高原山區公路勘察設計與路線方案選擇方法分析

樊康義

（云南行一工程檢測有限公司,云南 昆明 650500）

0 引言

高原山區地質復雜、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劣的影響程度有較大差異。目前，國內外學者和工程技術人員也針對高原山區公路的勘察設計開展了一些研究，但尚未形成統一的學術理論來指導高原山區公路路線設計。因此，為了確保高原山區公路可靠、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 高原山區公路選線特點及勘察設計理念

1.1 選線特點分析

和平原區相比，高原山區公路在選線時主要有以下特點[1]：一是高差大。在高原山區內穿梭的公路必須通過長距離展線克服高程障礙，從而產生越嶺線、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模和投資。二是復雜性。高原山區地形、地質等錯綜復雜，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。高原山區公路選線難度大，對設計人員的綜合能力要求高，路線方案可能隨著設計階段的不斷深入和專家審查意見反復修改，甚至出現不同設計階段路線方案相互否定的現象。

1.2 勘察設計原則

高原山區公路在選線時，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境協調。高原山區公路在選線期間建議遵循以下原則[2]：

（1）安全性原則。高原山區公路的建設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、外界環境、運營管理等因素。條件允許時，可適當提高路線技術指標，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）節約資源原則。高原山區公路地質情況不易查明，在勘測階段，應加大人員和設備，準確識別可能發生的地質災害，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，會造成嚴重的資源浪費。

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

（4）綜合比選原則。高原山區公路設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 高原山區公路選線流程及主要技術指標

2.1 選線流程

高原山區公路選線是一個循序漸進過程，貫穿于整個設計階段。隨著設計階段的持續深入，路線方案的研究范圍也從大變小，研究深度從淺變深，研究內容由宏觀變微觀，從而提升路線設計質量，減少施工期間的設計變更，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、關鍵控制點、終點及基本走向。在走廊帶選擇階段，根據現場勘測資料和調查數據，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公路的初步設計階段，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）局部線位優化。局部線位優化是高原山區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。在局部線位優化階段，設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指標滿足規范要求，提升路線方案的安全性和經濟性。

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，但高原山區公路基本不會出現太長的直線；圓曲線合理性與半徑和轉角影響較大，圓曲線半徑和轉角過小，駕駛員容易產生急轉彎的錯覺，突然減速易發生交通事故；緩和曲線主要起到曲率過渡作用。

高原山區公路的圓曲線半徑R、緩和曲線參數A可按以公式（1）~（2）計算：

式中，V——設計速度（km/h）；μ——橫向力系數，無量綱，與路面材料、輪胎質量等因素相關；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）縱坡設計。根據相關研究成果，公路縱坡越大、坡長越長，其行車安全越不利，交通事故發生可能性越高。高原山區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公路縱坡i計算見公式（3）~（4）：

式中，λ——海拔修正系數；T——汽車驅動力；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。

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

（2）豎曲線設計。高原山區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。不同設計速度下，高原山區公路豎曲線具體尺寸可參考表1：

表1 高原山區公路豎曲線半徑和長度

2.4 平縱組合設計

高原山區公路在設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。結合相關研究成果，高原山區公路平曲線應包絡豎曲線，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 高原山區公路路線方案綜合比選

3.1 工程概況

以云南某山區公路為研究對象，利用“可靠度法”對路線方案進行比選。

該高速公路是省內交通網重要組成，沿線自然保護區、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，設計速度為100 km/h，設計荷載為公路—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），瀝青路面結構厚72 cm。為打造高品質示范交通項目，組織大批骨干設計人員對路線方案進行比選。

3.2 可靠度法

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

式中，S——路線設計參數；D——滿足道路功能的路線參數。

如果Z＞0，表明路線設計參數滿足功能要求；Z=0，路線設計參數處于極限狀態；Z＜0，路線設計參數不滿足功能要求，即路線設計方案失效。

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“非線性功能函數線性化、非正態隨機變量正態變化”。

3.3 路線方案比選

綜合考慮沿線地形、地質條件、工程規模、施工條件、環境保護等因素，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，沿線經過生態敏感區，需設置油水分離池、聲屏障、隔聲窗等措施來減少高速公路運營對周邊環境的影響。不同路線方案的可靠度指標和失效概率計算結果見表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，故可認為K線的設計方案最優，將K線作為推薦線。

3.4 路線方案安全性評價

高原山區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，還與路側邊坡、護欄等遮擋物有關。

高原山區公路的行車視距計算可根據圖1所示的空間兩點通視原理，計算結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。車輛在山區公路的實際運行速度與交通量、外界環境、車輛性能、駕駛人心理等因素相關，并不一定等于設計速度。如運行速度和設計速度之間差值較大，路線設計參數可能無法滿足行車要求。根據《公路項目安全性評價規范》（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對路線協調性進行評價，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所對應運行速度協調性等級分別為協調性好、較好、不良。

在檢查路線協調性前，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計算結果見圖2。

圖2 相鄰路段運行速度的差值

由圖2計算結果可知：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。該山區公路大部分路段的運行速度均屬于協調性好或較好，占比94.4%；只有5#路段運行速度協調性不良，占比為5.6%。

4 結論

文章研究了高原山區公路選線特點、設計原則、平縱指標選擇、路線方案比選方法等，主要得到以下結論：①高原山區公路具有高差大、復雜性、反復性等特點，在勘察設計時建議遵循安全性、節約資源、環境保護、綜合比選的原則；②高原山區公路的選線包括走廊帶選擇、路段方案比較、局部線位優化三個階段；③高原山區公路的平縱線形指標選擇應參照設計規范，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。