《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《山岭地区高速公路施工便道设计技术研究》

1 项目名称: 山岭地区高速公路施工便道设计技术研究

2 完成单位: 中交一公局第一工程有限公司、中交一公局集团有限公司

3 主要完成人: 王少辉、 张达强、 解亚东、薛飞、 梁海涛、 池旭光、 仇海涛、 张东山、 宋宝欢、 胡康

　　(一)项目背景

　　依托中交一公局第一工程有限公司陕西宝坪

　　高速第九合同段和贵州剑榕高速第十合同段两个项目。宝坪项目路线全长4629km,设计两隧道一桥,原设计采用独头掘进方式依次对每个单元进行施工,工期5年,为控制全线工期的“咽喉冶;根据项目实地勘察情况,可在两座隧道中间增设一道施工便道,可节约工期2年,后期综合效益较高。剑榕项目路线全长6555km,设计大桥9座、涵洞2道、隧道2座、路基8段;沿线设置2个钢筋场、2个拌和站和2个梁场;项目施工单元多,结合情况,对项目施工便道网络进行规划,设计便道34道,合计里程2375km。

　　(二)技术概况

　　(1)山领区施工便道设计指标和技术研究,

　　主要对载重汽车的行车轨迹进行调查及代表车型几何轨迹场地试验,归纳便道平面设计的技术指标,总结几种关键节点代表形式的几何设计模型;基于载重汽车行驶力学、运动学与稳定特性等理论与适应、安全与效率分析论证,确定便道纵断面与横断面设计指标;基于地理信息模型,通过定位系统和计算机软件,对便道进行设计施工。

　　(2)山岭区便道成套施工技术是在便道设计

　　指标和技术研究基础上,基于地理信息模型系统对便道进行总体规划,利用谷地GoodyGIS、奥维互通地图等软件对规划的便道路线进行设计,借助相关软件(南方CASS)计算工程量,获取相关的设计图纸并施工的技术工艺。

　　(三)适用范围

　　项目通过对施工便道设计指标和技术研究,总结了成套的便道设计与施工技术,可对山区施工便道设计、路网规划、施工修建提供依据和参考,研究成果适用于指导山区工程的便道设计及修建。

　　(四)获奖情况

　　(1)2020年9月3日,由中国交通运输协会的评价委员会对《山岭地区高速公路施工便道设计技术研究》课题研究成果进行了鉴定评价,研究成果总体上达到国际先进水平。

　　(2)《山岭地区高速公路施工便道设计技术研究》获得中国交通运输协会2020年度科技进步二等奖。

　　(1)系统研究了山区施工便道的设计控制指标,优化了有关设计参数和施工控制指标。

　　(2)创新性提出了山岭地区高速公路施工便道回头曲线、“Z冶回头、车辆掉头、回车道、遮险车道等关键节点代表形式的几何设计模型。

　　(3)实现了基于地理信息系统的便道路线选择和工程量计算,提出了安全性、适用性的评价方法。

　　(一)山岭地区施工便道设计指标与技术研究

　　通过对载重汽车的行车轨迹进行调查及代表车型几何轨迹场地试验,归纳施工便道直线长度、圆曲线半径、缓和曲线长度、回头曲线等平面设计的技术指标;基于载重汽车行驶力学、运动学与稳定特性等理论研究,确定施工便道最小坡长、最大坡长及竖曲线半径等纵断面设计技术指标;对载重汽车行驶的适应、安全与效率分析论证,确定施工便道车道横断面设计指标;以载重汽车行驶轨迹为基础,总结施工便道回头曲线、车辆掉头、回车道、“Z冶回头、遮险车道等关键节点代表形式的几何设计模型;基于地理信息模型,通过定位系统和计算机软件,对施工便道选线、路网规划、获取工程量及进行设计施工。

　　1研究分析确定山区项目施工便道线路的平面、纵断面线形合理控制的设计技术指标体系

　　(1)对施工便道几何基本控制要素进行研究与合理评价,确定施工便道的平、纵技术指标的主控因素为设计速度和设计车辆(型)。

　　(2)对山区公路施工便道平面技术指标进行研究与合理评价,确定施工便道的最短直线长度、圆曲线半径、缓和曲线长度、平曲线长度、施工便道停车视距、回头曲线及平曲线的加宽等技术指标。

　　(3)对山区施工便道纵断面几何技术指标进行研究与合理评价,主要通过对设计车辆在便道纵坡行驶与稳定特性分析,并基于“容许速度冶“实际测速冶“刹车制动控制冶三方面研究确定便道的最大纵坡及坡长;基于车辆行驶稳定性以及驾驶员视距要求,确定便道竖曲线的最小半径和最小长度。

　　2山区施工便道路基横断面几何指标及组成研究与合理评价

　　(1)对道路行车道、路肩宽度合理及经济性进行论证,分别确定便道为双车道和单车道时两种情形下的行车道宽度及路肩宽度。

　　(2)对便道车道的合理性与经济性进行评价,确定便道为双车道和单车道时两类典型路基横断面形式。

　　3研究确定施工便道主要节点几何技术特性,分析归纳代表性的几何模型

　　(1)基于载重汽车作为设计车辆的轨迹研究,总结形成“路面与路基外侧加宽冶“路面与路基内侧加宽冶两种回头曲线模型及两种“回头曲线错车道模型冶。

　　(2)当回头曲线没有设置条件时,为克服周边地势高差,确定了“Z冶路基断面设置形式及参数。

　　(3)结合隧道洞口地形条件,为满足运输车辆掉头、进出施工道路,确定了与主线路线垂直式、与主线路线平行式、回头弯式等几种隧道洞口回车道几何模型。

　　(4)研究确定了便道错车道、避险车道几何模型。

　　4研究山区施工便道建立场区地理信息模型和获取便道路线的方法地理信息模型获取借助谷歌地球、奥维互动地图等软件,通过GPS卫星导航系统进行实地、实时定位,初步采集信息模型后通过已知数据或现场较高精度等级的控制点进行修正,建立符合需要的场区地理信息模型,快速进行便道方案的选择。

　　(二)便道成套设计施工技术研究

　　根据山岭区施工便道设计指标和技术研究内容,基于地理信息模型系统,先对项目的施工单元进行划分,确定便道的主要技术指标,对便道进行总体规划;利用谷地GoodyGIS、奥维互通地图等软件对规划的便道路线进行设计,借助相关软件(南方CASS)计算设计工程量,并获取相关的设计图纸;在施工中对设计路线进行优化,完善防护排水及附属设施;运行过程中做好跟踪调查和运营管理。

　　(1)项目运用试验的方法,研究载重汽车、饺接列车转弯行驶的最小半径轨迹特性,确定了平面曲线的极限半径值。以此为基础,通过工程实例验证,归纳以及优化,确定了适用于山岭区

　　施工便道平面设计技术指标体系和施工便道回头曲线、“Z"回头、车辆掉头、回车道、错车道、避险车道等关键节点代表形式的几何设计模型。相关的研究领域、研究目的、应用目的与本项目研究不同,相关研究国内外尚未见文献报道。

　　(2)项目以载重汽车行驶力学、运动学与稳定特性理论为基础,基于容许速度、刹车控制、实际测速的方法,通过理论分析、工程实践验证与合理评价,确定适用于山岭区施工便道的纵断面设计技术指标体系和建立载重汽车在便道下坡安全性行驶条件评价标准。相关研究的研究领域、研究内容、研究对象、研究目的与本项目研究不同,相关研究国内外尚未见文献报道。

　　(3)项目通过山岭区便道车道宽度、路侧边沟安全保证特性研究,经过大量工程调查与载重汽车行驶的适应、安全与效率分析论证,确定山岭区便道车道的合理性、适用性与经济性为一体的路基横断面几何与结构模型。相关研究的研究对象、研究目的与本项目研究不同,相关研究国内外尚未见文献报道。

　　(4)项目基于依托工程和其他大量工程实际分析、总结、归纳,运用山区施工便道建立场区地理信息模型的方法,提出山区施工便道路线方案功能研究与评价划分项目层次。相关研究的划分层次、研究对象、研究目的、研究领域与本项目研究不同,相关研究国内外尚未见文献报道。

　　(1)陕西宝坪九合同段项目通过增设修建便道增加了三个工作面,工期可提前两年,建设单位以此为正面典型案例,推动全线的便道设计和修建工作,整条线路工期可提前两年,既解决当地迫切的交通难题,又缩短了项目的建设期,减少了建设、施工、设计、监理等相关方的管理费用,得到建设单位和投资方的认可(见图1)。

　　通过工程实体验证及效果分析,成果为山岭区便道设计提供成熟的技术和经验,加快修建速度,提高施工质量,减少建设使用中的事故,保障施工人员安全,降低施工便道造价,完善山区公路建设技术体系,促进了山区工程建设行业的发展,社会效益显著。

　　陕西宝坪高速第九合同段项目修建施工便道前期投入1000万元,便道修建后增加了便道内三个工作区,缩短施工工期2年。通过分析对比,项目部在管理费、工期投入、隧道施工等方面成本较便道投入可节省成本260万元;贵州剑榕高速第十合同段项目通过施工便道路网规划设计,减少了部分便道的修建和硬化,对路面的施工进行了优化,现场的统计,节约了3180.08m3混凝土,材料费比例降低了1.18%,施工费比例降低了0.15%。