山區復雜條件下公路線形設計的要點分析

鄭志明

（中國公路工程咨詢集團有限公司,北京 100089）

0 引言

隨著經濟發展水平的提高，人們生活質量不斷提升，汽車成為出行主要交通工具之一，為保證交通安全暢通，必須要加強公路設計工作。山區公路溝壑縱橫、地質條件復雜，巖石風化嚴重，存在巖性破碎、遇水軟化或崩解等特點。如果選線位置不當或相關線形指標不合理，容易引發安全事故，造成一定程度的人員傷亡和不良的社會影響[1]。大量工程實踐表明，山區公路平面線路狹窄，縱斷面起伏大，平縱組合困難。因此，山區公路選線是一項高度綜合和系統的工程，深入研究公路線形設計的要點具有重要的工程意義。

1 山區公路選線原則和影響因素

1.1 山區公路選線原則

為了提高山區公路路線設計質量，建議遵循以下幾個原則[2]：

（1）安全性原則。通過對交通事故進行調查和分析，在線形不良路段事故發生概率高。在路線設計階段，需要把安全性當做首要原則，并結合設計經驗，合理優化路線走向和指標值。當路線穿過地質不良路段時，要盡量繞避，以免沿線的路基或橋梁在公路運營期間損壞。

（2）經濟性原則。在設計山區公路路線線形時，不能只考慮技術可行性，還要考慮工程的總體造價。造價過高，業主單位無法接受；反之，公路工程建設標準低，運營時服務水平差。

（3）靈活性原則。現行路線規范給出的平、縱線形指標均為范圍值，設計人員應結合項目實際情況靈活選用，但是要避免兩種極端：一是認為路線平、縱指標越高越好。部分設計人員水平較差，生搬硬套規范，導致公路征地拆遷面積大、工程量大，對自然環境破壞嚴重；二是隨意突破規范。部分設計人員安全意識薄弱，隨意選擇路線平、縱指標，導致公路在運營期間安全事故頻發。綜上，只有在地形受限制的路段才考慮突破規范值，并采取相應的安全保障措施。

1.2 山區公路影響因素

（1）地形因素。橫坡較陡時（＞1 ∶1.25）不利于路基穩定性，可能沿著地表整體滑移。路線走向要避開地形陡峭路段。同時，平原區公路的縱向地形對路線標高影響不大，山區公路的縱向地形起伏大，對路線標高影響較大。對于高填深挖路段，應對路基與橋梁或隧道開展綜合比選。

（2）地質因素。地質因素包括工程地質、水文地質等，會直接影響山區公路的安全性。對于地質條件復雜的區域，路線在設計前要開展全面的地質勘察，使路線盡量繞開不良地質區域，以免公路在運營期間產生各種地質災害。

（3）生態因素。山區公路在建設期間不可避免會破壞原有地形地貌，對周邊生態產生不利影響。為了響應國家綠色公路建設倡議，路線方案要盡量降低土石方規模，減少對周邊生態的破壞。

2 山區公路平、縱線形設計

2.1 路線設計步驟

山區公路路線設計是一個層層推進，不斷深入的過程，路線研究范圍不斷減小，工作內容由宏觀向微觀，大致可分為走廊帶選擇、路段方案比選、局部線位優化三個階。其中走廊帶選擇適用于工程可行性研究階段，是為了確定路線起點、終點、關鍵控制點等，在選擇走廊帶時可聽取行政主管部門的意見，但不宜盲從；路段方案比選是山區公路路線設計的關鍵，適用于初步設計階段，設計人員要結合現場初步勘測，對項目周邊的控制點進行進一步加密；局部線位優化適用于施工圖設計階段，各專業人員要對現場地形地貌、水文地質等進行詳盡地勘測，對局部不合理線形進行適當地優化。對于咨詢的單位意見和專家意見，要及時溝通，確實需要修改的，必須修正。

2.2 路線平、縱指標分類

山區公路路線設計指標可分成強制性和非強制性兩類。強制性指標在規范中用詞為“應”（見表1），對公路路線安全性影響大，在設計時不宜突破一般值。而非強制性主要影響路線美觀性和行車舒適性，在規范中用詞為“宜”。

2.3 平面線形指標選擇

平面線形設計就是對現場周邊地形、地貌、水文、地質環境、自然及礦產資源分布情況進行全面實地考察，以明確道路的基本走向，并選擇合理的指標值[3]。

（1）直線長度。山區公路的地形起伏大，直線大多布置在相鄰圓曲線之間，基本不會出現長直線，該文只討論其最短直線長度的取值。由規范可知，同向曲線間和反向圓曲線之間的最短直線長度要分別大于6V、2V，其中V表示公路設計速度。

（2）圓曲線半徑。山區公路圓曲線半徑不宜過大或過小，圓曲線半徑過大，會增加公路的征地拆遷面積；圓曲線半徑過小，車輛轉彎時受到的離心力大，容易出現側翻、滑移等事故，其最小半徑R應滿足式（1）[4]：

式中，V——設計速度（km/h）；μ——路面橫向力系數；i——超高橫坡（%）。

在實際項目中，山區公路圓曲線半徑參考值，見表2：

表2 圓曲線半徑參考值

2.4 縱斷面線形指標選擇

在縱斷面的設計中，至關重要的是確定變坡點的高程和位置，進而確定適宜的坡長、坡度和豎曲線（凹曲線和凸曲線），以確保公里路的縱坡平穩、起伏緩和。

（1）最小坡長。一般情況下，坡長是指山區公路縱斷面上相鄰變坡點之間的長度。為了確保車輛在行駛期間不顛簸，坡長不宜太小。山區公路設計速度為80 km/h、100 km/h、100 km/h時，坡長最小值不得小于200 m、250 m、300 m。

（2）最大縱坡。一般情況下，公路路線縱坡越大，行車安全性越差。比如在縱坡較大的上坡路段，駕駛員要頻繁換檔提高車輛動力；在縱坡較大的下坡路段，汽車的重力勢能轉化為動能，車速持續加快，司機需頻繁制動。鑒于此，該文以百萬車公里的事故率為評價指標，統計了多條山區公路在不同縱坡路段的平均事故率，并利用二次多項式函數擬合了山區公路縱坡坡度與事故率的關系，相關系數接近1，精確度滿足工程需求，如圖1所示。

圖1 山區公路事故率統計

由圖1 可知：山區公路縱坡坡度越大，事故率越高。當縱坡坡度小于5%，事故率變化不明顯；當縱坡坡度超過5%，事故率呈驟增趨勢，故建議山區公路在設計時路線最大縱坡坡度不超過5%。

（3）豎曲線。為保障山區公路線形平滑過渡，應當在縱坡變坡點處插入豎曲線（凹形豎曲線或凸形豎曲線）。由于豎曲線的前后坡差較小，在實際工程中一般將豎曲線視作圓曲線。需注意，在豎曲線變坡點處，應當遵循地勢，避免與相鄰的平曲線均采用極限值。

2.5 路線平、縱組合

（1）平縱組合原則。大量工程實踐表明，山區公路平、縱線形要從視線引導、合成坡度、平縱曲線均衡性等方面考慮，具體闡述如下：一是線形組合要保證線形平順，保證駕駛員視覺的連續性，緩解行車疲勞感和緊張感；二是合成坡度不宜過大或過小。合成坡度過大，車輛經過彎道時容易因離心力過大而產生側滑、側翻等事故，反之，不利于路面排水，易導致外側車道或硬路肩雨水滯留。合成坡度I和排水不暢路段S的計算可參考式（2）和式（3）；三是要確保平縱線形指標的均衡性，滿足“平包豎”，即平曲線半徑宜與豎曲線半徑重合，且前者長度要大于后者[5]。

式中，ih——超高橫坡（%）；i——縱坡（%），imin——規范允許的最小合成坡度（%）；L0——臨界長度（m）。

（2）平縱組合形式。目前，山區公路常見的平縱組合線形包括直直、直凹、直凸、平直、平凹、平凸等，不同平縱組合形式的特點總結見表3：

表3 山區公路路線平縱組合形式對比

3 山區公路線形設計其他要點

3.1 利用舊路優化路線

由于山區公路建設環境復雜且交通量不大，其投資金額通常受到限制。同時，山區的原始道路等級較低，多數屬于三、四級公路，路線總體沿山勢布設，埡口的選用十分合理，其工程規模已初具規模。為了提高線路通行能力和服務水平，在設計過程中應優先選擇那些建設難度較小、工程量相對較少的布線位置，以便于利用舊路對路線進行優化，降低施工難度和工作量，從而提高路線方案的經濟性。

3.2 避險車道設計

山區公路避險車道有上坡式、平坡式、下坡式等，其中上坡式避險車道能減緩車輛行駛速度，保證行車安全，應用較廣泛。避險車道的線形要與主線線形相協調，宜布置在直線路段，不宜布置在曲線路段，以保證駕駛員視線的不受遮擋。此外，山區公路避險車道的長度L需考慮設計速度、避險車道坡度等因素，見式（4）：

式中，μ——車輛輪胎與路面的摩擦因子，無量綱；i——避險車道坡度（%）。

3.3 路線方案比選

山區公路在設計時要初步擬定多條路線方案，并從技術、經濟、環境保護等方面進行綜合比選。在路線設計階段，要抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，選擇有代表性的路線方案比選指標，具體見表4。

表4 山區公路路線方案比選指標

3.4 路線安全性評價

車輛在山區公路上的運行速度與設計速度不一定完全相同，甚至相差較大，此時路線線形指標可能不滿足行車安全。為了解決這一問題，在路線設計階段要對路線線形開展安全性評價，一般用某一路段設計速度與運行速度的差值Δ 評價，當Δ ＜10 km/h、10 km/h ＜Δ ＜20 km/h、Δ ＞20 km/h 時，對應的路線線形安全性等級分別為好、較好、不良。

4 結論

該文總結了山區公路的路線設計原則，影響因素，平、縱指標選擇，平縱組合等，得到了以下幾個結論：

（1）山區公路在設計時應堅持安全性、經濟性、靈活性等原則。

（2）山區公路路線線形設計是分階段進行的，要嚴格遵守路線設計規范來選擇平、縱線形指標。

（3）山區公路平、縱線形要從視線引導、合成坡度、平縱曲線均衡性等方面綜合考慮，選擇合理的組合形式。除此之外，山區公路路線設計還要重視避險車道設計、路線方案比選、安全性評價等內容。