基于土石方管控視角的新區道路豎向規劃優化

曾 柯,羅 超

(1.中冶賽迪工程技術股份有限公司,重慶 400013;2.重慶通拓交通規劃設計有限公司,重慶 401147)

城市用地豎向規劃是在用地開發建設片區或區段,為滿足道路交通、排水防澇、建筑布局及環境景觀等方面綜合要求,對自然地形進行利用與改造,明確坡度、控制高程和土石方平衡等而進行的規劃。城市道路豎向規劃設計是用地豎向規劃的重要組成,是指導區域道路網實施與用地開發建設的關鍵依據之一,與土地開發利用的程度密不可分,二者相互制約、促進。路網豎向規劃確定的豎向標高很大程度上影響著土地開發投入成本,尤其對開發建設過程中土石方的影響最為顯著。但現實中由于城市新區開發建設過程中的快速施工與片面性等因素,導致建設過程中的土石方調配利用不平衡、難消納等問題日漸突出,尤其復雜地形的山地城市,受先天地形條件限制,城市開發建設中的土石方問題更為嚴峻。因此做好規劃階段道路網豎向規劃設計,改善城市新區建設過程中的土石方消納矛盾、提升土地開發利用的經濟性非常必要。

目前已有學者分別針對道路豎向設計優化與土石方優化等兩方面開展了相關研究工作。道路豎向設計優化方面,已有研究普遍從道路交通使用者本身需求出發研究道路豎向縱坡特征,或基于不同道路建設環境提出道路豎向控制要求,部分學者重點關注了道路平面交叉口的豎向設計研究。陳旭娟[1]、蔡建勇[2]從道路縱坡選擇、線位標高等方面論述了城市道路豎向設計應遵循的一些原則,并對不同地形條件下的道路豎向設計進行了分析。王英杰等[3]重點探討了城市道路豎向設計的10個技術要點,進一步拓展了豎向設計的優化設計關注要素。韓旭等[4]通過深化土方計算,結合場地價值、豎向進行評估分析后,提出機場限高區域的道路豎向設計優化策略。王真平[5]、陳正雄[6]等重點關注城市道路平面交叉口的豎向設計,從安全性、行駛舒適性提升等角度提出優化建議。

土石方優化管控方面,大多數研究從土石方調配角度出發,引入包容性、動態反饋機制更優的調配模型,或結合實際土石方管理經驗研究智能化時空調配管理系統,從而實現土石方工程優化管控。張仲勇等[7]建立土石方調配與施工進度的動態聯合優化模型;黃丙湖[8]、趙蕓[9]等從算法優化角度,運用蟻群算法等模型改進優化了土石方調配優化模型;周瑞園[10]基于交通特性影響,站在路徑優化視角提出土石方平衡規劃,采用仿真系統進行了模型驗證;陳超[11]、丁志軍[12]等面向土石方調運管控的新技術與手段,提出了開發智能化時空調配管理系統,并在相關工程建設應用中取得效果。

1 城市新區開發土石方特征分析

城市新區是拓展城市的建設空間,優化城市空間格局的重要方式。一般來說,新區的開發建設主要包括基礎設施建設與用地開發建設兩個階段。而道路交通的建設貫穿整個新區的開發過程。在基礎建設的前期階段,城市主干路作為片區開發先行官,一般會優先考慮實施建設,為后續用地的開發與招商引資提供基礎支撐。隨著城市主干道的通車運營,新區產業、商業商務、居住等用地開發也將逐步沿著城市主干道分布開展。當用地開發到一定程度后,隨著人口逐漸增長與區域吸引力的提升,沿主干道的軸向發展會逐步轉變為全區域開發建設[13],這個階段區域化的新區用地開發成為主導,次、支路等服務性道路成為路網建設的主要任務,且其建設基本是伴隨緊鄰區域用地的開發同步完成,土地開發一片、道路建設一片(或一段),既實現了基礎設施集約建設,又提供了有效的出行保障。以重慶高新區南部片區為例,片區整體位于高新大道以南,現狀建設形成白彭路、九江大道構成的“十字型”主干道路,開發建設用地總體較少,基本分布在兩條主干道沿線,同時建成用地周邊配套建設有次、支服務道路。從南部片區的整體建設發展歷程來看,工程土石方的產生主要包括兩個來源,一是區域基礎設施建設階段,由于白彭路主干道、九江大道(華福隧道)等前期基礎設施建設而產生的土石方;二是干道沿線地塊開發以及緊鄰次、支道路建設的階段,因存在場地綜合整治、地下空間開發以及道路邊坡開挖等因素而產生的土石方。

2 規劃道路豎向設計優化策略

2.1 土石方優化管控思路

結合相關研究情況,土石方的產生貫穿城市開發建設全過程。因此提出“土石方全周期優化管控”思路,即“規劃階段的源頭控制與開發建設階段的過程管控”,見圖1。

圖1 開發階段土石方動態調配優化流程建議

規劃階段源頭控制強調的是道路豎向規劃的合理優化,以減少基礎設施開發階段的土石方產生。運用GIS三維信息技術,結合土石方填挖、用地功能特征、道路功能保障等綜合分析,優化規劃路網豎向設計參數,實現道路與場地在豎向設計上的協同,從而減少道路邊坡或場地開挖等工程,促進土石方的源頭減量。

開發建設階段的過程管控則重點關注建設過程中土石方的調度與平衡,包括智慧動態調度與精細科學管理兩個方面。結合新區用地開發建設時序,基于土石方的產生與需求,合理選取土方消納場進行集中調度管理,并引入智慧調度系統,實現經濟運距內的統一調度;同時規范借土、棄渣場運營,明確不同類別土方使用要求,分類精細管理。

重慶高新技術產業開發區位于重慶中心城區西部槽谷,規劃區域范圍1 198 km2,涉及重慶高新區及沙坪壩、九龍坡、北碚、江津、璧山5個行政區,其核心區是重慶高新區直管園、面積313 km2。現狀城市建設順谷生長、北快南緩,城市建成區大多集中在高新大道以北,而高新大道以南片區多為城市待開發區域,更具備條件推進“土石方的全周期優化管控”。但考慮到后期開發建設階段的過程管控受實際條件影響,本次研究將著重聚焦“規劃源頭控制”,從土石方優化管控視角,研究道路與場地的豎向協同設計,并以高新區南部片區的道路網豎向規劃為例,對規劃階段道路網豎向規劃的優化策略進行探析與研究。

2.2 基于土石方管控視角的道路豎向設計優化

結合土石方的產生特征與優化管控思路,道路豎向設計在城市開發建設的不同階段,存在對應的優化策略與方法。

(1)基礎設施建設階段

本階段以城市主干道、橋隧等重大基礎設施建設為主,為實現土石方的源頭減量,此階段道路豎向設計應力求在保障道路功能需求與設計指標的前提下,盡可能結合區域條件優化調整平面線形與豎向標高,充分遵循依山就勢合理布線的理念,減少土石方填挖、促進項目的土石方自平衡,建議遵循以下四點設計策略。

①以規劃為基礎

以用地規劃和道路交通規劃為基礎,原則上基本保持道路交通骨架路網的構成,重點考慮道路及場地豎向高程的優化空間,不對路網結構做大的調整。

②尊重現狀并對接跟蹤大型項目

統籌協調新建道路、地塊與在建和已建項目的關系,減少對現狀的破壞和影響。優化過程中對接大型項目和主要通道型道路的設計單位,豎向優化與主通道道路高程合理銜接。

③保護生態環境

根據地形條件科學調整道路豎向,在滿足規范和標準的前提下,減少大填大挖,保護區域內現狀水系和山體。

④經濟合理

對豎向設計優化進行全局把控,減少土石方,節約工程造價。

(2)用地開發建設階段

在本階段中,次、支道路將作為主要實施對象要滿足地塊開發的實施建設需求。因此除遵循道路本身豎向設計優化策略外,更關鍵的是實現道路與地塊的豎向設計協同,促進周邊場地開發與道路建設的土石方綜合優化。首先,結合居住、商業及公服等用地的地下空間開發需求(工業一般不考慮地下建筑),按照用地性質對開發建設片區的未建設用地地下空間土石方量進行測算。參考國內建筑地下空間普遍開發情況,居住用地建議按照2層測算,公服用地按照1層測算,商業辦公按照1層測算,平均層高按4 m計,挖方松散系數考慮1.1,從而測算得到擬開發片區的地下土石方開挖情況。其次,基于地下土石方開挖量的測算,對應優化擬開發片區范圍內的次、支道路豎向標高參數,若片區整體以土石方挖方利用與外運需求為主,則道路豎向優化應以抬高策略為主,相反豎向優化應盡可能遵循道路土石方的自身平衡。最終,采用鴻業市政道路軟件的方格網法(網格間距建議設置為20 m)核算道路豎向調整后的片區土石方變化情況。經多次道路豎向標高優化與土石方核算后,可實現區域的道路豎向設計與土石方填挖的協同優化。以居住功能區為例,由于存在地下車庫建筑等較大地下空間開發需求,此時若考慮將緊鄰地塊的規劃道路豎向標高整體抬升優化約4 m,此時實際地面正負零標高將隨之抬高,見圖2。通過對比分析,居住地塊原地下車庫開挖將由兩層變為一層,大幅減少了土石方挖方工程量;同時由于原始地面的抬高,也一定程度上增加了所在區域土石方消納能力,后續用地開發的成本隨之變得更為經濟。

1—挖方區域;2—填方區域。

而針對地下空間開發需求相對較小的片區,若為近期開發用地,建議參照干道豎向設計優化策略,采取依山就勢合理布線的理念,減少土石方填挖。若作為遠景開發用地,建議在滿足地塊建設和區域道路功能前提下,同樣采取次支道路標高抬高的方式,以增強片區土石方的消納能力、減小用地開發成本。

值得關注的是,由于次、支道路局部標高抬升后將導致道路高程高于緊鄰規劃地塊,容易形成積水或堰塘,不利于地塊后續開發利用,建議做好地塊建設前的排水設計。一般來說主要存在兩種情況,當地塊標高低于市政道路雨水系統標高時,此時需在路基基底采用設置場地排水管或盲溝方式,將積水及時排出;當地塊標高大于或等于市政道路雨水系統標高時,考慮將場地內部積水接入道路雨水系統后,及時排出,見圖3、圖4。

圖3 場地標高小于市政道路雨水系統標高時地塊排水處理方式示意圖

圖4 場地標高大于等于市政道路雨水系統標高時地塊排水處理方式示意圖

3 應用實例——以重慶高新區南部某片區規劃道路為例

某規劃生活功能片區隸屬重慶高新區南部片區,為典型的山地城市地形,且片區用地以居住用地性質主。同時根據高新區用地開發建設時序,本片區為中遠期開發建設區域。

分析片區現行規劃路網資料,區域道路以次、支等級為主,最大規劃設計縱坡為3.6%。但既有規劃道路邊坡普遍較大,基本為四級邊坡。經采用鴻業土石方計算軟件分析后,片區規劃道路建設涉及填方約59萬m3、挖方約241萬m3;由于區域以居住用地功能為主,存在較大的地下空間開挖需求。參考一般居住建筑地下空間開發情況,測算出片區地下空間用地挖方約404萬m3,若按照既有規劃路網方案實施開發,片區存在較大土石方外運需求,道路豎向設計優化前見圖5。

1—片區范圍線;2—路段縱坡值;3—道路邊坡。

結合土石方管控視角的道路豎向優化策略,片區道路豎向優化應以抬高為主,道路豎向設計優化后見圖6。經多次迭代優化測算后,道路整體線形與縱坡可基本保持不變,但邊坡級數明顯減少,且道路自身挖方已由241萬m3減少至181萬m3、填方由59萬m3增至83萬m3;同時由于道路標高平均抬升2.3 m,地塊地下空間挖方也大幅降低,總體挖方由404萬m3減少至273萬m3。結合道路土石方變化情況,片區總體將減少土石方棄方191萬m3,增加填方24萬m3,按照重慶土石方項目一般投資經濟指標,區域開發建設的土石方項目投資將節約近5 000萬元(挖方單位造價為10～12元/m3,棄方單位造價為20元/m3,填方單位造價為6～8元/m3,借方單位造價為25～30元/m3)。綜上所述,道路豎向優化后,不僅實現了與用地更好的銜接,還有效從源頭減少片區土石方棄方、增加了片區土石方消納能力,也為降低新區用地開發建設成本、提高土地利用價值打下了良好基礎。

表1 道路豎向設計優化前后相關指標對比

1—片區范圍線;2—路段縱坡值;3—道路邊坡;4—降低標高節點2 m;5—抬升節點標高1 m。

4 結 語

城市道路豎向規劃設計考慮的因素較多,文中從新區開發建設中土石方的產生源頭出發,重點探討了道路豎向規劃設計與土石方工程的互動聯系,針對如何源頭優化管控土石方問題,從道路豎向設計優化角度提出了不同用地場景下的優化策略,并結合重慶高新區規劃道路進行有效性的實例分析。文中提出的優化策略與方法貼合實際、具備可操作性,能夠為其他新區城市道路的豎向規劃設計提供借鑒。