城市道路改擴(kuò)建路線(xiàn)平面擬合設(shè)計(jì)研究

張者

（商洛市交通設(shè)計(jì)院，陜西 商洛 726000）

0 引言

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行道路平面線(xiàn)形擬合是城市道路改擴(kuò)建工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，但我國(guó)城市道路改擴(kuò)建工程方面缺乏平縱線(xiàn)形測(cè)量數(shù)據(jù)擬合的完善理論和技術(shù)支撐。道路平面線(xiàn)形擬合的關(guān)鍵在于道路線(xiàn)形數(shù)據(jù)的采集、曲線(xiàn)參數(shù)解析及恰當(dāng)擬合方法的選取，并進(jìn)行道路路線(xiàn)中樁點(diǎn)位于直線(xiàn)段還是曲線(xiàn)段的線(xiàn)形識(shí)別。改擴(kuò)建道路工程既要滿(mǎn)足《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）及相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，又要充分利用原道路已經(jīng)建成的設(shè)施，故其路線(xiàn)平面擬合設(shè)計(jì)不同于新建工程路線(xiàn)設(shè)計(jì)。改擴(kuò)建公路路線(xiàn)擬合設(shè)計(jì)中，結(jié)合類(lèi)似改擴(kuò)建工程線(xiàn)形設(shè)計(jì)實(shí)踐，平面擬合誤差不得超出10cm，而縱斷面設(shè)計(jì)必須充分考慮路面施工要求及既有構(gòu)造的限制，對(duì)路基應(yīng)寧填勿挖，而對(duì)橋梁等結(jié)構(gòu)物不填不挖。

1 工程概況

某城市道路建成于2001 年，根據(jù)該公路所處地形、地物條件及《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 37—2012），建設(shè)時(shí)劃分成兩個(gè)路段，其中長(zhǎng)度1.194km 的K0+000—K1+194 段地形起伏不平，設(shè)計(jì)行車(chē)速度60km/h，路基寬18.5m；而其余段則位于平原微丘地區(qū)，設(shè)計(jì)行車(chē)速度80km/h，路基寬20.5m。結(jié)合對(duì)原道路全線(xiàn)運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性的調(diào)查，全線(xiàn)路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不良，設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)較差。通過(guò)對(duì)交通事故的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，該城市道路路段平面設(shè)計(jì)不合理，技術(shù)指標(biāo)運(yùn)用失當(dāng)，平面組合設(shè)計(jì)單調(diào)，總體設(shè)計(jì)缺乏合理性。隨著該城市道路段交通運(yùn)行量的不斷增大，車(chē)輛運(yùn)行速度下降，高峰時(shí)段車(chē)輛擁堵十分嚴(yán)重，現(xiàn)有路況已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)車(chē)輛正常通行的要求，交通事故發(fā)生頻率也呈明顯上升趨勢(shì)。為此，必須進(jìn)行改擴(kuò)建，以適應(yīng)交通量持續(xù)增長(zhǎng)及交通安全運(yùn)行的要求。本文主要針對(duì)該城市道路改擴(kuò)建K0+000—K1+194 段展開(kāi)路線(xiàn)平面擬合設(shè)計(jì)。

2 路線(xiàn)平面擬合設(shè)計(jì)

2.1 控制網(wǎng)布設(shè)

該工程為舊路改擴(kuò)建工程，施工期間不中斷交通。為盡可能減少交通運(yùn)行對(duì)施工的不利影響，應(yīng)沿道路兩側(cè)共同布設(shè)控制點(diǎn)。為保證路兩側(cè)水準(zhǔn)線(xiàn)統(tǒng)一及路線(xiàn)方案坐標(biāo)精度，應(yīng)每間隔5km 進(jìn)行一次路兩側(cè)水準(zhǔn)線(xiàn)聯(lián)測(cè)。在測(cè)量平面線(xiàn)形數(shù)據(jù)時(shí)，必須將測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在道路中線(xiàn)處，并按照10～15m 間隔左右交替測(cè)量，同時(shí)統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。適當(dāng)加密測(cè)量直線(xiàn)段和曲線(xiàn)段結(jié)合處，測(cè)量人員必須能做出測(cè)點(diǎn)區(qū)域是位于直線(xiàn)段還是曲線(xiàn)段的合理判斷。

當(dāng)前CARD/1、緯地等道路設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)具備依托最小二乘法原理展開(kāi)直線(xiàn)、圓曲線(xiàn)擬合的功能。例如，使用CARD/1 軟件展開(kāi)道路平面線(xiàn)形擬合設(shè)計(jì)時(shí)，其平面智能布線(xiàn)工具中設(shè)置由穿圓、穿直線(xiàn)等工具，可以展開(kāi)對(duì)圓曲線(xiàn)及直線(xiàn)的擬合，減少設(shè)計(jì)人員手工擬合的工作量，并保證擬合精度。

2.2 擬合線(xiàn)形數(shù)據(jù)采集

應(yīng)用GPS-NET 網(wǎng)平差軟件控制測(cè)量數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)平差[1]，GPS 點(diǎn)的全部平面坐標(biāo)均通過(guò)WGS-84 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為80 坐標(biāo)系，并將最大相對(duì)點(diǎn)位誤差控制在4mm以?xún)?nèi)，最大邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差控制在1/71000。通過(guò)對(duì)向觀(guān)測(cè)及中絲測(cè)高法施測(cè)外業(yè)三角高程；距離測(cè)量則采用現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)斜距、豎直角，并往返測(cè)距各測(cè)兩次的方式。內(nèi)業(yè)平差則應(yīng)用NASEW97 網(wǎng)平差軟件。必須對(duì)所采集到的外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)算，并判斷測(cè)量誤差，保證測(cè)量結(jié)果合格；對(duì)于超出規(guī)定范圍的誤差，必須超出原因所在并重新測(cè)量，直至符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 路線(xiàn)平面擬合及誤差分析

在進(jìn)行城市道路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)時(shí)，必須在充分考慮現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的基礎(chǔ)上最大限度地利用既有道路設(shè)施。改擴(kuò)建工程路線(xiàn)平面擬合設(shè)計(jì)不同于新建工程，既不能簡(jiǎn)單地利用舊路平縱面，又不能拋開(kāi)舊路而展開(kāi)設(shè)計(jì)。具體而言，可以采用單曲線(xiàn)、復(fù)曲線(xiàn)、多圓曲線(xiàn)等平面擬合曲線(xiàn)形式，通過(guò)坡長(zhǎng)控制達(dá)到擬合縱坡過(guò)程中豎曲線(xiàn)半徑相應(yīng)調(diào)整的目的；考慮到路面不均勻沉降等可能造成縱面線(xiàn)形變化較多，為此擬合結(jié)束后必須依照現(xiàn)行規(guī)范檢驗(yàn)擬合結(jié)果。

道路改擴(kuò)建工程施工誤差、運(yùn)營(yíng)期不均勻沉降等均會(huì)引起既有道路中線(xiàn)和原施工圖設(shè)計(jì)道路中線(xiàn)的偏差，引發(fā)局部范圍內(nèi)縱斷面起伏，故在平面擬合設(shè)計(jì)中必須十分注重指標(biāo)均衡性及其與平縱面組合的匹配關(guān)系[2]。

結(jié)合該城市道路改擴(kuò)建工程特點(diǎn)及類(lèi)似工程線(xiàn)形設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從公路施測(cè)精度控制角度考慮應(yīng)將平面線(xiàn)形擬合誤差控制在10cm 以?xún)?nèi)。平面線(xiàn)位以2001 年該城市道路段施工圖和2002 年竣工圖為參考，外業(yè)測(cè)量時(shí)通過(guò)GPS-RTK 沿道路中線(xiàn)按照10m 間隔實(shí)測(cè)，并基于實(shí)測(cè)外業(yè)數(shù)據(jù)和1∶500 航測(cè)地形圖分析平面線(xiàn)形擬合誤差，保證現(xiàn)有道路改擴(kuò)建工程實(shí)際線(xiàn)位的最大精度。

為保證該改擴(kuò)建路段路線(xiàn)平面擬合線(xiàn)位準(zhǔn)確以及平面線(xiàn)和既有道路中線(xiàn)吻合，控制誤差，在進(jìn)行擬合時(shí)以原施工圖和竣工圖為基礎(chǔ)進(jìn)行擬合設(shè)計(jì)結(jié)果微調(diào)，確保長(zhǎng)度及各曲線(xiàn)單元要素均滿(mǎn)足規(guī)范。統(tǒng)計(jì)線(xiàn)形擬合及誤差分析異常的路段及點(diǎn)位，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)核查，保證基礎(chǔ)資料準(zhǔn)確。內(nèi)業(yè)則根據(jù)現(xiàn)有道路中線(xiàn)點(diǎn)位坐標(biāo)，應(yīng)用CARD/1 路線(xiàn)程序進(jìn)行路線(xiàn)平面擬合，起訖樁號(hào)K0+000—K1+194 段擬合誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)圖1。

圖1 平面擬合誤差情況統(tǒng)計(jì)

起訖樁號(hào)K0+000—K1+194 段15375 個(gè)測(cè)點(diǎn)線(xiàn)形平面擬合誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，誤差＜0.05m 的測(cè)點(diǎn)數(shù)在總實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)中占比76.4%，誤差在0.05～0.1m 以?xún)?nèi)的測(cè)點(diǎn)數(shù)在總實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)中占比17.9%，誤差＞0.1m 的測(cè)點(diǎn)數(shù)在總實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)中占比5.7%。從擬合誤差統(tǒng)計(jì)圖中也可以看出，正負(fù)誤差主要以正態(tài)分布形式分布于中線(xiàn)兩側(cè)，擬合程度較好。

2.4 橫斷面擬合設(shè)計(jì)

該改擴(kuò)建路線(xiàn)平縱配合時(shí)必須進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)，保證平縱線(xiàn)形順直，同時(shí)與工程所在地地形、周?chē)h(huán)境及現(xiàn)有道路設(shè)施相適應(yīng)。這種設(shè)計(jì)思路首先體現(xiàn)在平縱設(shè)計(jì)與地形天然曲率的協(xié)調(diào)一致方面，其次體現(xiàn)在城市道路與地形的協(xié)調(diào)性。故在城市道路改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)階段，必須充分結(jié)合地形條件，綜合考慮平縱組合設(shè)計(jì)及橫斷面設(shè)計(jì)。

整體拼接是應(yīng)用較為廣泛的橫斷面拓寬方案，可借鑒經(jīng)驗(yàn)較多，目前國(guó)內(nèi)并無(wú)橫斷面設(shè)計(jì)相關(guān)的成熟規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，城市道路改擴(kuò)建仍以普通四車(chē)道高速公路技術(shù)指標(biāo)為參照，但是當(dāng)公路改擴(kuò)建方案實(shí)施后，部分技術(shù)指標(biāo)和方法可能因環(huán)境的改變而對(duì)于城市道路改擴(kuò)建工程不再適用[3]。

城市道路改擴(kuò)建的主要目的在于提升道路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及通行能力，但設(shè)計(jì)速度等技術(shù)指標(biāo)的提升必將造成圓曲線(xiàn)半徑增大以及曲線(xiàn)長(zhǎng)度的延長(zhǎng)，而這種較長(zhǎng)緩和曲線(xiàn)的采用會(huì)使超高漸變率過(guò)小，進(jìn)而造成路面滯水，使路面邊緣外形過(guò)于扭曲，不利于安全行車(chē)。

該工程采用整體拼接的橫斷面拓寬方案，改擴(kuò)建的目的主要在于拓寬既有路面、提高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并改善通行能力，同時(shí)避免采用長(zhǎng)緩和曲線(xiàn)所引起的超高漸變率減小、路面積水、影響行車(chē)安全、引發(fā)路面邊緣外形扭曲等問(wèn)題。結(jié)合所取得的該道路改擴(kuò)建工程實(shí)測(cè)路面點(diǎn)等外業(yè)資料，構(gòu)建起B(yǎng)IM 三維路面模型，并通過(guò)CARD/1 工具對(duì)超高圓曲線(xiàn)段的超高橫坡等數(shù)值展開(kāi)統(tǒng)計(jì)，因受到路基不均勻沉降等不利因素的影響，改擴(kuò)建路段的路基超高橫坡比原設(shè)計(jì)值略小[4]。根據(jù)運(yùn)行車(chē)速驗(yàn)算原設(shè)計(jì)超高橫坡值后發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計(jì)超高橫坡基本滿(mǎn)足安全行車(chē)要求，故改擴(kuò)建后的路基超高橫坡應(yīng)與原道路設(shè)計(jì)橫坡保持一致。對(duì)于該改擴(kuò)建路段而言，主要采用明式構(gòu)造形式展開(kāi)超高漸變段起點(diǎn)、終點(diǎn)以及超高漸變率參數(shù)的設(shè)計(jì)，以便在滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，使設(shè)計(jì)結(jié)果與原構(gòu)造物橫坡基本吻合。

考慮到該城市道路改擴(kuò)建工程所對(duì)應(yīng)的路線(xiàn)縱坡較為緩和，改建后的路面寬度比原路面大，為確保降雨能快速排出道路路面，為行車(chē)安全和路面結(jié)構(gòu)安全提供保證，在超高漸變段長(zhǎng)度確定時(shí)按照16.25m確定行車(chē)道寬度。

依據(jù)工程K0+000—K1+194 段全部測(cè)點(diǎn)縱斷面擬合誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，縱斷面設(shè)計(jì)高程和實(shí)測(cè)高程誤差＜0.05m 的測(cè)點(diǎn)數(shù)在實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)中占比77.6%，誤差在0.05～0.1m 以?xún)?nèi)的測(cè)點(diǎn)數(shù)在總實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)中占比18.8%，誤差＞0.1m 的測(cè)點(diǎn)數(shù)在總實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)中占比3.6%。根據(jù)擬合誤差統(tǒng)計(jì)圖，對(duì)于誤差＜0.05m 的區(qū)域縱斷面擬合程度較好，而對(duì)于誤差在0.05～0.1m范圍的路段應(yīng)在下一階段分析中進(jìn)行縱斷面調(diào)整和優(yōu)化處理。

3 結(jié)語(yǔ)

城市道路改擴(kuò)建工程路線(xiàn)平面擬合設(shè)計(jì)過(guò)程中主要面臨現(xiàn)行道路技術(shù)規(guī)范要求與既有道路設(shè)施充分利用之間的矛盾，設(shè)計(jì)人員必須結(jié)合工程實(shí)際保證平面線(xiàn)形擬合設(shè)計(jì)的合理性，使路線(xiàn)在滿(mǎn)足既有規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，能最大限度地利用既有道路設(shè)施。結(jié)合該城市道路改擴(kuò)建工程路線(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)踐，在改擴(kuò)建項(xiàng)目路線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分利用原道路優(yōu)勢(shì)，結(jié)合交通運(yùn)行實(shí)際及地勘結(jié)果合理布局，并盡量選取占用土地資源少、利于車(chē)輛通行的路線(xiàn)方案。

2.5 縱斷面擬合設(shè)計(jì)

該路段改擴(kuò)建過(guò)程中在現(xiàn)有路面加鋪厚度4cm 的瀝青面層，并將路基段擬合設(shè)計(jì)和既有道路實(shí)測(cè)高差差值控制在0.05m 以?xún)?nèi)。結(jié)合四等水準(zhǔn)實(shí)測(cè)點(diǎn)高程并應(yīng)用GPS-RTK 以10m 間隔在道路中線(xiàn)邊緣點(diǎn)、硬路肩邊緣點(diǎn)處展開(kāi)參數(shù)測(cè)量，采用與橫斷面擬合設(shè)計(jì)相同的方法構(gòu)建路面三維模型，同時(shí)通過(guò)CARD/1 軟件，依托原竣工圖中坡長(zhǎng)、坡度、曲線(xiàn)半徑等參數(shù)展開(kāi)縱斷面擬合設(shè)計(jì)。為確保設(shè)計(jì)結(jié)果能較好地與現(xiàn)有道路縱斷面吻合，控制誤差，必須展開(kāi)長(zhǎng)大豎曲線(xiàn)分解，通過(guò)多重復(fù)合豎曲線(xiàn)等的使用，保證不同單元豎曲線(xiàn)半徑以及長(zhǎng)度等參數(shù)取值滿(mǎn)足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范。在長(zhǎng)大直坡路段增設(shè)變坡點(diǎn)，分解成短坡路段，同時(shí)按照規(guī)范要求的最短坡長(zhǎng)確定短坡路段坡長(zhǎng)[5]。根據(jù)縱斷面高程控制原則進(jìn)行縱斷面擬合誤差分析，起訖樁號(hào)K0+000—K1+194 段縱斷面擬合誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)圖2。

圖2 縱斷面擬合誤差情況統(tǒng)計(jì)