山区低等级公路提升改造工程技术研究

范宗敏

(四川科辉工程设计研究有限责任公司,四川 德阳 618000)

0 引言

随着我国全面进入“十四五”经济快速发展期,为更好的服务乡村建设,巩固脱贫攻坚的全面胜利,实现乡村振兴战略、服务三农工作,山区低等级公路的提升改造是对其有力的保障。山区低等级公路的建设离不开土地征用、资金投入、环境保护。低等级公路通常是指三级路、四级路、等外级公路以及设计速度40 km/h的二级公路。在山区低等级公路的提升改造中,其旧路资源显得尤为宝贵,因此在对原低等级公路进行升级改造时,应尽量利用既有的旧路线位完成布线,以达到降低投资、节约耕地、减少拆迁的目的。基于该理念,在布线时为了尽量增加既有道路的利用率,往往会采用较低的设计指标以及质量欠佳的线型组合方式,这就可能导致车辆运行质量的下降。因此,在设计中应关注路线不良路段并采取相应的改善措施,以保证线形协调和行车安全。本文以某山区乡村公路提升改造为三级公路为例,根据山区的工程地质、水文地质条件及山区低等级公路的技术特点,阐述了山区低等级公路升级改造的基本原则或总体思想,论述了升级改造的形式与技术标准如何选择等一系列重要的技术问题,以及为其他相似工程提供参考和借鉴。

1 山区公路的工程地质与水文地质特点

2 山区低等级公路的技术特点

山区公路往往受到地形及地质条件的约束,路线设计时在平面上以适应既有地形为主。因此,除平曲线交点数量多外,还存在较多的小半径曲线;纵断面上,线形上下起伏,局部存在较大纵坡。山区农村公路虽然荷载等级较低,但由于缺少养护或养护不及时等情况的产生,往往路面破损相对较严重。交通量小,车辆运行速度较低,交通安全设施不完善,致使安全隐患加大。本项目原有农村公路的技术标准分析如表1,图1所示[1]。

表1 ××农村公路的主要技术指标

3 山区低等级公路升级改造的基本原则

由于既有道路的技术标准等级较低,落后的交通状况及安全隐患已制约了当地的经济发展。因此,推动既有道路的改造升级是必然的选择。但在升级改造过程中,应当具有全局意识,明确升级道路在既有路网结构中、乡镇规划中的地位及功能,从而可有效提高路网的综合效益;应当具备统筹意识,充分考虑到项目资金筹措、工期建设要求、工程建设条件、施工技术条件、营运养护等因素的影响,合理的选择升级改造形式及技术标准;应秉持可持续发展理念,就公路建设而言,主要体现在公路等级、技术标准要能满足未来交通增长的需求,投入与产出应相适应,应能促进经济与环境协同发展。基于上述理念,结合本项目的实际情况,现提出低等级公路实施升级改造时应当遵循的基本原则[2]:

1)根据项目建设场址条件(地形、地质、气象、水文条件等)与既有道路的现状,设计中应进行升级改造的多方案对比,在路线布设过程中应尽可能利用既有道路线位或荒山荒地,以节约耕地资源,减少征拆迁量,降低工程改造规模,最大限度的节省工程投资。

2)由于施工过程中不能中断交通,在布线时应综合考虑临时便道布置的可行性,还应充分考虑到减小施工对行车的干扰,做好与之匹配的交通组织设计。

3)在满足道路技术标准的前提下,对道路沿线地方政府提出的正当述求应尽量满足,结合地方实际状况,为当地的经济发展提供助力。

4)设计中应秉持生态优先的理念,从水环境、声环境、动植物资源保护、水土流失等多角度分析道路建设可能对其产生的不利影响,应尽量寻求公路建设与生态环境保护的平衡,从而建设既符合当下经济社会发展需要,又对未来发展预留适当空间的优质工程。

5)对既有道路的升级改造,应注重对道路全线的交通事故调查分析,从而准确把握既有道路自身存在缺陷,尤其是对平纵指标、平纵组合、视距等问题应保持较高的关注度。对存在安全隐患的路段应采取改进措施,避免在升级改造后既有的安全问题仍未得到妥善解决。

4 既有公路路线升级改造的技术方案研究

4.1 公路路线升级改造的基本方法

公路设计流程中最重要的设计环节应当是路线设计,因为路基路面工程、桥涵工程、边坡工程以及其他附属设施等都是在路线的基础上完成的。同时,在对既有公路路线改造升级时,应重视对既有路线走廊的利用,尽量提高既有道路的利用率,以降低工程投资。本项目公路路线升级改造中应重点考虑如下几个方面的内容:1)理顺既有线形,消除局部有安全隐患的路段;2)做到路线与自然相融合;3)线形顺畅、行车安全舒适;4)减少挖填数量,减少挡防工程,节约投资;5)减少征地拆迁;6)完善道路沿线的安防设施,以保证道路营运安全。要同时做到以上几点,对路线设计而言,其实是具有一定难度,如工程设计中经常遇到设计标准与工程投资、线位布设与环保要求等相互制约或相互矛盾的因素,常常需要在矛盾中做出选择。正因如此,在进行路线设计时,常常要求进行线位的多方案比选,通过对不同方案的各要素比对,以寻求一个相对合理的路线方案。

4.1.1 平面设计

1)圆曲线在平面设计中的运用。本项目主要以利用既有道路为主,既有道路存在着较多的小半径曲线,最小半径小于8 m,小于三级公路最小半径35 m有28处,在拟合既有道路线形的情况下,做到尽量以单侧加宽和有效的利用规范指标,不宜追求较高的线形指标。如本项目中考虑了卵型曲线设置3处,S型曲线16处,通过特殊的线形很好的解决了老路的利用率和减少对自然环境的破坏,同时也降低了工程造价。在此过程中,需要平衡处理既有道路的利用率、减少环境的破坏与行车安全之间的关系,应充分考虑到小半径导致的视距问题以及平纵坡组合可能导致的不利影响。

2)缓和曲线在平面设计中的运用。缓和曲线是道路平面设计中重要的要素之一,它的设定是使汽车转向操作的行驶轨迹及路线更为顺畅,缓和行车时因线形的突变和离心力的突然产生,使离心加速度逐渐变化,不致产生侧向冲击;同时缓和超高为汽车在超高变化的过渡段减少行车的震荡,缓和曲线的设置长度应满足超高加宽的过渡,同时也应随着圆曲线的半径增大而增长[1]32。

根据规范规定,高速公路、一级公路、二级公路、三级公路均应考虑设置缓和曲线,仅四级公路可以不设置缓和曲线,但应设置超高、加宽过渡段[1]32。本项目全线采用三级公路30 km/h设计速度。因此,全线均按要求设置缓和曲线,曲线设置缓和全线长度应满足以下要求:a.缓和曲线长度不得低于规范要求最小25 m。b.缓和曲线与圆曲线比不得小于1∶0.5∶1。c.缓和曲线长度应满足超高过渡段长度,同时尽量完成加宽过渡长度。d.缓和曲线参数应根据线形和圆曲线半径大小不同而设置。e.缓和曲线在不同的线形组合上进行设置时应充分考虑超高、加宽、视线、小转角等因素的关系。

3)直线在平面设计中的运用。直线是平面线形的基本要素之一,具有两点间直线最短的几何特性,但直线也有与地形的适应性相对较差以及线形单调的缺陷。因此,在利用直线布线和选择直线长度时应保持谨慎。规范规定:“直线长度不宜过长,受地形条件或其他特殊情况限制而采用长直线时,应结合沿线具体情况采取相应的技术措施。两圆曲线间直线相接时不宜过短,当设计速度不小于60 km/h时,同向圆曲线间最小直线长度以不小于设计速度的6倍为宜;反向圆曲线间的最小直线长度以不小于2倍为宜。”[1]31很明显,规范仅对设计速度不小于60 km/h的情况给出了具体要求,对设计速度小于60 km/h的情况并未给出明确的规定。因此,在设计中可根据具体情况而定,各省份给出的建议值也存在一定差异。

在本次项目的设计中,地形属于山区丘陵地形,高差相对较大,既有道路平面线形指标较差,且多处曲线径向衔接或短直线相接,如严格按照规范6V和2V控制又难以实现,如果为了满足直线长度去减小曲线或缓和曲线长度,降低技术标准,将会造成较大的安全隐患,甚至可能出现较大的工程量。以本项目K0+000—K1+500段为例,该段1.5 km范围内共设置了11个交点,其中同向曲线有4处,反向曲线3处,同向曲线设置均小于6V,反向曲线小于2V,该段路线依山而建,同时线路左侧建有居民用房,右侧为高差较大的陡崖和部分基本农田。因现场地形高差相对较大,同时存在居民房屋和群坟的情况,若将按照满足6V和2V的直线长度,会因为直线延伸的长度而增加防护工程量,同时将产生较大的征地拆迁工作,并且老路基本无法利用。若缩短直线距离,将两端采用曲线径向衔接,对北侧山体破坏较大,最大边坡约40 m,大大增加了防护工程量,同时可能诱发新的地质灾害点。同时,有文献认为:“驾驶人的反应时间分别由察觉、鉴别、激动、决断四部分时间组成,时间为2.5 s[3],同时结合我国现行技术规范对线元长度不小于3 s行程长度的规定要求。”[4]通过反复的分析论证,最终决定在该项目中采用同向圆曲线最短直线距离按不小于2V,反向按不小于1V控制曲线间的直线长度(见图2)。

4.1.2 纵断面设计

纵断面设计在整个项目中的作用与平面设计相辅相成,纵断面的设计好坏直接对整个项目的工程投资、环境影响、占地等有着直接的关系。如何灵活的运用纵断面设计即能少占地、填挖平衡、减少投资、对自然的破坏减少到最低,是本项目需要重要考虑的问题。本项目路线全长12.371 km,最高高程599.896 m,最低高程357.187 m,高差达242.709 m,通过对既有道路的纵断面拟合,发现最大纵坡为20.3%,大于10%的纵坡达到9处,位于10%～8%之间的纵坡多达18处,整个项目的特点可以说是高差大,连续上下坡路段长。根据规范规定:三级公路,其最大纵坡坡率不大于8%,最小坡长不得小于100 m,根据不同测坡度设置了最大的坡长,当大于对应坡率的坡长时,应设置不大于3%的缓坡段[1]42。当陡坡与小半径平面曲线相重叠时,宜采用较小的合成坡度。同时,规范还规定:在越岭路线连续上坡或下坡路段时,高差在200 m～500 m时,平均纵坡应不大于5.5%,且任意连续3 km路段的平均纵坡宜不大于5.5%的要求[1]42。因此,在纵断面设计过程中需要考虑上述问题,本项目纵断面设计中主要采取了以下解决方案:1)在项目选择平面设计时,以利用老路为基础,对于纵坡较大路段选择采用展线的方式来增大路线长度以消化纵坡。2)设置大纵坡路段时,尽量选择在曲线半径较大或直线段。3)结合区域地理环境情况,将最大超高横坡设置为6%。4)若无法避免有大纵坡路段与小半径平曲线相接时,将大纵坡设置在进入平曲线前,将缓坡段设置在小半径平曲线范围之内。5)调查全线水系和灌溉的需求,合理的将纵断面最低点设置在有排水需求或与自然水系及灌溉涵洞相结合处。

4.1.3 横断面设计

4.2 路线方案对比研究

道路沿线村镇一般沿旧路分布,路线升级改造的布线一般沿既有道路布置。因此,路线升级改造的路线方案比选方法与新建道路的路线比选方法有所不同。本项目的路线方案比选主要从技术指标、用地与拆迁、行车安全、工程造价、政府述求等方面进行详细对比。 以本项目K6+800—K10+100段(前进村境内)为例,该区域内共提出三条比选方案,分别为推荐线位K线、可研线位、比较线位B线,前期与乡相关政府沟通,乡政府明确提出不同意可研线位走向,主要原因由于可研线位主要以山腰布线,经过区域不能服务于当地群众,同时还大量占用当地较好的耕地(见图4)。因此,本次方案比较在结合当地乡镇府意见的情况下,不再对可研线位进行比较。

4.2.1 线位方案概述

1)B线方案。B线方案起于主线K6+800,采用绕左侧沿山腰线布线,由于B线K7+020—K8+300段高差较大,无法满足规范需求,故在K8+020—K8+300段设置回头曲线以满足高差需要,由于K8+345—K9+460段存在6根10 kV高压电杆,受高压电杆影响,无法展线,导致纵坡无法克服,故在K9+460—K9+740段设置回头曲线以满足高差的需要,并且沿线存在众多坟墓,结合当地政府以及建设单位要求,坟墓应尽量少拆迁,高压电杆需避让。因此,该段通样存在高挖方,并且由于沿线均为新建,基本无既有道路利用,路线全长2.943 27 km,见图4。

2)K线方案。K线(对应B线)方案起于主线 K6+800,通过沿既有村道布线前进约0.9 km,采用新建绕山岭左侧绕线以克服约45 m高差,绕线长度约1.88 km,止点K9+580。路线全长 2.783 56 km。

4.2.2 线位比选

K线(对应B线)方案和B线方案路线线位的比选主要围绕平纵指标及连续与均衡性、行车安全、用地与拆迁、工程造价、政府述求等五个方面进行。具体分析如下:

1)平纵指标及连续与均衡性。B线全路段长2.943 27 km,平面共设转角桩17个,平均每千米5.78个,平曲线占线路总长的62.95%,平曲线最小半径35 m/3个。纵面设变坡点21次,平均每千米变坡7.134次。最大纵坡7.933%/2处,最短坡长100 m/4处,最小凸型竖曲线半径450 m/1个,最小凹型竖曲线半径350 m/2个,竖曲线占路线总长度的38.2%。

K线(对应B线)全路段长2.783 56 km,平面共设转角桩15个,平均每千米5.38个,平曲线占线路总长的53.8%,平曲线最小半径45 m/2个。纵面设变坡点18次,平均每千米变坡6.46次。最大纵坡7.5%/1处,最短坡长100 m/1处,最小凸型竖曲线半径750 m/4个,最小凹型竖曲线半径500 m/3个,竖曲线占路线总长度的31.6%。

从平纵指标及连续与均衡性比较 K 线(对应B线)优于B线。

2)行车安全。B线沿村庄左侧山腰线布线,致使路线左侧为沿山,右侧临崖面,同时K7+020—K8+300和K9+460—K9+740两段高差相对较大,无法通过展线克服高差问题。因此,只能在有限的范围采用回头曲线实现相对高差的克服。同时该段路线最终的技术指标仅能满足现行要求的最低指标,同时存在下陡坡接入小半径圆的情况,存在一定的安全隐患。

K线(对应B线)沿村庄右侧布线,适当利用部分村道走廊,该段走廊主要沿旱地边缘布线,除经长约300 m沿山体布线,平面技术指标均采用规范一般值,纵坡较缓,无特殊线形。

从行车安全上比较 K 线(对应B线)优于B 线。

3)公路用地与拆迁。B线沿山体布线,沿线存在大量坟墓和部分房屋以及10 kV的高压电杆,通过现场实际调查走访,B线在满足现行规范的基本要求情况下,涉及到迁改坟墓15座,一栋2层砖混结构房屋1处和10 kV高压电杆2根。

K线(对应B线)沿村庄右侧布线,该段路线利用部分村道,新建部分沿旱地边缘通过,主要以占山地和部分旱地,沿线仅拆迁坟墓1座和废弃土房1处。

因此在拆迁方案比较 K 线优于 B线。

4)工程造价。两方案在工程规模及投资上K线优于B线。

5)地方政府意见。通过对本段区域内的拆迁、占地范围、建设成本、服务对象、对周边自然环境的破坏程度等情况综合对比,认为K线(对应B线)方案均优于B线方案,最终地方政府一致意见选择K线方案。

4.2.3 线位比选结论

该段道路位于丘陵区,地形地质需作为线位选择主要控制因素,在满足规范标准的前提下,路线选择主要考虑尽量减少拆迁建筑物,少占良田,且从有利于城镇经济发展考虑。通过多次的现场踏勘要讨论,最终推荐K线作为本次实施路线,详见表2[6]。

表2 工程投资规模比较表

5 结论

山区低等级道路的升级改造往往受到用地、拆迁、资金等多方面的因素限制,要求在满足使用功能和安全的前提下,应尽量做到节省投资、少占地、不拆迁、保护环境。因此,山区低等级道路的升级改造对提高既有道路的利用率就变得尤为重要。通过对实际项目的分析研究,提出了山区农村公路升级改造为三级路的分析与研究方法,并形成了以下主要研究结论:通过分析山区低等级公路的技术特点以及在升级改造过程中存在的问题,提出了针对山区低等级公路升级改造中技术指标选择方法以及提高既有道路的利用率的重要性,以期为山区其他低等级公路的升级改造提供参考与借鉴。