高速公路路线方案综合研究

陈晨

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司深圳分院，广东深圳518049）

1 引言

随着基础交通网络的持续完善，公路工程作为加强沿线文化交流与带动经济快速发展的重要工程，其建设规模日益扩大，同时，对建设和运营水平的控制也更加严格。尤其是高速公路，往往具有结构物布置困难，线形组合难度大等特点。如果路线设计方案选择不当，可能大幅度增加工程造价，并使驾驶员开车期间心理负担大，容易出现驾驶疲劳，导致严重的交通安全事故等。选择经济、合理、绿色的高速公路路线设计方案和技术指标已成为设计人员要解决的重要问题[1]。但是，目前设计人员在开展高速公路线形设计期间，仍以工程类比法为主，设计方案较保守，不能很好地依托项目具体特点来选择方案。因此，对高速公路路线方案进行综合性研究具有十分重要的意义。

2 高速公路选线影响因素分析

高速公路建设难度大，常受到环境、安全、技术等因素的综合影响[2]。

2.1 环境保护

高速公路工程的总体方案确定之前，应当进行深入细致的比选，不能盲目地追求高技术指标，走“先破坏后治理”的设计理念。而是应当将生态环保作为关键评价因素，尽量不破坏或少破坏原有生态环境，实现高速公路建设与和生态环境的协调统一。

2.2 与地形地质相协调

高速公路沿线的地质构造复杂，地质灾害频发，会对高速公路建设和运营造成严重影响。在开展路线设计前，需要全面勘察路线走廊带内的地质地形，根据地质条件确定路线走行，对特殊岩土或不良地质应尽可能地避让。同时，路线指标及构造物必须适应地形走势，减小填挖工程量，控制工程造价。

2.3 减少占地和征拆

山区耕地、水田等农业用地十分贫瘠，主要分布在山间平原或河谷阶地，同时，这些区域也是居民居住地。进行山区高速公路路线设计时，要严格保护土地红线，尽量不占用或少占用农业用地、减少拆迁工程量。

2.4 土石方平衡

高速公路设计时的最大难题是土石方数量大，且一般挖方工程量远大于填方工程量，会产生较多的弃方，并且高速公路沿线挖方与弃方不仅会破坏当地生态平衡，还可能导致水土流失问题。为了确保高速公路工程建设期间的土石方调配平衡，需要调整设计方案，例如，将填方高度大的路段改为桥梁方案、挖方深度大的路段选择隧道方案、减小边坡开挖坡率等。

3 高速公路路线线形方案设计

3.1 路线方案确定的基本步骤

高速公路的路线方案包括平面线形、纵断面线形及平纵组合3个内容。高速公路路线方案设计的基本步骤有全面布局、逐段安排、详细定线3个阶段[3]。具体阐述如下：

全面布局：高速公路项目参建各方的项目负责人应从宏观角度来共同确定公路路线走廊带，即按照规划文件的要求和地形地貌找出路线起点、终点和沿线重要控制点，并连接起来，可得到路线走向，然后明确公路技术等级、建设标准及其在交通网中起到的作用。

逐段安排：在路线全面布局完成的前提下，设计人员需要在对现场初步勘测的基础上将公路路线的控制点进一步加密，从而确保路线沿线各段的技术指标满足规范要求。

详细定线：公路各专业设计人员应对现场地形地貌、水文地质等条件进行详细勘测，并将纸上定线和实地勘测定线相结合，对不合理的路线进行适当优化。详细定线的关键是在重要的控制点间开展反复插点，在综合考虑平、纵、横指标及路线经济性的前提下定出道路中线。

3.2 平面线形设计

3.2.1 直线设计

直线是公路平面设计中应用较广泛的线形，当公路沿线区域平坦、障碍少时，优先考虑直线通过。为了确保交通安全，直线线形在布设时长度不宜过长也不宜过短。曲线间直线长度过短，会影响线形的连续性、美观性，并且会影响驾驶人员的视距，故JTG D20—2017《公路路线设计规范》要求：公路设计速度V超过60 km/h时，同向曲线间和反向曲线间的直线最小长度（以m计）分别以不小于设计速度（以km/h计）的6倍和2倍为宜。但是，山区，地形复杂，直线长度指标往往难以达到，如果强制满足规范，则必然会减小平曲线半径。结合多个山区高速项目的设计经验，如果车辆运行速度检验合格，可以适当降低曲线间的直线段长度（以m计）不得小于设计速度（以km/h计）的4倍为宜。

3.2.2 平曲线设计

高速公路平曲线包括圆曲线和缓和曲线，路线设计应重点关注圆曲线半径、长度和缓和曲线长度等技术指标的选择。

圆曲线半径：公路在需要改变方向的路段，往往应设计圆曲线来过渡。圆曲线上的行车安全性除了与自身重力有关，还会受到离心力的影响。离心力会使车辆出现向外侧滑移或倾覆的趋势，而离心力的大小与圆曲线半径的大小密切相关。即圆曲线半径越小，车辆受到的离心力越大，越不利于行车安全，故路线设计时，应当限制圆曲线最小半径[4]。高速公路工程圆曲线半径初步拟定可参考式（1）：

式中，F为车辆离心力，N；G为车辆重力，N；v为车辆设计速度，m/s；R为圆曲线半径，m；g为重力加速度，可取9.81 m/s2。在初步拟定平曲线半径之后，再与规范进行比较，条件允许时尽量取大值。

圆曲线长度：为了确保车辆平稳行驶，圆曲线长度不宜过短或过长。在选择平曲线长度时，应综合考虑路线转角、地形、设计速度、回旋线长度等因素，可参考表1。

表1 高速公路平曲线长度

缓和曲线长度：缓和曲线的作用主要是连接直线和圆曲线或半径不同的同向圆曲线，长度大小取决于其所需发挥的功能，如缓和曲线是为了方便车辆遵循行驶轨迹，其长度应满足3 s行程。

3.3 纵断面线形设计

3.3.1 坡长设计

汽车上坡期间，如果坡长过大，汽车行驶期间换挡频率高，可能会引起发动机发热，水箱温度上升，油耗增加，导致汽车熄火后溜。同时，上坡坡长较大会导致车辆以较低速度“压道”行驶，后者盲目超车引发安全事故。

汽车在下坡期间，如果坡长过大，车速会快速增加，车辆行驶期间的需持续踩制动器，会对刹车片造成严重磨损，影响车辆制动性能。此外，坡长不宜过短，否则会造成路线变坡点过多（纵向起伏），影响行车舒适度。因此，在开展高速公路路线设计时，必须对坡长严格控制，建议纵坡最小坡长在600～800 m，最大坡长（以m计）不能超过速度（以km/h计）的15倍为宜。

3.3.2 坡度设计

最小纵坡应满足路基排水要求，防止水渗进路基影响行车路基稳定性。对于挖方、设置边沟的低填方路段等，纵坡不得小于0.3%，其中在雨水充沛地区，纵坡不得小于0.5%。在干旱少雨地区，也可不限制最小纵坡。最大纵坡在确定时应综合考虑车辆爬坡能力、制动性能、油耗量等因素。

4 高速公路线设计方案评价

4.1 评价指标选择

高速公路路线设计方案评价的关键是选取合适的评价指标和评价方法。由上文可知，影响路线设计方案的因素较多，没有必要全部作为评价指标考虑进来，应分清主次，否则会大幅增加评价工作量和评价成本。高速公路路线设计方案评价可分为技术指标、经济指标、环境指标3类[5]，具体可参考表2。

表2 高速公路路线设计方案评价指标

4.2 评价方法

高速公路路线设计方案评价可采用价值分析法，该方法计算简单，适用性强，先根据指标的重要性程度来赋予单项指标相应的权重，再加权计算出高速公路路线方案的总价值，具体可按式（2）计算：

式中，V总为路线设计方案的总价值；wi为路线单项评价指标价值；vi为单项评价指标权重，权重大小可邀请多个相关领域的专家进行打分确定。

5 结论

本文详细分析了高速公路选线影响因素、平面和纵断面线形的设计方法及路线方案评价方法。主要得到了以下结论：

1）高速公路建设难度大，受到环境保护、与地形地质相协调、减少占地和征拆、土石方平衡等方面因素的影响。

2）高速公路路线方案设计包括全面布局、逐段安排、详细定线3个阶段，设计内容主要有直线、平曲线、坡长、坡度、竖曲线设计等。

3）高速公路路线设计方案评价指标有技术指标、经济指标、环境指标3类，可采用价值分析法进行评价。