害物质质量分数单位：%

1.2 选线方法

（1）走向位置选择。①沿溪线的选择。由于山区地形复杂、高程变化大，因此在进行山区公路选线时，如何克服高程障碍是一项难点工作。利用山间较为宽阔的河谷进行布线可有效克服这一障碍。需要注意的是，将路线布设于河谷中时，要避免平行布置在活动断裂带内。由于河谷两岸自然条件通常存在较大的差异，需要进一步针对实际情况研究路线应置于河谷的哪侧。对布线有利的岸侧可能会沿着河流方向发生变化，因此在进行布线时需要考虑这种现象，合理进行岸侧展线。②山脊线的选择。山脊线俗称鲤鱼背地形，具有平缓顺直、地形起伏小的优点。若在山脊线上布线，需要注意不要使其偏离路线的总方向过远。③局部线位选择。局部线位选择是否合理会对公路施工的难易程度造成影响，同时决定了工程量的多少与造价的高低。应当在地形图中将纵断面设计与横断面设计相结合，尤其是针对地形陡峭且路基较宽的路段。

（2）越岭垭口位置选择。必须穿越山岭地形的路线即越岭线，在越岭线布设中，垭口位置的选择及展线方案的确定具有重要意义，需要重点进行考虑。作为越岭线方案的重要控制点，垭口的最佳位置是顺着路线总走向且高程较低的位置，从而方便进行展线，且可有效缩短公路里程。对于特殊的情况，可选择以隧道形式穿越垭口，这样能够明显增加运营期间的社会经济效益。标准要求较低时，在薄垭口处可深挖路基，这样能够有效地缩短总里程；而对于深厚的垭口，则需要进行浅挖，避免工程量明显增多。伴随着近年来节能环保意识的加强，加之隧道设计及施工技术水平的不断完善提高，山区高等级公路在穿越垭口布线时多采用长隧道或者隧道群形式，这样在缩短路线长度的同时有利于环保。

（3）路线指标选择。①线形指标。在山区高等级公路开展线形选择工作时，在满足规范要求的基础上，还需要结合公路沿线的地形地貌，使平面、纵断面及横断面设计相互协调，确保路线的通畅，同时需要考虑有效降低能耗并与周边自然环境协调统一。尤其是在进行曲线设计时，需要合理地选用曲线半径，避免因曲线半径过小导致路线线性变差，从而使行车能耗增加。同时，要注意控制复合曲线，路线中存在过多的复合曲线会导致行车速度出现频繁的变化，在提高行车能耗的同时还会带来安全问题。②平面设计。在平原地区，由于地形起伏小，指标的选用有很大的空间，可选用交点直线法来提高路线设计效率。但对于山区，这种方法由于受到地形变化的影响，不仅工作效率低，还会导致选定的路线方案无法与地形地貌有效地贴合。因此，在进行山区高等级公路路线平面设计时，需要采用曲线选线法，使路线方案与地形地貌更加贴合，满足路线平纵横的组合要求。③纵断面设计。山区高等级公路由于受到地形地貌的限制，为确保路线平面设计与纵断面设计协调统一，常会采用将连续小半径短平曲线与连续大纵坡小半径竖曲线进行组合的方式，这种纵断面设计不仅会导致行车视距受限而存在安全隐患，还会导致车辆需要频繁地变化车速而增加能耗。因此，需要多采用大半径的竖曲线，且要合理控制纵坡，确保行车视距，提高安全性，并有效地降低行车能耗。

2 山区高等级公路节能选线研究

2.1 节能对选线方案的影响

（1）对路线走廊带方案的影响。由于路线走廊带不同，路线方案所面对的地形地质条件也不同[3]，会对走廊带线形及展线长度带来影响，直接影响施工期及运营期的能耗。而且，走廊带沿线若存在特殊路基，不仅会增加施工期间的能耗，还会导致运营期间因进行维修养护而产生能耗。

（2）对路线技术指标的影响。运营期的能耗很大程度上取决于路线技术指标的选择，如为减少路基开挖工程量而设计长大纵坡路段，在导致能耗增大的同时，还伴随着安全问题。因此，在进行路线方案设计时需要结合节能需求合理选择各项技术指标。

（3）对路线重点工程的影响。桥梁及隧道作为公路建设中的重点工程，具有成本高、施工技术难度大的特点，导致在施工期间需要耗费大量的能源。然而，在运营期间，由于隧道需要运行照明系统与通风系统，仍然需要消耗大量的能源，因此在进行路线方案设计时，需要合理布设隧道与桥梁。

2.2 路线方案节能分析

（1）建设期节能分析。公路建设期间的能源消耗是一次性的投入，主要是指施工期间的人力、机械及材料的投入，具体表现为对电能及燃料的消耗，根据分部工程的不同，有路基节能分析、路面节能分析、桥涵节能分析以及隧道节能分析。由于建设期的能源消耗相比于运营期比重小，因此文章对建设期间的节能分析不做深入的研究。

（2）运营期节能分析。运营期的能源消耗主要分为车辆运行消耗与运营期管理消耗两方面，即对燃油与电能的消耗。其中，车辆运行消耗取决于车辆本身的能耗水平与行驶状态；管理能源消耗主要指通风照明、建筑物与附属设施耗能。文章主要以路线技术参数为指标对能耗水平的影响作用进行分析研究。①平曲线数量。在车辆行驶过程中，从直线段进入曲线段时由于需要进行减速过弯，会导致油耗明显升高。因此，平曲线数量可作为评判一条公路节能功能的重要指标，其数量与车辆行驶的能耗成正比。②平曲线半径。平曲线半径是影响车速的重要因素，随着半径的减小，为确保行车安全，车辆行驶速度需要降低，而油耗则会增加。因此，平曲线半径可以有效直观地对公路的节能能力进行反映。③平均纵坡。在上坡路段，如果纵坡过大，会导致车辆的油耗明显增加，对于大型车辆而言这种现象更加明显；而在下坡路段，若纵坡过大，为控制车速需要频繁地刹车，不仅会带来油耗问题，还会带来安全问题。