四级山区公路路线线形设计方法
2023-10-16詹少错
詹少错
(中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710000)
0 引言
山区公路施工主要包括路基、路面、桥涵以及隧道等方面,路线线形设计需要根据工程项目所在区域内的实际情况采取科学合理的路线线形设计方法,进而确保路线线形设计的合理性。该研究的主要内容包括以下几个方面:路线线形设计应当遵循的原则、路线线形设计的定位、标准以及路线线形设计方法,希望该研究能为同类工程项目的路线线形设计提供参考。
1 案例概况
什运至白沙高速公路鹦哥岭隧道及连接线工程(以下简称“该项目”)地处海南省中部山区,贯通经济欠发达的少数民族聚集的琼中黎族苗族自治县、白沙黎族自治县及五指山市。该项目经过琼中县、白沙县和五指山市,分为主线、牙叉连接线和水满连接线三部分,其中水满连接线为四级公路(主要技术指标如表1所示),设计速度20 km/h,单向单车道,整体呈南北走向,路基宽度5.5 m;设计荷载为公路—I级,其余各项技术指标均满足部颁《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)的规定值。起点位于牙训村北侧省道S224,利用既有村道和巡林路展线,自北向南穿越海南热带雨林国家公园,终点位于水满乡永训村东侧县道X583,全长19.382 km,沿线途经主要城镇为琼中县什运乡和五指山市水满乡。
表1 水满连接线主要技术指标表
2 路线线形设计原则
根据该工程项目在路网中的功能和定位,结合沿线的地质地形条件、水文特点以及周边的自然环境,路线线形设计需要遵循以下几方面的原则:
(1)在确定路线时,应在满足路线线形设计要求的基础上,尽量利用既有的道路,以最大限度地减少对林地和耕地的占用[1]。
(2)对于老路线形较差且又受地质地形条件的影响无法调整的情况下,对于路线线形的设计应尽量选择在阳坡侧。
(3)在确定路线时,应合理利用标准和规范中允许的纵曲线组合,以满足工程项目所在区域的地质地形条件,并采用较高的路线指标。对于特别困难的地段,可以在满足业主要求的同时,适度降低平纵面线形标准,并通过叠加原理综合考虑平面和纵面的影响因素。
其中,纵面标准下山区公路车辆行驶运行速度的测试结果可根据以下公式计算得出:
式中,S——距离坡顶的距离(km);δ——汽车近弯道内外侧的汽车轮胎着地点;gp——汽车左右轮胎受的地面法向反力;Q——汽车燃油消耗(升/百km);P——惯性力系数;v——汽车行驶速度(km)。
代入上述公式得出一个运行速度值:v1。
由此得出:汽车在山区高速公路行驶时,不仅会受平面条件的影响,还会受到纵向地形的限制。
(4)路线线形设计需要穿越村镇时,应当根据当地的经济发展,加强与村民的沟通与协调。
(5)路线线形设计对于较为顺直的路段,采用较高的路线标准,为后续优良的行驶条件奠定坚实基础。
3 路线线形设计的标准定位
(1)在设计年限内,如果公路的交通量达到该级公路下限,应根据地形条件选择适当的道路平面和纵断面线形的标准定位,切忌为了追求较高的线形指标增加不必要的工程任务量,造成浪费和对周边生态环境的破坏,导致公路路线线形设计不协调、不合理。
(2)当公路在设计年限内的交通量未达到该级公路下限时,如果地质地形条件允许,线形设计标准应选用较高的定位。例如,对于该项目的设计速度为20 km/h的情况,在公路设计年限内的交通量为6 000~8 000辆且机动车保有量较高时,应根据40 km/h的行车速度来确定平面和纵面的线形指标。这样一来,即使随着交通量的增加需要进行改扩建时,还可以充分利用部分构筑物,有效避免重复修复费用和改造的难度,进而提升公路的利用效率,减少二次投资[2]。
(3)为了确保所有车辆行驶的安全性和一致性,具体的设计过程应综合考虑所采用线形指标的均衡性,避免平面指标的突然变化。然而,在某些特殊的情况下,为了适应当地的实际情况,减少工程任务量和项目建设成本,并综合考虑地质地形条件、交通量、车型组成和公路环境等因素,可以根据不同需求分段选择不同的线形标准。不同标准设计的区间内应有相应的过渡段,并且同一标准内的路段应集中进行设计。
4 路线线形设计方法
4.1 地质选线
在山区公路建设中,需要合理控制规模、降低成本、确保交通安全和技术指标,并协调地形与路线之间的关系,使线路设计与地势、地形相结合,保护周围环境,平衡整体公路的施工建设。地质选线工作受到复杂地质环境和灾害等不利因素的影响,可能导致不同程度的侵蚀。在山区公路的总体线路设计中,努力避免不良地质影响,并认真了解地质条件,同时降低对地貌和自然环境的破坏,提升山区公路抵御自然灾害的能力,避免施工风险,确保整体施工建设的安全性。
4.2 平面设计
4.2.1 设计方法
目前,山区公路的路线线形设计主要采用导线法和曲线法。与平原和丘陵地区公路相比,山区公路的地形条件复杂,影响因素众多,如果只使用导线法和直线法,定线效率将非常低,并且可能出现无法兼顾各方面需求和平曲线组合不合理等问题。为此,建议根据路面设计速度40 km/h进行路线线形设计,通过导线法对直线和曲线进行平衡,重新设计一条布局合理的路线线形,减少挖填差距。
4.2.2 曲线尖最小直线长度采用
根据《公路路线线形设计规范》(JTGD20—2019),在山区公路的路线线形设计中,为确保行车安全,需要调整反向曲线的圆曲线半径和长度,以满足2V夹直线的长度要求。然而,对于同向曲线而言,通常难以满足此要求。私自增加曲线最小夹直线长度不仅会增加工程任务量,还会对周围生态环境造成破坏[3]。
4.2.3 缓和曲线长度与超高过渡
对于四级山区公路来说,通过设计缓和曲线不仅可以满足路面路基超高要求,消除直线与曲线的不利因素,科学合理的曲线缓和设计可促进曲线堆积,保证路线线形顺畅,进而根据该工程项目的实际情况合理设置曲线,避免直线设计不合理,保证其能够与项目所在区域内的地质地形条件相适应。然而,考虑到工程项目的地质和地形条件,缓和曲线的长度不应过长。
4.3 纵断面设计
4.3.1 凸行竖曲线半径设置
山区地质地形条件复杂,公路路线线形设计会因此受到影响,连续小半径曲线和竖曲线组合就会出现,这样一来就很难做到平线和纵线的相互统一。从理论角度来看,这种平、纵路线线形设计方法是相对理想的。然而,这种方法可能会忽视视距的要求,当车辆行驶在平整的曲线上时,受离心力作用的影响,汽车可能会出现横向倾覆的情况。此外,同一运行速度下,平面曲线率会逐渐变小,离心力的作用就会越大。为保证驾乘人员的安全,规范和标准对曲线最小半径进行了如下规定:
式中,R——汽车转弯时受到的离心力;v——设计车速;i——汽车轮距;μ——横向摩阻系数。
山区公路的路线线形设计应考虑地质地形、社会经济和环境因素,并充分利用地形和地貌特点。这是确保公路安全性和可持续发展的必要条件。根据《公路路线线形设计规范(JTGD20—2019)》,在山区公路的路线线形设计中,反向曲线应根据2V夹直线的长度来调整圆曲线的半径和长度,以确保行车安全,避免地质灾害的发生。平面视距的折减系数vs(km/h)如表2所示。
表2 平面视距折减系数vs
4.3.2 凹行竖曲线半径设置
在山区公路的线形设计过程中,由于纵坡起伏较大,曲线的半径很容易满足标准规范要求,然而,需要注意的是,增加凹曲线的半径会增加路基填土量、防护设施和工程项目的建设成本[4]。
4.4 交叉设计
山区公路的交叉设计存在以下困难:
(1)范围受限:山区地形限制了线路的扩展,因此需要在较小范围内进行交叉设计。
(2)道路坡度较大:大坡度会降低车辆行驶的安全性、稳定性和舒适性,增加行车风险。
(3)视线距离不足:在交叉口等地方,视线距离设计不足会增加驾驶风险。
针对这些挑战,相关人员需要采取措施优化设计。例如,调整交叉线路的几何形状以满足车辆行驶要求,改善视线距离,降低道路坡度等。
4.5 确定超高值
随着科技的发展和人们生活水平的提高,车辆的性能和数量不断提升。在设计四级山区公路时,需要考虑车流量和车速的发展趋势,以确定合适的超高值,确保提供更好的行驶路况。
5 结语
该文以实际案例为基础,主要研究了四级山区公路的线形设计方法,并得出以下研究结论:
(1)提出了四级山区公路路线线形设计原则,尽可能地利用老路,减少对林地耕地的占用;路线线形的设计应尽量选择在阳坡侧,以避免潮湿和滑坡等地质问题,提高公路的安全性。
(2)设计还应充分考虑工程项目所在区域的地质地形条件,以选择适合的路线指标。地质地形条件良好的地区指的是地貌平坦、无陡峭山脉、大河等自然地理障碍的地区。在这种地区,公路建设和规划可以借助较高的路线指标,以提高公路的通行能力和连通性。
(3)提出路线线形设计的标准定位,在山区公路的线性设计中会遇到一些困难。首先,由于山区的地形限制,设计范围较小,需要在有限的空间内进行交叉设计。为了解决这些问题,可以采取一些措施优化设计。例如,可以通过调整交叉口的几何形状,改善视距,并降低道路的坡度。当然,还可以选择适当的标准定位,根据地形选择道路平坦和纵向形式,这样就可以更好地满足交通量要求。但需要注意的是,切忌为了追求较高的线形指标而增加不必要的工程任务量,造成浪费和对周边生态环境的破坏,导致公路路线线形设计不协调、不合理。线形设计应优先选择较高的设计速度,以使公路具备更好的发展潜力。