張 衛(wèi) （中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

隨著我國(guó)公路、鐵路及軌道交通基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，平縱交叉、銜接、曲線及速度對(duì)線路線形提出更高的要求，線路線形設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范中對(duì)平縱曲線設(shè)計(jì)有針對(duì)性的規(guī)定，既要求重視平向與縱向的線形合理設(shè)計(jì)，又要滿足交通運(yùn)輸工具的力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)物理特性要求。線路線形設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括平面線形設(shè)計(jì)、縱向坡度設(shè)計(jì)和平縱結(jié)合設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)依據(jù)為邊線和中線[1]。在工程項(xiàng)目實(shí)施設(shè)計(jì)中劃分為邊坡設(shè)計(jì)、橫斷面設(shè)計(jì)以及特殊路段設(shè)計(jì)，工程測(cè)量是以設(shè)計(jì)縱向橫斷面與平面線形導(dǎo)線為推導(dǎo)基礎(chǔ)，通過(guò)“七參數(shù)”三維轉(zhuǎn)換而完成實(shí)地定位測(cè)量。平縱曲線通過(guò)“七參數(shù)”的優(yōu)化調(diào)整，使之線路線形更好平穩(wěn)順接和過(guò)渡，達(dá)到工程運(yùn)行的使用功能，提高運(yùn)行舒適度、平穩(wěn)度及外觀效果性能。

1 道路工程項(xiàng)目的平縱曲線設(shè)計(jì)原則

1.1 平面線形設(shè)計(jì)原則

1.1.1 設(shè)計(jì)原則

道路工程線路線形設(shè)計(jì)是復(fù)雜度較高的綜合性比擬調(diào)整過(guò)程，大量參數(shù)的設(shè)計(jì)需要綜合多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容，對(duì)設(shè)計(jì)人員理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都有較高的要求。

①平面線形本著簡(jiǎn)捷、連續(xù)、平順的原則，并與地形、地貌及周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)適應(yīng)，在存在地勢(shì)條件、地質(zhì)環(huán)境、城市規(guī)劃與地下管道項(xiàng)目等影響因素的情況下，需要提前設(shè)計(jì)繞行的線路，減少靠近不可避免因素的繞行；

②行駛動(dòng)力學(xué)必須滿足視覺(jué)和心理上的要求，盡量做到線形連續(xù)平順、參數(shù)指標(biāo)均衡、視覺(jué)開闊、景觀協(xié)調(diào)溫馨、安全平穩(wěn)舒適，盡量減少交通項(xiàng)目中的曲線設(shè)計(jì)，同時(shí)需要避免增加曲線偏角的角度，盡量避免反向曲線的應(yīng)用[2]；

③保持平面線形技術(shù)指標(biāo)的均衡、連續(xù)性及平順。直線、曲線通過(guò)插入中等曲率的過(guò)渡性曲線，順接平順過(guò)渡，避免瞬間突變?？梢栽诰嚯x較遠(yuǎn)的位置繞行，能夠盡量減少交通工程項(xiàng)目的轉(zhuǎn)向角度[3]，必須選擇反向曲線的情況下，夾角中的直線長(zhǎng)度需要大于車輛或者鐵路車廂的長(zhǎng)度。

1.1.2 平面線形要素的組合類型

基本型——直線-回旋線-圓曲線-回旋線-直線的順序組合的線形。

S型——兩個(gè)反向圓曲線用兩段回旋線連接的組合。

卵型——用一個(gè)回旋線連接兩個(gè)同向圓曲線的組合。

凸型——在兩個(gè)同向回旋線間不插入圓曲線而徑相銜接的組合。

C型——同向曲線的兩回旋線在曲率為零處徑相銜接的線形。

復(fù)合型——兩個(gè)以上同向回旋線間在曲率相等處相互連接的線形。

1.2 縱面設(shè)計(jì)原則

圖1 平面線形要素的組合類型

在交通工程設(shè)計(jì)中，坡度設(shè)計(jì)需要盡可能選擇較為平緩的坡度。鐵路工程載重量較大，行駛速度快，線路選擇中縱向起伏盡量與地面線保持一致。在線路坡度設(shè)計(jì)中盡量保持土方的平衡性，路塹部分加強(qiáng)排水坡度的設(shè)計(jì)，通常鐵路項(xiàng)目排水坡度需要保持在千分之二以上[4]。在鐵路交通線路需要穿過(guò)道路較為密集的位置或者村莊時(shí)，需要將線路適當(dāng)抬高，隧道項(xiàng)目中的坡度需要在千分之二以上[5]。交通工程的平縱斷面設(shè)計(jì)中要以實(shí)際地質(zhì)環(huán)境、地形等為依據(jù)，盡量選擇單面坡道的設(shè)計(jì)方案。而坡度設(shè)計(jì)的增加，會(huì)提高項(xiàng)目線路的抬起高度，為載重量較大的交通運(yùn)輸增加了難度?？v面設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題是縱坡設(shè)計(jì)，在公路工程中最大縱坡是核心指標(biāo)，對(duì)于交通運(yùn)輸項(xiàng)目的長(zhǎng)度、運(yùn)輸安全以及成本都有直接的影響。縱面設(shè)計(jì)中坡度過(guò)大、長(zhǎng)度過(guò)大，都會(huì)影響到交通運(yùn)輸?shù)臈l件。所以縱面設(shè)計(jì)需要考慮運(yùn)輸工程的等級(jí)以及地形環(huán)境，選擇符合實(shí)地條件、線條柔和、漸變性高的縱坡曲線設(shè)計(jì)。

2 平縱斷面設(shè)計(jì)的應(yīng)用

2.1 線路平曲線微調(diào)整應(yīng)用

針對(duì)線路線形設(shè)計(jì)微調(diào)主要以直曲過(guò)渡線段為重點(diǎn)，尤其是曲線段中的橋梁平縱結(jié)合。

外矢距e要素的平曲線計(jì)算公式：

圖2 板梁布置效果圖

公式變量參數(shù)關(guān)系，在交點(diǎn)位置（坐標(biāo)）、轉(zhuǎn)角值α不變的前提下，半徑R、外矢距e、曲線中點(diǎn)距交點(diǎn)的位置P三者成正比關(guān)系。以紹諸高速諸暨延伸線王家井互通5號(hào)橋?yàn)槔瑯蛄涸O(shè)計(jì)為R=62.75m小半徑的圓曲線上的4×13m簡(jiǎn)支板梁橋，橋梁寬度15.5m。空心板布置效果見圖2。梁板為預(yù)制空心板，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，空心板梁很難實(shí)現(xiàn)弧度線型預(yù)制，基本采用橋墩橫向偏移、懸臂寬度漸變等方式實(shí)現(xiàn)平直的板梁邊線以直代曲的折曲線型。即便如此，還會(huì)產(chǎn)生板梁架設(shè)最大橫向偏位的12cm，造成外側(cè)護(hù)欄外包懸挑（5cm）懸空，內(nèi)側(cè)護(hù)欄局部外包懸挑為負(fù)值。結(jié)合外矢距e參數(shù)變量理論，微調(diào)整變量R模擬后的效果見圖3。模擬不同半徑R的情況下，靠近曲線起點(diǎn)處收斂較小，離曲線起點(diǎn)越遠(yuǎn)，線型之間距離越大。根據(jù)此特性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)邊梁外緣實(shí)測(cè)坐標(biāo)，進(jìn)行邊線獨(dú)立曲線半徑R模擬，選擇與實(shí)際最吻合的半徑大小，使得護(hù)欄邊緣能完美契合已架設(shè)的板梁邊緣，從而達(dá)到線形平順、美觀圓滑的效果。

圖3 微調(diào)整變量R模擬后的效果

2.2 線路縱曲線微調(diào)整的應(yīng)用

橋梁縱向位于豎曲線內(nèi)，橋面縱向曲線控制比較棘手。一般預(yù)制梁片架設(shè)后沿線路縱向標(biāo)高線與設(shè)計(jì)縱坡呈線型漸變，但位于豎曲線內(nèi)橋面高程是折曲線漸變（內(nèi)切多邊形），同時(shí)橋梁預(yù)拱度控制精度波動(dòng)性大，常常導(dǎo)致橋面鋪裝厚度過(guò)薄或者超厚的質(zhì)量問(wèn)題。

豎曲線計(jì)算公式中豎向增量方程式：

常常忽視的參數(shù)外矢距e（外矢距即緩和曲線到變坡點(diǎn)的高差）

由（4）公式得知在變坡點(diǎn)里程及高程不變的前提下，半徑R越大，其豎曲線長(zhǎng)度2T越長(zhǎng)，外矢距e越大。豎曲線內(nèi)同里程樁號(hào)的設(shè)計(jì)標(biāo)高分兩種情況：①凹曲線，半徑越大，標(biāo)高越低；②凸曲線，半徑越大，標(biāo)高越高。豎曲線微調(diào)整以紹諸高速諸暨延伸線上莊橋頭分離橋?yàn)槔?，平面位于R=1000m的右偏圓曲線上，橋面單向超高橫坡為4%，縱斷面位于R=8624.4m的凹曲線上，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先簡(jiǎn)支后連續(xù)的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。25mT梁體趨于剛性構(gòu)件，縱向無(wú)法按照豎曲線的圓弧預(yù)制，且預(yù)拱度波動(dòng)問(wèn)題，經(jīng)復(fù)測(cè)架設(shè)完成的T梁頂標(biāo)高，變坡點(diǎn)附近的鋪裝厚度偏薄5cm，利用豎曲線分析原理進(jìn)行調(diào)整豎曲線，主線路段K6+000變坡點(diǎn)，保持前后坡度不變，將豎曲線半徑R由8624.39m調(diào)整為8820m，豎曲線長(zhǎng)度2T由353.6m變化為361.62m，對(duì)應(yīng)的線路設(shè)計(jì)標(biāo)高及差值見下表。

調(diào)整豎曲線后滿足規(guī)范要求，且對(duì)于前后的橋梁及路基的相接較好。結(jié)論：對(duì)于位于豎曲線內(nèi)的橋梁，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工結(jié)果不能滿足施工條件時(shí)，通過(guò)調(diào)整豎曲線的方式去使其滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，也可以大大提升線形平順度。

3 平縱斷面設(shè)計(jì)的參數(shù)確定

3.1 最小曲線半徑

交通運(yùn)輸工程線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)是曲線半徑，線路曲線半徑是交通運(yùn)行安全、舒適等的重要指標(biāo)。在最小曲線半徑的設(shè)定過(guò)程中，需要考慮車輪地面接觸與安全性兩個(gè)方面。在以大重量運(yùn)載為核心的鐵路交通路線設(shè)定中，最小曲線半徑需要以欠高值低于允許值以及輪軌磨耗來(lái)確定。針對(duì)不同類型的測(cè)試方法，以動(dòng)力學(xué)仿真的方式進(jìn)行分析，確定輪軌磨耗參數(shù)相對(duì)平穩(wěn)的曲線半徑要求。在實(shí)際線路運(yùn)輸中，減小曲線半徑的過(guò)程中，可能導(dǎo)致軌道磨損的消耗量快速升高，與理論上穩(wěn)定性較高有所區(qū)別[7]。所以在實(shí)際鐵路線路設(shè)計(jì)中，曲線半徑較高，需要調(diào)整軌道的更換時(shí)間。

3.2 夾直線對(duì)穩(wěn)定性的作用

在分析交通線路運(yùn)行中夾直線對(duì)穩(wěn)定性的作用時(shí)，需要將實(shí)際工程投入后的使用情況進(jìn)行分析。在鐵路線路項(xiàng)目中需要將鐵軌、軌枕、道床的相互連接考慮在內(nèi)，構(gòu)建列車在負(fù)荷情況下的反向曲線道路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。荷載情況下列車通過(guò)反向曲線位置時(shí)的橫向作用力以及縱向作用力，均列為荷載參數(shù)，并以此完成對(duì)線路項(xiàng)目運(yùn)行體系的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究。在分析荷載列車通過(guò)反向曲線過(guò)程中的橫向以及縱向作用力的數(shù)據(jù)信息測(cè)定后發(fā)現(xiàn)，在荷載列車通過(guò)線路項(xiàng)目中曲率突變的位置時(shí)，是對(duì)線路運(yùn)行穩(wěn)定性以及安全性影響最大的部分。曲率半徑的突然性增加，可能會(huì)導(dǎo)致軌道間距的突然增加，對(duì)運(yùn)行列車的安全性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。解決這個(gè)問(wèn)題最常用的方法是選擇反向的曲線夾直線，進(jìn)而提升整體線路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在夾直線長(zhǎng)度超過(guò)20m的情況下，后續(xù)的鐵路項(xiàng)目線路逐漸向平緩過(guò)渡[8]。

3.3 夾直線對(duì)安全性的影響

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)㈣F路運(yùn)輸中列車行車通過(guò)反向曲線部分的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)得出。在實(shí)際測(cè)定結(jié)果中，在通過(guò)夾直線位置線路中，運(yùn)行車輛的橫向振動(dòng)幅度逐漸降低。在列車通過(guò)曲線部分過(guò)程中，離心力不斷加大。在進(jìn)入直線路段后，離心力逐漸減小直至消失，動(dòng)力響應(yīng)的相關(guān)指標(biāo)逐漸降低。夾直線路段的線路運(yùn)行安全性明顯降低，而夾直線路段并非導(dǎo)致交通運(yùn)輸安全性降低的主要原因。運(yùn)行列車的車廂振動(dòng)在一個(gè)振動(dòng)周期會(huì)出現(xiàn)顯著的減小，在兩個(gè)振動(dòng)周期就會(huì)徹底消失。

縱曲線調(diào)整縱坡表

4 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過(guò)程中，陸路交通運(yùn)輸承載了客運(yùn)與貨運(yùn)的主要任務(wù)。鐵路與公路線路工程的復(fù)雜度較高，而系統(tǒng)性也較強(qiáng)，需要通過(guò)專業(yè)性的設(shè)計(jì)，確保整體運(yùn)輸系統(tǒng)的安全以及有效性。交通運(yùn)輸線路設(shè)計(jì)的平縱面組合方式較多，而關(guān)鍵性因素是相關(guān)指標(biāo)的確定，只有確定合理化的參數(shù)指標(biāo)優(yōu)化，不斷改進(jìn)交通運(yùn)輸線路工程的設(shè)計(jì)方案，確保能夠符合實(shí)際運(yùn)行的安全與穩(wěn)定要求。