淺析低等級(jí)山區(qū)公路靈活性設(shè)計(jì)

周 寧

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市300381）

1 概述

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，中國(guó)公路建設(shè)也取得了令世人矚目的成就。但公路建設(shè)中不可避免地對(duì)自然、人文環(huán)境造成了不同程度的破壞。如何做到靈活設(shè)計(jì)，使公路安全、舒適、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)，并最大限度地保護(hù)環(huán)境，已越來(lái)越成為公路設(shè)計(jì)人員需要考慮的問(wèn)題。

本文依托某山區(qū)旅游公路，結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的若干問(wèn)題，嘗試對(duì)公路平、縱斷設(shè)計(jì)過(guò)程中的靈活性進(jìn)行分析。

2 工程概況

某山區(qū)旅游公路位于太行山東翼南段，屬黃土高原的一部分，以中等構(gòu)造剝蝕侵蝕山地為主。該公路原為四級(jí)公路，現(xiàn)升級(jí)改造為三級(jí)公路，全長(zhǎng)18.201 km，路基寬度7.5 m。

通過(guò)在地形圖上對(duì)舊路擬合，現(xiàn)狀路線平曲線共有105處，平均每km交點(diǎn)數(shù)5.8個(gè)。最小平曲線半徑約15 m，共有2處，半徑小于30 m的平曲線有6處。全線多處縱坡超過(guò)8%，最大坡長(zhǎng)約為750 m。全線最低海拔約725 m，最高海拔約1 065 m，高差達(dá)340 m。

為符合環(huán)境保護(hù)和綠色發(fā)展的原則，項(xiàng)目公路的平面及縱斷面盡量利用舊路線形，以保證充分利用舊路，減小投資。僅在有必要的位置進(jìn)行改線。

3 設(shè)計(jì)思路

公路平面、縱斷線形設(shè)計(jì)要注意的要點(diǎn)：路線要與地形協(xié)調(diào)、保護(hù)沿線的建筑物。好的線形是一個(gè)隨地形起伏，不影響沿線的景觀、歷史和文化資源的線形。在許多情況下，與地形結(jié)合緊密的道路工程，會(huì)顯著減少土石方工程量，降低工程造價(jià)，保護(hù)風(fēng)景資源[1]。

在地勢(shì)復(fù)雜的區(qū)域，上述因素影響了路線方案的確定。因此，靈活選擇線位以及靈活運(yùn)用設(shè)計(jì)規(guī)范的指標(biāo)，是確定公路項(xiàng)目?jī)?yōu)劣的重要因素。

3.1 靈活選線

3.1.1 靈活選線降低對(duì)自然景觀的破壞

本項(xiàng)目在確定平面線位時(shí)側(cè)重考慮了以下幾個(gè)方面的因素：（1）行車是否順暢、舒適；（2）是否與周圍的自然環(huán)境相融合；（3）是否能夠避免高填深挖，降低工程造價(jià)。

通常這三個(gè)方面不能夠兼顧，比如線形順暢，常常需要大填大挖，不能很好地融入周圍環(huán)境。這就需要設(shè)計(jì)人員做出取舍，選擇一個(gè)適合項(xiàng)目的方案。

以本項(xiàng)目K7+900位置山谷為例。路線在K7+900位置有一處山谷，見(jiàn)圖1，舊路呈幾字型繞過(guò)山谷，線形較差。

這里提出兩個(gè)方案：A線方案基本沿用舊路路線，對(duì)幾個(gè)圓曲線稍作優(yōu)化；B線方案截彎取直，從山谷中間直接穿過(guò)。

B線方案線形很順暢，而且路線長(zhǎng)度比A線方案短198.786 m,但需要穿過(guò)山谷，為與山谷兩側(cè)的舊路在高程上接順，需要高填路堤，最高填方高度約24 m。

圖1 幾字型山谷位置

從道路對(duì)自然景觀的影響上來(lái)看，A線方案正好落在兩級(jí)山坡之間的平臺(tái)上，不論從山頂向下看，還是從谷底向上看，道路都能夠巧妙隱藏在景觀之中，并未對(duì)整體環(huán)境造成破壞（見(jiàn)圖2）。而B(niǎo)線方案因?yàn)樾枰诠鹊滋罘?，其高度達(dá)24 m，從山頂視角看，是一個(gè)很突兀的構(gòu)造物，很難與周圍環(huán)境融為一體（見(jiàn)圖3）。

圖2 A線方案橫斷面圖

圖3 B線方案橫斷面圖

通過(guò)多輪討論與溝通，最終選擇了A線方案，并進(jìn)一步優(yōu)化線形，使4個(gè)圓曲線的指標(biāo)變化均衡、連續(xù)。

3.1.2 靈活選線降低對(duì)人文環(huán)境的影響

舊路沿線有很多村莊的民房依路而建，道路施工期間的噪聲及建筑垃圾，運(yùn)營(yíng)期間的汽車噪聲及尾氣等，勢(shì)必會(huì)給路線經(jīng)過(guò)村莊及其他環(huán)境敏感區(qū)域帶來(lái)不同程度的影響。此外，拓寬的道路仍然沿舊路路線穿村而過(guò)，還需要拆遷部分房屋。而路線遠(yuǎn)離村莊又給村民出行帶來(lái)不便，不能發(fā)揮道路的輻射作用。

本項(xiàng)目有一段舊路穿越村莊，路面寬度為4.5~5 m，兩側(cè)均為民房，并且舊路在村莊中有1個(gè)直角轉(zhuǎn)角。如果仍按照原線位，則道路拓寬以及增設(shè)圓曲線都會(huì)增加大量拆遷，對(duì)村莊影響很大。因此，按照“近村不進(jìn)村”的原則，該段路線選擇A線方案（見(jiàn)圖4）使路線在村莊南側(cè)繞過(guò)后，再轉(zhuǎn)回舊路線位。新線位（A線）有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖4 A、C線方案比選示意圖

（1）減小施工期間對(duì)村莊的影響。道路施工期間，施工機(jī)械的噪聲、施工帶來(lái)的揚(yáng)塵和垃圾等，會(huì)給村民的生活帶來(lái)影響。路線繞村而過(guò)，將顯著降低以上因素對(duì)村莊的影響。

（2）減小運(yùn)營(yíng)期間對(duì)村莊的影響。道路運(yùn)營(yíng)期間，汽車噪聲、尾氣等，影響村民健康。新線位從村莊外圍通過(guò)，減少了上述影響。

（3）減少拆遷量?！敖宥贿M(jìn)村”避免拆遷減少對(duì)沿線人文環(huán)境的破壞，與此同時(shí)，也降低了工程造價(jià)。

3.2 平面技術(shù)指標(biāo)的靈活運(yùn)用

好的平面線形，應(yīng)該是在地形、地物、地質(zhì)等自然地貌條件允許的基礎(chǔ)上，盡量選用較高指標(biāo)，為適應(yīng)遠(yuǎn)景車型、性能的提升留出空間，同時(shí)，也不能盲目地追求高指標(biāo)[2]，在指標(biāo)滿足規(guī)范且均衡、連續(xù)，行車安全、順暢的基礎(chǔ)上，盡量利用舊路，以降低工程造價(jià)，減少道路對(duì)環(huán)境的影響。

3.2.1 圓曲線

由于舊路圓曲線很多，且有多處小半徑圓曲線（舊路共105處圓曲線，最小平曲線半徑約15m，共有2處，半徑小于30 m的平曲線有6處），為了盡量利用舊路，新路線要盡量擬合在舊路上，線形指標(biāo)不宜過(guò)高。同時(shí)為保證安全，需要保持線形指標(biāo)的均衡與連貫。本項(xiàng)目存在很多連續(xù)平曲線路段，在平面線形設(shè)計(jì)中，特別注意到了在小半徑曲線前后線形指標(biāo)的過(guò)渡，利用一系列半徑逐漸減小的曲線來(lái)引導(dǎo)駕駛者逐漸降低車速，避免在小半徑曲線處因車速過(guò)快而發(fā)生事故（見(jiàn)圖5）。

3.2.2 短直線

《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）7.2.2款中對(duì)兩圓曲線間直線的最短長(zhǎng)度要求為：當(dāng)設(shè)計(jì)速度v≥60 km/h時(shí)，同向圓曲線間最小直線長(zhǎng)度（以m計(jì)）以不小于6 v為宜，反向圓曲線間最小直線長(zhǎng)度（以m計(jì)）以不小于2 v為宜。

圖5 小半徑曲線兩側(cè)的過(guò)渡

傳統(tǒng)的平面線形設(shè)計(jì)思想，是要求公路線形高標(biāo)準(zhǔn)、高指標(biāo)，強(qiáng)調(diào)線形舒展、行車舒適、視覺(jué)效果良好。但是對(duì)于山區(qū)公路，這樣的設(shè)計(jì)思想，會(huì)帶來(lái)高填深挖路基，不但增加工程造價(jià)，而且破壞自然環(huán)境，甚至可能存在潛在的地質(zhì)災(zāi)害。

交通部公路司編著的《降低造價(jià)公路設(shè)計(jì)指南》[3]認(rèn)為，技術(shù)指標(biāo)分為主要指標(biāo)與次要指標(biāo)。主要指標(biāo)是由很多影響事項(xiàng)和計(jì)算參數(shù)確定的，凡是涉及到安全性的指標(biāo)，或者計(jì)算參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行或從嚴(yán)掌握的，應(yīng)盡量采用較高指標(biāo)，規(guī)范中用詞一般為“應(yīng)”；次要指標(biāo)是指在滿足安全的基礎(chǔ)上，從美學(xué)和行車舒適等角度提出的，一般情況應(yīng)按規(guī)范要求執(zhí)行，而當(dāng)采用規(guī)范要求值將對(duì)自然資源、環(huán)境、生態(tài)等方面造成較大影響，以及在工程造價(jià)方面明顯增加的情況下，則應(yīng)靈活掌握，可以采用低值或極限值指標(biāo)，甚至可以適當(dāng)突破，規(guī)范中用詞一般為“宜”。同向及反向圓曲線間最小直線長(zhǎng)度屬于次要指標(biāo)，可以適當(dāng)放松要求。對(duì)于地形條件惡劣的路段，同向曲線間的直線長(zhǎng)度可突破一般規(guī)定值，采用4 v，甚至3 v的最小值。

本項(xiàng)目所處區(qū)域地形復(fù)雜，且為改造項(xiàng)目，舊路平曲線多、線形指標(biāo)差，有多處連續(xù)3個(gè)甚至4個(gè)平曲線相連。改造后同向曲線間的最小直線長(zhǎng)度在山區(qū)復(fù)雜的地形條件下較難滿足，調(diào)整為單圓或復(fù)曲線，或其他組合線形也較困難。如果機(jī)械地為滿足規(guī)范要求而減小曲線半徑，降低技術(shù)指標(biāo)，反而會(huì)有更大的安全隱患；或者出現(xiàn)大填大挖路段，造成自然環(huán)境的極大破壞。

以K17處路線為例。通過(guò)對(duì)舊路線位擬合，該位置存在一同向圓曲線間的短直線（短直線為由北向南方向），長(zhǎng)度小于6 v，在線路優(yōu)化的過(guò)程中嘗試消除短直線。該段路設(shè)置在山坡上，左側(cè)為山，右側(cè)為水渠，舊路依山而建，短直線的南側(cè)、北側(cè)各有3個(gè)連續(xù)平曲線（見(jiàn)圖6）。

圖6 連續(xù)平曲線間的短直線

因地面與現(xiàn)狀道路高差較大，若將直線段向兩側(cè)延伸，則因?yàn)檠娱L(zhǎng)后的直線段偏離舊路線位，將會(huì)大大增加填挖工程量。直線段北側(cè)為村莊，若將直線段向北延長(zhǎng)會(huì)新增大量拆遷。若縮短該段短直線，將兩側(cè)的平曲線直接相連，因?yàn)閮蓚?cè)均為連續(xù)圓曲線，調(diào)整后線位與舊路線位將完全偏離，不能夠利用舊路路基，且該路段所在區(qū)域地勢(shì)呈明顯的左高右低趨勢(shì)，調(diào)整后填挖方增加很多。

經(jīng)過(guò)反復(fù)的方案調(diào)整與比選后，決定突破路線規(guī)范中關(guān)于同向圓曲線間最短直線長(zhǎng)度不宜小于6 v的要求，采用不小于4 v。

3.3 縱斷面技術(shù)指標(biāo)的靈活運(yùn)用

道路縱斷面的設(shè)計(jì)與項(xiàng)目的土石方工程量密切相關(guān)，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意盡量利用地勢(shì)，靈活設(shè)計(jì)，保持填挖平衡。

縱斷面線形與平面線形是互補(bǔ)的，縱斷面設(shè)計(jì)與平面設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，互相配合，否則就會(huì)出現(xiàn)不必要的大填大挖現(xiàn)象，不僅增加投資，也會(huì)給自然景觀帶來(lái)不好的影響。

本項(xiàng)目的特點(diǎn)是高差大，連續(xù)上坡路段長(zhǎng)?？v斷面設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了克服高差，多處縱坡達(dá)到了7.5%。這帶來(lái)了3個(gè)問(wèn)題：（1）7.5%的縱坡與4%的超高結(jié)合在一起，合成坡度達(dá)到8.5%，超過(guò)了《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）8.5.2款中冬季路面有結(jié)冰、積雪地區(qū)合成坡度必須小于8%的要求；（2）由于本項(xiàng)目小半徑平曲線較多，縱斷面設(shè)計(jì)上必須避開(kāi)大縱坡與小半徑平曲線的不利組合；（3）大縱坡路段較多，平均縱坡超過(guò)了《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）8.3.4款“任意連續(xù)3 km路段的平均縱坡宜不大于5.5%”的要求，需要設(shè)置緩和坡段。

針對(duì)以上問(wèn)題，縱斷面設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮了縱斷面與平面的結(jié)合，注意了以下因素：

（1）避免同一路段上同時(shí)出現(xiàn)大縱坡與小半徑平曲線。

（2）避免長(zhǎng)大縱坡坡底接小半徑平曲線。

（3）盡量將大長(zhǎng)縱坡的坡頂設(shè)置在小半徑平曲線處，利用此段平曲線位置設(shè)置縱坡較小的緩和坡段。

4 結(jié)語(yǔ)

山區(qū)公路的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。特別是山區(qū)低等級(jí)公路升級(jí)改造的項(xiàng)目，常常資金有限，十分重視對(duì)舊路的利用。在滿足行車安全、順暢的基礎(chǔ)上，還要將線形擬合到原有的按照四級(jí)公路甚至更低標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的路線上，要求設(shè)計(jì)過(guò)程中統(tǒng)籌考慮各種因素，合理取舍，靈活設(shè)計(jì)，做出安全、節(jié)約、環(huán)境優(yōu)美、系統(tǒng)最優(yōu)的工程。