学习情境2.3 道路横断面图识读
【情境描述】 在读懂道路施工图总说明，熟悉道路平面、纵断面设计图的基础上，了解道路标准横断面和典型横断面形式；掌握横断面设计要素的应用，掌握横断面图设计的基本方法，以及土石方计算调配的知识；能运用知识分析具体的道路横断面案例。
公路中线的法线方向剖面图称为公路横断面图。公路横断面图是由横断面设计线和地面线所构成的。其中横断面设计线包括行车道、路肩、分隔带、边沟边坡、截水沟、护坡道以及取土坑、弃土堆、环境保护等设施。高速公路和一级公路上还有变速车道、爬坡车道等。而横断面中的地面线是表征地面起伏变化的那条线，它是通过现场实测或由大比例尺地形图、航测像片、数字地面模型等途径获得的。公路横断面设计是根据行车对公路的要求，结合当地的地形、地质、气候、水文等自然因素，确定横断面的形式、各组成部分的位置和尺寸。设计的目的是保证有足够的断面尺寸、强度和稳定性，使之经济合理，同时为路基土石方工程数量计算、公路的施工和养护提供依据。
2.3.1 标准横断面与典型横断面
2.3.1.1 标准横断面
高速公路和一级公路的路基横断面上下行用中央分隔带分开，其横断面由行车道、中间带、路肩以及紧急停车带、爬坡车道、变速车道等组成，如图2.18(a)所示。
二、三、四级公路的路基横断面由行车道、路肩以及错车道组成，如图2.18(b)所示。
图2.18 标准横断面图
（a）高速公路、一级公路；（b）二、三、四级公路
2.3.1.2 典型横断面
为了满足行车的要求，路线设计标高有些部分高出地面，需要填筑；有些部分低于原地面，需要开挖。因此，路基横断面形状各不相同，根据填挖情况将路基横断面分为路堤、路堑、填挖结合路基及不填不挖路基4种典型类型。
1.路堤
高于原地面的填方路基称为路堤。路堤在结构上分为上路堤和下路堤，上路堤是指路面底面以下0.80～1.50m范围内的填方部分；下路堤是指上路堤以下的填方部分，是填方路基横断面的基本形式。按其填土高度可划分为：填土高度低于1～1.5m的路堤，属于矮路堤；填土高度在1.5～20m范围内的路堤，属于一般路堤；填土高度超过20m的路堤，属于高路堤。填方路基的填料选择、压实度和原地基表面处理等技术措施应符合《公路路基设计规范》（JTGD 30—2015）的要求。路堤一般通风良好，排水方便，且为人工或机械填筑，对填料的性质、状态和密实程度可以按要求加以控制。因此，路堤式路基病害较少，是经常采用的一种形式。平坦地区往往是耕地，地势较低、水文条件差，设计时要特别注意控制最小填土高度，使路基处于干燥或中湿状态。各种形式的路堤横断面图如图1.3所示。
2.路堑
低于原地面的挖方路基称为路堑。图1.4是挖方路基的基本形式。典型路堑为全挖断面，路基两边需设置边沟。陡峻山坡上的半路堑，因填方有困难，为避免局部填方，可挖成台口式路基。在整体坚硬的岩层上，为节省土石方工程，有时可采用半山洞路基，但要确保安全可靠、不得滥用。
路堑低于天然地面，通风和排水不畅；路堑是在天然地面上开口而成的，其土石性质和地质构造取决于所处地的自然条件；路堑开挖破坏了原地层的天然平衡状态，所以路堑的病害比路堤多，设计和施工时，除要特别注意做好路堑的排水工作外，还应对其边坡的稳定性予以充分的考虑。
3.填挖结合路基
填挖结合路基是路堤和路堑的综合形式，主要设置在较陡的山坡上，其基本形式如图1.5所示。填挖结合路基的特点是移挖作填，节省土石方，如果处理得当，使路基稳定可靠，是一种比较经济的路基断面形式。
原地面的横坡度关系到填挖结合路基横断面的形式和稳定性。填方部分在自重力作用下有可能沿原地面下滑。为使填方部分与原地面很好地结合，增强接触面的抗滑能力，要求在填筑之前，清除松土和杂草，拉毛原地面；当原地面陡于1：5时，填方部分的基底应挖成台阶，台阶宽度不得小于1m，台阶应有2%～4%向内倾斜的坡度；当填方边坡不易填筑或占地太多时，可根据实际情况，利用废石修筑路肩、砌石及挡土墙等支挡建筑物，形成各种形式的填挖结合路基。边坡参照现有道路边坡或天然边坡拟定。
图2.19 不填不挖路基横断面的基本形式
B—路基宽度；a—路肩宽度；b—路面宽度
4.不填不挖路基
填挖结合路基兼有路堤和路堑的设置要求。不填不挖路基是指原地面与路基标高相同构成的路基横断面的一种特殊形式，其基本形式如图2.19所示。这种路基虽然节省土石方，但对排水非常不利，且原状土密实程度往往不能满足要求，容易发生水淹、雪埋、沉陷等灾害，因此应尽量少用或不用该类路基，干旱的平原区和丘陵区、山岭区的山脊线方可考虑。为保证路基的稳定性，需要检查路床顶面以下30cm范围内的密实程度，必要时翻松原状土重新分层碾压，或采用换填土层。同时路基两侧应设置边沟，以利于排水。
2.3.2 路基边坡坡度与附属设施
2.3.2.1 路基边坡坡度
路基边坡坡度是以边坡高度H与边坡宽度b之比来表示的，通常将边坡高度H定为1，b与H的比值是几这个坡度就是1比几，写成1：m或1：n，如图2.20所示。
图2.20 路基边坡坡度示意图（单位：m）
（a）路堑；（b）路堤
一般路堤边坡坡度应根据填料的物理力学性质、边坡高度和工程地质条件按表2.19确定。如边坡高度超过20m时，边坡形式宜采用阶梯形，并应按高路堤另行设计。沿河受水浸淹路基的边坡坡度，在设计水位以下部分视填料情况可采用1：1.75～1：2.0，在常水位以下部分可采用1：2～1：3。如用渗水性好的土填筑或设边坡防护时，可采用较陡的边坡。
表2.19 路堤边坡坡率
土质路堑边坡坡度应根据工程地质与水文地质条件、边坡高度、排水措施、施工方法并结合自然稳定山坡和人工边坡的调查及力学分析综合确定，边坡常见形式如图2.21所示。
图2.21 路堑边坡的形式
（a）直线形；（b）上陡下缓折线形；（c）上缓下陡折线形；（d）台阶形
路堑边坡高度不大于20m时，边坡坡度不宜大于表2.20的规定值。
表2.20 土质挖方边坡坡度
岩石路堑边坡应根据工程地质条件与水文地质条件、边坡高度、施工方法，结合自然边坡和人工边坡的调查综合确定。边坡高度不大于30m时，无外倾软弱结构面的边坡坡度可按表2.21确定。
表2.21 岩石路堑边坡坡度
注 1.有可靠的资料和经验时，可不受本表限制。2.Ⅳ类强风化包括各类风化程度的极软岩。
2.3.2.2 路基工程的附属设施
路基工程的附属设施主要有取土坑、弃土堆、护坡道、碎落台、堆料坪、错车道及护栏等，这些设施也是路基设计的组成部分，对保证路基稳定和交通安全具有重要作用。
1.取土坑
路基填方应根据土石方填挖平衡原则，尽量从挖方取土，如需从取土坑借方时，应对取土坑做出规划设计。取土坑应尽量设在荒坡、高地上，少占农田，并与农业、水利和环保部门紧密联系，协调发展。
取土坑纵坡不小于0.5%，横坡度2%～3%，并向外侧倾斜。取土坑边坡一般不宜陡于1：1.0，靠路基一侧不宜陡于1：1.5。
填方路基设置路侧取土坑时，路基边缘与取土坑的高差大于2m时，应设置护坡道，对于一般道路，护坡道宽度为1～2m，高速公路和一级公路，护坡道不小于3m。
2.弃土堆
路基弃土应作规划设计，与当地农田建设和自然环境相结合，利用弃土改地造田。山坡弃土应注意避免破坏或掩埋下侧林木农田，沿河弃土应防止河床堵塞或引起水流冲毁农田房屋等。
弃土堆一般就近设在低地，或弃于地面下坡一侧。弃土堆宜堆成梯形横断面，边坡不大于1：1.5，弃土堆坡脚与路堑堑顶之间的距离一般为3～5m，路堑边坡较高、土质较差时应大于5m。
3.护坡道和碎落台
护坡道的作用是保护路基边坡。护坡道一般设在路堤坡脚或挖方坡脚处。边坡较高时也可设在边坡上方或挖方边坡的变坡处。浸水路基的护坡道可设在浸水线以上的边坡上。护坡道宽度d至少为1.0m。边坡高度h=3～6m时，d=2m；h=6～12m时，d=2～4m。护坡道应平整密实，并做成1%～2%向外倾斜的横坡。
碎落台设置于挖方边坡坡脚处，位于边沟外缘，有时也可设在挖方边坡的中间。其作用是给零星土石块下落时提供临时堆积，以免堵塞边沟，同时提高了边坡的稳定性，兼有护坡道和视距台(弯道)的作用。碎落台的宽度视边坡高度和土的性质而定，一般至少1m，并做成向边沟2%的横坡。
2.3.3 路基土石方数量计算及调配
路基土石方是公路工程的一项主要工程量，在公路设计和路线方案比较中，路基土石方数量的多少影响公路的造价、工期、用地等方面，是评价公路测设质量的主要技术经济指标之一。在编制公路施工组织计划和工程概预算时，还需要确定分段和全线路基土石方数量。
土石方数量及其调配，关系到取土或弃土地点、公路用地，并对工程造价、所需劳动力和机具设备的数量和施工工期有一定的影响。
土石方计算与调配的任务是计算每公里路段的土石方数量和全线总土石方数量，设计挖方的利用和填方的来源及运距，为编制工程概(预)算确定合理的施工方法。
因为地面形状是很复杂的，填、挖方不是简单的几何体，所以其计算只能是近似的，计算的精确度取决于中桩间距、测绘横断面时采点的密度和计算公式与实际情况的接近程度等。计算时一般应按工程的要求，在保证使用精度的前提下力求简化。
2.3.3.1 横断面面积计算
路基的填挖断面面积是指断面图中原地面线与路基设计线所包围的面积，高于地面线者为填，低于地面线者为挖，两者应分别计算。通常采用积距法和坐标法。
1.积距法
图2.22 横断面面积计算（积距法）
如图2.22所示，将断面按单位横宽划分为若干个梯形和三角形，每个小条块的面积
近似按每个小条块中心高度与单位宽度的乘积计算，即
则横断面面积为
当b=1m时，则A在数值上就等于各小条块平均高度之和∑hi。
2.坐标法
已知断面图上各转折点坐标(xi,yi)，则横断面面积为
坐标法的计算精度较高，适宜用计算机计算。
计算横断面面积的方法还有几何图形法、数方格法、求积仪法等，这里不再介绍。在横断面面积计算中应注意以下问题。
(1)填方和挖方的面积应分别计算。
(2)由于工程造价不同，填方或挖方的土方和石方也应分别计算。
(3)有时横断面上的某一部分面积既是挖方面积，又算作填方面积。例如，淤泥既要挖除，又要回填其他材料。
2.3.3.2 土石方数量计算
路基土石方计算工作量较大，加之路基填挖变化的不规则性，要精确计算土石方体积是十分困难的。在工程上通常采用近似计算，有平均断面法和棱台体积法。
1.平均断面法
假定相邻断面面积相差不大，两断面间看为一棱柱体，则其体积为
式中 V——体积，即土石方数量，m2；
A1,A2——分别为相邻两断面的面积，m2；
L——相邻断面之间的距离，m。
图2.23 平均断面法
该方法如图2.23所示。用平均断面法计算土石方体积简便、实用，是公路上常采用的方法。
2.棱台体积法
由于上述方法只有当A1、A2相差不大时才较准确。当A1、A2相差较大时，则按棱台体公式计算更为接近，其公式为
式中，
，其中A1<A2。
第二种的方法精度较高，应尽量采用，特别适合计算机计算。
用上述方法计算的土石方体积中，是包含了路面体积的。若所设计的纵断面有填有挖基本平衡，则填方断面中多计算的路面面积与挖方断面中少计算的路面面积相互抵消，其总体积与实施体积相差不大。但若路基是以填方为主或以挖方为主，则最好是在计算断面面积时将路面部分计入。也就是填方要扣除、挖方要增加路面所占的那一部分面积。特别是路面厚度较大时更不能忽略。
计算路基土石方数量时，应扣除大、中桥及隧道所占路线长度的体积；桥头引道的土石方可视需要全部或部分列入桥梁工程项目中，但应注意不要遗漏或重复；小桥涵所占的体积一般可不扣除。
2.3.3.3 路基土石方调配
土石方调配的目的是为确定填方用土的来源、挖方土的去向以及计价土石方的数量和运量等。通过调配合理地解决各路段土石方平衡与利用的问题，从路堑挖出的土石方在经济合理的调运条件下移挖作填，尽量减少路外借土和弃土，少占用耕地以求降低公路造价。
1.土石方调配原则
(1)在半填半挖的断面中，应首先考虑在本路段内先横向后纵向，填方首先考虑本桩利用，以减少借方和调运方数量。
(2)为使调配合理，必须根据地形情况和施工条件，选用适当的运输方式，确定合理的经济运距，用以分析工程用土是调运还是外借。
(3)土方调配“移挖作填”固然要考虑经济运距问题，但这不是唯一的指标，还要综合考虑弃方和借方的占地，赔偿青苗损失及对农业生产的影响等。有时路堑的挖方纵向调配作路堤的填方，虽然运距超出一些，运输费用可能高一些，但如能少占地、少影响农业生产，这样对整体来说未必是不经济的。
(4)不同的土方和石方应根据工程需要分别进行调配，以保证路基稳定和人工构造物的材料供应。
(5)土石方调配应考虑桥涵位置对施工运输的影响，一般大沟不作跨越运输，同时应注意施工的可能与方便，尽可能避免和减少上坡运土。
(6)位于山坡上的回头曲线路段，要优先考虑上下线的土方竖向调运。
(7)土方调配对于借土和弃土事先同地方商量，妥善处理。借土应结合地形、农田规划等选择借土地点，并综合考虑借土还田，整地造田等措施。弃土应不占或少占耕地，在可能条件下宜将弃土平整为可耕地，防止乱弃乱堆，或堵塞河流、损害农田。
2.土石方调配计算的几个概念
(1)平均运距。土方调配的运距是从挖方体积的重心到填方体积的重心之间的距离。在路线工程中为简化计算起见，这个距离可简单地按挖方断面间距中心至填方断面间距中心的距离计算，称为平均距离。
(2)免费运距。根据公路工程概预算定额，土石方作业包括挖、装、运、卸等工序。在某一特定距离内，只按土石方数量计价而不计运费，这一特定的距离称为免费运距。施工方法的不同，其免费运距也不同，如人工运输的免费运距为20m，铲运机运输免费运距为100m。
在纵向调配时，当其平均运距超过定额规定的免费运距时，应按其超运运距计算土方运量。
（3）经济运距。填方用土来源，一是路上纵向调运，二是就近路外借土。一般情况下路堑挖方调去填筑距离较近的路堤还是比较经济的。但如果调运的距离过长，以至运价超过了在填方附近借土所需的费用时，移挖作填就不如在路堤附近就地借土经济。因此，采用“借”还是“调”，有个限度距离问题，这个限度距离即“经济运距”，其值按式（2.54）计算，即
式中 B——借土单价，元/m3；
T——运费单价，元/（m3·km）；
L免——免费运距，km。
经济运距是确定借土或调运的界限，当调运距离小于经济运距时，采取纵向调运经济；反之，则可考虑就近借土。
（4）运量。土石方运量为平均超运运距单位与土石方调配数量的乘积。在生产中，如工程定额是将人工运输免费运距20m，平均每增运距10m划为一个运输单位，称为“级”，当实际的平均运距为40m，则超运运距20m时，则为两个运输单位，称为二级，在路基土石方数量计算表中记作②。
式中 n——平均超运运距单位（四舍五入取整数）;
L——土石方调配平均运距，m;
L免——免费运距，m;
A——超运运距单位，m(如人工运输A=10m、铲运机运输A=50m)。
(5)计价土石方数量。在土石方计算与调配中，所有挖方均应予计价，但填方则应按土的来源决定是否计价，如果是路外就近借土就应计价；如果是移挖作“填”的纵向调配利用方，则不应再计价；否则形成双重计价，即计价土石方数量为
式中 V计——计价土石方数量，m3；
V挖——挖方数量，m3；
V借——借方数量，m3。
3.土石方调配方法
土石方调配应明确填挖情况、桥涵位置、纵坡、附近地形、施工方法和可借方、废方的地点。土石方调配方法在目前生产上采用土石方计算表调配法，可直接在土石方计算表上进行调配，其优点是方法简单、调配清晰、精度符合要求。土石方计算表也可由计算机自动完成。具体调配步骤如下。
(1)在土石方数量计算与复核完毕后进行土石方调配，调配前应将可能影响运输调配的桥涵位置、陡坡大沟等注明在表旁，供调配时参考。
(2)计算并填写表中“本桩利用”“填缺”“挖余”各栏。当以石作填土时，石方数应填入“本桩利用”的“土”一栏，并以符号区别。然后按填挖方分别进行闭合核算，其核算式为
(3)在作纵向调配前，根据填缺、挖余的分布情况，选择适当的施工方法及可采用的运输方式定出合理的经济运距，供土石方调配时参考。
(4)根据填缺、挖余分布情况，结合路线纵坡和自然条件，本着技术经济少占用农田的原则，具体拟定调配方案。将相邻路段的挖余就近纵向调配到填缺内加以利用，并把具体调运方向和数量用箭头表明在纵向调配栏中。
(5)经过纵向调配，如果仍有填缺或挖余，则应会同当地政府协商确定借土或弃土地点，然后将借土或弃土的数量和运距分别填注到借方或废方栏内。
(6)调配完成后，调配结果示于土石方数量表中，并按下式复核，即
(7)本公里调配完毕，应进行本公里合计，总闭合核算除上述外，还有
(8)土石方调配一般在本公里内进行，必要时也可跨公里调配，但需将调配的方向及数量分别注明，以免混淆。
(9)每公里土石方数量计算与调配完成后，须汇总列入路基每公里土石方表，并进行全线总计与核算。至此完成全部土石方计算与调配工作。
(10)最后计算计价土石方数量，即
2.3.4 横断面设计成果识读
路基横断面设计的主要成果是“两图两表”，即路基横断面设计图、路基标准横断面图、路基设计表与路基土石方计算表。
1.路基横断面设计图
路基横断面设计图是路基每一个中桩的法向剖面图，它反映每个桩位处横断面的尺寸及结构，是路基施工及横断面面积计算的依据，图中应给出地面线与设计线，并标注桩号、施工高度与断面面积。相同的边坡坡度可只在一个断面上标注，挡墙等圬工构造物可只绘出形状不标注尺寸，边沟也只需绘出形状。横断面设计图应按从下到上、从左到右的方式进行布置，一般采用1∶200的比例。
2.路基标准横断面图
路基标准横断面图是路基横断面设计图中所出现的所有路基形式的汇总。它标出了所有设计线(包括边坡、边沟、挡墙、护肩等)的形状、比例及尺寸，用以指导施工。这样路基横断面设计图就不必对每一个断面都进行详细的标注(其中很多断面的比例、尺寸都是相同的)，避免了工作的重复与繁琐，也使横断面设计图比较简洁。
3.路基设计表
路基设计表严格地说不能只作为横断面设计的成果，它是路线设计成果的一个汇总，其前半部分是平面与纵面设计的成果。横断面设计完成后，再将“边坡”“边沟”等栏填上。其中“边沟”一栏的“坡度”如果不填写，表明沟底纵坡与道路纵坡一致。如果不一致，则需另外填写。
4.路基土石方计算表
路基土石方是公路工程的一项主要工程量，所以在公路设计和路线方案比较中，路基土石方数量的多少是评价公路测设质量的主要技术经济指标之一，也是编制公路施工组织计划和工程概预算的主要依据。
5.其他成果
对于特殊情况下的路基(如高填深挖路基、浸河路基、不良地质地段路基等)应单独设计，并绘制特殊路基设计图。图中应示出地质、防护工程设施及构造物布置大样图。
具体道路横断面设计成果识读见本书附录××区××至××公路工程一阶段施工图设计。