山区高速公路平纵组合优化设计研究

引言：

随着交通基础设施不断发展的背景下，山区高速公路在促进区域经济实现协调发展以及资源能够达成优化配置这些重要领域里所发挥的作用极为关键。然而，鉴于山区的地形复杂、地质条件频繁变化，传统的平纵线形设计通常因缺乏协调性，进而容易出现工程造价偏高、施工存在难度较大以及行车面临安全隐患等一系列问题。鉴于此，针对山区高速公路开展平纵组合优化设计研究工作，以便对线路的整体适应性与安全性进行有效提升，这一行为具备重要的工程意义以及实践价值。

一、相关理论与研究现状

平纵线形设计作为高速公路路线设计里面占据核心地位的关键内容，其具备的合理性对道路的安全性、经济性以及舒适性产生着直接影响。其中平面线形主要包含了直线、圆曲线以及缓和曲线等要素。而纵断面则是由坡度还有竖曲线等部分组成，这二者之间需要做到协调匹配，目的在于能够更好适应地形并且优化工程效果。近年来，无论是国内还是国外的学者，针对山区高速公路复杂的地形条件，提出了各种优化设计方法，这些方法包括层次分析法、遗传算法以及多目标优化模型等形式，其目的在于能够实现技术、经济与环境效益达到统一的目标。在国外例如美国、德国等国家注重运用基于GIS 和BIM 的路线优化技术，而在国内则更多将重点聚焦于能够适应地形与施工便捷两者协同的设计策略。从总体的情况来看，当前所开展的研究正朝着多因素集成以及智能化方向不断发展着。

二、影响因素分析

（一）自然条件因素分析

山区因起伏程度较大且地势复杂，成为对平纵组合设计产生影响的主要因素，而合理的平面线形应尽可能地去贴合山体的走势，避免出现不必要的迂回以及高填深挖情形，以此减少工程量与生态扰动的目的。与此同时，纵向线形需要做到对坡度变化加以控制，为适应地形高差做出调整，进而保证行车的连续性以及动力经济性。除此之外，山区常常伴随着滑坡、崩塌、断层还有岩溶之类的多种复杂的地质条件以及地质灾害，如果所设计的线形穿越存在风险的区域，那么将会大幅度增加施工的难度以及运行过程中的风险。所以在设计工作开展前理应充分进行地质勘查，从而避开高风险区域。或者通过采取桥梁、隧道等结构措施来对不良地段予以绕越，毕竟地形与地质条件的综合分析，才是实现工程可行性与安全性的重要基础。

（二）工程与交通因素分析

交通安全作为在平纵组合设计过程当中极其重要的一项考量目标，像急弯配陡坡这样的线形组合方式，因其容易使车辆出现操控困难以及制动距离不足等状况，从而成为交通事故高发的重大隐患，所以在设计期间应合理地对曲线半径与纵坡值进行配置，以此来确保拥有足够的视距以及操作空间，进而提升驾驶过程的连续性与舒适性。而工程造价被视为决定设计优劣与否的现实层面上的因素，尤其在山区，桥梁、隧道与特殊构造物所占比例较高，要是线路设计出现不当，便会导致大规模的工程量产生，进而显著地抬升项目成本，所以需要在保证技术方面合理的前提下，对线路走向以及高程控制进行优化，尽可能减少高成本结构物的使用数量，最终实现安全、经济以及可持续目标。从综合角度来看，只有把自然因素跟工程交通因素进行有机结合，才有可能实现山区高速公路的科学设计以及高效建设目标。

三、优化设计方法与模型构建

（一）优化设计的总体思路

山区高速公路所涉及的平纵组合设计因呈现出多目标以及多约束的显著特点，所以在其设计进程当中，就必须得在安全性、经济性、地形适应性与工程可行性方面之间谨慎地去寻求某种平衡。而传统所采用的手工设计方法通常情况下仅仅依赖于过往经验，在如此这般的状况之下，想要实现全局最优是极为困难的。鉴于此情形，将系统化并且智能化的优化设计方法引入，这一举措便显得十分必要。优化设计整体所秉持的思路是以多目标优化作为核心要点，通过精心构建数学模型的方式，把对设计造成影响的主要因素进行量化处理，且借助计算机算法去竭尽全力寻求最优解。此过程涵盖了目标函数设定、约束条件定义、模型求解以及方案评估等关键环节，其目的在于提高设计效率以及成果质量，进而减少人为主观性，最终提升山区高速公路整体规划以及工程实施的科学性。

（二）多因素优化模型构建

为全方位体现山区高速公路平纵组合设计的复杂性而必须构建的综合多因素优化模型。其目标函数一般包括线路长度最小化、工程造价最小化、运行安全最大化以及生态扰动最小化等方面。在数学表达里，能采用加权多目标函数或者 Pareto 前沿优化方法以促使多个目标达成协同优化状态。而从约束条件来讲，该模型得考虑多项实际工程所提要求，如最大纵坡不可超规范限值、最小平曲线半径得满足行车安全要求、挖填方要达平衡、桥隧比例需控制等，另外还得结合地形高程数据、地质信息以及土地利用状况，而形成数字高程模型（DEM）与地质风险区分布图，现空间信息的精确叠加。至于模型求解方法，可运用遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等智能优化算法，因其具备良好全局搜索能力所以适用于大范围、非线性且多约束的复杂设计问题。同时可借助GIS 与BIM 平台实现三维路线模拟以及设计方案的动态评估以便为设计决策提供直观依据。

（三）协调设计策略与实施建议

在致力于优化模型这一基础性工作得以完成的情形下，对于具体平纵协调设计策略的科学制定被认为是至关重要且不可或缺的。首先，应当确保平面线形能够很好地服务于纵断控制工作，借助合理设置平曲线半径以及妥善规划路线走向，有效避开高差出现突变的区域，为后续纵坡的合理布设积极创造有利的条件。纵坡设计工作需要紧密适应地形所呈现出的趋势，对坡度以及坡长予以严格控制，避免出现陡坡与急弯不合理组合的状况，以此来提高车辆在运行过程中的稳定性。此外，诸如“ 桥隧结合” 以及“ 削峰填谷” 之类的技术手段应当被综合运用起来，从而实现路线与山体之间的协调融合，同时对施工强度以及生态扰动进行有效控制。与此同时，像基于BIM 的路线仿真技术等信息化设计平台应该得到大力推广，以此来达成设计、评估以及调整一体化的流程，对方案的精度以及可实施性进行提升。

结论：

本文针对山区高速公路平纵组合设计中的关键问题，构建了多因素、多目标的优化模型，提出了协调平面与纵向线形的系统设计策略，显著提升了路线的安全性、经济性与地形适应性。研究成果可为类似复杂地形条件下的高速公路设计提供理论依据与技术支撑。未来研究可进一步引入AI技术与大数据支持，实现更高精度的智能化辅助设计与动态优化调整。

参考文献：

[1]张驰,王茜茹,向宇杰,等.基于平纵组合的山区高速公路连续下坡路段行车安全评价方法[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2024,43(05):78-90.

[2] 石磊. 山区高速公路改扩建工程路线设计要点[J]. 交通世界,2023,(21):66-68.DOI:10.16248/j.cnki.11-3723/u.2023.21.053.