螺旋展线方案在山区高速公路中的应用

王京力

（河北省交通规划设计院，河北 石家庄 050000）

0 引言

在山区高速公路设计过程中，路线方案确定是高速公路设计中的关键一环，路线方案不仅要考虑技术指标、地质条件、工程造价、施工便利等方面因素，还要考虑高速公路与周边地形、地质、环境等相契合，从而提高运营的安全性、舒适性、环保性。尤其针对山区高速公路而言，由于地形地质条件复杂，某些特殊路段地形地势存在断崖式变化，常规自然展线难以解决路线纵面高程爬升的难题，此时设计人员可提出螺旋展线方案进行比选。因此，为保证路线方案的合理性，应加强对山区高速公路特殊地形条件下螺旋展线方案的应用研究。

1 工程概况

华北地区某高速公路，路线全长81.5km，采用双向四车道高速公路标准，路基宽度26m，设计速度分为100km/h、80km/h。该项目沿线地势起伏大，存在约30km连续下坡；由于地形地质条件复杂，桥梁、隧道设置数量多，桥隧占比56%，局部路段桥隧占比超过90%。其中80km/h路段为坝上坝下过渡段，地面高程呈急剧变化，勘察设计阶段分别提出了自然展线、螺旋展线两种方案，通过理论分析、技术经济指标对比，经多轮比选、论证后确定采用螺旋展线的设计方案。

2 螺旋展线方案概述

2.1 螺旋展线方案

在高速公路建设过程中，为集中克服某路段的高差，开展路线设计时需要利用地形的优势点，通过沿同一方向（顺时针或逆时针）盘旋的方式来延展路线的距离，降低平均纵坡，直至路线相互交叉为止，这种形式被称为螺旋展线。根据路线交叉点的数量不同，螺旋展线可分为两种形式：当交叉点只有一个时，称之为单层螺旋展线，当交叉点多于一个时，称之为多层螺旋展线，在路线设计中采用螺旋展线的主要目的就是克服路线高差，交叉处一般采取桥梁跨越或隧道下穿等交叉形式。

2.2 螺旋展线方案可行性

2.2.1 技术可行性

从高速公路平面来讲，采用螺旋展线方案设计线路，可以充分利用地形条件，在路线回转之前将线位布设于不同的坡面上，从而使公路采用大半径的圆曲线，避免公路上、下线之间相互干扰，并满足公路的半径要求；从公路纵断面设计来讲，采用螺旋展线可以在上坡方向满足最大纵坡和坡长的限制，以保证车辆可以高于容许速度爬坡，在下坡方向可以满足车辆连续下坡的纵坡坡度和坡长的限制，以保证车辆的行驶安全；从公路横断面设计来讲，采用螺旋展线后，路线交叉位置的上、下线高差较大，由于平面线位距离远，不会对公路横断面的布置产生影响，因此，从技术上螺旋展线方案可行[1]。

2.2.2 经济可行性

高速公路总成本主要包括建设成本、养护成本、运营管理成本等三大部分。对山区高速公路而言，由于地形地质条件复杂，制约因素较多，在建设过程中需要设置大量的桥梁和隧道，导致建设成本较高。据统计，山区高速公路每公里造价约为1～2亿元，若桥梁或隧道比例超过80%，则每公里造价将普遍超过2亿元。在高速公路路线设计时在特定地形条件下采取螺旋展线方案，可以有效利用地形条件，减少桥梁、隧道的占比，从而降低造价。因此，从经济角度而言，采取螺旋展线方案可行。

2.2.3 环境可行性

山区高速公路建设过程中，沿线往往分布很多的自然保护区，以及野生动植物，如果在公路建设过程中不能加以保护，势必会对自然环境造成破坏，与当下“绿色公路”的建设理念不符。如采用螺旋展线方案进行合理设计，与传统自然展线的方案相比，螺旋展线方案可以通过公路交叉的方式避开不适合布线的区域，从而减少对生态环境的破坏，同时还可以利用两幅不同的纵坡要求，灵活布设分离式路基，以减少高填深挖，实现对环境的保护。因此，从环境角度而言，采取螺旋展线方案可行。

3 螺旋展线方案比选

3.1 比选原则

（1）项目总体遵循“绿色公路”、“品质工程”相关设计理念，路线设计遵循“因地制宜、顺势而为”的原则，根据不同的地形条件，灵活运用技术指标，避免高填深挖，同时减少占地对环境的破坏。在路线设计过程中，地形条件对路线布设具有决定性作用，螺旋展线方案设计时要根据所经过地区的地形、地质、生态环境等条件，认真研究方案制约因素，尽量避免或减少对其他设施的干扰。此外，还要综合考虑沿线矿产、文物、铁路、电力设施、基本农田、村镇拆迁等敏感因素，加强与有关部门的沟通协调，减少对其干扰[2]。

（2）螺旋展线方案设计时要进行多方案比选，先结合自然条件及制约因素确定有价值的路线方案，并在此基础上对区域情况再次进行全面研究，以寻求价值更高的方案，通过技术经济对比，最终确定推荐方案。在确定路线方案后，安排地质人员对所经区域的工程地质和水文地质情况进行深入调查，充分了解对工程的影响，如勘察发现不良地质现象，应根据对路线的影响程度，提出避让或穿越方案进行比选，如必须要穿越该区域时，则应选择合理的位置，减少穿越范围，并采取相应处理措施。

（3）项目区域内耕地资源十分宝贵，勘察设计过程中应严格贯彻“保护耕地、节约用地、保护环境、协调发展”原则，最大限度节约用地，减少拆迁和实施难度，同时由于项目所在区域存在大范围的矿产资源，包括赤铁矿、石墨矿、页岩矿、萤石矿等，为实现对自然资源的保护，螺旋展线方案选线时应尽量避让上述区域，无法避让时应尽量减少压覆矿产资源的范围，尤其要避免压占运营中或储量大的矿场。

3.2 比选情况

比选路段为项目坝上坝下过渡段，路线长约28km。地形方面，路线前半段基本沿沟布设，沟大致呈东西走向，沟长约13km，其中沟口高程1 030m，沟头高程1 460m，整个沟底高差390m，平均纵坡约3%。沟头北侧的山体坡度陡、高差大，翻越山体后即到达坝上，坝上高程普遍超过1 600m。气象方面，该路段冬季寒冷，最低温度达-30℃，在海拔1 400m以上路段还存在风吹雪现象，对高速公路运营不利。除此之外，其他制约因素主要有沟底两侧分布较多的采矿场、尾矿库，以及古城墙、烽火台等国家级文物，同时还有沿线村庄拆迁。

为解决两端巨大高差，同时不遗漏有价值的路线方案，设计阶段提出了自然展线、螺旋展线两种类型的方案进行综合比选。两方案起、终点位置及高程已经明确，整个段落均为连续下坡路段，其中在坝下沟底段设计高程1 040m，上坝后设计高程1 660m，起终点高差620m，平均纵坡约2.2%，其间有几处连续长陡下坡路段，见图1。

图1 路线方案比选平面图

螺旋展线方案（K线）：路线先沿沟底布设，最后在沟头处通过螺旋展线集中升坡，螺旋展线段以特长隧道为主，长约5km，之后设置特大桥，最大桥高约90m。该方案在螺旋展线之前地形条件及施工条件相对较好，见图2。

图2 螺旋展线（K线）方案纵断面示意图

自然展线方案（D线）：在沟口处沿炮梁乡北侧自然展线，展线段以桥梁为主，最大桥高约100m，展线后进入沟南侧山坡，路线大部分在坡面布设，压覆矿产较少，但施工条件较差，见图3。

图3 自然展线（D线）方案纵断面示意图

两方案相比，K线方案里程稍长，平均纵坡稍缓，前段路线基本沿沟底布设，占用耕地较D线多，但建设条件相对较好；路线在沟头设置螺旋展线集中升坡，展线部分以隧道为主，积雪结冰等对该方案运营影响相对较小，路线方案比较见表1。

表1 路线方案比较表

D线方案为自然展线方案，路线在炮梁村北提前展线并设置特大桥，之后路线沿沟南侧山上布线，由于该地区积雪结冰情况较多，该方案对运营影响较大。同时D线桥梁长度较K线方案增加了4.1km，部分路段出现长段落深挖方。

经综合比选论证，设计中推荐采用螺旋展线方案。

4 螺旋展线设计要点

4.1 线形选择

确定采用螺旋展线方案后，针对螺旋展线段的曲线类型及半径进一步研究、对比。

常用的螺旋展线线形可分为基本形、复曲线形、卵形、水滴形和直线形等5大类。其中基本形螺旋展线主要由单圆曲线构成，两端接回旋线，其圆曲线的转角大于180°，回旋线的参数值可以相同，也可以不同；复曲线形螺旋展线是由两个及以上的圆曲线构成，各圆曲线之间切向连接，圆曲线的合计转角大于180°[3]。卵形螺旋展线主要是由两个圆曲线构成，圆曲线之间利用回旋线间接，两个圆曲线的半径比值控制在0.2～0.8，之间的最小间距控制在0.003R2～0.03R2（R2表示小圆曲线的半径）之间；水滴形螺旋展线是由两个及以上的圆曲线构，各圆曲线之间采用回旋线连接，与卵形螺旋展线类似；直长形螺旋展线局部采用反向曲线，主要优势时展线路线长、可克服较大高差，多用于展线距离较长的区域。

4.2 布线步骤

确定螺旋展线的平面线形要根据路段所在区域地形及制约因素等计算确定。首先根据路段起、终点的设计标高，计算螺旋展线需克服的高差H，再根据路线平均纵坡i和螺旋展线高度H计算得出展线长度L，同时要依据路线走向计算螺旋展线的盘旋角度α，再依据盘旋角度α、展线长度L等参数，计算圆曲线的半径R。经计算得出半径后，比较R是否满足展线最小半径的要求，如不满足，则应调整半径取值；再结合地形地质条件，初步拟定路线线位，进一步优化后确定最终的螺旋展线线形。通过上述步骤，经过详细计算、调整优化，最终确定该路段螺旋展线平面线形为基本型。

5 结语

在山区高速公路特殊地形条件下，路线设计中提出自然展线和螺旋展线方案进行比选，通过综合比选后推荐螺旋展线方案，有效地保证了高速公路总体方案满足项目所在区域的地形、地质、环境等要求，从而进一步提升了总体方案的合理性。同时，为确保螺旋展线方案更加合理可行，在方案设计之初，应加强对路线走廊范围内制约因素的调查，加大地质勘察的深度，查明项目所在区域的地质、环境等问题，然后提出多方案比选，确保不遗漏有价值的路线方案，最终比选论证后确定推荐方案，在此基础上开展后续相关设计工作。