螺旋展線方案在山區(qū)高速公路中的應(yīng)用

王京力

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北 石家莊 050000）

0 引言

在山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)過程中，路線方案確定是高速公路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵一環(huán)，路線方案不僅要考慮技術(shù)指標(biāo)、地質(zhì)條件、工程造價(jià)、施工便利等方面因素，還要考慮高速公路與周邊地形、地質(zhì)、環(huán)境等相契合，從而提高運(yùn)營的安全性、舒適性、環(huán)保性。尤其針對(duì)山區(qū)高速公路而言，由于地形地質(zhì)條件復(fù)雜，某些特殊路段地形地勢(shì)存在斷崖式變化，常規(guī)自然展線難以解決路線縱面高程爬升的難題，此時(shí)設(shè)計(jì)人員可提出螺旋展線方案進(jìn)行比選。因此，為保證路線方案的合理性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)山區(qū)高速公路特殊地形條件下螺旋展線方案的應(yīng)用研究。

1 工程概況

華北地區(qū)某高速公路，路線全長81.5km，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度26m，設(shè)計(jì)速度分為100km/h、80km/h。該項(xiàng)目沿線地勢(shì)起伏大，存在約30km連續(xù)下坡；由于地形地質(zhì)條件復(fù)雜，橋梁、隧道設(shè)置數(shù)量多，橋隧占比56%，局部路段橋隧占比超過90%。其中80km/h路段為壩上壩下過渡段，地面高程呈急劇變化，勘察設(shè)計(jì)階段分別提出了自然展線、螺旋展線兩種方案，通過理論分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比，經(jīng)多輪比選、論證后確定采用螺旋展線的設(shè)計(jì)方案。

2 螺旋展線方案概述

2.1 螺旋展線方案

在高速公路建設(shè)過程中，為集中克服某路段的高差，開展路線設(shè)計(jì)時(shí)需要利用地形的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)，通過沿同一方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）盤旋的方式來延展路線的距離，降低平均縱坡，直至路線相互交叉為止，這種形式被稱為螺旋展線。根據(jù)路線交叉點(diǎn)的數(shù)量不同，螺旋展線可分為兩種形式：當(dāng)交叉點(diǎn)只有一個(gè)時(shí)，稱之為單層螺旋展線，當(dāng)交叉點(diǎn)多于一個(gè)時(shí)，稱之為多層螺旋展線，在路線設(shè)計(jì)中采用螺旋展線的主要目的就是克服路線高差，交叉處一般采取橋梁跨越或隧道下穿等交叉形式。

2.2 螺旋展線方案可行性

2.2.1 技術(shù)可行性

從高速公路平面來講，采用螺旋展線方案設(shè)計(jì)線路，可以充分利用地形條件，在路線回轉(zhuǎn)之前將線位布設(shè)于不同的坡面上，從而使公路采用大半徑的圓曲線，避免公路上、下線之間相互干擾，并滿足公路的半徑要求；從公路縱斷面設(shè)計(jì)來講，采用螺旋展線可以在上坡方向滿足最大縱坡和坡長的限制，以保證車輛可以高于容許速度爬坡，在下坡方向可以滿足車輛連續(xù)下坡的縱坡坡度和坡長的限制，以保證車輛的行駛安全；從公路橫斷面設(shè)計(jì)來講，采用螺旋展線后，路線交叉位置的上、下線高差較大，由于平面線位距離遠(yuǎn)，不會(huì)對(duì)公路橫斷面的布置產(chǎn)生影響，因此，從技術(shù)上螺旋展線方案可行[1]。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)可行性

高速公路總成本主要包括建設(shè)成本、養(yǎng)護(hù)成本、運(yùn)營管理成本等三大部分。對(duì)山區(qū)高速公路而言，由于地形地質(zhì)條件復(fù)雜，制約因素較多，在建設(shè)過程中需要設(shè)置大量的橋梁和隧道，導(dǎo)致建設(shè)成本較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山區(qū)高速公路每公里造價(jià)約為1～2億元，若橋梁或隧道比例超過80%，則每公里造價(jià)將普遍超過2億元。在高速公路路線設(shè)計(jì)時(shí)在特定地形條件下采取螺旋展線方案，可以有效利用地形條件，減少橋梁、隧道的占比，從而降低造價(jià)。因此，從經(jīng)濟(jì)角度而言，采取螺旋展線方案可行。

2.2.3 環(huán)境可行性

山區(qū)高速公路建設(shè)過程中，沿線往往分布很多的自然保護(hù)區(qū)，以及野生動(dòng)植物，如果在公路建設(shè)過程中不能加以保護(hù)，勢(shì)必會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成破壞，與當(dāng)下“綠色公路”的建設(shè)理念不符。如采用螺旋展線方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)自然展線的方案相比，螺旋展線方案可以通過公路交叉的方式避開不適合布線的區(qū)域，從而減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，同時(shí)還可以利用兩幅不同的縱坡要求，靈活布設(shè)分離式路基，以減少高填深挖，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)。因此，從環(huán)境角度而言，采取螺旋展線方案可行。

3 螺旋展線方案比選

3.1 比選原則

（1）項(xiàng)目總體遵循“綠色公路”、“品質(zhì)工程”相關(guān)設(shè)計(jì)理念，路線設(shè)計(jì)遵循“因地制宜、順勢(shì)而為”的原則，根據(jù)不同的地形條件，靈活運(yùn)用技術(shù)指標(biāo)，避免高填深挖，同時(shí)減少占地對(duì)環(huán)境的破壞。在路線設(shè)計(jì)過程中，地形條件對(duì)路線布設(shè)具有決定性作用，螺旋展線方案設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)所經(jīng)過地區(qū)的地形、地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境等條件，認(rèn)真研究方案制約因素，盡量避免或減少對(duì)其他設(shè)施的干擾。此外，還要綜合考慮沿線礦產(chǎn)、文物、鐵路、電力設(shè)施、基本農(nóng)田、村鎮(zhèn)拆遷等敏感因素，加強(qiáng)與有關(guān)部門的溝通協(xié)調(diào)，減少對(duì)其干擾[2]。

（2）螺旋展線方案設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行多方案比選，先結(jié)合自然條件及制約因素確定有價(jià)值的路線方案，并在此基礎(chǔ)上對(duì)區(qū)域情況再次進(jìn)行全面研究，以尋求價(jià)值更高的方案，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，最終確定推薦方案。在確定路線方案后，安排地質(zhì)人員對(duì)所經(jīng)區(qū)域的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況進(jìn)行深入調(diào)查，充分了解對(duì)工程的影響，如勘察發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)對(duì)路線的影響程度，提出避讓或穿越方案進(jìn)行比選，如必須要穿越該區(qū)域時(shí)，則應(yīng)選擇合理的位置，減少穿越范圍，并采取相應(yīng)處理措施。

（3）項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)耕地資源十分寶貴，勘察設(shè)計(jì)過程中應(yīng)嚴(yán)格貫徹“保護(hù)耕地、節(jié)約用地、保護(hù)環(huán)境、協(xié)調(diào)發(fā)展”原則，最大限度節(jié)約用地，減少拆遷和實(shí)施難度，同時(shí)由于項(xiàng)目所在區(qū)域存在大范圍的礦產(chǎn)資源，包括赤鐵礦、石墨礦、頁巖礦、螢石礦等，為實(shí)現(xiàn)對(duì)自然資源的保護(hù)，螺旋展線方案選線時(shí)應(yīng)盡量避讓上述區(qū)域，無法避讓時(shí)應(yīng)盡量減少壓覆礦產(chǎn)資源的范圍，尤其要避免壓占運(yùn)營中或儲(chǔ)量大的礦場(chǎng)。

3.2 比選情況

比選路段為項(xiàng)目壩上壩下過渡段，路線長約28km。地形方面，路線前半段基本沿溝布設(shè)，溝大致呈東西走向，溝長約13km，其中溝口高程1 030m，溝頭高程1 460m，整個(gè)溝底高差390m，平均縱坡約3%。溝頭北側(cè)的山體坡度陡、高差大，翻越山體后即到達(dá)壩上，壩上高程普遍超過1 600m。氣象方面，該路段冬季寒冷，最低溫度達(dá)-30℃，在海拔1 400m以上路段還存在風(fēng)吹雪現(xiàn)象，對(duì)高速公路運(yùn)營不利。除此之外，其他制約因素主要有溝底兩側(cè)分布較多的采礦場(chǎng)、尾礦庫，以及古城墻、烽火臺(tái)等國家級(jí)文物，同時(shí)還有沿線村莊拆遷。

為解決兩端巨大高差，同時(shí)不遺漏有價(jià)值的路線方案，設(shè)計(jì)階段提出了自然展線、螺旋展線兩種類型的方案進(jìn)行綜合比選。兩方案起、終點(diǎn)位置及高程已經(jīng)明確，整個(gè)段落均為連續(xù)下坡路段，其中在壩下溝底段設(shè)計(jì)高程1 040m，上壩后設(shè)計(jì)高程1 660m，起終點(diǎn)高差620m，平均縱坡約2.2%，其間有幾處連續(xù)長陡下坡路段，見圖1。

圖1 路線方案比選平面圖

螺旋展線方案（K線）：路線先沿溝底布設(shè)，最后在溝頭處通過螺旋展線集中升坡，螺旋展線段以特長隧道為主，長約5km，之后設(shè)置特大橋，最大橋高約90m。該方案在螺旋展線之前地形條件及施工條件相對(duì)較好，見圖2。

圖2 螺旋展線（K線）方案縱斷面示意圖

自然展線方案（D線）：在溝口處沿炮梁鄉(xiāng)北側(cè)自然展線，展線段以橋梁為主，最大橋高約100m，展線后進(jìn)入溝南側(cè)山坡，路線大部分在坡面布設(shè)，壓覆礦產(chǎn)較少，但施工條件較差，見圖3。

圖3 自然展線（D線）方案縱斷面示意圖

兩方案相比，K線方案里程稍長，平均縱坡稍緩，前段路線基本沿溝底布設(shè)，占用耕地較D線多，但建設(shè)條件相對(duì)較好；路線在溝頭設(shè)置螺旋展線集中升坡，展線部分以隧道為主，積雪結(jié)冰等對(duì)該方案運(yùn)營影響相對(duì)較小，路線方案比較見表1。

表1 路線方案比較表

D線方案為自然展線方案，路線在炮梁村北提前展線并設(shè)置特大橋，之后路線沿溝南側(cè)山上布線，由于該地區(qū)積雪結(jié)冰情況較多，該方案對(duì)運(yùn)營影響較大。同時(shí)D線橋梁長度較K線方案增加了4.1km，部分路段出現(xiàn)長段落深挖方。

經(jīng)綜合比選論證，設(shè)計(jì)中推薦采用螺旋展線方案。

4 螺旋展線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 線形選擇

確定采用螺旋展線方案后，針對(duì)螺旋展線段的曲線類型及半徑進(jìn)一步研究、對(duì)比。

常用的螺旋展線線形可分為基本形、復(fù)曲線形、卵形、水滴形和直線形等5大類。其中基本形螺旋展線主要由單圓曲線構(gòu)成，兩端接回旋線，其圓曲線的轉(zhuǎn)角大于180°，回旋線的參數(shù)值可以相同，也可以不同；復(fù)曲線形螺旋展線是由兩個(gè)及以上的圓曲線構(gòu)成，各圓曲線之間切向連接，圓曲線的合計(jì)轉(zhuǎn)角大于180°[3]。卵形螺旋展線主要是由兩個(gè)圓曲線構(gòu)成，圓曲線之間利用回旋線間接，兩個(gè)圓曲線的半徑比值控制在0.2～0.8，之間的最小間距控制在0.003R2～0.03R2（R2表示小圓曲線的半徑）之間；水滴形螺旋展線是由兩個(gè)及以上的圓曲線構(gòu)，各圓曲線之間采用回旋線連接，與卵形螺旋展線類似；直長形螺旋展線局部采用反向曲線，主要優(yōu)勢(shì)時(shí)展線路線長、可克服較大高差，多用于展線距離較長的區(qū)域。

4.2 布線步驟

確定螺旋展線的平面線形要根據(jù)路段所在區(qū)域地形及制約因素等計(jì)算確定。首先根據(jù)路段起、終點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高，計(jì)算螺旋展線需克服的高差H，再根據(jù)路線平均縱坡i和螺旋展線高度H計(jì)算得出展線長度L，同時(shí)要依據(jù)路線走向計(jì)算螺旋展線的盤旋角度α，再依據(jù)盤旋角度α、展線長度L等參數(shù)，計(jì)算圓曲線的半徑R。經(jīng)計(jì)算得出半徑后，比較R是否滿足展線最小半徑的要求，如不滿足，則應(yīng)調(diào)整半徑取值；再結(jié)合地形地質(zhì)條件，初步擬定路線線位，進(jìn)一步優(yōu)化后確定最終的螺旋展線線形。通過上述步驟，經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算、調(diào)整優(yōu)化，最終確定該路段螺旋展線平面線形為基本型。

5 結(jié)語

在山區(qū)高速公路特殊地形條件下，路線設(shè)計(jì)中提出自然展線和螺旋展線方案進(jìn)行比選，通過綜合比選后推薦螺旋展線方案，有效地保證了高速公路總體方案滿足項(xiàng)目所在區(qū)域的地形、地質(zhì)、環(huán)境等要求，從而進(jìn)一步提升了總體方案的合理性。同時(shí)，為確保螺旋展線方案更加合理可行，在方案設(shè)計(jì)之初，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)路線走廊范圍內(nèi)制約因素的調(diào)查，加大地質(zhì)勘察的深度，查明項(xiàng)目所在區(qū)域的地質(zhì)、環(huán)境等問題，然后提出多方案比選，確保不遺漏有價(jià)值的路線方案，最終比選論證后確定推薦方案，在此基礎(chǔ)上開展后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)工作。