樊康義

（云南行一工程檢測有限公司,云南 昆明 650500）

0 引言

高原山區(qū)地質(zhì)復雜、地勢起伏大，選擇公路路線方案時平縱指標受限因素多，布線自由度小，設(shè)計難度大。如果路線方案選擇不合理，可能影響公路運營期間的行車安全性和舒適度。同時，路線方案是由若干個平縱橫指標組成，不同指標對路線方案優(yōu)劣的影響程度有較大差異。目前，國內(nèi)外學者和工程技術(shù)人員也針對高原山區(qū)公路的勘察設(shè)計開展了一些研究，但尚未形成統(tǒng)一的學術(shù)理論來指導高原山區(qū)公路路線設(shè)計。因此，為了確保高原山區(qū)公路可靠、安全運營，進一步研究路線指標選擇和方案比選方法具有十分重要的工程價值。

1 高原山區(qū)公路選線特點及勘察設(shè)計理念

1.1 選線特點分析

和平原區(qū)相比，高原山區(qū)公路在選線時主要有以下特點[1]：一是高差大。在高原山區(qū)內(nèi)穿梭的公路必須通過長距離展線克服高程障礙，從而產(chǎn)生越嶺線、山腰線、傍山線等。此時，縱斷面指標是路線方案的決定性因素，直接決定了工程項目的規(guī)模和投資。二是復雜性。高原山區(qū)地形、地質(zhì)等錯綜復雜，且氣候多變，公路路線方案比選的重點隨路段而不斷變化，比選難度大。三是反復性。高原山區(qū)公路選線難度大，對設(shè)計人員的綜合能力要求高，路線方案可能隨著設(shè)計階段的不斷深入和專家審查意見反復修改，甚至出現(xiàn)不同設(shè)計階段路線方案相互否定的現(xiàn)象。

1.2 勘察設(shè)計原則

高原山區(qū)公路在選線時，不僅要滿足公路的交通運輸功能，還應確保公路與外界自然環(huán)境協(xié)調(diào)。高原山區(qū)公路在選線期間建議遵循以下原則[2]：

（1）安全性原則。高原山區(qū)公路的建設(shè)目標是使用者提供交通出行服務，選線時要綜合考慮人、車輛、道路、外界環(huán)境、運營管理等因素。條件允許時，可適當提高路線技術(shù)指標，并采取主動或被動防護措施，消除公路運營期間的安全隱患。

（2）節(jié)約資源原則。高原山區(qū)公路地質(zhì)情況不易查明，在勘測階段，應加大人員和設(shè)備，準確識別可能發(fā)生的地質(zhì)災害，以免后期路線方案或特殊路基處治方案大變更。此外，高原山區(qū)公路選線的另一個困難是土石方量過大，且挖方工程量遠大于填方工程量，導致大量廢方無法利用，只能存放在棄土場內(nèi)，會造成嚴重的資源浪費。

（3）環(huán)境保護原則。公路建設(shè)里程一般較長，在跨越山嶺時不可避免地穿越森林、濕地生態(tài)系統(tǒng)、自然保護區(qū)、水資源保護區(qū)等生態(tài)系統(tǒng)。對于上述生態(tài)敏感型控制點，在選線階段應加強識別，并結(jié)合環(huán)境評價專項報告采取相應的保護措施。

（4）綜合比選原則。高原山區(qū)公路設(shè)計時可能有多種典型工程，如深路塹、隧道、高路堤、高邊坡等，這些工程對路線總體方案和工程造價起著控制作用，應非常注重對典型工程的綜合比選。

2 高原山區(qū)公路選線流程及主要技術(shù)指標

2.1 選線流程

高原山區(qū)公路選線是一個循序漸進過程，貫穿于整個設(shè)計階段。隨著設(shè)計階段的持續(xù)深入，路線方案的研究范圍也從大變小，研究深度從淺變深，研究內(nèi)容由宏觀變微觀，從而提升路線設(shè)計質(zhì)量，減少施工期間的設(shè)計變更，降低工程造價。

（1）走廊帶選擇。走廊帶選擇主要應用在公路的可行性研究階段，以確定公路起點、關(guān)鍵控制點、終點及基本走向。在走廊帶選擇階段，根據(jù)現(xiàn)場勘測資料和調(diào)查數(shù)據(jù)，選擇多條路線方案同深度比較。比較應實事求是，不要有傾向，不刻意挑選無效方案來襯托推薦方案。

（2）路段方案比較。路段方案比較主要應用于高原山區(qū)公路的初步設(shè)計階段，是在路線走廊帶確定的條件下，選擇路線細部控制點，完成路線總體布局，確定主要工程技術(shù)指標。路段方案比較是工作量最大，研究最深入，耗費時間和人力最大的選線階段。

（3）局部線位優(yōu)化。局部線位優(yōu)化是高原山區(qū)公路路線方案選擇的最后一步，主要應用于公路的施工圖階段。在局部線位優(yōu)化階段，設(shè)計人員應積極與咨詢單位、專家溝通審查意見，確實有誤的地方必須修改，以保證路線各項技術(shù)指標滿足規(guī)范要求，提升路線方案的安全性和經(jīng)濟性。

2.2 平面線形指標

公路平面線形由直線、圓曲線、緩和曲線等組成。

直線段視野開闊，方向明確，車輛運行速度受直線長度影響大，但高原山區(qū)公路基本不會出現(xiàn)太長的直線；圓曲線合理性與半徑和轉(zhuǎn)角影響較大，圓曲線半徑和轉(zhuǎn)角過小，駕駛員容易產(chǎn)生急轉(zhuǎn)彎的錯覺，突然減速易發(fā)生交通事故；緩和曲線主要起到曲率過渡作用。

高原山區(qū)公路的圓曲線半徑R、緩和曲線參數(shù)A可按以公式（1）~（2）計算：

式中，V——設(shè)計速度（km/h）；μ——橫向力系數(shù)，無量綱，與路面材料、輪胎質(zhì)量等因素相關(guān)；r——回旋線上某點曲率半徑（m）；l——回旋線某點到原點的曲線長（m）；i合——合成坡度，由超高橫坡和道路縱坡決定（%）。

2.3 縱斷面線形指標

高原山區(qū)公路的縱斷面線形指標（坡度、坡長、曲線半徑等）反映了路線的縱向起伏，在設(shè)計時應考慮考慮土石方填挖平衡，盡量使線形服從地形。

（1）縱坡設(shè)計。根據(jù)相關(guān)研究成果，公路縱坡越大、坡長越長，其行車安全越不利，交通事故發(fā)生可能性越高。高原山區(qū)公路的最大縱坡值不僅要考慮車輛行駛安全性，還應考慮汽車的爬坡性能，比如在公路上坡路段，車輛一般需要降低擋位來提升動力，車輛的爬坡性能不同，降擋引起的速度衰減比例也不同，貨車速度衰減會大于小客車，兩者在上坡時可能互相干擾，影響行車安全性。

汽車的爬坡性能與高原山區(qū)公路縱坡i計算見公式（3）~（4）：

式中，λ——海拔修正系數(shù)；T——汽車驅(qū)動力；Fa——空氣阻力；G——車輛重力；D——變量動力因素；f——滾動摩擦力系數(shù)。

高原山區(qū)公路的最大坡長和最小坡長均可不做特殊要求，參考《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2017)取值即可。

（2）豎曲線設(shè)計。高原山區(qū)公路豎曲線包括凸曲線和凹曲線，合適的豎曲線半徑、長度和形式可以確保變坡點位置平滑過渡，有效控制工程造價，提高行車安全性。不同設(shè)計速度下，高原山區(qū)公路豎曲線具體尺寸可參考表1：

表1 高原山區(qū)公路豎曲線半徑和長度

2.4 平縱組合設(shè)計

高原山區(qū)公路在設(shè)計線形時不能單獨考慮平面線形指標或縱斷面線形指標，還要考慮平縱指標的搭配組合。結(jié)合相關(guān)研究成果，高原山區(qū)公路平曲線應包絡(luò)豎曲線，即滿足“平包縱”，此時豎曲線半徑可取平曲線半徑的10~20倍。

3 高原山區(qū)公路路線方案綜合比選

3.1 工程概況

以云南某山區(qū)公路為研究對象，利用“可靠度法”對路線方案進行比選。

該高速公路是省內(nèi)交通網(wǎng)重要組成，沿線自然保護區(qū)、歷史人文景觀豐富，征地拆遷困難，導致永久征地和臨時征地緊張。高速公路路線全長35.6 km，路線起訖樁號為K0+000~K35+600，設(shè)計速度為100 km/h，設(shè)計荷載為公路—I級，橫斷面為雙向4車道，路基寬度27 m（其中中間帶寬4.5 m，行車道寬2×2×3.75 m，硬路肩寬2×3 m，土路肩寬2×0.75 m），瀝青路面結(jié)構(gòu)厚72 cm。為打造高品質(zhì)示范交通項目，組織大批骨干設(shè)計人員對路線方案進行比選。

3.2 可靠度法

高原山區(qū)公路的設(shè)計可靠度是指在運營期限內(nèi)，在規(guī)定的交通條件下，公路安全性、適用性等滿足規(guī)范要求的概率。高原山區(qū)公路的路線設(shè)計可靠度由若干個相互獨立的參數(shù)決定，且這些參數(shù)大多屬于隨機變量。因此，路線設(shè)計可靠度可由路線設(shè)計參數(shù)在正常使用極限狀態(tài)下的功能函數(shù)Z判定，見公式（5）：

式中，S——路線設(shè)計參數(shù)；D——滿足道路功能的路線參數(shù)。

如果Z＞0，表明路線設(shè)計參數(shù)滿足功能要求；Z=0，路線設(shè)計參數(shù)處于極限狀態(tài)；Z＜0，路線設(shè)計參數(shù)不滿足功能要求，即路線設(shè)計方案失效。

失效概率P越低，路線方案越好。失效概率可利用一次二階矩法計算，該方法適用性強，計算方法簡單，且計算精度能滿足工程需求。一次二階矩法的計算要點是將“非線性功能函數(shù)線性化、非正態(tài)隨機變量正態(tài)變化”。

3.3 路線方案比選

綜合考慮沿線地形、地質(zhì)條件、工程規(guī)模、施工條件、環(huán)境保護等因素，初步擬定了K線、A1線、A2線三條路線方案進行比選。其中，K線里程短，線形順暢，占地面積和征拆規(guī)模較小，但是沿線有一座特大橋，施工難度大，后期運營成本高，且路線局部有“三角地”，降低農(nóng)田利用率。比較線A1線和A2線的里程較長，無施工難度大的特大橋梁和長隧道，但局部平縱線形指標組合不良，占地面積較大，沿線經(jīng)過生態(tài)敏感區(qū)，需設(shè)置油水分離池、聲屏障、隔聲窗等措施來減少高速公路運營對周邊環(huán)境的影響。不同路線方案的可靠度指標和失效概率計算結(jié)果見表2：

表2 不同路段方案可靠度指標和失效概率

由表2計算結(jié)果可知，在高速公路運營期間，K線的可靠度指標最大，失效概率最小，A1和A2線的可靠度指標和失效概率相差不大，兩者誤差基本在10%以內(nèi)，故可認為K線的設(shè)計方案最優(yōu)，將K線作為推薦線。

3.4 路線方案安全性評價

高原山區(qū)公路路線的方案確定之后，需對其安全性進行檢驗，文章以視距和運行速度為評價指標。

（1）視距檢驗。高原山區(qū)公路的每個車道都必須有足夠的行車視距，以確保司機能全面察覺前方路面的障礙物，并及時采取應對措施，以免出現(xiàn)交通事故。行車視距不僅受到平、縱線形指標的影響，還與路側(cè)邊坡、護欄等遮擋物有關(guān)。

高原山區(qū)公路的行車視距計算可根據(jù)圖1所示的空間兩點通視原理，計算結(jié)果就是某一運行速度下在司機視角所能看到的最遠距離。

圖1 空間兩點通視原理

（2）運行速度檢驗。車輛在山區(qū)公路的實際運行速度與交通量、外界環(huán)境、車輛性能、駕駛?cè)诵睦淼纫蛩叵嚓P(guān)，并不一定等于設(shè)計速度。如運行速度和設(shè)計速度之間差值較大，路線設(shè)計參數(shù)可能無法滿足行車要求。根據(jù)《公路項目安全性評價規(guī)范》（JTG B05—2015），可利用相鄰路段（平面線形指標和縱斷面線形指標差別較大的路段）運行速度差值ΔV85對路線協(xié)調(diào)性進行評價，找出存在安全隱患的路段。ΔV85＜10 km/h、10 km/h＜ΔV85＜20 km/h、ΔV85＞20 km/h所對應運行速度協(xié)調(diào)性等級分別為協(xié)調(diào)性好、較好、不良。

在檢查路線協(xié)調(diào)性前，按圓曲線半徑和縱坡大小共劃分18個評價單元，編號為1#路段~20#路段。不同路段的ΔV85計算結(jié)果見圖2。

圖2 相鄰路段運行速度的差值

由圖2計算結(jié)果可知：ΔV85絕對值的最大值為21 km/h，最小值為3 km/h。同時，ΔV＞20 km/h、10 km/h＜ΔV＜20 km/h、＜10 km/h的路段分別有1個、3個和14個。該山區(qū)公路大部分路段的運行速度均屬于協(xié)調(diào)性好或較好，占比94.4%；只有5#路段運行速度協(xié)調(diào)性不良，占比為5.6%。

4 結(jié)論

文章研究了高原山區(qū)公路選線特點、設(shè)計原則、平縱指標選擇、路線方案比選方法等，主要得到以下結(jié)論：①高原山區(qū)公路具有高差大、復雜性、反復性等特點，在勘察設(shè)計時建議遵循安全性、節(jié)約資源、環(huán)境保護、綜合比選的原則；②高原山區(qū)公路的選線包括走廊帶選擇、路段方案比較、局部線位優(yōu)化三個階段；③高原山區(qū)公路的平縱線形指標選擇應參照設(shè)計規(guī)范，滿足“平包縱”；④建議采用可靠度法對路線方案進行比選，確定路線方案后還應檢驗其視距和運行速度。