山區低等級公路提升改造工程技術研究

范宗敏

(四川科輝工程設計研究有限責任公司,四川 德陽 618000)

0 引言

隨著我國全面進入“十四五”經濟快速發展期,為更好的服務鄉村建設,鞏固脫貧攻堅的全面勝利,實現鄉村振興戰略、服務三農工作,山區低等級公路的提升改造是對其有力的保障。山區低等級公路的建設離不開土地征用、資金投入、環境保護。低等級公路通常是指三級路、四級路、等外級公路以及設計速度40 km/h的二級公路。在山區低等級公路的提升改造中,其舊路資源顯得尤為寶貴,因此在對原低等級公路進行升級改造時,應盡量利用既有的舊路線位完成布線,以達到降低投資、節約耕地、減少拆遷的目的。基于該理念,在布線時為了盡量增加既有道路的利用率,往往會采用較低的設計指標以及質量欠佳的線型組合方式,這就可能導致車輛運行質量的下降。因此,在設計中應關注路線不良路段并采取相應的改善措施,以保證線形協調和行車安全。本文以某山區鄉村公路提升改造為三級公路為例,根據山區的工程地質、水文地質條件及山區低等級公路的技術特點,闡述了山區低等級公路升級改造的基本原則或總體思想,論述了升級改造的形式與技術標準如何選擇等一系列重要的技術問題,以及為其他相似工程提供參考和借鑒。

1 山區公路的工程地質與水文地質特點

2 山區低等級公路的技術特點

山區公路往往受到地形及地質條件的約束,路線設計時在平面上以適應既有地形為主。因此,除平曲線交點數量多外,還存在較多的小半徑曲線;縱斷面上,線形上下起伏,局部存在較大縱坡。山區農村公路雖然荷載等級較低,但由于缺少養護或養護不及時等情況的產生,往往路面破損相對較嚴重。交通量小,車輛運行速度較低,交通安全設施不完善,致使安全隱患加大。本項目原有農村公路的技術標準分析如表1,圖1所示[1]。

表1 ××農村公路的主要技術指標

3 山區低等級公路升級改造的基本原則

由于既有道路的技術標準等級較低,落后的交通狀況及安全隱患已制約了當地的經濟發展。因此,推動既有道路的改造升級是必然的選擇。但在升級改造過程中,應當具有全局意識,明確升級道路在既有路網結構中、鄉鎮規劃中的地位及功能,從而可有效提高路網的綜合效益;應當具備統籌意識,充分考慮到項目資金籌措、工期建設要求、工程建設條件、施工技術條件、營運養護等因素的影響,合理的選擇升級改造形式及技術標準;應秉持可持續發展理念,就公路建設而言,主要體現在公路等級、技術標準要能滿足未來交通增長的需求,投入與產出應相適應,應能促進經濟與環境協同發展。基于上述理念,結合本項目的實際情況,現提出低等級公路實施升級改造時應當遵循的基本原則[2]:

1)根據項目建設場址條件(地形、地質、氣象、水文條件等)與既有道路的現狀,設計中應進行升級改造的多方案對比,在路線布設過程中應盡可能利用既有道路線位或荒山荒地,以節約耕地資源,減少征拆遷量,降低工程改造規模,最大限度的節省工程投資。

2)由于施工過程中不能中斷交通,在布線時應綜合考慮臨時便道布置的可行性,還應充分考慮到減小施工對行車的干擾,做好與之匹配的交通組織設計。

3)在滿足道路技術標準的前提下,對道路沿線地方政府提出的正當述求應盡量滿足,結合地方實際狀況,為當地的經濟發展提供助力。

4)設計中應秉持生態優先的理念,從水環境、聲環境、動植物資源保護、水土流失等多角度分析道路建設可能對其產生的不利影響,應盡量尋求公路建設與生態環境保護的平衡,從而建設既符合當下經濟社會發展需要,又對未來發展預留適當空間的優質工程。

5)對既有道路的升級改造,應注重對道路全線的交通事故調查分析,從而準確把握既有道路自身存在缺陷,尤其是對平縱指標、平縱組合、視距等問題應保持較高的關注度。對存在安全隱患的路段應采取改進措施,避免在升級改造后既有的安全問題仍未得到妥善解決。

4 既有公路路線升級改造的技術方案研究

4.1 公路路線升級改造的基本方法

公路設計流程中最重要的設計環節應當是路線設計,因為路基路面工程、橋涵工程、邊坡工程以及其他附屬設施等都是在路線的基礎上完成的。同時,在對既有公路路線改造升級時,應重視對既有路線走廊的利用,盡量提高既有道路的利用率,以降低工程投資。本項目公路路線升級改造中應重點考慮如下幾個方面的內容:1)理順既有線形,消除局部有安全隱患的路段;2)做到路線與自然相融合;3)線形順暢、行車安全舒適;4)減少挖填數量,減少擋防工程,節約投資;5)減少征地拆遷;6)完善道路沿線的安防設施,以保證道路營運安全。要同時做到以上幾點,對路線設計而言,其實是具有一定難度,如工程設計中經常遇到設計標準與工程投資、線位布設與環保要求等相互制約或相互矛盾的因素,常常需要在矛盾中做出選擇。正因如此,在進行路線設計時,常常要求進行線位的多方案比選,通過對不同方案的各要素比對,以尋求一個相對合理的路線方案。

4.1.1 平面設計

1)圓曲線在平面設計中的運用。本項目主要以利用既有道路為主,既有道路存在著較多的小半徑曲線,最小半徑小于8 m,小于三級公路最小半徑35 m有28處,在擬合既有道路線形的情況下,做到盡量以單側加寬和有效的利用規范指標,不宜追求較高的線形指標。如本項目中考慮了卵型曲線設置3處,S型曲線16處,通過特殊的線形很好的解決了老路的利用率和減少對自然環境的破壞,同時也降低了工程造價。在此過程中,需要平衡處理既有道路的利用率、減少環境的破壞與行車安全之間的關系,應充分考慮到小半徑導致的視距問題以及平縱坡組合可能導致的不利影響。

2)緩和曲線在平面設計中的運用。緩和曲線是道路平面設計中重要的要素之一,它的設定是使汽車轉向操作的行駛軌跡及路線更為順暢,緩和行車時因線形的突變和離心力的突然產生,使離心加速度逐漸變化,不致產生側向沖擊;同時緩和超高為汽車在超高變化的過渡段減少行車的震蕩,緩和曲線的設置長度應滿足超高加寬的過渡,同時也應隨著圓曲線的半徑增大而增長[1]32。

根據規范規定,高速公路、一級公路、二級公路、三級公路均應考慮設置緩和曲線,僅四級公路可以不設置緩和曲線,但應設置超高、加寬過渡段[1]32。本項目全線采用三級公路30 km/h設計速度。因此,全線均按要求設置緩和曲線,曲線設置緩和全線長度應滿足以下要求:a.緩和曲線長度不得低于規范要求最小25 m。b.緩和曲線與圓曲線比不得小于1∶0.5∶1。c.緩和曲線長度應滿足超高過渡段長度,同時盡量完成加寬過渡長度。d.緩和曲線參數應根據線形和圓曲線半徑大小不同而設置。e.緩和曲線在不同的線形組合上進行設置時應充分考慮超高、加寬、視線、小轉角等因素的關系。

3)直線在平面設計中的運用。直線是平面線形的基本要素之一,具有兩點間直線最短的幾何特性,但直線也有與地形的適應性相對較差以及線形單調的缺陷。因此,在利用直線布線和選擇直線長度時應保持謹慎。規范規定:“直線長度不宜過長,受地形條件或其他特殊情況限制而采用長直線時,應結合沿線具體情況采取相應的技術措施。兩圓曲線間直線相接時不宜過短,當設計速度不小于60 km/h時,同向圓曲線間最小直線長度以不小于設計速度的6倍為宜;反向圓曲線間的最小直線長度以不小于2倍為宜。”[1]31很明顯,規范僅對設計速度不小于60 km/h的情況給出了具體要求,對設計速度小于60 km/h的情況并未給出明確的規定。因此,在設計中可根據具體情況而定,各省份給出的建議值也存在一定差異。

在本次項目的設計中,地形屬于山區丘陵地形,高差相對較大,既有道路平面線形指標較差,且多處曲線徑向銜接或短直線相接,如嚴格按照規范6V和2V控制又難以實現,如果為了滿足直線長度去減小曲線或緩和曲線長度,降低技術標準,將會造成較大的安全隱患,甚至可能出現較大的工程量。以本項目K0+000—K1+500段為例,該段1.5 km范圍內共設置了11個交點,其中同向曲線有4處,反向曲線3處,同向曲線設置均小于6V,反向曲線小于2V,該段路線依山而建,同時線路左側建有居民用房,右側為高差較大的陡崖和部分基本農田。因現場地形高差相對較大,同時存在居民房屋和群墳的情況,若將按照滿足6V和2V的直線長度,會因為直線延伸的長度而增加防護工程量,同時將產生較大的征地拆遷工作,并且老路基本無法利用。若縮短直線距離,將兩端采用曲線徑向銜接,對北側山體破壞較大,最大邊坡約40 m,大大增加了防護工程量,同時可能誘發新的地質災害點。同時,有文獻認為:“駕駛人的反應時間分別由察覺、鑒別、激動、決斷四部分時間組成,時間為2.5 s[3],同時結合我國現行技術規范對線元長度不小于3 s行程長度的規定要求。”[4]通過反復的分析論證,最終決定在該項目中采用同向圓曲線最短直線距離按不小于2V,反向按不小于1V控制曲線間的直線長度(見圖2)。

4.1.2 縱斷面設計

縱斷面設計在整個項目中的作用與平面設計相輔相成,縱斷面的設計好壞直接對整個項目的工程投資、環境影響、占地等有著直接的關系。如何靈活的運用縱斷面設計即能少占地、填挖平衡、減少投資、對自然的破壞減少到最低,是本項目需要重要考慮的問題。本項目路線全長12.371 km,最高高程599.896 m,最低高程357.187 m,高差達242.709 m,通過對既有道路的縱斷面擬合,發現最大縱坡為20.3%,大于10%的縱坡達到9處,位于10%～8%之間的縱坡多達18處,整個項目的特點可以說是高差大,連續上下坡路段長。根據規范規定:三級公路,其最大縱坡坡率不大于8%,最小坡長不得小于100 m,根據不同測坡度設置了最大的坡長,當大于對應坡率的坡長時,應設置不大于3%的緩坡段[1]42。當陡坡與小半徑平面曲線相重疊時,宜采用較小的合成坡度。同時,規范還規定:在越嶺路線連續上坡或下坡路段時,高差在200 m～500 m時,平均縱坡應不大于5.5%,且任意連續3 km路段的平均縱坡宜不大于5.5%的要求[1]42。因此,在縱斷面設計過程中需要考慮上述問題,本項目縱斷面設計中主要采取了以下解決方案:1)在項目選擇平面設計時,以利用老路為基礎,對于縱坡較大路段選擇采用展線的方式來增大路線長度以消化縱坡。2)設置大縱坡路段時,盡量選擇在曲線半徑較大或直線段。3)結合區域地理環境情況,將最大超高橫坡設置為6%。4)若無法避免有大縱坡路段與小半徑平曲線相接時,將大縱坡設置在進入平曲線前,將緩坡段設置在小半徑平曲線范圍之內。5)調查全線水系和灌溉的需求,合理的將縱斷面最低點設置在有排水需求或與自然水系及灌溉涵洞相結合處。

4.1.3 橫斷面設計

4.2 路線方案對比研究

道路沿線村鎮一般沿舊路分布,路線升級改造的布線一般沿既有道路布置。因此,路線升級改造的路線方案比選方法與新建道路的路線比選方法有所不同。本項目的路線方案比選主要從技術指標、用地與拆遷、行車安全、工程造價、政府述求等方面進行詳細對比。 以本項目K6+800—K10+100段(前進村境內)為例,該區域內共提出三條比選方案,分別為推薦線位K線、可研線位、比較線位B線,前期與鄉相關政府溝通,鄉政府明確提出不同意可研線位走向,主要原因由于可研線位主要以山腰布線,經過區域不能服務于當地群眾,同時還大量占用當地較好的耕地(見圖4)。因此,本次方案比較在結合當地鄉鎮府意見的情況下,不再對可研線位進行比較。

4.2.1 線位方案概述

1)B線方案。B線方案起于主線K6+800,采用繞左側沿山腰線布線,由于B線K7+020—K8+300段高差較大,無法滿足規范需求,故在K8+020—K8+300段設置回頭曲線以滿足高差需要,由于K8+345—K9+460段存在6根10 kV高壓電桿,受高壓電桿影響,無法展線,導致縱坡無法克服,故在K9+460—K9+740段設置回頭曲線以滿足高差的需要,并且沿線存在眾多墳墓,結合當地政府以及建設單位要求,墳墓應盡量少拆遷,高壓電桿需避讓。因此,該段通樣存在高挖方,并且由于沿線均為新建,基本無既有道路利用,路線全長2.943 27 km,見圖4。

2)K線方案。K線(對應B線)方案起于主線 K6+800,通過沿既有村道布線前進約0.9 km,采用新建繞山嶺左側繞線以克服約45 m高差,繞線長度約1.88 km,止點K9+580。路線全長 2.783 56 km。

4.2.2 線位比選

K線(對應B線)方案和B線方案路線線位的比選主要圍繞平縱指標及連續與均衡性、行車安全、用地與拆遷、工程造價、政府述求等五個方面進行。具體分析如下:

1)平縱指標及連續與均衡性。B線全路段長2.943 27 km,平面共設轉角樁17個,平均每千米5.78個,平曲線占線路總長的62.95%,平曲線最小半徑35 m/3個。縱面設變坡點21次,平均每千米變坡7.134次。最大縱坡7.933%/2處,最短坡長100 m/4處,最小凸型豎曲線半徑450 m/1個,最小凹型豎曲線半徑350 m/2個,豎曲線占路線總長度的38.2%。

K線(對應B線)全路段長2.783 56 km,平面共設轉角樁15個,平均每千米5.38個,平曲線占線路總長的53.8%,平曲線最小半徑45 m/2個。縱面設變坡點18次,平均每千米變坡6.46次。最大縱坡7.5%/1處,最短坡長100 m/1處,最小凸型豎曲線半徑750 m/4個,最小凹型豎曲線半徑500 m/3個,豎曲線占路線總長度的31.6%。

從平縱指標及連續與均衡性比較 K 線(對應B線)優于B線。

2)行車安全。B線沿村莊左側山腰線布線,致使路線左側為沿山,右側臨崖面,同時K7+020—K8+300和K9+460—K9+740兩段高差相對較大,無法通過展線克服高差問題。因此,只能在有限的范圍采用回頭曲線實現相對高差的克服。同時該段路線最終的技術指標僅能滿足現行要求的最低指標,同時存在下陡坡接入小半徑圓的情況,存在一定的安全隱患。

K線(對應B線)沿村莊右側布線,適當利用部分村道走廊,該段走廊主要沿旱地邊緣布線,除經長約300 m沿山體布線,平面技術指標均采用規范一般值,縱坡較緩,無特殊線形。

從行車安全上比較 K 線(對應B線)優于B 線。

3)公路用地與拆遷。B線沿山體布線,沿線存在大量墳墓和部分房屋以及10 kV的高壓電桿,通過現場實際調查走訪,B線在滿足現行規范的基本要求情況下,涉及到遷改墳墓15座,一棟2層磚混結構房屋1處和10 kV高壓電桿2根。

K線(對應B線)沿村莊右側布線,該段路線利用部分村道,新建部分沿旱地邊緣通過,主要以占山地和部分旱地,沿線僅拆遷墳墓1座和廢棄土房1處。

因此在拆遷方案比較 K 線優于 B線。

4)工程造價。兩方案在工程規模及投資上K線優于B線。

5)地方政府意見。通過對本段區域內的拆遷、占地范圍、建設成本、服務對象、對周邊自然環境的破壞程度等情況綜合對比,認為K線(對應B線)方案均優于B線方案,最終地方政府一致意見選擇K線方案。

4.2.3 線位比選結論

該段道路位于丘陵區,地形地質需作為線位選擇主要控制因素,在滿足規范標準的前提下,路線選擇主要考慮盡量減少拆遷建筑物,少占良田,且從有利于城鎮經濟發展考慮。通過多次的現場踏勘要討論,最終推薦K線作為本次實施路線,詳見表2[6]。

表2 工程投資規模比較表

5 結論

山區低等級道路的升級改造往往受到用地、拆遷、資金等多方面的因素限制,要求在滿足使用功能和安全的前提下,應盡量做到節省投資、少占地、不拆遷、保護環境。因此,山區低等級道路的升級改造對提高既有道路的利用率就變得尤為重要。通過對實際項目的分析研究,提出了山區農村公路升級改造為三級路的分析與研究方法,并形成了以下主要研究結論:通過分析山區低等級公路的技術特點以及在升級改造過程中存在的問題,提出了針對山區低等級公路升級改造中技術指標選擇方法以及提高既有道路的利用率的重要性,以期為山區其他低等級公路的升級改造提供參考與借鑒。