张工说桥
首发于张工说桥
绝知此事要躬行
——借千黄高速 谈公路工程勘察设计的外业调查

绝知此事要躬行 ——借千黄高速 谈公路工程勘察设计的外业调查

绝知此事要躬行

——借千黄高速 谈公路工程勘察设计的外业调查

这个知乎专栏我快一年没打理了,这一年投身两条高速公路外加一条351国道的设计工作,忙如狗。今天,把我写的两篇和工作相关的文章发到这里。一篇是千岛湖至黄山高速公路,一篇是杭州至宁波高速公路复线宁波段(远期定位为我国首条超级高速公路)

本文于2017年3月2日首发于我的微信公众号:张工说桥

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千岛湖至黄山高速公路浙江段,于年前完成了初步设计部审,年后立即展开了施工图勘察设计工作。2017年2月21日,本项目外业调查工作正式展开,我们项目组一行十余人,从杭州一路向西来到千岛湖,对里程约26公里高速公路(我院设计范围)的路线总体、路基、排水、桥梁涵洞、隧道、互通、三改、施工场地、临时工程、筑路材料等一系列相关专业展开外业调查。正巧有个朋友在我公众号里留言,想让我“用人话”解释一下:“画图纸的公路设计师为什么总要去野外搬砖”,择日不如撞日,那就从这里开始吧——借千黄高速谈谈公路工程勘察设计工作的外业调查。

所谓内业就是“能够在室内完成的作业”,包括勘察部分的地质土工试验、设计部分的制图、计算、复核、审核及出版等一系列工作。以上基本都是设计师颈椎病高发的万恶之源。

“外业”,是相对“内业”而言。在家设计画图是内业,在即将实施的公路经过区域进行地形图测量、放样、地质勘察、设计人员现场踏勘是外业。用俗话说,就是以脚去丈量线位,早在一千年前陆游即有诗云:“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”,这也是我们公路人真正的“千里之行,始于足下”。

每次项目外业,我都会想起一个亲身经历的小故事:多年前我在浙江黄岩做104国道勘察设计外业调查,时值盛夏七月,室外树荫下的实测温度已有四十,骄阳似火,热浪滚滚,人在太阳下走路如同蒸锅上的蚂蚁,外业调查人的衣服被汗水湿了干透,干透再湿透,反复几次后衣服上都是白色斑斑的盐渍,人人脸上都跟猴屁股似的,我同事脚上的运动鞋还有因路面温度过高而开胶的。某日大概是下午两三点日头最盛的时候,我们几个做桥梁调查的同事在一处民居外避避毒日头,房主估计看到我们一群手拿图纸、皮尺、花杆但形似丐帮乌衣派大会的小伙子们,感觉既好奇又可怜,于是邀请我们进屋坐坐,还给我们切了西瓜,与我们细细攀谈起来,仔细问明了我的工作内容、我的年龄、我大学学的专业等,我心说莫非这哥们看上我了?正在发汗之际,只见大叔随即转头向他正在上高中的儿子以迅雷不及掩耳盗铃之势大喊:看到没,以后千万别报土木!!!

那一刻,拿着西瓜的我的内心是崩溃的。

大叔,我不就是吃了两块你的西瓜吗?不甜也就算了……用语言发动对土木狗的一万点攻击是什么鬼?

这么多年过去了,现在回头想想,那时的尴尬早已烟消云散,反而让我有点欣慰:也许当年还在外业调查的我,客观上以现身说法的方式,做了一件有功德的善事——劝退土木保平安。

公路(铁路)工程的外业调查,是大土木类专业中勘察设计行业有别于其他行业的显著特色之一。在数模矢量化地形图测量精度越来越高,无人机航拍视频越来越清晰,基于矢量化地形图的三维BIM公路选线模型大力推广的今天,工程师们实地踏勘依然必不可少。因为公路对比其他土木方向,自有其专业特点——长距离线形工程,必须与沿线范围内的地形地貌、地质条件、沿线路网

如果说区域规划是“一个面”,比如:

工业与民用建筑是“面里的一个确定点”,比如:

市政工程是“一条受规划控制明确的明确线”,比如:

公路工程则是“大范围中若干条充满各种可能的未知长线”,比如下图:红色与蓝色分别是两条对应的比较线位。

在此郑重提醒:由于保密需要,1:10000以下的小比例地形图都是涉密文件,有严格的保密要求,设计人员也签有保密协议。因此本文中,涉及在工程前期线位论证、走廊带比选等可行性研究阶段所采用的1:10000以下小比例地形图选的都是公开的google earth卫星图。进入公路工程勘察设计阶段(初步设计、施工图)所采用的1:2000带状地形图由于不涉密,会酌情选取。

公路工程,是在各种方案优化比选后确定的长线性工程。在路网中明确了起终点后,起点与终点之间可不是一条直线这么简单,连通两点的线形理论上有无限可能。在通俗的理解上,公路就是“逢山开路,遇水搭桥”,但路线怎么走,还是要讲科学和基本法的。为了方便对后续的理解,张工特意对路线线形指标做点小小的科普。


张工科普时间:

公路路线设计基本要素——地形图、路线平纵横指标、平纵组合

公路作为三维线性工程,拥有平纵横三维指标。下面对地形图测量、平纵横三维指标及平纵组合等基本概念做一点简单的科普。

一、矢量化地形图的测量与生成

所谓数字地面模型,简单地说,就是把平面地形图矢量化,并给等高线、地形特征点等赋予高程值,可以生成立体地面模型。数字地面模型中的任何点和线均具有三维坐标。

数字化地形图可以直接由测绘、航测部门提供,也可通过地形图矢量化后得到,但数字化地形图中的等高线和地形点必须是三维的。有了三维数字图形文件,就可以通过其他专业软件建立数字地面模型。

三维数字地面模型(DTM)是采用三角化方法(简称DT),所形成的网格具有整体取优特性,是目前国际上流行的三角网划分方法。

二、公路横断面

对于等级高、交通量大的公路(高速公路、一级公路,这两者的区别在于高速公路是全封闭的,要进出得经过互通的收费站,一级公路是与地方道路有衔接非封闭的),通常是将上、下行车辆(对向行驶的车辆)分开。分隔的方式有两种,一种是用中间带分隔,另一种是将上、下行车道放在不同的平面上加以分隔。前者叫整体式断面,后者叫分离式断面。标准的整体式断面包括行车道、中间带、路肩。特殊路段还会有紧急加宽停车带、爬坡车道等。其车道数可根据交通量分双向四、六、八等车道。

二、三、四级公路,对于上、下行车辆(对向行驶的车辆)不分开,这种公路的标准断面包括行车道和路肩,特殊路段还会设置错车道等。混型交通量大的公路还可能有人行道、非机动车道等。


三、公路平面线形

小学生学几何线形,第一学直线,第二学圆。这也是我们公路上的两种基本线。但在直线与圆之间还有公路上的一条特殊曲线:缓和曲线(回旋线)。

要理解公路线形为何是直线+缓和曲线(回旋线)+圆的组合,我们用“以人为本”的思维去理解就一目了然了:

公路——一切为行车者服务。

公路设计师——一切为司机的安全驾驶服务

任何司机,只要你通过了交警叔叔的考试拿到了本,按交规驾驶机动车辆,我们设计者有义务有能力让你在第一时间,成为稳稳的老司机。

直线——老司机把正方向盘不动

圆曲线——老司机将方向盘转到一定角度保持不动,司机转动方向盘的角度与圆曲线的半径相关。

那么问题来了,如果老司机从直线直接驶入圆曲线,那么就意味着方向盘从0度直接急转到一定角度。试想你以80码的速度疾驰,突然打一个20度的方向盘,再稳的老司机都得翻车。

于是就有了缓和曲线(回旋线)——在匀速行驶过程中,老司机以一个固定速率缓缓转动方向盘,从0度到X度,如果转到X度保持不变,那就是进入圆曲线段了。

老哥,稳,公路设计师助力您成为老司机。

直线——半径R=∞,曲率1/R=0的曲线,方向盘把正

圆曲线——半径R=定值A,曲率1/R=定值B的曲线,方向盘转角为定值

缓和曲线(回旋线)——半径R=∞~定值A,曲率1/R=0~定值B,曲率连续变化的曲线,匀速行驶时方向盘转动速度为定值——完全符合一个老司机的驾驶习惯。

规范对于不同设计速度的道路对半径,缓和曲线长度,两者的比值都有规定。Ls:L':Ls为1:1:1--1:2:1为宜。对直线最大最小长度,各曲线之间的直线等都有要求不再赘述。


四、公路纵断面

开车要根据地形上坡、下坡,其纵向通过直线上下坡完全解决了问题,但在变坡点就要采用曲线过渡,这个曲线可以是圆曲线,也可以是抛物线。在使用上二者几乎没有差别,但在设计与计算上,抛物线比圆曲线更为方便。


五、公路线形平纵组合

平曲线与竖曲线的组合决定了司机开车时的视距安全。平曲线与竖曲线完全对应就能保证司机视觉上连续性的线形,司机一看就觉得是顺滑美观的线形。所以在设计线形时,首先必须充分考虑平面线形与纵断面线形的对应。具体做法是使平曲线与竖曲线重合。就如同下图左侧一样,不但平曲线竖曲线一一对应,而且平曲线要比竖曲线长,把竖曲线包含进去,这种组合,司机的视线范围是舒服而安全的。

如果平面曲线与竖曲线不是一一对应,像下图右侧,竖曲线顶点设在平曲线起点,司机如果行驶在这样的路上,他就没办法看到一个顺滑的视线诱导,司机在开车爬坡时会感觉公路好像断了一样。

所以,为了保证行车者的视线安全,公路设计师给平纵组合起了一个很通俗的叫法:平包纵:竖曲线起终点最好分别放在平曲线的两个缓和曲线内,其中任一点都不要放在缓和曲线以外的直线上,也不要放在圆弧线里。

既然平纵横三维都设计好了,就让我们感受一下公路线形设计完成后的实际效果吧,如下图所示:


六、公路如何确定路线走向方案

标准选线\ 地质选线\ 安全选线\ 环保选线,公路与自然景观、人文景观相协调,技术指标与地形条件相互协调,充分考虑填挖平衡,尽量减小土石方数量。路线走向应根据实际地形地质合理布线,根据沿线衔接组团与路网、合理确定路线走向、桥梁、隧道等结构物选择、互通的设置位置等。

1按路网规划原则确定路线的大致走向

全面布局解决路线基本走向,即在起点、终点和中间控制点之间,根据选线原则寻找最合理的“通过点”(如垭口、河岸、村镇等),构成大致的路线方案。

2地质选线

山区地形地质复杂多变,地质选线的深度和质量是设计的关键,对路线方案有决定性的控制作用。选线常见的不良地质路段包括滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、岩溶和软土,还有多年冻土、水库、人为坑洞、强烈地震区等等。

千黄高速公路浙江段沿线地质分布图

3地形选线

地形与公路选线、线形设计和道路类型的确定有着密切的关系。山区地形的特点是短距离内标高相差很大,坡陡流急,地势错综复杂。在这种地形内路线,弯多坡陡,起伏频繁,土石方和防护工程量大。山区的地质和气候条件也比较复杂,路基的稳定性和行车安全将受到很大影响。地形选线既要达到平面顺适、纵面均衡、横面合理,又要根据山区的地形、地貌,巧妙地进行线形布设,尽可能减小工程量和对环境的破坏。地形复杂,选线过程中过分强调高指标不仅会加大工程量,增加造价,还会造成道路大填、大挖和大护坡,严重破坏自然环境和生态平衡。因此山区道路选线应结合迂回曲折的山体,高低起伏的地形,宜曲不宜直,合理选用各种线形要素,在满足规范的前提下尽量做到与地形地貌环境的结合。平曲线形可以采用对称形、不对称形、S形、卵形等多种曲线组合,以达到降低工程造价和减小对环境破坏的目的。在困难路段可以采用左右分离、上下分离、半路半桥、半路半隧等多种分离式路基方式,做到与地形地势的协调。

举个例子:千黄高速浙江段起点段线位比选,充分考虑了地形、设计指标、结构物数量、工程技术难度、工程造价、环境保护等综合因素。由于平面图采用1:10000地形图涉密,我特意做了马赛克处理。


地形图测量完成,路线平纵设计完成,现场中桩放样完成,地质勘察工作同步进行,万事俱备,就要开始外业调查了。

现场实地放样中桩,表明了路线桩号与走向,是测量人员扛着GPS给我们做出的成果,设计人员的外业就是沿着中桩一路前行,仔细调查和路线走向相关的一切现场情况。

中桩除了打木桩,还插有红旗桩,以做醒目示意,设计人员结合几处红旗马上就能确定路线走向,将设计的高速公路“落到实处”


外业调查开始了,每天爬山涉水,又到了我们占领微信运动榜首的时间。

外业调查必备武器:图纸、外业调查本、外业调查包、测量花杆、皮尺、钢卷尺、测距仪、草帽、高腰胶桶、防晒霜、跌打损伤药品、防蚊虫药品、止泻药、感冒药等。

这张图的同事由于一脚踩到淤泥里,一只鞋已经废了,于是他左脚原鞋,右脚胶桶。

外业去多了,登山鞋也能穿坏


如果在交通复杂的既有道路上做调查,为保障人员安全,警示服与安全帽也是必备服装之一。

刚才只是ZJIC常规军队的制服,下面放一张ZJIC特战大队制服,左臂臂章纹有特战二字,就问你怕了吗?


除了地形地貌与沿线构筑物调查,沿线地质特别是不良地质也是调查重点之一

地质勘察人员正在进行桥梁桩基地质钻孔,第一时间提供钻孔芯样,以便设计师对地质有一手资料

地质钻孔芯样照片

调查的核心:结合图纸与实地情况随时发现难点,讨论技术问题,寻求最优解决方案

设计人员根据外业调查情况及时在图纸上做好记录,并详细汇总到外业调查本中

催工期赶进度,冒雨调查,图纸和水笔记录都是打湿的痕迹

白天外业调查,晚上整理调查资料,及时优化调查时发现的技术问题

总师室组织的外业调查中期,设计人员汇报外业调查情况及关键技术问题,请各位总工来给本项目指导把关

正月未过,千岛湖的油菜花就开了

千岛湖东山尖

外业调查发现了一处适合隐居的山谷,没准多年以后自己来这山谷归隐呢?

千黄施工图外业调查已经结束,就在我写这篇文章的时候,看到了交通部对千黄高速初步设计的批复,意味着项目开工已经要倒计时了。千黄的进度如此迅速,背后凝结了无数建设者(业主/设计/勘察/咨询/专题等参与者)的汗水与诚心。

有点奇怪的是,在越来越倡导“以人为本”的今天,设计师不断被灌输“设计以人为本的公路”的理念,但勘察设计周期一压再压,不知道各地政府及业主在安排工期时有没有考虑到:设计/施工/建设/监理这些建设者们也是人呢?


就要从淳安回杭州了,这几天晚上本来想为这篇文章开个头,发几张外业调查的照片,但今天在酒店一写不可收拾,索性熬夜到底把它写完。结尾想放一句我很喜欢的电影《云图》里的台词:

Our lives are not our own, from womb to tomb, we are bound to others, past and present, and by each crime, and every kindness, rebirth our future. 我们的生命不仅是我们自己的,从子宫到坟墓,我们和其他人紧紧相连,无论前生还是今世,每一桩恶行,每一项善举,都会决定我们未来的重生。

古人说造桥修路是行善积德,作为一个行业的从业者和搬砖工,从未敢想得如此伟大,十几年建设之路上我时刻提醒自己,千万不要做自己感动自己的傻事。我只是觉得,自己为公路事业所搬的每一块砖,只不过是大海中的一滴水,但大海正是由一滴滴水组成的。

几年之后,千岛湖北会连成一条巍巍高速,这条高速的建成,可以让杭州上海的某一个家庭驾车快速直达千岛湖和黄山,可以让威坪镇上的农民直接开车上高速来个西湖一日游,可以让深山中的民宿老板有更多的生意,让小镇上的餐馆赚更多的钱……

到时候如果有这么些人能会心一笑感觉幸福,也许就是我们现在做事的意义。

公路人,修大道,行大善。


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发布于 2018-04-14

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