山区高速公路线形优化设计研究

沈翔

（中交铁道（武汉）建设科技有限公司，武汉430056）

1 引言

随着基础交通设施网络不断完善，越来越多的公路工程开始向山地区域扩展。山区公路具有地质条件复杂、地势起伏大、造价高等特点，导致选线较为困难，设计质量难以得到有效控制。如果线形方案选择不合理，可能造成大量的高填深挖路段、地质灾害，并对原有环境产生破坏，严重影响后期的行车安全和行车舒适度[1]。鉴于此，越来越多的学者开始通过研究山区公路路线设计，并取得了一些有价值的研究成果。但是，工程技术人员在山区高速公路设计时仍以工程类比法为主，对山区公路的特点和影响因素的理解不透彻，选择的设计方案偏于保守，造成一定的资源浪费。因此，研究山区高速公路线形优化设计具有十分重要的工程意义。

2 山区高速公路特点

2.1 地域性差异大

山区高速公路是一种三维线状结构物，且路线长度一般较长，沿线不同区域的气候、水文、地质条件等可能存在较大的差异[2]。如海拔较高的山区，山体迎风面受冷空气影响严重，容易出现积雪、结冰等现象；降雨量大小也会因山区岩土体物理力学性能、路基边坡稳定性产生影响，一般降雨量大的区域山体出现滑坡、泥石流等可能性较大，这些因素都会影响高速公路的选线设计。

2.2 线形组合复杂

山区高速公路线形组合较复杂，平面线形以缓和曲线和圆曲线为主，直线较少，纵断面坡度变化幅度较大，一般在4%～10%。在对高速公路的平面和纵断面线形进行组合时，很多指标无法达到JTG D20—2017《公路路线设计规范》的要求。

2.3 施工难度大

山区公路施工难度较大，高等级公路需要挖掘隧道、建设桥梁以连接各段公路。岩体强度越大，山体开挖难度越大。山区河流湍急，沟谷深切，一般采用斜拉桥、高桥等设计来确保桥梁的稳定性。部分山区，大型机器很难进入，安全防护措施难以实施，公路施工难度大。

2.4 车流量变化大

山区高速公路作为促进沿线经济发展和区域交流的重要基础设施，交通量较大，交通流以轿车、客运车等为主（占交通流的85%以上）。尤其是节假日期间，由于政府的免费通行政策，道路车流量可能急剧增加，从而使得道路处于超负荷运营状态，容易出现大面积拥堵现象。

3 山区高速公路选线影响因素及优化设计原则

3.1 线形设计影响因素

山区高速公路的线形设计所涉及的专业广泛，影响因素复杂，必须综合考虑[3]。

3.1.1 公路使用性质

高速公路建设的目的是为车辆通行服务，使用性质决定了其在交通网络中的地位，直接影响了路面走廊带、中间控制点及技术指标的选择。

3.1.2 地形地质

山区地形复杂，高速公路路线一般表现为“弯多坡陡”形式，这就使得土石方开挖及边坡防护工程量大。同时，山区地质条件复杂，可能遇见各种滑坡、泥石流等不良地质，这些不良地质会严重影响高速公路在运营期间的安全性。因此，在进行高速公路选线时遇到高填深挖或不良地质路段应以避让为原则，如无法避让，可将路基方案与桥梁或隧道方案进行比选。

3.1.3 生态环境

传统的高速公路线形设计时，对沿线生态重视程度不够，可能出现占用野生动植物栖息地、破坏绿化造成水土流失，污染水系，影响农作物生长等现象。随着国家对工程建设期间的节能环保越来越重视，高速公路在选线时也应当以不破坏当地的生态环境为基本原则。

3.1.4 社会环境

山区高速公路线形设计时必须从宏观上充分考虑社会环境，避免线形方案影响当地的经济发展和居民的生活水平。在选线之前，必须对高速公路沿线的基础设施、房屋建筑、历时文化景观等进行现场调研，并作为基础资料，参与后期的路线方案论证。

3.2 线形优化设计原则

山区高速公路线形方案优化设计时应将其视为一个整体，并依照其目标、结构、属性选择有效的评价方法来展开全面性评价，以得到最佳线形组合方案。山区高速公路线形优化设计原则如下[4]：（1）选线时尽量确保工程量小、造价低，利于施工与养护，但是也不能片面地追求成本，而忽视其他的指标；（2）线形优化设计过程中应当加强对平、纵、横断面的合理组合，尽可能保证各个断面平顺圆滑；（3）加强环保意识，尽可能减少对沿线的破坏与污染；（4）选线应当与周围景观的协调性保持一致。

4 山区高速公路线形优化设计要点分析

4.1 线形设计基本步骤

山区高速公路线形设计包括全面布局、逐段安排、详细定线3个阶段，具体阐述如下[5]：（1）全面布局。山区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，并明确公路技术等级、建设标准及其在旅游区交通网中起到的作用。（2）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。（3）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。

4.2 平面线形设计

相对于平原区域而言，山地高速公路平面定线影响因素更加复杂，且受到地形、周边道路等限制较大。山区高速公路在选线时首先应尽量顺应地势，减少高填深挖路段的出现，降低土石方量，如果部分线形指标难以满足规范要求，可进行适当放宽。

如果路线遇到历史古迹或自然景观，应尽量选择绕避方式。确实无法绕避的路段，应邀请相关领域的专家进行论证，方案论证合格后方可采用。

山地高速公路直线段较少，大多数路段线形是采用圆曲线和缓和曲线组合。为了提高行车安全性，应优先选择大半径曲线。如果必须采用小半径曲线时，既要避免长直线接小半径圆曲线，还应避免长陡坡接小半径圆曲线。

4.3 纵断面线形设计

山地高速公路纵断面设计的关键是确定变坡点高程和变坡点位置，然后确定合适的坡长、坡度及竖曲线（凹曲线和凸曲线），以确保公里路纵坡均匀平顺、起伏缓和[6]。

山地高速公路坡度和坡长必须要保证行车安全，不要拘泥于规范中的最大纵坡和最小纵坡，其中最大纵坡应满足车辆爬升能力，不出现侧滑现象；最小纵坡应确保道路排水顺畅，路面不得积水。

山地高速公路竖曲线变坡点位置应当沿着地势，不得与相邻的平曲线同时采用极限值，同时避免凸型竖曲线顶部和反向平曲线拐点重合，否则会使驾驶人的视距变差，并造成严重的心理负担。

4.4 平纵组合设计

山区高速公路线形方案优化设计时应将其视为一个整体，并依照其目标、结构、属性选择有效的评价方法来展开全面性评价，以得到最佳线形组合方案。为了确保山区高速公路行车安全性，必须深入了解各种平纵线形组合的基本特征，避免不良路段的出现。笔者结合多年工程经验提出了山区高速公路设计时的常用线形及不良线形，见表1[7]。

表1 山区高速公路线形组合特点

4.5 避险车道线形设计

山区高速公路在运营期间，车辆行驶速度快，地形复杂，容易引发车辆制动失灵等问题，很有必要设置避险车道。避险车道应当综合考虑主线坡长、坡度、平曲线半径、平均日交通量、重载车辆百分比、与居民点距离、与收费站距离等因素。

1）避险车道线形

山区高速公路避险车道线形必须与与之连接的主线的线形相互协调，以保证车辆安全驶入避险车道。避险车道的线形首先应能保证驾驶人的视野，车道线形应以直线为主，尽量不在圆曲线路段设计避险车道。这是因为车辆行驶在曲线路段会产生较大离心力，引起车辆侧翻事故。

2）避险车道长度

山区高速公路避险车道长度计算应综合考虑车辆极限速度、车道材料、车道坡度、受力情况等参数。由《公路安全保障工程实施技术指南》可知，山区公路避险车道长度S计算公式如式（1）：

式中，i为避险车道坡度，（°）；v为行车速度，km/h；μ为车辆轮胎和避险车道的摩擦系数，与车道材料类型有关。

5 山区高速公路线形优化设计方案评价

5.1 评价指标体系

山区高速公路线形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。山区高速公路路线优化设计方案评价指标如表2所示。

表2 山区高速公路线形评价指标

5.2 评价方法

山区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，再加权计算出公路避险车道的总价值。其中单项评价指标权重，可邀请相关领域的专家进行打分得到。具体可按式（2）计算：

式中，V为路线方案的总价值；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。

6 结语

本文分析了山区高速公路的线形设计影响因素、设计要点及方案评价方法，主要得到以下几个方面的结论：（1）山区高速公路线形设计复杂，受到公路使用性质、地形地质、生态环境、社会环境等因素的影响；（2）山区高速在选线时应尽量顺应地势，平面线形以圆曲线和缓和曲线组合为主，纵断面线形设计主要是确定合适的坡长、坡度及竖曲线；（3）山区高速公路平纵线形组合时应根据其目标、结构、属性选择最佳线形组合方案；（4）山区高速公路线形优化设计方案可采用价值分析法进行评价。