螺旋展线在山区高速公路中的应用研究（可编辑）

螺旋展线在山区高速公路中的应用研究（可编辑） 分类号:: 书 谖害太海 博士学位 螺旋展线在山区高速公路中的应用研究 赵永平 导师姓名职称 杨少伟 教授 申请学位级别 论文提交日期 学位授予单位 答辩委员会主席 许金良 学位论文评阅人 雒应高利邓卫 冷培义傅鹤林摘 要 螺旋展线是为了将路线在局部地域集中地提高或降低某一高度,路线以同一 转向 顺时针或逆时针连续盘旋来延展距离克服高差,且前后路线上下交叉,相交 路线以 隧道或跨线桥形成分离式立体交叉的展线方式。螺旋展线一般多在山脊利用 山包盘旋, 以早桥或隧道跨线;也有在峡谷内,路线就地迂回,建桥跨沟跨线。因螺旋展 线需修建 隧道或高桥、长桥,造价很高,在低等级公路中较少采用。随着社会经济的发展,高速 公路向山区纵深延伸。当采用自然展线无法克服路线控制点间的高差时,因螺旋展线比 回头展线具有更好的线形条件和满足山区高速公路线形指标的潜能,开始受到重视。同 时,随着桥梁和隧道建设水平的不断提高,螺旋展线在山区高速公路布设中将发挥其独 特的价值。但螺旋展线在山区高速公路中的应用还处于探索阶段,在山区高速公路选线 中如何运用螺旋展线、把握技术指标、保障行车安全,需要进行深入研究。 随着高速公路建设经验的逐步积累,人们对公路“安全、环保、舒适、和谐”的认 识逐步深入。本文首先定义了螺旋展线的概念,归纳出了螺旋展线的特征,分析了适合 螺旋展线的有利地形,并将螺旋展线与自然展线和回头展线进行比较,从技术性、安全 性、经济性和环保性等方面论证了螺旋展线在山区高速公路中的可行性。 根据高速公路螺旋展线的线形特点,即平面线形以连续的小半径曲线为主,纵断面 线形为纵坡较大的单向上下坡,研究了隧道外考虑夜间停车视距时的设计指 标;隧道内 考虑视距、横坡时的平曲线半径;连续下坡路段的最大纵坡及坡长限制;单向连续上坡 路段的纵断面设计指标。这些指标对于高速公路螺旋展线具有指导意义。 在确定高速公路螺旋展线线形指标的基础上,研究了螺旋展线的线形设计原则、步 骤及线形设计方法,分析了分离式路基中平面设计线的位置、纵断面设计高程线的位置、 横断面横坡、超高旋转轴的位置、超高过渡方式、分幅和合幅点处的平纵面设计、 分离式路基的总体设计、隧道洞口横断面的过渡等设计方法,对螺旋展线设计应注意的 问题提出创造性建议。 研究了国内外在线形安全评价方面的研究成果,对《指南》中的评价方法进行细化, 对其不足进行补充。分析了螺旋展线路段的线形特点,确定了评价的主要车型,提出基 于“速差”、“车型速差和“速度梯度”的评价标准,提出了考虑横断面变化路段、长 大弯坡路段、隧道路段的运行速度修证模型,使运行速度的评价方法能够适用于螺旋展线路段,确保线形设计的连续性和一致性。 从高速公路设计、施工、运营等各个阶段提出了螺旋展线路段的安全保障措 施。在 设计阶段,主要利用运行速度对道路线形进行安全性检查评价,通过运行速度对线形平 纵面指标、横坡、视距进行检查修正;设置路肩隆声带、线形诱导标、曲线外侧的加强 型护栏等措施减少交通事故;充分利用地形,设置避险车道和大型车辆冷却站。在施工 阶段,要积极利用新工艺、新技术、新材料提高路面的摩擦系数。在运营阶段,要加强 交通安全管理,不断完善交通安全设施,加强对超载、超速的管理,并对司机加强安全 教育。 关键词:山区高速公路,螺旋展线,可行性研究,线形指标,线形设计,安全评价, 运行速度,安全保障措施 , ,. ; ,, ,. ;, . ,, . , . , , . ,’ ” ,,”. , , ,.,.? , , ,. ? ,. ,, , ,, ?, , ? , . , ””, . , ” ,” , ” ”” ”,. ?, . , , . , , ; , ,, ; . ,, . ,,,舀. , : , , , , ,论文独创性声明 本人声明:本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 订 论文作者签名: 加矿年厂月歹日 塞如军 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时,署名单位仍然为长安大学。 保密的论文在解密后应遵守此规定 加罗年/月厂日 论文作者签名:么永手 导师签名: 枷秀年 ‘励卸、讳长安大学博士学位论文 第一章绪 弟一早三;百 论 下匕 . 研究课题的提出 高速公路是二十世纪三十年代在西方发达国家开始出现的专门为汽车交通 服务的 基础设施。高速公路在运输能力、速度和安全性方面具有突出优势,对实现 国土均衡开 发、建立统一的市场经济体系、提高现代物流效率和公众生活质量等具有重 要作用。高 速公路不仅是交通现代化的重要标志,也是国家现代化的重要标志。 从年上海至嘉定高速公路建成通车以来,中国高速公路总体上实现了持续、 快速和有序的发展,特别是年以来,国家实施积极的财政政策,高速公路得到 快 速发展,年均通车早程超过了公里,年底,中国高速公路通车旱程已达. 万公里,极大地提高了中国公路网的整体技术水平,有力地促进了中国经济发展和社会 进步。年月.日,《国家高速公路网规划》经国务院审议通过,标志着中国高 速公路建设发展进入了一个新的历史时期。国家高速公路网规划采用放射线与纵横网格 相结合的布局,形成由中心城市向外放射以及横连东西、纵贯南北的大通道,由 条首都放射线、条南北纵向线和条东西横向线组成,简称为“网”,总规模约 .万公里,其中:主线.万公里,地区环线、联络线等其他路线约.万公旱。 随着西部大开发战略的实施,高速公路建设的重心由东、中部地区向西部地区转移, 由平原微丘区向山岭重丘区延伸。高原山区沟谷狭窄、山高谷深、坡陡流急、高差较大、 地质复杂,建设高速公路面临的最大问题是山区独特的地形、地质、气候、水文、生态 等自然环境,加剧了高原山区选线、布线的复杂性。面对这种复杂的条件,如何实现路 线布设和克服高差,且能保证工程经济和行车安全、舒适、环保,是山区高速公路建设 中急待解决的关键技术问题。 路线是公路的骨架,公路选线、布线是公路建设重要而关键的一步。在确定公路走 廊带的基础上,如何选择公路路线的线位、技术指标、平纵线形、横断面形式,是确定 高速公路建设、管理、运营、养护等设施的基础。在高原山区选线不是顺山沿水,就是 横越山岭,当地形沟谷的自然坡度大于路线纵坡时,为克服高差必然要进行展线。展线 方式有自然展线、回头展线和螺旋展线三种。 自然展线是以适当的坡度,顺着自然地形,绕山咀、侧沟来延展距离,克服高差。 自然展线的优点是走向符合路线基本方向,行程与升降统一,路线最短。自然展线的线第一章绪论 形简单,技术指标一般也较高,特别是路线不重叠,对行车、施工、养护均有利。缺点 是避让艰巨工程或不良地质的自由度不大,只有调整坡度这一途径。 回头展线通过在同一面坡上作相反方向的前进,来延展距离而克服高差。回头曲线 的转角一般接近或大于。。回头展线的优点是便于利用有利地形,避让不良地形、 地质和难点工程。缺点是在同一坡面上,上、下线重叠,尤其是靠近回头曲线前后的上、 下线相距很近,对于行车、施工、养护都不利,因此不得已时山区三、四级公路方可采 用。由于回头展线线形指标差,在高等级公路中很难满足线形要求而较少使用。 螺旋展线是当路线受到地形限制,公路路线无法依靠自然展线延长距离克服高差或 利用自然展线将付出巨大的经济、安全及环境代价,需要在某处集中地提高或降低某一 高度才能充分利用前后有利地形时采用的展线方式。螺旋展线路线的上下线之间有交 叉,一般多在山脊利用山包盘旋,以旱桥或隧道跨线;也有的在峡谷内,路线就地迂回, 利用建桥跨沟、跨线。它比回头展线具有较好的线形,避免路线重叠的优点。缺点是需 建隧道或高桥、长桥,造价较高,在低等级公路中较少采用。 过去由于社会经济实力,认识观念等多种因素的影响,制约了螺旋展线的发展和应 用,使螺旋展线成为高原山区越岭展线中不常用的一种方法。随着社会的发展,经济实 力的增强,山区公路等级在不断提高,高速公路在向山区纵深延伸。当自然展线和同时 利用长大隧道都无法克服路线控制点间的高差或采用自然展线将付出巨大 的经济、安全 及环境代价时,螺旋展线由于具有比回头展线更好的线形条件和满足山区高速公路线形 指标的潜能,而开始受到设计者的重视。同时,随着桥梁和隧道建设技术水平的不断提 高,螺旋展线在山区高速公路布设中将成为一种很好的选择,将逐步发挥其自身的价值。 但螺旋展线在山区高速公路中的应用还处于探索阶段,在山区高速公路选线中如何运用 螺旋展线、把握技术指标、保障行车安全,需要深入研究。 .螺旋展线在国内外发展状况 ..在公路中的应用 在国外,特别是瑞士阿尔比斯山山区高速公路,采用螺旋展线并非是新鲜事物,取 得了良好的使用效果。我国已建或待建的山区高速公路中,越岭线主要以自然展线和长 隧道结合为主,螺旋展线还没有应用,仅在天水一宝鸡的牛背村至散佾乡段、长沙一重 庆的湘西段等少数山区高速公路中作为比较方案。采用螺旋展线对高原山区高速公路的 长安太芈博?学位论 路线方案和行车安全有何影响。均投有相关研究可以参考。 在我国低等级公路的越岭线中,螺旋展线由于受到公路建设投资、山区经济状况及 认识观念等因素的影响,使用较少。据不完全统计仅有几例.只作为回头展线的补充, 采用的技术指标均较低。如图 曲为始建于年的贵州省施秉县境内的鹅翅膀公路 桥,是我国最早利用跨线桥进行螺旋展线的例子。图.匀利用隧道进行螺旋展线的 例子。 图.螺旋展线在立交中的应用 图螭旋展线在桥粱引道中的应用? 我国在建的高速公路中,螺旋展线作为比较方案的有宝天高速公路十背村至散前乡 段。该路段方案为螺旋展线方案,该方案虽然避免了特长隧道和高架桥,但有一定安 全隐患:方案为高架桥方案,缺点是造价高,对环境破坏大;方案为长隧道方案, 限方案对生态环境和行车安全最为有利,缺点是隧道后期运营费用高。 我国在建的高速公路中,螺旋展线作为推荐方案的有云南水富~麻柳湾高速 公路期工程太平~?风凹隧道段.线连云港一霍尔果斯口岸赛旱木湖至果 子沟口段,雅安西昌高速公路拖乌山段,西汉高速公路宁陕连接线等。 云南水富~麻柳湾高速公路一期工程太平~?风凹隧道段的推荐一案起太平乡 政府东南侧向南,为避不岩堆和复兴河两岸错落豹危岩吊块,利用两岸相对 平缓台地, 次换岸靠线,逆溪而上经大河口、复兴、象鼻嘴、小石盘、河咀、设顺时针度螺 旋线.绕西岸老堡山山包,垂直升高米.顺西岸升坡至海拔米,设?风凹分离 式隧道 。 米穿越山脊,而后展线降坡达砖房.争长 线连云港一霍尔果斯口岸赛早木湖至果子沟口段的推荐方案位十果子沟 大桥后至将军沟隧道出口段,其螺旋线由个同向曲线相连接为卵形曲线而实现降坡, 为了保证隧道内外线形的连续性,将军沟隧道内线形也是采用卵形曲线。 雅安西昌高速公路地处四川镐地与青藏高原的交接地带.地形呈连续性阶 梯状抬州。路线采用设计速度/双向四车道设计标准。连续爬坡段最低点设计标 高为 ,最高点设计标高为 ,在的路线长度范围内完成升坡,平均纵坡 %。在拖乌山为克服 公里米的高差和避不断裂带、季 节性冰冻带,设计建设双螺旋小半径曲线隧道。隧道平面线形为单圆曲线,半径米, 。 伞隧道均为上坡图 雅硝高速公路 州汉高速公路陵连堂线 图.在建的高速公路螺旋展线 西汉高速公路宁陕连接线为二缴公路,为了克服高差,路线在狭窄的山谷中盘旋长安大学博士?位论文 以高架桥跨越形成螺旋展线圉.。 ..在铁路中的应用 在我国铁路选线中,由于铁路所采用的最大纵坡远远小于公路,当遇到相对高差较 大的地形时,螺旋展线常成为山区铁路越岭展线的一种选择。如成昆铁路在越过岷江与 雅砻江的公里的地段内,次盘山展线,次跨牛日河,修了公里的隧道和 公里的桥梁,绕行了公里,才爬到海拔多米的制高点。为了爬上长江和元江的 分水岭线,路线在盒沙江河谷次盘山展线,次跨过龙川江.最后甜南下广通,经滇 。 池地区的丘陵和淤泥地带到达昆明图 乐武展线 韩都路一两河口展线 驽谚 巴各勒展线 由法拉展线 圈.螺旋展线在成昆铁路的应用 在内昆铁路上,大关、彝良、昭通一段.线路在祟山峻岭中以 ‰的加力坡盘旋 展线,连续上坡公里。其中,最典型的一段就是三层展线,从层展线彝良车站到 第三层展线黄土坡站,直线距离只有米,海拔却升高了米。铁路盘旋圈行程 达公里,这就是我国首例铁路三层螺旋展线。 宝成铁路在翻越秦岭时,为了克服地势高差,咀个马蹄形和个螺旋形的迂回展 线上升,线路重列层,高达米,随后以多米长的隧道穿过秦岭垭口,进入 。 嘉陵江流域图 图.螺旋展线在宝成铁路的应用 铁路选线和线形设计方法对山区高速公路的设计有一定借鉴作用,但铁路路基宽度 远比高速公路窄,地形限制的影响相对较小。 研究的主要内容及技术路线 ..研究的主要内容 应用螺旋展线方法的可行性分析 通过对螺旋展线与自然展线、回头展线的比较,从技术性、安全性、经济性和环保 性等方面论证螺旋展线在山区高速公路中的可行性。研究螺旋展线的适用条件.以及适长安大学博士学位论文 合螺旋展线的有利地形,为螺旋展线在山区高速公路的应用研究提供理论基础。 螺旋展线路线的主要技术指标研究 根据高速公路螺旋展线的线形特点,即平面线形以连续的小半径曲线为主,纵断面 线形为纵坡较大的单向上下坡且多为分离式路基,研究隧道外考虑夜间停车视距时的平 纵面设计指标:隧道内考虑视距、横坡时的圆曲线最小半径;单向连续下坡路段的最大 纵坡及坡长限制;隧道内单向连续上坡路段的最大纵坡及坡长限制。这些指标对于高速 公路螺旋展线设计具有指导意义。 螺旋展线线形设计方法 .主要研究螺旋展线的线形设计原则、步骤及线形设计方法,分离式路基的总体设计 方法,对螺旋展线设计应注意的问题提出建议。 螺旋展线的安全性评价 通过对道路安全性评价方法现状的调查研究,考虑螺旋展线线形的特殊性,提出适 合螺旋展线的安全性评价方法。 螺旋展线的安全保障措施 针对螺旋展线路段线形的特殊性,从高速公路设计、施工、运营等各个阶段提出螺 旋展线路段的安全保障措旌。 ..研究的技术路线 采用调查和理论计算分析、典型路段的现场实验及工程实例分析等方法,以依托工 程应用评价为手段,对螺旋展线在山区高速公路中的应用进行系统、深入的研究。 .小结 本章根据所收集到的相关资料,介绍了国内外螺旋展线在公路、铁路、城市道路和 立交等方面应用的现状,提出了本课题的主要研究内容及技术路线。 第二章 山区高速公路螺旋展线的可行性研究 第二章山区高速公路螺旋展线的可行性 . 适合螺旋展线的有利地形 ..螺旋展线的定义 为了在某处集中克服高差,路线利用有利地形,总体向同一方向顺时针或逆时针 连续盘旋来延展距离,直至前后路线相交,且相交路线以隧道或跨线桥形成分离式立体 交叉的展线方式称为螺旋展线。 根据螺旋展线交点前后路线走向不同,螺旋展线的线形有以下几种形态: 冈矿 。 。 。 。 多层螺旋展线 图.螺旋展线线形的基本形态和转角 螺旋展线的目的是为了克服高差,所采用的方法是通过在一小范围内向同一方向盘 旋而延展距离,产生的结果是前后路线相交叉,处理交叉的方式是以隧道或跨线桥等形 成的分离式立体交叉。螺旋展线的特征是前后路线有相交点,一般有一个交点图., ,,,如果是多层螺旋展线可能有多个交点图.。 ..适合螺旋展线的有利地形 .山区地形、地质、气候对公路的影响 山区的地形特点是山高谷深,丘陵起伏,在短距离内的标高变化很大;山坡陡峻, 溪流湍急,有的流量虽小而冲刷力很大;沟谷多而曲折,地形错综复杂。这就迫使公路 路线弯急、坡陡、转折起伏频繁。 山区的地质特点是土层薄、岩石多,地质层理和地壳性质在短距离内变化大,侵蚀 作用强烈,多滑坡、崩塌、泥石流等地质不良地段。由于路基的稳定取决于所在地段的 地质稳定性,所以,岩石的种类、层理的走向和倾斜度、地下水位等都影响路线的布设 位置。 长安大学博士学位论文 山区的气候特点是气温较低而变化剧烈,夏季多暴雨,冬季积雪严重,河流水 位变 化幅度大,海拔高处空气稀薄、气压低。暴雨引起山洪对路基造成冲刷,温差 与冰雪严 重时对路基路面引起破坏,气压低、积雪、结冰、大雾等均对行车安全有不 利的影响。 .适合螺旋展线的有利地形 山岭地区常见的地形有以下几种:山峰、盆地、山脊、山谷、鞍部和峭壁图.。 山地山峰 盆地洼地 山脊 山谷 鞍部 地形 峭壁陡崖 ?一 腹 不 ? 圣 思 腻 山麓 图 塑毫掣 尉 一 翻缢 ‘ .、 等 ~ 局 线 。..?, 圈 埝 润 ? 图 淼 地形 四周低 四周高 从山顶到山麓 从山顶到山麓 相邻两个山顶之 近于垂直的山 特征 中部高 中部低 凸起部分 低凹部分 间,呈马鞍形 坡,称峭壁. 图.山岭区常见的地形 螺旋展线的关键在于适应地形特征,使上、下线在交叉处有足够的高差,具有 建桥 或修隧道的条件,并且延展的距离要满足所克服高差的需要。适合螺旋展线 的有利地形 一般有平缓的山包、山脊和山谷。 图.山包螺旋展线 利用山包螺旋展线 直径较大、横坡较缓、相邻有较低鞍部的山包是螺旋展线的有利地形。如图.所 第二章 山区高速公路螺旋展线的可行性研究 示为上线架桥通过垭口,绕山包一圈后在桥下通过,继续展线降坡。 山包螺旋展线的上、下线之间通过高架桥交叉,利用平缓而宽大的山包修筑路基, 可以大大减少工程数量,上下线也没有重叠。如果山包的直径较大,曲线的半径可相应 增大。主曲线段视距可能存在不良,绕山包时最好设计成较浅的路堑。 利用山脊螺旋展线 头部直径较大、横坡较缓、有较瘦腰部的山脊是螺旋展线的有利地形。如图。, 上线走山脊,绕过宽阔的山脊头部以后,下线选择较瘦的山脊腰部以隧道穿越,继续展 线降坡。 山脊螺旋展线的上下线之间是通过隧道交叉,为了缩短隧道长度,隧道位置应选择 在山脊腰部较瘦的地方通过。如果山脊头部的直径较大,曲线的半径可相应增大。为了 避免主曲线段视距不良,路基最好设计成较浅的路堑。 利用山谷螺旋展线 入口较窄、腹地宽大、沟内横坡较缓的山谷是螺旋展线的有利地形,如图.。上 线从山脊降坡至狭窄的谷口后,以跨线桥通过谷口,顺山逆水而行,至沟底后盘旋至山 谷另一面山坡顺水而下,下线穿过谷口,继续展线降坡。 山谷螺旋展线 图. 山脊螺旋展线 图. 山谷螺旋展线的上下线之间是通过跨线桥交叉,主曲线直径受山谷形状的影响较 大。但大部分圆曲线均为明弯,视距较好。 利用山体隧道展线 当山体地质条件好,且符合路线大致走向,可考虑采用山体隧道进行展线。 雅安西昌高速公路在拖乌山为克服.公罩米的高差和避不断裂带、 季节性冰冻带,设计建设双螺旋小半径曲线隧道。隧道平面线形为单圆曲线,曲线半径 米,全隧道均为上坡。图. 长安大学博士学位论文 .螺旋展线与其他展线方式的比较 .. 自然展线 当沟谷与山脊间的坡面有较整齐的长段山坡,无较大割裂地形而地质又稳定 时,路 线以适当的坡度,顺着自然地形,绕山嘴、侧沟展线而克服高差,叫自然展线。在越岭 线的布局中,充分利用自然地形展线是首选的方法。常见的自然展线形式有: 跨沟线:沿山谷地形展线,一般从沟的一岸傍山逆水而下,到接近沟底时,跨 沟沿另一岸依山顺水降坡。布线时,要注意平、纵、横三面的配合以及充分利用地形条 件,恰当地选定桥涵位置和高度。 绕山咀展线:当路线顺沟而下,转入另一个山沟时,常常要绕两沟之间突出的 山咀。在绕山咀时,一般视距较差,为了提高路线标准,应避免使用过小的圆曲线半径, 并注意小半径平曲线段的纵坡折减问题,保证行车视距的要求。 鸡爪地形地带的展线:鸡爪形地带,一般是深沟瘦山咀所组成的地形。当路线 要求的标准较高时,只能考虑前后的填挖大致平衡,以直线或较大半径圆曲线穿山咀、 跨深沟。当路线的等级较低时,应通过技术经济比较来确定路线是按地形绕进绕出,还 是直穿山咀和直跨深沟。从局部工程数量看,可能以按地形绕迸绕出为小些,特别是在 山咀较肥和山沟比较开阔的地形;但从总工程量看,由于受技术标准的限制,路线距离 增长,使工程加大包括开挖视距台等以及产生填挖不平衡等原因,就不一定 比直穿 直跨为省;另外从技术标准和行车效果来看,直穿直跨方案的优越性大。因此,直穿直 跨方式布线,工程数量虽可能稍大些,但从长远考虑,汽车运营和公路养护费用可以节 约,因而除深挖高填受地质等条件限制不允许外,一般可优先考虑采用直穿直跨方案。 .. 回头展线 回头展线是在同一面坡上,作相反方向的前进,以克服高差,回头曲线的转角一般 接近或大于。。当控制点间的高差大,靠自然展线无法耿得需要的距离以克服高差, 或因地形、地质条件限制,不宜采用自然展线时,路线可利用有利地形设置回头曲线进 行展线。 回头地点对于回头曲线工程大小和使用质量关系很大,应慎重选择。回头曲线的形 状取决于回头地点的地形,一般利用以下三类地形设置图.: 直径较大、横坡较缓、相邻有较低鞍部的山包或平坦的山脊: 地质、水文地质良好的平缓山坡; 第二章 山区高速公路螺旋展线的可行性研究 地形开阔,横坡较缓的山沟或山坳。 币爿山包回头;利用山脊平台回头;用缓坡闸头: 利用山沟回头;利用山坳回头 图.适宜设回头曲线的有利地形 为了尽可能消除或减轻回头展线对于行车、施工、养护的不利影响,要尽量把回头 曲线间的距离拉长,以分散回头曲线、减少回头个数。回头展线对不良地形、地质的避 让有较大的自由度,但不应遇见难点工程,不分困难大小和能否克服就轻易回头,致使 路线在小范围内重叠盘绕。对障碍要进行具体分析,当突破一点而有利于全局时,就要 做些工程突破它。 设置回头曲线,需要选择横坡较缓和较开阔的地形,以便能布置回头曲线的上下两 个路基和边沟。如果设置在较陡的山坡上,上下线还必须设挡土墙或采取其它工程措施。 同时,连接回头曲线两端的路线,亦需要有一段横坡比较平缓的地形才能把上下线路基 分开,使其边坡不致发生干扰。 ..螺旋展线 螺旋展线是当路线受到地形高差的限制,公路路线无法依靠自然展线延长距离克服 高差或利用自然展线将付出巨大的经济、安全及环境代价,需要在某处集中地提高或降 低某一高度才能充分利用前后有利地形时采用的展线方式。螺旋展线路线的上下线之间 有交叉,一般多在山脊利用山包盘旋,以跨线桥或隧道跨线;也有的在峡谷内,路线就 地迂回,利用建桥跨沟、跨线。一般情况下,一个螺旋展线曲线可以代替~组两个 回头曲线,因此它比回头展线具有较好的线形、避免路线重叠的优点。缺点是需建隧道 长安大学博士学位论文 或高桥、长桥,造价较高图.。 图.回头展线与螺旋展线的比较 ..三种展线方式的比较 当上、下控制点之间的高差不大,且走廊内地形有利于路线布设时,应优先采用自 然展线。自然展线的走向符合路线基本方向,线形简单,技术指标一般也较高,纵坡均 匀,行程与升降统一,路线最短,特别是路线不重叠不交叉,对行车、施工、养护均有 利,是山区越岭线首选的展线方式。缺点是避让艰巨工程或不良地质的自由度不大,只 有调整坡度这一途径。 当上、下控制点之间的高差较大,靠自然展线无法克服高差,或采用自然展线走廊 内的地形地质条件不适于路线布设时,只能采用回头展线或螺旋展线,以延展路线距离 克服高差,或者集中升坡以避让不良地形,利用有利地形。《公路路线》以下 简称《规范》中回头曲线的技术指标如表.。 表.回头曲线技术指标 主线设计速度/ 回头曲线设计速度/圆曲线最小半径 回旋线最小长度 超高横坡度% . . . . 双车道路面加宽值 . . . . 最大纵坡% 回头展线的优点是便于利用有利地形,避让不良地形、地质和难点工程。对高差很 大的低等级公路越岭线,为克服高差,或者避让一些特殊地形和难以处理的不良地质地第二章 山区高速公路螺旋展线的可行性研究 段,隧道方案又不能采用时,则不得不用回头曲线来展线。当采用回头展线时,其关键 在于选择回头曲线的位置和确定合适的回头曲线半径值。但回头展线在同一坡面上、下 线重叠,尤其是靠近回头曲线前后的上、下线相距很近,对于行车、施工、养护都不利。 由于受地形限制,回头曲线一般标准较低,多采用规范的圆曲线最小半径,使主曲线与 辅曲线半径相差较大,且回头曲线的布设一般为一组两个反向曲线,严重影响线形 的连续性。故回头曲线只能用于三、四级公路的越岭线展线中。 螺旋展线可以利用有利地形如平缓的山包、山脊、山谷和符合路线大致走向的山体。 其关键在于地质条件是否稳定,是否有适宜的地形进行展线,使上下线在交叉处有足够 的高差,以及在交叉处是否可能架桥或建隧道。螺旋展线在交叉前的上、下线位于不同 的坡面上,这样就可以在平面设计上争取到较大的半径满足《规范》要求,且克服了回 头展线上、下线重叠对于行车、施工、养护不利的缺点。因此,当受地形地质条件限制, 前后控制点之间高差过大,没有自然展线的条件,而回头展线的线形指标又不能满足二 级以上公路线形指标要求时,则应该重点考虑螺旋展线。 如云南水富~麻柳湾段,走廊内布设路线的有利地形多分布于复兴河谷底以 上~米范围以内,溪谷平均纵坡与高速公路越岭线平均纵坡基本相近。若布设于谷 底米以上,路线穿越大量悬崖断壁,其工程的复杂性和艰巨性不言而喻:若布设于 谷底米之内,路线穿越大量的松散岩堆,严重影响工程的投资和安全。如果采 用自然展线,路线必然“吊在米以上的半空中,虽然纵坡均衡,无“废坡”有利于 缩短公路里程,但工程复杂艰巨,而且实施难度大。如果利用河谷底以上~米范围 以内的有利地形前行,在沟谷尽头采用集中螺旋展线提升路线,虽然路线长度有所增加, 但可以充分利用前后有利地形,是一种非常有价值的比较方案。 在线赛里木湖至果子沟口段公路改建工程的越岭线方案比较中,经过对展线 走廊区域的地形与地貌以及水文与地质条件等进行系统的综合分析,该走廊内命设高速 公路的有利地形和线位多分布于捷尔得萨依沟及将军沟以上范围内。而沟底 纵坡均在%左右,若沿沟谷布设路线,则不能在该区域内完成降坡。且越岭段植被茂 密,生长的天山雪松均为天然林,一旦破坏将无法恢复,所以本着以人为本、减少对环 境的破坏,将工程建成一条“生态路、环保路、旅游路、景观路”的目标,在捷尔得萨 依沟及将军沟前后依靠大型桥梁及隧道进行螺旋展线,尽早提升路线到适合句线的高 度。经过专家论证,该方案是正确的,科学的和必要的。 长安大学博士学位论文 . 山区高速公路螺旋展线的可行性 随着高速公路建设经验的逐步积累,人们对公路“安全、环保、舒适、和谐”的认 识逐步深入。在山区高速公路设计中,当自然沟谷纵坡较大,路线无法通过自然展线降 坡,或者采用自然展线无法利用有利地形,需要集中升高或降低路线高度,而回头曲线 的线形指标又不能满足要求时,螺旋展线应该结合具体情况与其他可能的方案进行技术 性、安全性、经济性和环保性等方面的综合比较。 ..螺旋展线在技术上的可行性 .螺旋展线的平面设计 螺旋展线可以充分利用地形,在路线回转前后将线位布设在不同的坡面上,这样就 可以采用较大圆曲线半径,能够满足高速公路的半径要求,而且上、下线之间不会产生 干扰。螺旋展线的一次路线交叉相当于回头展线的一组两个反向回头弯,且曲率为 同一方向,其连续性、安全性和线形指标均好于回头曲线,能够适用高速公路行车要求。 .螺旋展线的纵断面设计 上坡方向,在隧道外应满足最大纵坡和坡长的限制,保证汽车以不低于容许速度爬 坡;在隧道内,纵坡指标受控制的主要因素是通风,纵坡设计应考虑汽车排放烟雾和 等对通风的需要,满足卫生和可见度的要求。下坡方向,主要满足汽车连续下坡最 大纵坡和坡长的限制,保证汽车行驶的安全性。纵坡的这些要求可以通过充分利用地形, 延展螺旋展线长度进行控制。 .螺旋展线的横断面设计 由于螺旋展线路线稚设在不同的坡面上,路线交叉后上、下线高差很大,在平面上 线位距离较远,对横断面布置不会产生影响。如赛里木湖至果子沟口公路的螺旋展线, 路线重叠段为果子沟大桥,其桥面高程与下线高差为;水富~麻柳湾段路线重叠段 为?风凹隧道,上下线高差,如此大的高差对横断面布置不会产生任何影响。所以 螺旋展线路段的横断面按一般路基、高架桥、隧道断面进行设计,其分离式路基的分幅、 合幅点过渡都与一般路基相同。 .螺旋展线的交叉设计 螺旋展线路段的交叉方式有高架桥和隧道两种方式。高架桥按一般高速公路分离式 立交进行设计;隧道上的路基与隧道洞顶高差较大,可按一般路基进行设计。第二章 山区高速公路螺旋展线的可行性研究 .弯桥、弯隧道的设计 曲线梁桥在弯扭耦合作用下,具有沿某一不动点变形的趋势,单向行驶的大纵坡长 桥在长期反复的汽车制动力作用下,梁体具有沿汽车行驶方向滑移的趋势。因此山区高 速公路桥梁宜采用先简支后连续或墩梁固结的刚构体系,既适应平面线形,又适应桥梁 受力特点。施工方面,目前的弯桥基本不存在难题,其线形设计应服从路线走 向,无需 过多考虑弯桥的限制。 平曲线隧道,特别是在洞口段设置为曲线,不仅有利于光线的过渡,而且能有效的 调节驾驶员的心理,能够引导驾驶员匀速进洞,也不受出口“白洞”影响加速出洞,避 免引起交通事故。同时曲线隧道有利于避让不良地质地段。 隧道一般大都建成上下行分离的两座隧道,洞轴间距设置为~。但在复杂地 形、地质条件下,路线布设如果困难,分离式隧道可能难以满足《公路隧道设计规范》 【?】左右洞净距要求,可采用小间距或连拱隧道的。 对于河谷陡峻的傍山隧道,可考虑半边桥半边隧、隧道上下错离等分幅设计,长度 较短的可采用连拱隧道或小间距隧道。 .螺旋展线路段的施工 在施工方面,螺旋展线路段一般远离现有路网,村寨稀少,交通不便,可以布设永 久与临时相结合的施工便道和电力线路,为确保建设工期、质量和安全创造条件。由于 螺旋展线上下路线之间克服了较大高差,在平面上其线位距离较远,不会对施工造成干 扰。 施工单位一定要配备过硬的工程地质技术人员,及时发现问题,解决问题。若发现 地质情况有变化,可立即调整设计、施工方案,确保工程的安全稳定。在隧道洞口施工 中,要遵守“早进晚出的原则,加强隧道施工的超前预报。在桥梁施工中,对原进场 困难场地,通过施工便道进场钻探,弥补地质勘察的不足。在路基边坡施工中,加强地 质勘查工作,通过开挖的地质剖面,真实、直观地了解地质工程情况;要加强动态监测, 尽量减少开挖量,保护自然坡体和植被。 在施工季节的选择、开挖顺序的确定、防护工程的实施等方面,采用科学的施工方 法和施工工艺,确保施工质量、安全和进度。 ..螺旋展线在安全保障上的可行性 螺旋展线路段的安全保障,包括路线设计指标和运营安全设施两个方面的内容。 长安人学博学位论文 在设计指标上,螺旋展线路段的圆曲线半径除了要满足设计规范规定的最小半径 外,还要满足连续转弯曲线在隧道内外的视距、横坡等方面的特殊要求;连续上坡路段 的纵坡除要满足车辆爬坡能力和通行能力的要求外,还要满足隧道内和烟雾排放标 准:连续下坡路段的纵坡可通过控制路线坡度和坡长满足车辆在安全性方面的要求。 在运营安全设施方面,除采用齐全的交通安全设施外,在隧道和桥梁路段外可视需 要设置避险车道、爬坡车道,在坡顶设置停车场检查刹车装置。另外,结合超限超载治 理,通过发放宣传单等手段加强对驾驶员的教育,提高其安全意识。通过严格的交通安 全管理,加强软硬件的结合保障交通安全。 ..螺旋展线在经济上的合理性 路线方案在经济上的比较,主要是各方案总费用的比较,包括:?修建费用;?养 护维修费用;?营运费用。 山区高速公路地形地质复杂,构造物多,桥梁隧道长度占路线总长的比例大。一般 桥隧比例高达%一%,每公里造价在万元以上。有些路段桥隧比例超过%, 每公里造价超过亿元。螺旋展线可以充分利用有利地形,减少养护维修费用。通过适 当的展线,可以减少桥隧所占比例,降低工程造价。根据线老堡山螺旋展线、 线将军沟螺旋展线、宝天高速牛背村至散彷乡螺旋展线方案与其它可行方案 的技术经济 比较,螺旋展线方案路线长度虽略有增长,但工程造价在各方案比较处于中低水平,是 有价值的比较方案。 ..螺旋展线在环境保护方面的可行性 螺旋展线路段一般位于高原山区,气候条件恶劣,生态脆弱,所以,对自然环境不 破坏就是最大的保护。在有条件的地方进行螺旋展线,通过隧道、桥梁实现路线交叉, 避开不适于布线的地段,就可以减少防护工程数量,减少对原有地貌的破坏。利用上下 坡路段纵坡的不同要求,左右转弯驾驶员对视距的不同要求,灵活布置整体式或分离式 路基,以减少不挖,可以最大限度地降低对环境的影响。 宝天高速公路地处秦岭褶皱带北缘,地形陡峻,路线最低点和最高点相对落差近 米,地处小陇山林区,有国家级森林公园、地质公园和自然保护区,生态保护不容忽视。 为了体现“安全、环保、美观、流畅”的主题,整个设计理念峰持“以人为本”,实现 公路与自然景观协调一致的原则。在牛背村至散俞乡初步设计中的路线方案共有三个, 分别为:方案为高架桥方案,该方案长桥、高桥、大跨桥多,缺点是造价高,对环境第二章 山区高速公路螺旋展线的可行性研究 破坏大:方案为长隧道方案,越岭时以长的大坪罩特长隧道直接通过,该方案 对生态环境和行车安全最为有利,缺点是隧道后期运营费用高;方案为螺旋展线方案, 该方案可以避免高架桥和特长隧道,对保护环境和降低运营费用都有利,在自然保护区 中选线,是值得重视的方案。 .小结 本章定义了螺旋展线的概念,归纳出了螺旋展线的特征,分析了适合螺旋展线的有 利地形,并将螺旋展线与自然展线和回头展线进行比较,从技术、安全、经济和环保等 方面论证了螺旋展线在山区高速公路中的可行性。长安大学博士学位论文 第三章螺旋展线线形指标研究 螺旋展线路段地形复杂,曲线半径较小,对线形指标的要求除要满足一般规定外, 还应该考虑螺旋展线的特殊情况。如隧道外考虑夜间停车视距时的平面和纵断面设计指 标;隧道内考虑视距和横坡时的最小圆曲线半径;单向下坡路段的最大纵坡和坡长;隧 道内为克服高差需要采用的最大纵坡等。 . 隧道外考虑夜间停车视距时的设计指标 隧道外一般路段上的设计指标包括圆曲线最小半径、缓和曲线最小长度、纵断面最 大纵坡、坡长限制、最小竖曲线半径等。这些指标主要考虑汽车行驶的安全性、动力性、 经济性、舒适性,应满足~般的规定,在此不赘述。螺旋展线的一个特点是连续的组合 曲线,因受到地形的限制,圆曲线半径不可能太大,平、竖曲线指标往往采用《规范》 较低值。 螺旋展线路段常会出现隧道群展线。当朝向或天色较暗时,隧道内、外行车视线条 件较差。随着我国经济的发展,夜间交通量及小汽车所占比例明显增加。从汽车行驶特 性来看,小汽车行驶速度较高,当交通量不大时,车速往往高于设计速度。我国《规范》 在制定平、竖曲线最小半径时,主要考虑汽车在白天运行的状况,而对汽车夜间行驶考 虑则不够全面。在这种情况下,有必要对汽车夜间行驶所要求的平、竖曲线最小半径进 行研究。 停车视距是汽车安全行驶的重要保障条件之一,也是公路几何设计的主要依据。汽 车在公路上行驶,如前方遇到障碍物,又不可能驶入邻近车道绕避时,只有采取制动措 施,使汽车在障碍物前完全停住,以保证安全,这一必须保证的最短距离称为停车视距。 .. 考虑汽车前灯散射角的隧道外路线圆曲线最小半径 《规范》中规定的圆曲线最小半径是以汽车在曲线部分能安全而又顺适地行驶所需 要的条件确定的。圆曲线最小半径的实质是汽车行驶在公路曲线部分时,所产生的横向 力不超过轮胎与路面的摩阻力所允许的界限。即 , 丽 第三章螺旋展线线形指标研究 式中:为圆曲线半径;为车辆速度/;‖为横向力系数,极限值为路 面与轮胎之间的横向摩阻系数;为路面的横向坡度。 公式.仅考虑汽车安全行驶的力学要求,而没有考虑汽车在夜间安全行驶的视 距要求。根据调查,驾驶员的水平视野角随车速增加而减小,其关系如下: 表. 驾驶员的水平视野角与车速关系车速/ 水平视野。 ~ 在夜间行车时,驾驶员的水平视野受到前灯水平散射角的限制,即驾驶员的水平视 野最大等于前灯水平散射角。如图.: 图. 考虑汽车前灯散射角的路线圆曲线最小半径 . 、 :.等 式中: 为停车视距;为汽车行驶轨迹半径;口为前灯计算水平散射 角。。 关于前灯计算散射角口,美国规定为。,欧洲经委会规定为。。目前国内尚 。在用 无具体规定。据试验分析,在夜间,汽车安全驾驶所需要的最小照度约为. 汽车前大灯照明时,光线应当越强越好,照明距离也要越远越好,并应在照明区域以内 提供尽可能均匀的照度。理想的远光灯应当在光束的中心部分具有最大的发光强度,并 投出矩形的光束。通过对汽车前大灯配光性能的调查发现:目前的大灯几乎全都采用抛 物面或准抛物面的反光镜,并在反光镜上或在罩住反光镜用的玻璃上制出花纹,利用这 些花纹使光线在大灯内部偏转,以使大灯灯光中心部位具有最大的发光强度,并投射出 近似矩形的光束。此光束以近似。。的角度射出。虽然在此锥角外还存在光线的 散射,但光强比较弱,基于行车安全角度可以不予考虑。长安大学博士学位论文 我国.《汽车和挂车外部照明及信号装置的安装规定》中规定:远 光灯“发光面的可见度包括从观察方向看来似乎不发光区域的可见度,必须保证在 其周长上的众母线形成的扩散区域内。该区域与前灯基准轴线的夹角不小于。”。即前 图.。 灯计算散射角口?。 图.远光灯发光面的可见厦 前灯计算散射角倍于防眩设施的遮光角图.。交通部公路科研究所在国家“七 五”攻关中,对防眩设施的合适遮光角进行了专门研究。从人的视觉遮光要求、车辆前 照灯几何可见角和根据两车相会时眩光影响最大的横向位置和距离等方面出发,初步选 定了理论上合适的遮光角,并通过野外试验,确定防眩设施的最小遮光角为。。最后 根据遮光的效果,结合经济和横向通视等方面的要求,通过大量实际调查,并考虑到国 内外的使用经验,确定平直路段上防眩设施的遮光角以。为宜。这一结果已 在国内几 条高等级公路上得到验证。因此,《高速公路交通安全设施设计及施工技术 规范》 .中规定,平直路段上防眩设施的遮光角为。。由此得出前灯计算散 射角口?。,且以。为宜。 分隔带 图.平直路段上防眩设施的遮光角第二章螺旋展线线彤指标毋究 综合考虑远光灯发光面可见度、防眩设施的遮光角、并参考国外前灯计算散 射角的 取值,本文取前灯计算散射角口为。。 取前灯计算散射角口为。,即驾驶员在夜间驾驶时,其水平视野角为。。 将口。代入.式,则考虑汽车前灯水平散射角的最小圆曲线半径为: . 尺。。:坐:. 计算结果如表.: 表.考虑汽车前灯水平散射角的最小圆曲线半径 设计速度/ 。 停午视距 《规范》要求的一般最小半径 《规范》要求的极限最小半径 考虑汽车前灯水平散射角的最小 ’半径 推荐半径 由表.可见,考虑汽车前灯水平散射角的最小圆曲线半径大于《规范》要求的极 限最小半径。当设计速度低于 /,考虑汽车前灯水平散射角的最小圆曲线半径甚 至大于规范要求的一般最小半径,且车速越低,这种情况越严重。 ..考虑汽车前灯高度的凸形竖曲线最小半径 《规范》在确定竖曲线最小半径时,主要考虑三个因素:缓和冲击、行驶时间不过 短、满足视距的要求。在计算凸形竖曲线最小半径时,这三个因素中起控制作用的是视 距要求。且以凸形竖曲线长度大于视距为有效控制。如图.。 .//图.考虑汽车前灯高度的凸形竖曲线最小半径长安大学博士学位论文 则。厄面 矗叠 红:堕 ‘ ‘ ‘ .:?夏何压 ‘. 则心扩琊雨再 式中: 为停车视距;为凸形竖曲线半径;为驾驶员视线高,即目 高扛.:呜为障碍物高,即物高红.。 在《规范》中,驾驶员视线高盔取.米,仅考虑了白天的情况。但在夜间驾驶员 的视线受前灯照射的影响。汽车前灯高度为.米,小于驾驶员视线高度,故在夜间 扛.。 将均、呜代入公式.,得 . ‰。丢 计笪结罢如夫 . 表.考虑汽车前灯高度的凸形竖曲线最小半径 设计速度/ 停车视距 《规范》要求的一般最小半径 《规范》要求的极限最小半径考虑汽车前灯高度的最小半径 推荐半径 由上表可见,考虑汽车前灯高度的最小凸形竖曲线半径大于《规范》要求的极限最 小半径,接近一般最小半径值。 ..考虑汽车前灯上仰角的凹形竖曲线最小半径 在确定凹形竖曲线最小半径时,应满足两种视距的要求:跨线桥下的行车视距和夜 间行车视距,夜间行车视距起控制作用,且以竖曲线长度大于视距作为有效控制。如 则::扛匾图.考虑汽车前灯上仰觚凹形竖曲撕半径 ., 蝴‰~“‰筹虬乏:/, 万为蕊?嘲;咖嘞黼五;‰朗?”:长安大学博十学位论文 于受地形限制,其竖曲线往往取低限值。为了保证行夜间行车安全,本文在计 算中,取 前灯仰角万.。。将已知数据代入公式.,得 , 志 计算结果如表.: 表.考虑汽车前灯仰角的凹形竖曲线最小半径 设计速度/停车视距 《规范》要求的一般最小半径《规范》要求的极限最小半径考虑汽车前灯仰 角的最小半径 推荐径 由表.可见,考虑汽车前灯仰角的最小凹形竖曲线半径大于《规范》要求的极 限 最小半径。 以上计算中,仅考虑曲线长度大于停车视距的情况。对于曲线长度小 于停车视距的情况,根据文献【,其结果均小于的计算结果。故应以 的计算结果作为有效控制。 .隧道内考虑视距、横坡时的圆曲线半径 隧道是一个相对封闭的环境,对圆曲线线形指标的影响主要有:在没有照明 设施的 曲线隧道内,由于受到隧道内壁的遮挡,汽车前灯照射的距离要满足停车视距所要求的 最小圆曲线半径:在有照明的曲线隧道内,隧道内壁也会阻挡驾驶员的视线,圆曲线半 径必须满足停车视距的要求;另外,不同的超高横坡对应不同的圆曲线半径,隧道内规 定了圆曲线最大横坡度,应保证相应的最小圆曲线半径。 ..隧道内考虑视距的圆曲线最小半径 对于公路隧道的平面线形而言,一般公路隧道以直线隧道较多,因直线隧道在排水、 衬砌结构及隧道的路面处理上均较为简单,同时直线隧道对隧道的通风也相对有利。但 山区高速公路由于受地形、地质条件的限制,隧道内设置圆曲线往往不可避免,考虑到 驾驶员在隧道内的墙效应,行车视距相对于隧道外受到了较大的限制。第三章螺旋展线线形指标研究 《公路隧道设计规范》 中规定的高速公路隧道建筑限界如下: / \ 一 一 一 一 一 “ .寸 。. ,;‖?... :塑:上上坠一上旦堕』 图.高速公路隧道建筑限界单位: 其中,和分别为行车道侧向宽度,其取值如下: 表.隧道内行车道侧向宽度 设计速度/ . . . . . . . . 由表中可见,,又由于我国实行右侧行驶,驾驶员位于驾驶室左侧。故在考 虑隧道内壁对驾驶员视线的影响时,分别以曲线左转和右转计算各自的最小 半径。 .隧道外车辆在车道中线上行驶时的视点位置 作为道路设计依据的小客车和载重汽车的宽度分别为.和.。根据调查,小 客车的视点大约距车辆左侧.的位置,载重汽车的视点大约距其左侧.的位 置, 当车辆在车道中线上正常行驶时,视点位置可确定在距离车道左侧边线.,高 度为 .的地方,如图.。 我国规定高速公路每条车道宽度为.,个别情况经论证报批后,高速公路可能 采用/的设计速度,此时车道宽度为.。当车道宽度为.时,小客车左 侧的富余宽度为.,右侧的富余宽度为.;载重汽车左侧的富余宽度为., 右侧的富余宽