高原山区公路勘察设计与路线方案选择方法分析
来源：优秀文章 发布时间：2023-03-23 点击：
樊康义
（云南行一工程检测有限公司,云南 昆明 650500）
高原山区地质复杂、地势起伏大，选择公路路线方案时平纵指标受限因素多，布线自由度小，设计难度大。如果路线方案选择不合理，可能影响公路运营期间的行车安全性和舒适度。同时，路线方案是由若干个平纵横指标组成，不同指标对路线方案优劣的影响程度有较大差异。目前，国内外学者和工程技术人员也针对高原山区公路的勘察设计开展了一些研究，但尚未形成统一的学术理论来指导高原山区公路路线设计。因此，为了确保高原山区公路可靠、安全运营，进一步研究路线指标选择和方案比选方法具有十分重要的工程价值。
1.1 选线特点分析
和平原区相比，高原山区公路在选线时主要有以下特点[1]：一是高差大。在高原山区内穿梭的公路必须通过长距离展线克服高程障碍，从而产生越岭线、山腰线、傍山线等。此时，纵断面指标是路线方案的决定性因素，直接决定了工程项目的规模和投资。二是复杂性。高原山区地形、地质等错综复杂，且气候多变，公路路线方案比选的重点随路段而不断变化，比选难度大。三是反复性。高原山区公路选线难度大，对设计人员的综合能力要求高，路线方案可能随着设计阶段的不断深入和专家审查意见反复修改，甚至出现不同设计阶段路线方案相互否定的现象。
1.2 勘察设计原则
高原山区公路在选线时，不仅要满足公路的交通运输功能，还应确保公路与外界自然环境协调。高原山区公路在选线期间建议遵循以下原则[2]：
（1）安全性原则。高原山区公路的建设目标是使用者提供交通出行服务，选线时要综合考虑人、车辆、道路、外界环境、运营管理等因素。条件允许时，可适当提高路线技术指标，并采取主动或被动防护措施，消除公路运营期间的安全隐患。
（2）节约资源原则。高原山区公路地质情况不易查明，在勘测阶段，应加大人员和设备，准确识别可能发生的地质灾害，以免后期路线方案或特殊路基处治方案大变更。此外，高原山区公路选线的另一个困难是土石方量过大，且挖方工程量远大于填方工程量，导致大量废方无法利用，只能存放在弃土场内，会造成严重的资源浪费。
（3）环境保护原则。公路建设里程一般较长，在跨越山岭时不可避免地穿越森林、湿地生态系统、自然保护区、水资源保护区等生态系统。对于上述生态敏感型控制点，在选线阶段应加强识别，并结合环境评价专项报告采取相应的保护措施。
（4）综合比选原则。高原山区公路设计时可能有多种典型工程，如深路堑、隧道、高路堤、高边坡等，这些工程对路线总体方案和工程造价起着控制作用，应非常注重对典型工程的综合比选。
2.1 选线流程
高原山区公路选线是一个循序渐进过程，贯穿于整个设计阶段。随着设计阶段的持续深入，路线方案的研究范围也从大变小，研究深度从浅变深，研究内容由宏观变微观，从而提升路线设计质量，减少施工期间的设计变更，降低工程造价。
（1）走廊带选择。走廊带选择主要应用在公路的可行性研究阶段，以确定公路起点、关键控制点、终点及基本走向。在走廊带选择阶段，根据现场勘测资料和调查数据，选择多条路线方案同深度比较。比较应实事求是，不要有倾向，不刻意挑选无效方案来衬托推荐方案。
（2）路段方案比较。路段方案比较主要应用于高原山区公路的初步设计阶段，是在路线走廊带确定的条件下，选择路线细部控制点，完成路线总体布局，确定主要工程技术指标。路段方案比较是工作量最大，研究最深入，耗费时间和人力最大的选线阶段。
（3）局部线位优化。局部线位优化是高原山区公路路线方案选择的最后一步，主要应用于公路的施工图阶段。在局部线位优化阶段，设计人员应积极与咨询单位、专家沟通审查意见，确实有误的地方必须修改，以保证路线各项技术指标满足规范要求，提升路线方案的安全性和经济性。
2.2 平面线形指标
公路平面线形由直线、圆曲线、缓和曲线等组成。
直线段视野开阔，方向明确，车辆运行速度受直线长度影响大，但高原山区公路基本不会出现太长的直线；
圆曲线合理性与半径和转角影响较大，圆曲线半径和转角过小，驾驶员容易产生急转弯的错觉，突然减速易发生交通事故；
缓和曲线主要起到曲率过渡作用。
高原山区公路的圆曲线半径R、缓和曲线参数A可按以公式（1）~（2）计算：
式中，V——设计速度（km/h）；
μ——横向力系数，无量纲，与路面材料、轮胎质量等因素相关；
r——回旋线上某点曲率半径（m）；
l——回旋线某点到原点的曲线长（m）；
i合——合成坡度，由超高横坡和道路纵坡决定（%）。
2.3 纵断面线形指标
高原山区公路的纵断面线形指标（坡度、坡长、曲线半径等）反映了路线的纵向起伏，在设计时应考虑考虑土石方填挖平衡，尽量使线形服从地形。
（1）纵坡设计。根据相关研究成果，公路纵坡越大、坡长越长，其行车安全越不利，交通事故发生可能性越高。高原山区公路的最大纵坡值不仅要考虑车辆行驶安全性，还应考虑汽车的爬坡性能，比如在公路上坡路段，车辆一般需要降低挡位来提升动力，车辆的爬坡性能不同，降挡引起的速度衰减比例也不同，货车速度衰减会大于小客车，两者在上坡时可能互相干扰，影响行车安全性。
汽车的爬坡性能与高原山区公路纵坡i计算见公式（3）~（4）：
式中，λ——海拔修正系数；
T——汽车驱动力；
Fa——空气阻力；
G——车辆重力；
D——变量动力因素；
f——滚动摩擦力系数。
高原山区公路的最大坡长和最小坡长均可不做特殊要求，参考《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)取值即可。
（2）竖曲线设计。高原山区公路竖曲线包括凸曲线和凹曲线，合适的竖曲线半径、长度和形式可以确保变坡点位置平滑过渡，有效控制工程造价，提高行车安全性。不同设计速度下，高原山区公路竖曲线具体尺寸可参考表1：
表1 高原山区公路竖曲线半径和长度
2.4 平纵组合设计
高原山区公路在设计线形时不能单独考虑平面线形指标或纵断面线形指标，还要考虑平纵指标的搭配组合。结合相关研究成果，高原山区公路平曲线应包络竖曲线，即满足“平包纵”，此时竖曲线半径可取平曲线半径的10~20倍。
3.1 工程概况
以云南某山区公路为研究对象，利用“可靠度法”对路线方案进行比选。
该高速公路是省内交通网重要组成，沿线自然保护区、历史人文景观丰富，征地拆迁困难，导致永久征地和临时征地紧张。高速公路路线全长35.6 km，路线起讫桩号为K0+000~K35+600，设计速度为100 km/h，设计荷载为公路—I级，横断面为双向4车道，路基宽度27 m（其中中间带宽4.5 m，行车道宽2×2×3.75 m，硬路肩宽2×3 m，土路肩宽2×0.75 m），沥青路面结构厚72 cm。为打造高品质示范交通项目，组织大批骨干设计人员对路线方案进行比选。
3.2 可靠度法
高原山区公路的设计可靠度是指在运营期限内，在规定的交通条件下，公路安全性、适用性等满足规范要求的概率。高原山区公路的路线设计可靠度由若干个相互独立的参数决定，且这些参数大多属于随机变量。因此，路线设计可靠度可由路线设计参数在正常使用极限状态下的功能函数Z判定，见公式（5）：
式中，S——路线设计参数；
D——满足道路功能的路线参数。
如果Z＞0，表明路线设计参数满足功能要求；
Z=0，路线设计参数处于极限状态；
Z＜0，路线设计参数不满足功能要求，即路线设计方案失效。
失效概率P越低，路线方案越好。失效概率可利用一次二阶矩法计算，该方法适用性强，计算方法简单，且计算精度能满足工程需求。一次二阶矩法的计算要点是将“非线性功能函数线性化、非正态随机变量正态变化”。
3.3 路线方案比选
综合考虑沿线地形、地质条件、工程规模、施工条件、环境保护等因素，初步拟定了K线、A1线、A2线三条路线方案进行比选。其中，K线里程短，线形顺畅，占地面积和征拆规模较小，但是沿线有一座特大桥，施工难度大，后期运营成本高，且路线局部有“三角地”，降低农田利用率。比较线A1线和A2线的里程较长，无施工难度大的特大桥梁和长隧道，但局部平纵线形指标组合不良，占地面积较大，沿线经过生态敏感区，需设置油水分离池、声屏障、隔声窗等措施来减少高速公路运营对周边环境的影响。不同路线方案的可靠度指标和失效概率计算结果见表2：
表2 不同路段方案可靠度指标和失效概率
由表2计算结果可知，在高速公路运营期间，K线的可靠度指标最大，失效概率最小，A1和A2线的可靠度指标和失效概率相差不大，两者误差基本在10%以内，故可认为K线的设计方案最优，将K线作为推荐线。
3.4 路线方案安全性评价
高原山区公路路线的方案确定之后，需对其安全性进行检验，文章以视距和运行速度为评价指标。
（1）视距检验。高原山区公路的每个车道都必须有足够的行车视距，以确保司机能全面察觉前方路面的障碍物，并及时采取应对措施，以免出现交通事故。行车视距不仅受到平、纵线形指标的影响，还与路侧边坡、护栏等遮挡物有关。
高原山区公路的行车视距计算可根据图1所示的空间两点通视原理，计算结果就是某一运行速度下在司机视角所能看到的最远距离。
图1 空间两点通视原理
（2）运行速度检验。车辆在山区公路的实际运行速度与交通量、外界环境、车辆性能、驾驶人心理等因素相关，并不一定等于设计速度。如运行速度和设计速度之间差值较大，路线设计参数可能无法满足行车要求。根据《公路项目安全性评价规范》（JTG B05—2015），可利用相邻路段（平面线形指标和纵断面线形指标差别较大的路段）运行速度差值ΔV85对路线协调性进行评价，找出存在安全隐患的路段。ΔV85＜10 km/h、10 km/h＜ΔV85＜20 km/h、ΔV85＞20 km/h所对应运行速度协调性等级分别为协调性好、较好、不良。
在检查路线协调性前，按圆曲线半径和纵坡大小共划分18个评价单元，编号为1#路段~20#路段。不同路段的ΔV85计算结果见图2。
图2 相邻路段运行速度的差值
由图2计算结果可知：ΔV85绝对值的最大值为21 km/h，最小值为3 km/h。同时，ΔV＞20 km/h、10 km/h＜ΔV＜20 km/h、＜10 km/h的路段分别有1个、3个和14个。该山区公路大部分路段的运行速度均属于协调性好或较好，占比94.4%；
只有5#路段运行速度协调性不良，占比为5.6%。
文章研究了高原山区公路选线特点、设计原则、平纵指标选择、路线方案比选方法等，主要得到以下结论：①高原山区公路具有高差大、复杂性、反复性等特点，在勘察设计时建议遵循安全性、节约资源、环境保护、综合比选的原则；
②高原山区公路的选线包括走廊带选择、路段方案比较、局部线位优化三个阶段；
③高原山区公路的平纵线形指标选择应参照设计规范，满足“平包纵”；
④建议采用可靠度法对路线方案进行比选，确定路线方案后还应检验其视距和运行速度。