淺析低等級山區公路靈活性設計

周 寧

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市300381）

1 概述

隨著中國經濟建設的蓬勃發展，中國公路建設也取得了令世人矚目的成就。但公路建設中不可避免地對自然、人文環境造成了不同程度的破壞。如何做到靈活設計，使公路安全、舒適、環保、經濟，并最大限度地保護環境，已越來越成為公路設計人員需要考慮的問題。

本文依托某山區旅游公路，結合項目設計過程中遇到的若干問題，嘗試對公路平、縱斷設計過程中的靈活性進行分析。

2 工程概況

某山區旅游公路位于太行山東翼南段，屬黃土高原的一部分，以中等構造剝蝕侵蝕山地為主。該公路原為四級公路，現升級改造為三級公路，全長18.201 km，路基寬度7.5 m。

通過在地形圖上對舊路擬合，現狀路線平曲線共有105處，平均每km交點數5.8個。最小平曲線半徑約15 m，共有2處，半徑小于30 m的平曲線有6處。全線多處縱坡超過8%，最大坡長約為750 m。全線最低海拔約725 m，最高海拔約1 065 m，高差達340 m。

為符合環境保護和綠色發展的原則，項目公路的平面及縱斷面盡量利用舊路線形，以保證充分利用舊路，減小投資。僅在有必要的位置進行改線。

3 設計思路

公路平面、縱斷線形設計要注意的要點：路線要與地形協調、保護沿線的建筑物。好的線形是一個隨地形起伏，不影響沿線的景觀、歷史和文化資源的線形。在許多情況下，與地形結合緊密的道路工程，會顯著減少土石方工程量，降低工程造價，保護風景資源[1]。

在地勢復雜的區域，上述因素影響了路線方案的確定。因此，靈活選擇線位以及靈活運用設計規范的指標，是確定公路項目優劣的重要因素。

3.1 靈活選線

3.1.1 靈活選線降低對自然景觀的破壞

本項目在確定平面線位時側重考慮了以下幾個方面的因素：（1）行車是否順暢、舒適；（2）是否與周圍的自然環境相融合；（3）是否能夠避免高填深挖，降低工程造價。

通常這三個方面不能夠兼顧，比如線形順暢，常常需要大填大挖，不能很好地融入周圍環境。這就需要設計人員做出取舍，選擇一個適合項目的方案。

以本項目K7+900位置山谷為例。路線在K7+900位置有一處山谷，見圖1，舊路呈幾字型繞過山谷，線形較差。

這里提出兩個方案：A線方案基本沿用舊路路線，對幾個圓曲線稍作優化；B線方案截彎取直，從山谷中間直接穿過。

B線方案線形很順暢，而且路線長度比A線方案短198.786 m,但需要穿過山谷，為與山谷兩側的舊路在高程上接順，需要高填路堤，最高填方高度約24 m。

圖1 幾字型山谷位置

從道路對自然景觀的影響上來看，A線方案正好落在兩級山坡之間的平臺上，不論從山頂向下看，還是從谷底向上看，道路都能夠巧妙隱藏在景觀之中，并未對整體環境造成破壞（見圖2）。而B線方案因為需要在谷底填方，其高度達24 m，從山頂視角看，是一個很突兀的構造物，很難與周圍環境融為一體（見圖3）。

圖2 A線方案橫斷面圖

圖3 B線方案橫斷面圖

通過多輪討論與溝通，最終選擇了A線方案，并進一步優化線形，使4個圓曲線的指標變化均衡、連續。

3.1.2 靈活選線降低對人文環境的影響

舊路沿線有很多村莊的民房依路而建，道路施工期間的噪聲及建筑垃圾，運營期間的汽車噪聲及尾氣等，勢必會給路線經過村莊及其他環境敏感區域帶來不同程度的影響。此外，拓寬的道路仍然沿舊路路線穿村而過，還需要拆遷部分房屋。而路線遠離村莊又給村民出行帶來不便，不能發揮道路的輻射作用。

本項目有一段舊路穿越村莊，路面寬度為4.5~5 m，兩側均為民房，并且舊路在村莊中有1個直角轉角。如果仍按照原線位，則道路拓寬以及增設圓曲線都會增加大量拆遷，對村莊影響很大。因此，按照“近村不進村”的原則，該段路線選擇A線方案（見圖4）使路線在村莊南側繞過后，再轉回舊路線位。新線位（A線）有以下優點：

圖4 A、C線方案比選示意圖

（1）減小施工期間對村莊的影響。道路施工期間，施工機械的噪聲、施工帶來的揚塵和垃圾等，會給村民的生活帶來影響。路線繞村而過，將顯著降低以上因素對村莊的影響。

（2）減小運營期間對村莊的影響。道路運營期間，汽車噪聲、尾氣等，影響村民健康。新線位從村莊外圍通過，減少了上述影響。

（3）減少拆遷量。“近村而不進村”避免拆遷減少對沿線人文環境的破壞，與此同時，也降低了工程造價。

3.2 平面技術指標的靈活運用

好的平面線形，應該是在地形、地物、地質等自然地貌條件允許的基礎上，盡量選用較高指標，為適應遠景車型、性能的提升留出空間，同時，也不能盲目地追求高指標[2]，在指標滿足規范且均衡、連續，行車安全、順暢的基礎上，盡量利用舊路，以降低工程造價，減少道路對環境的影響。

3.2.1 圓曲線

由于舊路圓曲線很多，且有多處小半徑圓曲線（舊路共105處圓曲線，最小平曲線半徑約15m，共有2處，半徑小于30 m的平曲線有6處），為了盡量利用舊路，新路線要盡量擬合在舊路上，線形指標不宜過高。同時為保證安全，需要保持線形指標的均衡與連貫。本項目存在很多連續平曲線路段，在平面線形設計中，特別注意到了在小半徑曲線前后線形指標的過渡，利用一系列半徑逐漸減小的曲線來引導駕駛者逐漸降低車速，避免在小半徑曲線處因車速過快而發生事故（見圖5）。

3.2.2 短直線

《公路路線設計規范》（JTG D20—2017）7.2.2款中對兩圓曲線間直線的最短長度要求為：當設計速度v≥60 km/h時，同向圓曲線間最小直線長度（以m計）以不小于6 v為宜，反向圓曲線間最小直線長度（以m計）以不小于2 v為宜。

圖5 小半徑曲線兩側的過渡

傳統的平面線形設計思想，是要求公路線形高標準、高指標，強調線形舒展、行車舒適、視覺效果良好。但是對于山區公路，這樣的設計思想，會帶來高填深挖路基，不但增加工程造價，而且破壞自然環境，甚至可能存在潛在的地質災害。

交通部公路司編著的《降低造價公路設計指南》[3]認為，技術指標分為主要指標與次要指標。主要指標是由很多影響事項和計算參數確定的，凡是涉及到安全性的指標，或者計算參數應嚴格執行或從嚴掌握的，應盡量采用較高指標，規范中用詞一般為“應”；次要指標是指在滿足安全的基礎上，從美學和行車舒適等角度提出的，一般情況應按規范要求執行，而當采用規范要求值將對自然資源、環境、生態等方面造成較大影響，以及在工程造價方面明顯增加的情況下，則應靈活掌握，可以采用低值或極限值指標，甚至可以適當突破，規范中用詞一般為“宜”。同向及反向圓曲線間最小直線長度屬于次要指標，可以適當放松要求。對于地形條件惡劣的路段，同向曲線間的直線長度可突破一般規定值，采用4 v，甚至3 v的最小值。

本項目所處區域地形復雜，且為改造項目，舊路平曲線多、線形指標差，有多處連續3個甚至4個平曲線相連。改造后同向曲線間的最小直線長度在山區復雜的地形條件下較難滿足，調整為單圓或復曲線，或其他組合線形也較困難。如果機械地為滿足規范要求而減小曲線半徑，降低技術指標，反而會有更大的安全隱患；或者出現大填大挖路段，造成自然環境的極大破壞。

以K17處路線為例。通過對舊路線位擬合，該位置存在一同向圓曲線間的短直線（短直線為由北向南方向），長度小于6 v，在線路優化的過程中嘗試消除短直線。該段路設置在山坡上，左側為山，右側為水渠，舊路依山而建，短直線的南側、北側各有3個連續平曲線（見圖6）。

圖6 連續平曲線間的短直線

因地面與現狀道路高差較大，若將直線段向兩側延伸，則因為延長后的直線段偏離舊路線位，將會大大增加填挖工程量。直線段北側為村莊，若將直線段向北延長會新增大量拆遷。若縮短該段短直線，將兩側的平曲線直接相連，因為兩側均為連續圓曲線，調整后線位與舊路線位將完全偏離，不能夠利用舊路路基，且該路段所在區域地勢呈明顯的左高右低趨勢，調整后填挖方增加很多。

經過反復的方案調整與比選后，決定突破路線規范中關于同向圓曲線間最短直線長度不宜小于6 v的要求，采用不小于4 v。

3.3 縱斷面技術指標的靈活運用

道路縱斷面的設計與項目的土石方工程量密切相關，設計過程中應注意盡量利用地勢，靈活設計，保持填挖平衡。

縱斷面線形與平面線形是互補的，縱斷面設計與平面設計應同時進行，互相配合，否則就會出現不必要的大填大挖現象，不僅增加投資，也會給自然景觀帶來不好的影響。

本項目的特點是高差大，連續上坡路段長。縱斷面設計過程中，為了克服高差，多處縱坡達到了7.5%。這帶來了3個問題：（1）7.5%的縱坡與4%的超高結合在一起，合成坡度達到8.5%，超過了《公路路線設計規范》（JTG D20—2017）8.5.2款中冬季路面有結冰、積雪地區合成坡度必須小于8%的要求；（2）由于本項目小半徑平曲線較多，縱斷面設計上必須避開大縱坡與小半徑平曲線的不利組合；（3）大縱坡路段較多，平均縱坡超過了《公路路線設計規范》（JTG D20—2017）8.3.4款“任意連續3 km路段的平均縱坡宜不大于5.5%”的要求，需要設置緩和坡段。

針對以上問題，縱斷面設計過程中，充分考慮了縱斷面與平面的結合，注意了以下因素：

（1）避免同一路段上同時出現大縱坡與小半徑平曲線。

（2）避免長大縱坡坡底接小半徑平曲線。

（3）盡量將大長縱坡的坡頂設置在小半徑平曲線處，利用此段平曲線位置設置縱坡較小的緩和坡段。

4 結語

山區公路的設計是一項十分復雜的工作。特別是山區低等級公路升級改造的項目，常常資金有限，十分重視對舊路的利用。在滿足行車安全、順暢的基礎上，還要將線形擬合到原有的按照四級公路甚至更低標準設計的路線上，要求設計過程中統籌考慮各種因素，合理取舍，靈活設計，做出安全、節約、環境優美、系統最優的工程。