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摘要:本文分析了山区公路的路线设计中始终体现“安全、环保、舒适、和谐”的新理念,始终坚持可持续的科学发展观,才能使建成的公路既能满足使用功能要求,又能与自然环境相协调,成为一道美丽的风景线。结合了在山区公路的设计实践,提出一些路线设计思路。
关键词:山区公路；路线设计；选线
山区公路的设计在技术和经验方面面临着前所未有的机遇和挑战。山区公路的设计受平纵横断面的制约较多，与平原区及微丘区公路有很大区别。因此，对山区公路的设计进行更深入的研究，探讨出新的设计理念以指导山区公路的设计十分必要。
1山区公路路线设计的特点
影响道路的自然因素主要有地形、气候、水文、水文地质、地质、土壤及植物覆盖等。地形决定了选线条件,并在很大程度上影响公路的技术标准。山区公路选线的特点是山高谷深,高差大,地形、地质复杂,工程艰巨,可比选方案多。在地形方面,路线平、纵、横三个方面均受到约束；在地质方面,山区土层薄、岩层厚,岩层产状和地质构造变化复杂,对线位布设影响大；在气候方面,山区暴雨多、山洪急,溪流水位变化幅度大。同时山区由于山脉在地形上较有规律,山脉水系清晰,线路走向不是顺山沿水,就是越岭穿脊。因此,在山区如何善于利用地形布线是其路线设计的关键。
2优化山区公路路线设计的措施
2.1平面设计
我国山区公路的平面设计大多数也是采用一条线,其实有时完全可以顺应地形、地势,将上、下行线分别设计为各自独立的平面线形,其平面造型亦很优美,两条线中间有时隔以山冈、草地甚至一片森林与大自然融为一体,当汽车行驶在这样独具匠心设计的公路上时,能给人一种与周围地形协调而自然的感受。在我国公路平面设计中,一直采用直线形设计方法。使用直线形设计方法进行平面布线设计时,设计人员往往首先综合考虑公路的等级、所经过的区域、路线的走向、控制条件和技术要求。(1)根据地形特征(主要是对山岭重丘区而言) ,以地形为控制因素,以纵断面线形为主导,综合平面和横断面来确定路线。(2)根据地物特征(主要是对平原微丘区而言) ,以平面地物障碍为控制因素,以路线平面为主导,结合纵断面和横断面来确定路线。(3)根据地质特征(主要是对不良地质地段和特殊地貌地区而言),以避让和防止不良地质病害为主导,综合平、纵、横来布设路线。该法的具体设计思路分平原微丘区(不考虑放坡)和山岭重丘区(考虑放坡)2种情况。①当路线不受纵坡限制时,定线主要考虑的是平面和横断面。其要点是:以点定线,以线交点。以点定线即在整个路线控制点间综合各方面因素加密小控制点,再根据这些控制点大致穿出路线导线;在这种不考虑放坡的情况下,直线形设计方法的具体设计要点大致可分加密控制点、穿线交点、调整交点与曲线计算和敷设4个步骤。②当路线布设在山岭重丘区时,就不可避免地会受到纵坡限制,定线需考虑平面和横断面。同时,路线纵坡坡度、坡长也是设计必须考虑的重要因素。在这种考虑放坡的情况下,直线形设计方法的具体设计要点大致可分为安排路线、放坡、修正导向线、以点定线、以线交点、调整交点与曲线计算和敷设等步骤。
2.2纵断面设计
(1)凸形竖曲线半径设置:山区公路由于受地形地貌的制约,连续小半径短平曲线与连续大纵坡小半径竖曲线的组合时常出现。这种情况下很容易做到平纵对应,满足规范要求,但这种组合往往忽略了视距要求。由于受地形地貌和茂密植被的影响,驾驶者视觉范围较小,当采用上述平纵组合时,本身平纵指标较低,难以判断前方路线去向,若出现纵面上的断背曲线,对行驶安全更为不利,而这种情况下往往难以通过调整平曲线半径来解决。此时,宜在不过多增加工程量的前提下适当加大凸曲线半径,以便增大视距,保证在曲线上任何一点均能看清前方平曲线的变化,保证行车安全。也就是说,在条件允许的情况下,应选取较大的凸曲线半径。
( 2)凹形竖曲线半径设置:一般凹曲线半径容易满足规范要求,但有时设计者为了追求凹凸曲线指标的均衡,而增大凹曲线半径。这样势必造成工程量的增加,對造价控制不利。而且由于山区公路纵坡较大,起伏频繁,凹曲线半径设置过大,势必增加防护及排水设施。如果在挖方路堑路段,对大多采取集中排水方式的山区公路来说,可能会因排水困难而对行车安全不利。因此,在设计中不宜一味追求高指标而增大凹曲线半径。
2.3横断面设计
山区公路横断面设计相应于预测的远景交通量,因车道较多,其横向总宽度比普通等级的混合交通公路要宽得多,而有些山区公路的设计者仍习惯沿用普通公路标准横断面的设计方法,不管地形、地貌变化如何,全线只有相应于路堑、路堤、一般路段等几个简单的标准横断面形式,这在普通公路没有什么大的不妥,而在山区地形较为复杂、同时车道又较多的情况下,就会显得断面形式过于单调、呆板,出现高填深挖、挤占河道、增加拆迁等现象,导致工程量增加,工程造价上升。我们认为,山区公路的横断面形式可在上、下行线合龙,亦可分离,就是合在一起也可以采用等高或不等高,其更加注重顺应自然环境,值得设计推广。
2.4直线设计
直线是两点间最简捷的路线,过去在设计中往往偏重于设置较长的直线,特别是设计山区公路时,争取有较长的直线,往往是工作的重点。但是直线的几何形态灵活性差,有僵硬而不易协调的缺点,所以难以适应地形的变化。在《公路路线设计规范》中,对直线的长度给予了限制,要求直线的长度一般不宜超过设计车速的20倍,并要求在长直线两侧地形过于空旷时,采取栽植不同树种、设置风格各异建筑物等方式减轻景观单调的感觉。同时,在强调线形设计以曲线为主的情况下,要从客观条件出发、实事求是,不能生搬硬套一味地追求以曲线为主,增加不必要的工程量和工程投资。在直线形设计方法中,导向线控制了路线走向,而圆曲线、缓和曲线只是充当直线的补充,起导线交点线形和行车过渡的作用。直线、圆曲线和缓和曲线未被视为统一的整体而加以运用,这样就不可避免地导致公路平面线形的均衡性和连续性较差。在山区公路测设过程中,曲线要素值的大小能否很好地与地形条件相协调往往难以掌握。由于受到导线的限制,在受地形和地物约束较严格的路段,设计人员过多考虑的是曲线要素值如何满足规范,而忽略了与地形、地物条件的协调;而在一些无约束路段,线形要素值取得过大导致大填大挖,从而造成对自然环境的破坏和工程造价的增加。山区公路平面线形组合复杂多变,应用直线形设计方法进行平面线形设计不可避免会表现出一些缺陷和不足。比如在地形复杂的山岭、重丘地区,有时路线导线难以确定,有时线形组合特殊、复杂,应用直线形设计方法,路线桩号、坐标、方位角等的计算是基于导线进行的,而山区公路平面线形,有时可能遇到路线的起、终点同时位于曲线上,或者路线上出现卵形线形组合,此时传统意义上的导线已名不副实。并且,如果路线上需要布设S形曲线,其公共导线位置也难以人为确定。因此,用直线形设计方法进行曲线布设和计算非常困难。
2.5缓和曲线的设计
在山区公路路线设计中,由于地形的限制,缓和曲线的长度往往不能取的太大,但由此却造成一种矛盾,即小半径曲线的缓和曲线段长度不能满足超高过渡段长度的需要。大家知道小半径曲线所需超高过渡段(缓和曲线)长度较大,而设置较小半径曲线的地方往往是地形限制较严的地方,缓和曲线又不宜取大,若刻意追求满足规范要求,势必造成工程数量的增大及投资的增加。其设计要点主要有: (1)一般情况下采用极限最小半径的4～8倍或超高为2%～4%的圆曲线半径；(2)自然条件受限制时,应尽量采用大于或接近一般最小半径的圆曲线半径；(3)只有在自然条件特殊、不得己时方可采用极限最小半径,以满足汽车运动学上的安全要求,但必须在一定路段设法使曲线半径逐渐变小或者在布置上设法使驾驶人员能事先意识到前面有急转弯；(4)圆曲线半径过大以致使驾驶员感到与直线并无区别时,也无实际意义,因此,最大半径一般不宜超过10000m。
2.6超高值的设计
随着山区公路路幅宽度的增大及路肩硬化的发展,路容有了很大的提高,行车的安全感增强,在山区道路上超速行驶车辆的比例增大。按设计行车速度设计的路面超高值往往不能满足超速车辆寻求行车舒适感的需求。我们认为,在纵坡不大及没有特殊条件影响的山区公路上,在不影响车辆行驶安全的前提下,可根据路线线形及其他具体情况提高一个等级设置超高,以使乘旅的舒适感增加。比如设计速度为10km/ h的道路可按60km/ h的行驶速度设置超高。这里需要注意的是考虑到低速行驶的车辆,最大超高仍不得超过规范及技术标准的规定,合成坡高的最大值也必须严格按规范执行。
2.7沿河线设计
在公路选线的传统方法中,在山区常采用沿河线方案。但对于山区公路则有以下缺点:路线迂迥曲折,地质病害较多,不利于环境保护和社会经济的可持续发展。公路必须做到安全、快速、高效,才能在多种交通方式的竞争中争得一席之地。路线直捷,减少营运里程,是达到快速目标的有效手段。而沿河线往往路线迂迥曲折,使得路线增长系数过大,当该系数大于1.2时,就必须重新审视路线方案,至少要做一个较直捷的比较方案。否则不利于发挥出公路的竞争优势。从地质运动和地质构造的规律分析,沿河两岸的地质情况比较复杂,地质构造带、断层等相对发育,加上河流的作用,许多山坡的稳定处于临界状态,稍有外力作用就极易失去平衡,造成崩塌、滑坡等地质灾害。如果大量的土石等侵入河道,严重时可形成堤坝,造成河水壅阻,水位升高。可使上游遭受水浸;一旦溃坝,则下游遭受洪灾。轻则造成河道淤积、水土流失。因此,对于山区公路的沿河线方案,应全面分析,正确认识,合理取舍。
2.8越岭线的设计
越岭线的特点是路线需要克服很大的高差,路线的长度和平面位置主要取决于路线纵坡的安排。越岭线布局主要应解决的问题是:垭口选择,过岭标高选择和垭口两侧路线展线的拟定。它们是相互联系、相互影响的。布局时应综合考虑,处理好三者的关系。其中,垭口是体现越岭线方案的重要控制点,应在基本符合路线走向的较大范围内选择,要全面考慮垭口的位置、标高、地形条件,地质情况和展线条件。越岭高差较小,地质条件稳定,展线降坡后能与山麓控制点直接地衔接,不需无效延长路线,这种垭口最为理想。如垭口虽低,但地质条件不好,或两侧山坡不适于展线,或展线后与山麓控制点接线不顺,则应稍微偏离总方向另行选择。垭口以下的两侧山坡线是越岭线的主要组成部分,山坡的地形、地质条件直接影响路线的质量、造价和路基的稳定,应综合考虑。
2.9景观设计
公路建设不可避免地对沿线生态景观造成一定的负面影响,如植被的破坏,水土的流失,土地的分割等。为此在山区公路路线设计中应贯彻保护优先,预防为主,防治结合,综合治理的原则。比如在迎水库面行车的安全性,尽量避免大的填方,减少占用库区水域面积。设计时视不同情况考虑各种美化绿化工程,沿线种植行道树,以增加安全感加强线形诱导功能和路容美化作用,填方下边坡考虑在坡面进行普通喷播(草籽) ,以达到植草绿化的目的。挖方地段分情况设置喷锚、及挂网客土喷播(草籽) ,尽可能的恢复原有生态系统。施工中应做好周围环境工作,减小灰尘废物、有害烟尘、废气对沿线生态环境和农田的不良影响。
3结论
山区公路路线设计是公路设计中非常重要的关键环节，路线设计的好坏，影响到公路路网结构的合理、汽车运营的安全舒适、线形指标的合理、工程造价的控制、地形景观的协调等等。设计中应把握好最佳线形选择的科学指标，合理采用路线标准，较客观地选择出综合考虑各主要影响因素的公路最佳路线线形方案，使用最短的路线长度实现最大的综合效果。
关键词:山区公路；路线设计；选线
山区公路的设计在技术和经验方面面临着前所未有的机遇和挑战。山区公路的设计受平纵横断面的制约较多，与平原区及微丘区公路有很大区别。因此，对山区公路的设计进行更深入的研究，探讨出新的设计理念以指导山区公路的设计十分必要。
1山区公路路线设计的特点
影响道路的自然因素主要有地形、气候、水文、水文地质、地质、土壤及植物覆盖等。地形决定了选线条件,并在很大程度上影响公路的技术标准。山区公路选线的特点是山高谷深,高差大,地形、地质复杂,工程艰巨,可比选方案多。在地形方面,路线平、纵、横三个方面均受到约束；在地质方面,山区土层薄、岩层厚,岩层产状和地质构造变化复杂,对线位布设影响大；在气候方面,山区暴雨多、山洪急,溪流水位变化幅度大。同时山区由于山脉在地形上较有规律,山脉水系清晰,线路走向不是顺山沿水,就是越岭穿脊。因此,在山区如何善于利用地形布线是其路线设计的关键。
2优化山区公路路线设计的措施
2.1平面设计
我国山区公路的平面设计大多数也是采用一条线,其实有时完全可以顺应地形、地势,将上、下行线分别设计为各自独立的平面线形,其平面造型亦很优美,两条线中间有时隔以山冈、草地甚至一片森林与大自然融为一体,当汽车行驶在这样独具匠心设计的公路上时,能给人一种与周围地形协调而自然的感受。在我国公路平面设计中,一直采用直线形设计方法。使用直线形设计方法进行平面布线设计时,设计人员往往首先综合考虑公路的等级、所经过的区域、路线的走向、控制条件和技术要求。(1)根据地形特征(主要是对山岭重丘区而言) ,以地形为控制因素,以纵断面线形为主导,综合平面和横断面来确定路线。(2)根据地物特征(主要是对平原微丘区而言) ,以平面地物障碍为控制因素,以路线平面为主导,结合纵断面和横断面来确定路线。(3)根据地质特征(主要是对不良地质地段和特殊地貌地区而言),以避让和防止不良地质病害为主导,综合平、纵、横来布设路线。该法的具体设计思路分平原微丘区(不考虑放坡)和山岭重丘区(考虑放坡)2种情况。①当路线不受纵坡限制时,定线主要考虑的是平面和横断面。其要点是:以点定线,以线交点。以点定线即在整个路线控制点间综合各方面因素加密小控制点,再根据这些控制点大致穿出路线导线;在这种不考虑放坡的情况下,直线形设计方法的具体设计要点大致可分加密控制点、穿线交点、调整交点与曲线计算和敷设4个步骤。②当路线布设在山岭重丘区时,就不可避免地会受到纵坡限制,定线需考虑平面和横断面。同时,路线纵坡坡度、坡长也是设计必须考虑的重要因素。在这种考虑放坡的情况下,直线形设计方法的具体设计要点大致可分为安排路线、放坡、修正导向线、以点定线、以线交点、调整交点与曲线计算和敷设等步骤。
2.2纵断面设计
(1)凸形竖曲线半径设置:山区公路由于受地形地貌的制约,连续小半径短平曲线与连续大纵坡小半径竖曲线的组合时常出现。这种情况下很容易做到平纵对应,满足规范要求,但这种组合往往忽略了视距要求。由于受地形地貌和茂密植被的影响,驾驶者视觉范围较小,当采用上述平纵组合时,本身平纵指标较低,难以判断前方路线去向,若出现纵面上的断背曲线,对行驶安全更为不利,而这种情况下往往难以通过调整平曲线半径来解决。此时,宜在不过多增加工程量的前提下适当加大凸曲线半径,以便增大视距,保证在曲线上任何一点均能看清前方平曲线的变化,保证行车安全。也就是说,在条件允许的情况下,应选取较大的凸曲线半径。
( 2)凹形竖曲线半径设置:一般凹曲线半径容易满足规范要求,但有时设计者为了追求凹凸曲线指标的均衡,而增大凹曲线半径。这样势必造成工程量的增加,對造价控制不利。而且由于山区公路纵坡较大,起伏频繁,凹曲线半径设置过大,势必增加防护及排水设施。如果在挖方路堑路段,对大多采取集中排水方式的山区公路来说,可能会因排水困难而对行车安全不利。因此,在设计中不宜一味追求高指标而增大凹曲线半径。
2.3横断面设计
山区公路横断面设计相应于预测的远景交通量,因车道较多,其横向总宽度比普通等级的混合交通公路要宽得多,而有些山区公路的设计者仍习惯沿用普通公路标准横断面的设计方法,不管地形、地貌变化如何,全线只有相应于路堑、路堤、一般路段等几个简单的标准横断面形式,这在普通公路没有什么大的不妥,而在山区地形较为复杂、同时车道又较多的情况下,就会显得断面形式过于单调、呆板,出现高填深挖、挤占河道、增加拆迁等现象,导致工程量增加,工程造价上升。我们认为,山区公路的横断面形式可在上、下行线合龙,亦可分离,就是合在一起也可以采用等高或不等高,其更加注重顺应自然环境,值得设计推广。
2.4直线设计
直线是两点间最简捷的路线,过去在设计中往往偏重于设置较长的直线,特别是设计山区公路时,争取有较长的直线,往往是工作的重点。但是直线的几何形态灵活性差,有僵硬而不易协调的缺点,所以难以适应地形的变化。在《公路路线设计规范》中,对直线的长度给予了限制,要求直线的长度一般不宜超过设计车速的20倍,并要求在长直线两侧地形过于空旷时,采取栽植不同树种、设置风格各异建筑物等方式减轻景观单调的感觉。同时,在强调线形设计以曲线为主的情况下,要从客观条件出发、实事求是,不能生搬硬套一味地追求以曲线为主,增加不必要的工程量和工程投资。在直线形设计方法中,导向线控制了路线走向,而圆曲线、缓和曲线只是充当直线的补充,起导线交点线形和行车过渡的作用。直线、圆曲线和缓和曲线未被视为统一的整体而加以运用,这样就不可避免地导致公路平面线形的均衡性和连续性较差。在山区公路测设过程中,曲线要素值的大小能否很好地与地形条件相协调往往难以掌握。由于受到导线的限制,在受地形和地物约束较严格的路段,设计人员过多考虑的是曲线要素值如何满足规范,而忽略了与地形、地物条件的协调;而在一些无约束路段,线形要素值取得过大导致大填大挖,从而造成对自然环境的破坏和工程造价的增加。山区公路平面线形组合复杂多变,应用直线形设计方法进行平面线形设计不可避免会表现出一些缺陷和不足。比如在地形复杂的山岭、重丘地区,有时路线导线难以确定,有时线形组合特殊、复杂,应用直线形设计方法,路线桩号、坐标、方位角等的计算是基于导线进行的,而山区公路平面线形,有时可能遇到路线的起、终点同时位于曲线上,或者路线上出现卵形线形组合,此时传统意义上的导线已名不副实。并且,如果路线上需要布设S形曲线,其公共导线位置也难以人为确定。因此,用直线形设计方法进行曲线布设和计算非常困难。
2.5缓和曲线的设计
在山区公路路线设计中,由于地形的限制,缓和曲线的长度往往不能取的太大,但由此却造成一种矛盾,即小半径曲线的缓和曲线段长度不能满足超高过渡段长度的需要。大家知道小半径曲线所需超高过渡段(缓和曲线)长度较大,而设置较小半径曲线的地方往往是地形限制较严的地方,缓和曲线又不宜取大,若刻意追求满足规范要求,势必造成工程数量的增大及投资的增加。其设计要点主要有: (1)一般情况下采用极限最小半径的4～8倍或超高为2%～4%的圆曲线半径；(2)自然条件受限制时,应尽量采用大于或接近一般最小半径的圆曲线半径；(3)只有在自然条件特殊、不得己时方可采用极限最小半径,以满足汽车运动学上的安全要求,但必须在一定路段设法使曲线半径逐渐变小或者在布置上设法使驾驶人员能事先意识到前面有急转弯；(4)圆曲线半径过大以致使驾驶员感到与直线并无区别时,也无实际意义,因此,最大半径一般不宜超过10000m。
2.6超高值的设计
随着山区公路路幅宽度的增大及路肩硬化的发展,路容有了很大的提高,行车的安全感增强,在山区道路上超速行驶车辆的比例增大。按设计行车速度设计的路面超高值往往不能满足超速车辆寻求行车舒适感的需求。我们认为,在纵坡不大及没有特殊条件影响的山区公路上,在不影响车辆行驶安全的前提下,可根据路线线形及其他具体情况提高一个等级设置超高,以使乘旅的舒适感增加。比如设计速度为10km/ h的道路可按60km/ h的行驶速度设置超高。这里需要注意的是考虑到低速行驶的车辆,最大超高仍不得超过规范及技术标准的规定,合成坡高的最大值也必须严格按规范执行。
2.7沿河线设计
在公路选线的传统方法中,在山区常采用沿河线方案。但对于山区公路则有以下缺点:路线迂迥曲折,地质病害较多,不利于环境保护和社会经济的可持续发展。公路必须做到安全、快速、高效,才能在多种交通方式的竞争中争得一席之地。路线直捷,减少营运里程,是达到快速目标的有效手段。而沿河线往往路线迂迥曲折,使得路线增长系数过大,当该系数大于1.2时,就必须重新审视路线方案,至少要做一个较直捷的比较方案。否则不利于发挥出公路的竞争优势。从地质运动和地质构造的规律分析,沿河两岸的地质情况比较复杂,地质构造带、断层等相对发育,加上河流的作用,许多山坡的稳定处于临界状态,稍有外力作用就极易失去平衡,造成崩塌、滑坡等地质灾害。如果大量的土石等侵入河道,严重时可形成堤坝,造成河水壅阻,水位升高。可使上游遭受水浸;一旦溃坝,则下游遭受洪灾。轻则造成河道淤积、水土流失。因此,对于山区公路的沿河线方案,应全面分析,正确认识,合理取舍。
2.8越岭线的设计
越岭线的特点是路线需要克服很大的高差,路线的长度和平面位置主要取决于路线纵坡的安排。越岭线布局主要应解决的问题是:垭口选择,过岭标高选择和垭口两侧路线展线的拟定。它们是相互联系、相互影响的。布局时应综合考虑,处理好三者的关系。其中,垭口是体现越岭线方案的重要控制点,应在基本符合路线走向的较大范围内选择,要全面考慮垭口的位置、标高、地形条件,地质情况和展线条件。越岭高差较小,地质条件稳定,展线降坡后能与山麓控制点直接地衔接,不需无效延长路线,这种垭口最为理想。如垭口虽低,但地质条件不好,或两侧山坡不适于展线,或展线后与山麓控制点接线不顺,则应稍微偏离总方向另行选择。垭口以下的两侧山坡线是越岭线的主要组成部分,山坡的地形、地质条件直接影响路线的质量、造价和路基的稳定,应综合考虑。
2.9景观设计
公路建设不可避免地对沿线生态景观造成一定的负面影响,如植被的破坏,水土的流失,土地的分割等。为此在山区公路路线设计中应贯彻保护优先,预防为主,防治结合,综合治理的原则。比如在迎水库面行车的安全性,尽量避免大的填方,减少占用库区水域面积。设计时视不同情况考虑各种美化绿化工程,沿线种植行道树,以增加安全感加强线形诱导功能和路容美化作用,填方下边坡考虑在坡面进行普通喷播(草籽) ,以达到植草绿化的目的。挖方地段分情况设置喷锚、及挂网客土喷播(草籽) ,尽可能的恢复原有生态系统。施工中应做好周围环境工作,减小灰尘废物、有害烟尘、废气对沿线生态环境和农田的不良影响。
3结论
山区公路路线设计是公路设计中非常重要的关键环节，路线设计的好坏，影响到公路路网结构的合理、汽车运营的安全舒适、线形指标的合理、工程造价的控制、地形景观的协调等等。设计中应把握好最佳线形选择的科学指标，合理采用路线标准，较客观地选择出综合考虑各主要影响因素的公路最佳路线线形方案，使用最短的路线长度实现最大的综合效果。