【2012长安大学】山区公路长大纵坡段平均纵坡与工程规模关系研究

安楚杰、张旭风、张唐仁、林善宰

中角第一高速公路勘察设计院有限公司。

摘要：随着山区公路大规模建设的推进，连续增长纵波区间大量出现。

探讨规范中达成共识的长大纵坡定义，以此为前提，归纳总结数10个项目的路线总体方案设计实例，分析山区公路平均纵坡与整体工程规模及桥梁、隧道等控制性工点工程规模的相对关系。工程实践中，最理想的情况是纵坡越缓越好，但对于山区越岭困难路段，纵坡较缓往往造成桥梁、隧道工程规模巨大，工程实施的难度较大。为了降低桥梁、隧道工程规模，就需要增长路线长度，使路线绕行较远，同样使造价增加较多。若要同时缩短建设里程及降低桥梁、隧道工程规模，就需要采用较大和较长的连续纵坡。然而过大的平均纵坡，上坡段会影响通行能力，下坡段则会使车速过快影响行车安全。研究结果表明：各公路项目建设条件不同，路线方案综合比选需要考虑的因素众多，各因素之间互相影响但没有固定的关系，做好总体设计，在保证道路的通行能力和行车安全的同时，能够找到合理控制工程规模的方案。解决长大纵坡安全问题治标治本的方法是合理选择路线走廊、合理布设路线展线方案、合理确定桥梁及隧道等大型构造物的工程规模，加强交通安全管理、不断提高汽车性能也是重要手段。

关键词：道路工程;平均纵坡;长大纵坡;工程规模;总体设计;

基金：中交第一公路勘察设计研究院有限公司科创基金项目，项目编号KCJJ2018-05;

经过多年来公路建设的迅猛发展，中国高速公路通车里程已突破14万km。20世纪90年代中期，高速公路建设开始进入山区。当前，山区高速公路得以大规模建设。山区高速公路地形起伏大，连续长大纵坡段落多，交通事故频发。尽管多年来采取了各种措施，使事故率明显降低，但连续长大纵坡段仍然是事故多发路段。长大纵坡段总体设计对提高行车安全、合理确定工程规模至关重要。

境内外研究人员在长大纵坡路段的研究方面做了大量的工作。王佐等[1]对欧洲的研究成果进行了分析。欧洲研究机构主要从车辆制动性能、事故原因、驾驶行为等方面研究长大纵坡风险，并对平纵面技术指标和安全措施要求进行了规定。王皓[2]从驾驶行为、运行速度、通行能力等方面研究了长大纵坡路段安全性。陈锐[3]主要从制动器温度、交通安全措施方面研究了大货车运行安全性。黄治炉[4]通过分析山区高速公路的特点，结合公路勘察设计的理念，总结出山区高速公路总体设计的要点及原则，最后从工程造价总体控制方面系统阐述总体设计的原则和内容，在山区高速公路总体设计中可起到指导和借鉴意义。较多从业者也发表了一些研究成果，都有一定技术上的突破和成就[5,6],但基本集中在对于长大纵坡的界定、平纵面技术指标研究、影响长大纵坡安全性的各种外部因素分析，例如汽车动力(爬坡性能)及制动性能、驾驶员心理或行为、交通安全设施、交通管制措施等。

基于安全考虑，工程规模是否一定要增大，是否增大越多就越安全，究竟增大到什么程度是在可接受的范围之内，都是值得探讨的内容，但研究较少。本文通过列举相关工程实例，研究长大纵坡与工程规模间的关系。

1 长大纵坡段相关指标

长大纵坡段主要技术指标为平均纵坡度及连续坡长[7]。我国长大纵坡研究是从21世纪开始的，2008年之前，没有统一认识的长大纵坡相关规定供设计参考。《公路路线设计规范》(JTG D20—2006)[8]配套的《公路路线设计细则》(总校稿2009版)对长大纵坡有了明确规定，《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)[9]对于长大纵坡有了更进一步的规定，绝大多数设计者开始将其作为参考依据[10,11]。高速公路、一级公路连续长、陡下坡路段的平均坡度与连续坡长不宜超过表1的规定。

表1 《公路路线设计规范》(JTG D20-2017)平均纵坡与连续坡长建议值

从表1中可以看出，平均纵坡小于2.5%时，坡长不受限。在实际设计工作中，当满足排水等要求后，最理想的情况也是纵坡越缓越好。但对于山区越岭困难路段设计，如果按照2.5%以下的平均纵坡进行控制，往往造成桥梁、隧道工程规模巨大，工程实施的难度较大，造价不能接受[12]。为了降低桥梁、隧道工程规模，就需要增长路线长度，使路线绕行较远，同样使造价增加较多。若要同时缩短建设里程及降低桥梁、隧道工程规模，就需要采用较大和较长的连续纵坡。然而过大的平均纵坡，上坡段会影响通行能力，下坡段则会使车速过快影响安全。 因此采用一个合理的平均纵坡不但能保证道路的通行能力和行车安全，也可以尽可能地降低工程规模。

近年来长大纵坡段事故频发，如2018年雅西高速“11.2”和兰海高速“11.3”道路交通事故均发生在长大纵坡段。笔者认为虽然这两个路段平均纵坡度与连续坡长均满足现行规范要求，但都是事故易发段，因此建议设计时仅将规范作为总体框架，在长大纵坡段需进行多方案研究[13,14],工程规模增加不大时应尽量采用较缓平均纵坡方案来提高行车安全性。此乃治标治本之策[15]。

2 平均纵坡与工程规模相关性

有些人认为，减缓平均纵坡必然会增加工程规模，没有既改善纵坡又降低规模的万全之策。多半情况下确实如此[16]。

例如图1中，某项目K线沿汤珠河河谷布线，路线平均纵坡达到2.92% km, 其中局部段落平均坡度更是在3%以上。研究提出增长路线的B13线方案，以降低平均纵坡，增加行车安全性。两方案对比情况见表2。B13线虽然改善了纵坡，但路线长度增加，桥梁及隧道规模增加，造价增加6.5亿元人民币，增加较多。

图1 某项目K线与B13线路线方案

表2 某项目K线与B13线方案比较

又例如图2、图3中，某项目初步设计线位在连续长坡的底部采用了相对较缓的纵坡，使得跨河处线位较高，需要设置主跨180 m的刚构桥，桥梁规模较大。施工图阶段降低纵面指标至可接受的范围，将墩高降低约40 m, 跨河桥采用一般结构，大幅降低了桥梁规模，造价减少约3亿元人民币。比较表见表3。

图2 某项目初步设计与施工图线位平面

图3 某项目初步设计与施工图纵断面

表3 某项目初步设计与施工图方案比较

图4中，某三级路项目K线(K10+700～K11+900段)纵坡较大(平均纵坡5.90%),因此布设了增长路线长度的L线。K线方案沿河设置，较为顺直。L线在该段起点设一处螺旋，将线位标高抬起，并在终点处再设一处螺旋升坡，使路线增长520 m, 平均纵坡由5.9%降为4.1%。虽然L线纵坡改善显著，但平面指标降低，另增加两座桥梁共长412 m; 线位增高后由于横坡更陡，增加较多挖方边坡，对环境破坏较大；造价增加446万元人民币，相对原1.2 km长主线造价增加31%,且不利于本项目后期升级改造。故推荐K线。方案比较表见表4。

图4 某项目长大纵坡段路线方案

表4 某项目K线与L线路线方案比较

以上都是纵坡越缓工程规模越大的实例。但很多情况下，平均纵坡较小而工程规模未必增加，平均纵坡与工程规模没有固定关系。做好总体设计，从路线走廊、路线方案上综合研究比选，是为了能找到平均纵坡和工程规模综合最优的方案，而如何把握平均纵坡与工程规模的度是设计的重难点。

2.1合理选择路线走廊

公路确定起终点后，从起点到终点有多个可能的走廊，所谓条条道路通罗马。由于山区公路地形、地质条件的复杂性，影响路线方案选择的因素很多，路线里程及运营时间、服务对象、平纵指标、运营条件(安全性、舒适性、气候因素)、环境因素、节能环保、工程规模、施工难度、征迁等都是重要影响因素。各种因素都没有固定关系，对于不同走廊，路线纵面指标和工程规模相差很大，因此选线时应在大范围内仔细考虑，认真分析，全面比选。

图5中某项目从西凌井至西庄有两条沟可走，设计时沿两条沟分别布设了K线、C线两个方案进行比较。C线虽路线顺直，路线长为11.472 km, 但纵面指标低，存在3.088% km的长大纵坡，工程规模大，造价为65.635亿元人民币；K线虽显著绕行，路线长为14.419 km, 但纵面指标高，大纵坡段平均纵坡和坡长为2.375% km, 工程规模小，造价为58.246亿元。主要技术经济对比表见表5。K线方案既安全又经济，虽路线长度增长2.9 km, 但平纵指标高，行车安全性好，运行速度高，其运营时间增加不多，对于大车爬坡条件好，节能环保方面好，予以推荐。

图5 某项目西凌井至西庄路线方案

表5 某项目西凌井至西庄段路线方案比较

可以看出，“平均纵坡”越小不一定工程规模越大，而通过仔细研究路线走廊则可能找到既安全又经济的方案。

2.2合理布设展线方案

当走廊带的选择已经确定时，若自然坡度太大，分段起终点高差太大，必然存在长大纵坡的问题。平均纵坡的把握对项目工程规模影响极大，如何通过展线来减缓纵坡，提出针对性的总体设计思路，至关重要。

一般来说，首先应根据段落长度拟定几个档次的平均纵坡，如2.5%、2.75%或3%以内；之后在控制不同平均纵坡情况下，根据地形地质等建设条件多方案地研究展线方法；再根据平纵指标、气候环境、构造物设置等情况，对各方案进行安全性评价；最后通过运营安全、工程规模、建设难度等方面的综合比选，确定最优方案。

如图6,某项目30余km的长大纵坡段高差达900多m, 地形复杂，桥隧占比达96%;工程规模几乎与路线长度成正比，与平均纵坡成反比。设计重点考虑了K线和LA线两个方案。两个方案平均纵坡分别控制在2.5%和2.75%以内，分别为2.42%和2.7%。K线路线长度较LA线长2 km, 工程造价较LA线高约3.5亿元。综合比较认为，该段海拔在2 000 m以上，冬季存在积雪冰冻情况，隧道占比大，故推荐行车安全性高的K线方案。

图6 某项目长大纵坡段路线方案

图7中，某项目长大纵坡段布设了K线、B10线、B16线3个方案。K线为先沿河爬坡，在终点段设置螺旋隧道的低线方案。B16线为先在底部设置螺旋隧道，之后沿高线位至终点的方案。B10线为来回跨河展线方案。综合比较认为，B16线未能利用河谷地段有利地形，桥隧规模过大，工程经济性差；采用高线位方案，施工进场困难，容易诱发新的地质灾害。B10方案采用高位连续S形展线方案，也未能充分利用有利地形，连续跨河时高墩大跨桥梁多，工程规模大，施工困难。此外，该段海拔高，高线位较低线位积雪冰冻严重。根据经济技术比较及审查专家组意见，推荐K线方案。

图7 某项目长大纵坡段路线方案

图8中，某项目布设了K线与B7+B10线进行方案对比。K线为整体式路基，B7+B10线作为一个整体(分离式路基左右幅)与K线进行比较。B7+B10线纵坡较大，而K线方案展线长度相对增加，因此纵坡减小，由4%减为3%。K线虽然增加了路线长度，不仅纵坡较缓，而且造价减少，优势明显，予以推荐。方案比较表见表6。

图8 某项目K线与B7+B10线路线方案

分析以上实例说明，不同展线方案工程规模相差较大，经综合考虑各种因素布设多方案进行比选后，可以得到既安全又经济的方案。

2.3合理确定隧道长度

表6 某项目K线与B7+B10线路线方案比较

在隧道技术不够成熟的前提下，公路翻山越岭时，山岭两侧都需要来回展线，形成很长的长大纵坡段(如图9)。近年来随着隧道技术不断发展，特长隧道、超长隧道越来越多。目前，我国已通车最长公路隧道为秦岭终南山隧道 km),在建最长隧道为天山胜利隧道 km)。世界最长公路隧道为位于挪威中部地区的洛达尔公路隧道，长24.51 km。 随着隧道技术不断发展，单个隧道长度将越来越长，这为解决公路越岭问题提供了极大方便。

图9 某公路越岭展线照片

如何确定越岭隧道长度，控制隧道进出口标高，合理控制长大纵坡段的长度及平均纵坡，是公路总体设计的重、难点。这需综合考虑建设条件、气候环境、运营安全、运营成本、工程规模、建设难度等因素进行多方案比选。

某项目(如图10)穿越海拔2 000 m以上的山岭，控制性因素有国家及省级自然保护区、水库、金矿、大型滑坡等。设计首先考虑的是尽量降低隧道进出口标高，缩短进出口段长大纵坡长度的方案。如此，越岭隧道长度达25.8 km, 隧道标高位于水库蓄水位以下。但考虑到25.8 km的隧道规模巨大，建设经验不足，技术上难以保证运营安全，标高位于蓄水位以下，施工风险巨大，研究之后即放弃了。

之后在隧道长度可接受的范围内布设了推荐方案K线及比较方案B9线(如图11),越岭隧道长度分别为12.96 km、11.18 km。K线越岭隧道长度长，进出口标高低，进出口长大纵坡段落短，路线长度短约1 km, 总工程规模与B9线相差不大；可采用双向坡，较B9线只能采用单向坡施工风险小。同深度比较后推荐K线。

图10 某公路设置隧道越岭方案

图11 某公路设置隧道越岭方案

图12中，推荐方案稍绕行，展线后路线长度增长约750 m, 但隧道规模减小较多，隧道长度较拉直方案由3 180 m/2座降为2 730 m/3座，总工程规模减小较多。经综合权衡工程规模、运营安全、运营时间等因素，予以推荐。

图12 某公路设置隧道越岭方案

建议在冬季存在积雪冰冻的复杂山区，当长隧道方案与短隧道方案工程规模相当或增加不多，且公路功能等级高、交通量较大时，在隧道建设、运营安全可控情况下，尽量增长越岭隧道长度、降低隧道洞口标高、缩短展线长度，从而缩短长大纵坡段长度，提高运营安全性；但若展线后节约工程投资较多，在公路等级不高、交通量较小时，可选择展线方案。

2.4合理控制高墩大跨桥梁规模

在高墩大跨桥梁发展之前，公路跨越大峡谷时，都是展线至谷底，设置一座低墩小跨径桥通过。如此，又形成很长的长大纵坡段，如图13、图14所示。

图13 某公路展线至谷底照片

图14 川藏路跨怒江照片

随着桥梁技术的发展，桥墩高度越做越高、跨径越来越大，大大解决了公路跨越峡谷的难题。

特大型桥梁设计施工技术复杂，工程规模大，虽是公路上的一个点，但其影响着路线的走向及标高。如何确定跨峡谷桥梁桥位、桥型、桥高、跨径，合理权衡跨峡谷桥梁规模与控制长大纵坡段的长度及平均纵坡，也是公路总体设计的重、难点，需综合考虑建设条件、气候环境、运营安全、工程规模、建设难度等因素进行多方案比选。

某项目一座特大桥布设了3个纵断面方案。3个方案桥型结构均为连续刚构+T梁，纵面指标及桥梁规模见表7。

综合考虑运营安全及桥梁规模，因方案一行车安全性较好，予以推荐。对于大型桥梁，造价增加不多的情况下，应优先选择纵坡较小的方案。

2.5合理组合桥隧方案

山区公路往往桥隧占比高，桥梁、隧道一个接着一个，大纵坡段路线方案确定要综合考虑桥隧总体规模、桥隧运营安全(如冬季桥梁结冰情况、隧道大纵坡运行问题)等因素。

表7 某项目特大桥纵面方案比较

某项目初步设计线位K线从桐子园隧道进口至联合水库附近一路上坡，长度为10.74 km, 平均纵坡为2.572%。其中K155+120～K158+000段长2.88 km, 平均纵坡为3.198%。该段设置一座3.8 km的特长隧道，隧道前后均有桥梁，工程规模大。

该段交通量为32 487 pcu/d, 相对较大。根据通行能力计算，远景年不能满足三级服务水平。由于该段分布有特大桥、特长隧道等大型构造物，设置爬坡车道后工程规模将增加非常多。故施工图阶段考虑采用抬高坡底纵面的方式减缓平均纵坡，提高通行能力。具体措施为将坡底标高抬高12 m。调整后，使平均纵坡由2.572%降至2.498%,局部连续4 km平均纵坡由3.198%降至2.802%,隧道内2.5%的单向坡长度由2.84 km缩短为2.48 km。虽桥长及墩高稍有增加，但隧道长度缩短100 m。其总造价增加约5 000万元人民币，主要技术经济比较见表8。

表8 某项目初步设计与施工图方案比较

经运行速度分析及安全性评价，纵面调整后通行能力及运行安全性较好，不需设置避险车道及爬坡车道，从整体方面还是降低了工程规模，得到评审专家一致认可。

3 长大纵坡段交通安全综合措施

在经过综合比选后，若减缓纵坡存在困难或者增加工程规模太多，超出可接受范围，不得已布设了平均纵坡相对较大的路线方案，应加强运行速度分析和交通安全评价，并通过增加交通安全设施、加强交通安全管理、提高汽车性能来提高运营安全。主要措施[17,18,19]如下。

(1)长度超过20 km连续长大纵坡路段，宜在中间设置平均纵坡小于2%的缓坡段。缓坡段长度宜大于3 000 m。

(2)在下坡起点附近或中间路段设置停车区或服务区，强制重载车辆进入，避免疲劳驾驶，降低刹车鼓的温度，同时检查汽车制动器；交通管理部门进行治超检测，消除安全隐患。路段中间设停车区或服务区，强制实现驾驶非连续化，相当于将连续长大纵坡分割为两段，行车安全性将明显提高。

(3)设置必要的避险车道，将减轻因刹车失灵带来的重大财产损失和人身安全风险。

(4)设置其他必要的交通安全管理设施，如交通标志、标线、彩色路面、限速等，以提高行车安全性。

(5)下坡方向从行车安全上考虑，可研究增加路基宽度约1.25 m, 增设重载车辆专用车道，限速行驶、严禁超车，以减少追尾事故。

(6)上坡方向研究增设爬坡车道，以提高通行能力，减少因超车发生交通事故的可能性。

(7)冰冻积雪路段，路线应尽量布设在阳坡，路面采用耐久性、抗凝冰等措施，限速行驶，严禁超车。

(8)建议建立强有力的管控机构和应急救援体系。

(9)杜绝超载，并从汽车工业体系进一步提高汽车性能，提高汽车动力荷载以及刹车制动性能。

4 结语

(1)通过较多工程实例的归纳总结，可以得出结论：由于公路建设的影响因素众多，平均纵坡与工程规模没有固定关系；做好总体设计，以尽可能找到平均纵坡与工程规模综合最优的方案。

(2)提高公路长大纵坡段行车安全性的治标治本之策是通过多方案比较合理选择路线走廊，合理确定展线方案，合理增加越岭隧道和跨峡谷桥梁规模来减缓纵坡，合理把握桥隧结合段的工程规模及运营安全性。若减缓纵坡存在困难，或者增加工程规模太多、超出可接受范围，应通过增设交通安全设施和加强交通安全管理来提高运营安全。

(3)每个公路项目的情况都千变万化，本次研究也不能覆盖所有项目可能遇到的情况，未来还需要更多的研究来完善理论及设计实践。

参考文献

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