山区高速公路路线设计基本思路及选线方法研究
时间：2023-06-25 22:10:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孙 广
（北京建达道桥咨询有限公司华中设计分公司,湖南 长沙 410000）
高速公路在社会经济发展中发挥着重要作用，随着其建设里程的增加，沿线所遇地形条件错综复杂，对工程设计提出了更高要求。例如，山区高速公路的建设条件和运营条件相对特殊，地形、地质、气候、人文等因素均会对路线设计产生影响，提高路线设计水平至关重要，需在此方面进行技术探讨。
某山区高速公路工程项目，沿线以河流和山谷居多，路线穿梭于崇山峻岭间，现场地形、地质条件复杂，除妥善处理公路路基、修护公路边坡等工作外，路线的设计也尤为关键，必须依靠科学的设计方案来保障公路正常建设和建成后的安全运营。
2.1 安全与生态环境防护设计
安全是工程的第一要务，在设计阶段需注重安全保障，保障公路施工过程中每位员工的人身安全和公路建成后的车辆通行安全。在项目开展初期，由专员深入现场进行实地勘察，确定安全状况良好的路线[1]。山区高速公路的设计需要综合考虑到地形、地质、气候等因素，提前预测可能出现的异常状况，在源头上制定预防措施，尽可能降低公路工程建设阶段和运营阶段的安全事故发生率。此外，山区高速公路建设的破坏性强，可能导致周边生态环境受损，因此在设计阶段还需考虑到生态环境保护要求，例如减少填挖工程量，减轻由于工程建设而导致的水土流失问题。
2.2 适应地形
高速公路路线设计需充分尊重地形特点，例如平原地区可采用直线定位法，但对于山区高速公路而言，由于地形、地势等条件的特殊性，该方法缺乏适用性，此时需考虑现场的地理条件和地势走向，在路线选择中富有针对性地应用曲线定位法，以此来确保路线能够满足车辆安全通行的要求。公路选型需注重对现场地形的防护，尽可能减少对植被的破坏。在实现安全、质量等基础目标外，还需考虑项目的成本控制要求。
3.1 纸上定线
（1）以小比例图在控制区域内研究路线布局，从中确定具有可行性的中间控制点。其中，地形图的比例可为1∶5 000或1∶10 000，甚至更小。根据小比例图进行建设条件的分析，确定控制点间的地形、地貌等分布状况，将设计路线选择在地势平缓同时山坡顺直的区域，此时有利于公路工程建设活动的开展以及车辆的安全通行。
（2）在山岭地段地形进行高速公路的选线时，按照如下流程进行：试坡→确定导向线→平面组成→修正导向线→修正曲线。经过设计与修正后，提升山岭地段公路选线方案的可行性。
3.2 公路的平面线形设计
（1）根据公路建设现场的地形条件进行路面的平面线形设计工作，避免路段长度过短。若工程建设条件特殊，适当减小路段长度，但必须保证道路与现场地形相适应，不可对车辆的正常通行造成影响[2]。对于设计变更部位的选取，优先考虑的是地形变化明显或存在明显物理变化的区域，原因在于驾驶员可更加直观地掌握车辆行驶速度，根据前方路段特点提前进行减速或提速，保障行驶安全。
（2）公路平面线形设计具有系统性，需协调好“平、纵、横”的关系。追求平面线形的流畅性以及与周边自然景观的协调性，一方面为驾驶员和乘客提供安全保障，另一方面将公路与周边自然环境融合，营造良好的视觉体验感，使驾乘人员在沿途行驶中获得舒适感。
（3）在山区高速公路的线形设计中，除了从行驶力学方面进行设计以保障行车安全外，还需践行人性化的理念，使驾驶人员获得舒适的视觉感受和心理感受，而在山区高速公路中，一项良好的线形设计方案也正需要满足此类要求。换言之，山区高速公路线形设计需要从驾驶员视角出发，感受其在驾车过程中的视觉体验，经过优化设计后保证视线的连续性，同时提升驾驶人员对前方道路的预知能力，主动进行驾驶行为调整，保障出行安全。在对驾驶员进行合理的视线诱导时，可以借助护栏、照明灯具、植树等方式而实现，但不可过度增设视线诱导设施，否则反而易干扰驾驶员对前方路况的正常判断。
3.3 路线纵断面设计
（1）在平原微丘陵地区设计高速公路的纵坡时，考虑精细化的设计要求，例如平原微丘陵区的公路建设涉及较大规模的填方工程，而填方施工需借土，借土则不可避免地侵占耕地[3]。并且，纵断面设计也有其特殊性，例如丘陵区的纵断有填有挖，可根据工程施工情况进行动态管控，多填则减少挖方，多挖则减少填方，富有灵活性。而平原微丘陵区则颇为特殊，以路基宽度为33.5 m、纵坡设计线高为0.1 m的公路为例，其对填方料的需求量大，通常1 km增加约2 000～3 000 m3的填方量，为满足填方作业要求，需进行大规模的填方借土，对耕地的侵占量随之增加。
（2）为使设置边沟的填方段、横向排水不畅路段及挖路段的雨水高效排出，需设计不小于0.3%的纵坡，否则路面排水效率降低，车辆行驶过程中雨水飞溅而阻碍驾驶视野。同时，路面存在较多积水时，车轮与路面间形成“水膜”，轮胎与路面可能打滑，车辆的可控性较差，可能由于转向失控、刹车不及时等问题而出现侧翻、甩尾等安全事故。因此，出于安全考虑，公路的纵坡需超过0.3%，若由于工程条件特殊而必须设置小于0.3%的纵坡时，适当增加路面的横坡，并进行纵向排水设计，促进路面雨水的高效排出。
4.1 地质选线
4.1.1 路线走廊带的确定
某高速公路某A段为典型的地址选线，该线因该段地形起伏较大、切割强烈、边坡陡立，滑坡、崩塌等不良地质现象多成带分布，而且边坡冲蚀现象发育坡面小冲沟、冲蚀漏斗较多，尤其是在K88+800以后沟道两岸特大型滑坡体连续交替发育对路线布设极为不利。鉴于此路线布设新的A路线方案—苍沟方案。从地质条件分析，虽然推荐线地形沟谷狭窄，有多处滑坡，但是与路线干扰较大的只有3处滑坡，其余可通过平纵面线形的调整进行绕避，也可采用早进洞的隧道方案绕避，或采取一定的工程治理措施确保高速公路的稳定。而B路线方案沟内共发育了22处滑坡，其中影响路线走向的就有19处，滑坡密集，难于治理，工程地质情况较差。同时该方案还存在路线里程长、桥梁长的缺点，无明显优势。所以仍推荐A路线方案。
4.1.2 路线方案的确定
当确定好路线走廊带方案后就主要研究在该段地形、地质条件下如何既能避绕不良地质，又能适应地形满足线形指标还能控制工程规模。对此又做了2个方案进行比选。
方案一：根据工可方案和初勘地勘资料的调绘成果，路线进入A段后，沿A段弯曲河流与河谷交接部位穿行进入长隧道。该方案充分利用了现有地形，在沟两侧台地设线或缓坡处设线，虽然桥隧里程短，但还需核查路线途经位置的地质情况。
方案二：根据地质勘察资料对每处滑坡的定性评价与路线的影响程度、治理难易程度，通过细致的方案优化线位，仍以坡面设线为主，平面尽量避绕滑坡地带并确保纵面也不扰动滑坡，当沟道两岸同为滑坡体时，选择对路线影响较小、宜治理的一侧，以半幅路基半幅桥为主、纵向桥为辅，在河道顺直、坡岸陡峭处则以纵向桥通过。该方案避让了不良地质，但增加了隧道长度，并产生了几处高边坡。因此该方案对不良地质的影响和工程规模都达到了预期的控制，相比方案一是最具优势的，拟作为推荐方案。
4.2 安全选线
安全设计是以人为本，把安全性放在首位，采取一切方法和措施，保证公路设施自身安全及行车安全。每一个项目应该在设计时增加人性化设计，不遗留安全隐患，重视交通标志、标线设计。以下为高速公路在选线时在安全设计方面考虑的因素。
4.2.1 选线时的安全设计
（1）平面几何线形指标的合理运用。山区高速公路由于地形等条件的限制，无法采用较高的技术指标。该段路线考虑到各种条件限制，针对不同的地形采用不同的技术指标，并注意相邻路段技术指标的均衡、连续，做到高低指标的合理过渡。通过采用数字仿真模拟行车对全线平纵技术指标进行检验，检验结果为：相邻路段的速度差均≤20 km/h；
线形自然流畅，无扭曲或去向不明现象，线形设计在视觉上能自然诱导驾驶员视线。
（2）加强纵面设计。主要是避免长陡纵坡的出现，对连续上（下）坡路段，进行爬坡车道、避险车道设置的论证。在设计时对2条车道连续上（下）坡路段爬坡车道、避险车道的设置进行了论证，通过对单向行车道的设计小时交通量和设计通行能力进行计算，使全线各路段在设计使用年限内均可维持设计采用的服务水平，经论证表明无须设置爬坡车道。
4.2.2 实例分析
下面从某高速公路B段比较线方案阐述路线指标从安全上考虑是如何应用的。
方案一：该段路线出隧道后，平面与纵面几何关系为R-734.65（-1%）、R-902.651（+0.4%）、R-750（+1.65%）、R-710（+2.2%）、R-1416.276（+1.25%）（隧道进口段）、R-1428.641（+1.25%）（隧道出口段）、R-710（+2.75%）、R-843.195（+1.5%）、R-800（+1.5%）、R-710（+1.16%）、R-763.166（+2.5%）。该方案平纵面指标连续均衡，但工程造价略高。
方案二：该段线位在K70+800处分离，设桥跨过沟谷至B段，而后沿南边坡脚设线，取消设置隧道，改为路基高边坡方案。之后跨沟设桥沿北侧坡脚设线与推荐线重合。平面、纵面设置与方案一主要在隧道前后不同，其余基本相同。该方案将隧道改为路基方案后，平面指标有所提高，工程造价有所降低，但存在前后线形指标不太连续，而且该段落前接特大桥，后接隧道，纵面由西向东为连续下坡路段，车辆在行驶中，遇到平面指标高的路段，容易产生超速行驶，若之后紧接平面为R-700 m左右的S型弯道，不利于车辆安全进入隧道，存在安全隐患。因此，结合平纵面的几何关系和工程规模，将该段路线方案再进行进一步的优化。
方案三：该方案主要针对平纵面的几何关系和隧道及路基高边坡段落进行优化，优化后的线位将高边坡段线位右移45 m，沿沟道设线，将方案二中的高指标同向曲线调整为径向相连的S形曲线。优化后高边坡段落由230 m缩短至80 m长，高度由45 m降至24 m，桥梁增长了50 m。工程造价低于方案一、接近方案二。在行车安全上优势明显，其他方面也较为合理，推荐方案三。
4.3 地形选线
路线布线应尽量与地形走向相适应顺势而行，使线形连贯、舒顺自然流畅，给人良好的视觉效果。只有灵活运用直线和曲线的组合巧妙地进行线形布设，在尽可能减小工程规模和对环境破坏的情况下顺应地形的起伏，使司乘人员的视线随着沿途的景观连续运动，既克服单调景观引起的视觉疲劳，又增加了乘车的舒适性，只有这样才能真正做到与地形相适应，同时使路线平面顺适、纵面均衡、横面合理。
由于山区高速公路所经地形复杂，选线过程中如果过分强调高指标，不仅会加大工程量增加造价，还会造成大填、大挖和大护坡，严重破坏自然环境和生态平衡。因此山区高速公路选线应结合迂回曲折的山体、高低起伏的地形，宜曲不宜直，合理地选用各种线形要素，在满足规范的前提下尽量做到与地形地貌环境的结合。平曲线形可以采用对称型、不对称型、S型、卵形等多种曲线组合，在困难路段也可以采用左右分离、上下分离、半路半桥、半路半隧等多种分离式路基方式，做到与地形地势的协调。
根据该高速公路所处地理位置的不同，可分为河流川道路线、沟谷丘陵路线、峡谷山岭路线。这些路线的特点如下：
（1）河流川道路线：河流川道的地面高差变化较小，平面线形可采用较高的技术指标，尽量避免采用长直线或小偏角，在避让局部障碍物时要注意线形的连续、舒顺。纵面线形应结合桥涵、通道等构造物的布局，合理确定路基设计高度，纵坡不应频繁起伏也不宜过于平缓。
（2）沟谷丘陵路线：路线应随地形的变化布设在确定路线平、纵面的同时应注意横向填挖的平衡。横坡较缓的地段可采用半填半挖或填多于挖的路基，横坡较陡的地段可采用全挖或挖多于填的路基。同时还应注意纵向土、石方调配平衡以减少废方和借方。应进行平、纵、横三个面的综合设计，不应只考虑纵坡平缓而使路线平面指标过低，或者只考虑平面直捷、纵坡平缓而造成高填深挖工程量过大，或者只考虑工程经济过分迁就地形而使平、纵面过多地采用极限或接近极限的指标。
（3）峡谷山岭路线：山岭地区山水相隔，山高坡陡，谷深流急，地形曲折复杂。山岭地区路线一般以顺山沿河布设为主，必要时设置隧道，横越山岭。路线若按沿河设线，则是沿河谷两岸布线，应处理好河岸选择、线位高低和跨河地点三者间的关系。并应结合水文地质情况处理好垭口，选择纵坡应力求均匀，平均纵坡及纵坡长度不要轻易超限，一般不应设置反坡。
综上所述，经过该文有关山区高速公路路线设计的分析后，认为这是一项具有复杂性和专业性的工作，对设计水平提出较高要求。在高速公路设计阶段，相关设计人员需高度重视路线设计，从现场地形、地势等基础条件出发，综合考虑安全、质量、成本控制等方面的要求，提出多项山区高速公路路线设计方案，再作对比分析，确定最佳方案。
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