山區(qū)高速公路改擴(kuò)建工程路線設(shè)計(jì)要點(diǎn)探析

何凡　何虹萍

摘要 為了提高高速公路改擴(kuò)建公路路線設(shè)計(jì)方案的合理性，文章總結(jié)了改擴(kuò)建公路的路線設(shè)計(jì)原則，并依托某山區(qū)高速公路項(xiàng)目，分析了平面線形和縱斷面線形的擬合方法及擬合誤差，并對(duì)擬合后線形的關(guān)鍵指標(biāo)的合規(guī)性及平縱組合方法進(jìn)行了分析。同時(shí)，基于運(yùn)行速度評(píng)價(jià)了公路改擴(kuò)建工程路線設(shè)計(jì)方案的協(xié)調(diào)性，研究成果可供類似項(xiàng)目借鑒。

關(guān)鍵詞 高速公路；改擴(kuò)建原則；線形擬合；線形指標(biāo)；協(xié)調(diào)性

中圖分類號(hào) U418.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0020-03

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，交通量也日益增加。原先設(shè)計(jì)的低標(biāo)準(zhǔn)高速公路已無(wú)法滿足通行需求，使得公路擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重，交通事故頻發(fā)。此時(shí)，即使采取多種交通管控措施，也無(wú)法解決根本問(wèn)題，需對(duì)高速公路進(jìn)行改擴(kuò)建處理。由于高速公路屬于線性工程，其服務(wù)水平首先取決于路線的設(shè)計(jì)質(zhì)量。尤其是山區(qū)高速公路，其地形復(fù)雜、路線設(shè)計(jì)難度大。因此，進(jìn)一步研究山區(qū)高速公路改擴(kuò)建工程路線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)十分必要。

1 舊路路線調(diào)查及改擴(kuò)建設(shè)計(jì)原則

1.1 改擴(kuò)建公路路線調(diào)查

根據(jù)《高速公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T L11—2014），山區(qū)高速公路改擴(kuò)建路線在設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)舊路平面、縱斷面線形及橫斷面進(jìn)行調(diào)查，具體應(yīng)滿足以下規(guī)定：平面線形和縱斷面線形測(cè)點(diǎn)應(yīng)保持一致，即在左、右幅中央分隔帶邊緣和右側(cè)硬路肩外邊緣布設(shè)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖1所示），且左、右幅的測(cè)點(diǎn)宜位于同一斷面；舊路線形測(cè)點(diǎn)縱向間距應(yīng)小于25 m；對(duì)于小半徑圓曲線路段及特殊路基段，可加密測(cè)點(diǎn)；對(duì)于橋梁、橋式通道、分離立體橋梁等構(gòu)造物，測(cè)點(diǎn)縱向間距應(yīng)小于10 m；橫斷面調(diào)查應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注斷面布置形式、邊溝尺寸、邊坡坡度等參數(shù)[1]。

1.2 改擴(kuò)建公路路線設(shè)計(jì)原則

山區(qū)高速公路改擴(kuò)建路線設(shè)計(jì)是一個(gè)層層推進(jìn)、不斷深入的過(guò)程，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則[2]：①一致性。路線平、縱線形擬合應(yīng)嚴(yán)格以選用的構(gòu)造物為控制點(diǎn)，確保擬合線形與實(shí)際盡量一致。②節(jié)約用地。路線改擴(kuò)建應(yīng)充分利用原公路兩側(cè)預(yù)留的土地，以減小征地拆遷規(guī)模；同時(shí)，還要盡量利用舊路，以節(jié)約工程造價(jià)。③靈活性。改擴(kuò)建公路路線指標(biāo)不能完全照搬規(guī)范或隨意突破規(guī)范，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況靈活選擇平、縱指標(biāo)，并合理組合；如布線條件限制，線形指標(biāo)必須突破規(guī)范中的一般值，則路線方案需經(jīng)專家論證，并增設(shè)安全設(shè)施。④協(xié)調(diào)性。改擴(kuò)建公路路線設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持“寧填勿挖”原則，否則會(huì)增大施工難度、破壞周邊自然環(huán)境。

2 舊路平、縱線形擬合

2.1 工程概況

研究對(duì)象為某山區(qū)高速公路，其路線全長(zhǎng)56.8 km，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向4車道，重交通等級(jí)，路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬為25 m，路面為瀝青路面，沿線共設(shè)置了特大橋2座、大橋118座、小橋涵394座、特長(zhǎng)隧道1座、長(zhǎng)隧道3座、監(jiān)控管理中心1處、服務(wù)區(qū)2處等。近年來(lái)，其沿線交通量折算后接近40 000 pcu/d，使得高速公路通行能力嚴(yán)重下降。鑒于此，擬對(duì)該高速公路進(jìn)行擴(kuò)建，將雙向四車擴(kuò)建為雙向六車道（雙側(cè)拼寬），以提高道路通行能力。

2.2 舊路平面線形擬合

在開(kāi)展平面線形擬合前，需獲取舊路線形坐標(biāo)數(shù)據(jù)。但是，舊路的設(shè)計(jì)文件已經(jīng)不完整，可以按上節(jié)方法布置測(cè)點(diǎn)，得到舊路線形散點(diǎn)數(shù)據(jù)。篩除異常值后，才能用于平面線形擬合。

2.2.1 擬合方法

高速公路平面線形是指中線在水平面的投影。由于直線、圓曲線、緩和曲線三種基本線形元素不同，不同線形元素的擬合方法不同。在平面線形擬合前，先根據(jù)散點(diǎn)曲率半徑判斷其所在位置。

對(duì)于在直線上的點(diǎn)位（x， y），其曲率半徑無(wú)窮大，可用線性函數(shù)y=ax+b表示，利用最小二乘法得到散點(diǎn)數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù)；對(duì)于在圓曲線上的點(diǎn)位（x，y），其曲率半徑等于圓曲線半徑R，可用（x?a）2+（ y?b）2=R2表示其變化關(guān)系；對(duì)于在緩和曲線上的點(diǎn)位（x， y），其曲率半徑均勻變化，可用RL=A2表示，其中A為緩和曲線參數(shù)、L為緩和曲線長(zhǎng)度（可在劃分曲線類型時(shí)得到）。

2.2.2 擬合精度

以明式構(gòu)造物為主要控制點(diǎn)時(shí)，平面線形擬合精度應(yīng)控制在10 cm內(nèi)；在一般路基段，平面線形擬合精度可控制在10～20 cm，具體可結(jié)合地形、老路條件適當(dāng)調(diào)整。

2.3 舊路縱斷面線形擬合

高速公路縱斷面線形由沿中線豎直剖切而得到，由于直線、豎曲線兩種基本線形元素不同，其擬合同樣基于散點(diǎn)數(shù)據(jù)。縱斷面上的直線擬合需根據(jù)變坡點(diǎn)坐標(biāo)，求出坡線的擬合方程y=ax+b（x為變坡點(diǎn)樁號(hào)、y為變坡點(diǎn)高程、a和b均為待定系數(shù)）；縱斷面豎曲線的計(jì)算模型如圖2所示，其基本方程滿足二次拋物線，見(jiàn)式（1）[3]：

（1）

式中，L——豎曲線長(zhǎng)度（m）；i1、i2——相鄰兩縱坡的坡度（%）。i2?i1＞0表示凹形豎曲線，i2?i1＜0則表示凸形豎曲線。

縱斷面的線形擬合精度控制可參考平面線形，不再贅述。

2.4 舊路線形擬合誤差分析

基于上述方法，采用緯地道路軟件對(duì)舊路的平面、縱斷面線形進(jìn)行擬合，并統(tǒng)計(jì)了不同誤差的點(diǎn)位數(shù)量及占比，如表1所示：

由表1可知，大部分?jǐn)M合點(diǎn)誤差都在5 cm內(nèi)，且不存在誤差大于20 cm的擬合點(diǎn)，這說(shuō)明舊路平面和縱斷面線形的擬合精度效果較好。

3 改擴(kuò)建公路平面、縱斷面線形參數(shù)及組合設(shè)計(jì)

3.1 路線平面線形參數(shù)

老路的平面線形擬合完成后，按《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）（簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）要求評(píng)價(jià)平面線形參數(shù)，比如直線、圓曲線等。

3.1.1 直線長(zhǎng)度

該高速公路存在1處直線長(zhǎng)度較長(zhǎng)的路段，其長(zhǎng)度為2 150 m，超過(guò)了《規(guī)范》的20V（2 000 m）。但經(jīng)分析，路段中間設(shè)置了主線收費(fèi)站，故長(zhǎng)直線對(duì)車輛運(yùn)行安全影響不大。同時(shí)，同向圓曲線間的最短直線長(zhǎng)度為860 m，滿足《規(guī)范》要求的6V（600 m）；反向圓曲線間的最短直線長(zhǎng)度為235 m，滿足《規(guī)范》要求的2V（200 m）。

3.1.2 圓曲線

該高速公路最小的圓曲線最小半徑為1 000 m，滿足《規(guī)范》要求（700 m）；在超高路段，有2處因受到地形限制，圓曲線半徑突破了一般值，僅勉強(qiáng)大于極限值，但路線方案經(jīng)過(guò)了專家論證，并采取了相應(yīng)的安全控制措施。在改擴(kuò)建路線設(shè)計(jì)階段，重點(diǎn)對(duì)其線形進(jìn)行優(yōu)化。

《規(guī)范》將轉(zhuǎn)角＜10 °的曲線定義為小偏角曲線，舊路也是按此標(biāo)準(zhǔn)控制，從而使路線存在幾處轉(zhuǎn)角在7 °～10 °的曲線。為了保證行車安全，該文建議將7 °～

10 °的曲線調(diào)整為10 °以上。

3.2 路線縱斷面線形參數(shù)

同理，縱坡、豎曲線等縱斷面線形參數(shù)也按《規(guī)范》進(jìn)行評(píng)價(jià)。該高速公路路線的最大縱坡為3.36%、最小縱坡為0.32%，滿足《規(guī)范》要求。但存在1處合成坡度不足的路段，即小縱坡路段與橫坡的合成坡度小于0.3%，不利于該路段排水，需進(jìn)一步優(yōu)化縱斷面、加強(qiáng)路面排水措施。

該高速公路的凸形豎曲線最小半徑為12 000 m、凹形豎曲線最小半徑為5 500 m、豎曲線最小長(zhǎng)度為235 m，均滿足《規(guī)范》要求。

3.3 平、縱組合設(shè)計(jì)

高速公路改擴(kuò)建路線不僅要求平面和縱斷面技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，還要確保平面、縱斷面線形組合后線連續(xù)、技術(shù)指標(biāo)大小均衡，且與周邊自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。

3.3.1 組合形式

綜上，高速公路的平面、縱斷面線形要素均可劃分為直線和曲線兩類，可將其隨機(jī)組合成6種基本立體線形要素，見(jiàn)表2所示[4]。

3.3.2 具體設(shè)計(jì)要求

當(dāng)平面為直線時(shí)，縱斷面不宜頻繁邊坡，以避免“駝峰”“凹陷”等問(wèn)題，導(dǎo)致路線不連續(xù)，影響駕駛員視線。同時(shí)，長(zhǎng)直線不應(yīng)與縱斷面長(zhǎng)坡相結(jié)合，這種組合線形簡(jiǎn)單，行車較單調(diào)，駕駛員視覺(jué)容易疲勞。

當(dāng)平面為曲線時(shí)，其與豎曲線應(yīng)相互對(duì)應(yīng)，且平曲線長(zhǎng)度大于豎曲線長(zhǎng)度。如果平、豎曲線半徑均較小，兩者對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度應(yīng)嚴(yán)格控制；反之，可稍微放松。同時(shí)，長(zhǎng)的平曲線內(nèi)不宜包含多個(gè)短豎曲線、短平曲線不宜與短豎曲線組合、小半徑圓曲線起終點(diǎn)不宜設(shè)置在凸形豎曲線頂部或凹形豎曲線底部。

4 改擴(kuò)建公路路線方案的協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)

4.1 運(yùn)行速度預(yù)測(cè)

在開(kāi)展安全性分析前，需先根據(jù)縱坡、圓曲線半徑，將高速公路改擴(kuò)建路線劃分為平直路段、平曲線路段、縱坡路段、彎坡組合路段、隧道路段、互通立交路段等，并利用緯地道路軟件分段預(yù)測(cè)車輛運(yùn)行速度V85。具體預(yù)測(cè)步驟如下[5]：先確定第1個(gè)分析單元起點(diǎn)的初始運(yùn)行速度（可取設(shè)計(jì)速度）；然后根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》（JTG B05—2015）中的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)第1個(gè)分析單元終點(diǎn)的運(yùn)行速度，并將其作為第2個(gè)分析單位起點(diǎn)的初始運(yùn)行速度；按上述步驟一次計(jì)算，直至預(yù)測(cè)完最后一個(gè)分析單元的運(yùn)行速度。

4.2 運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)

4.2.1 評(píng)價(jià)方法

一般情況下，高速公路縱坡對(duì)小客車運(yùn)營(yíng)速度的影響很小，小客車在4%～5%坡度上的運(yùn)行速度與平坦路段基本無(wú)差別。而縱坡對(duì)大型車的影響則較為明顯。因此，該文基于大型車的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)結(jié)果，評(píng)價(jià)公路路線方案的安全性。

在該改擴(kuò)建高速公路選取15個(gè)特征點(diǎn)，利用緯地道路軟件預(yù)測(cè)大型車在上行方向的運(yùn)行速度，求出運(yùn)行速度V85與設(shè)計(jì)速度V的差值絕對(duì)值以評(píng)價(jià)路線的協(xié)調(diào)性。 當(dāng)|V85?V|＜10 km/h，路線協(xié)調(diào)性好；當(dāng)10≤|V85?V|＜20 km/h，路線協(xié)調(diào)性較好；當(dāng)|V85?V|≥20 km/h，路線協(xié)調(diào)性不良。

4.2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

不同特征點(diǎn)的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

該改擴(kuò)建高速公路上車輛的最大運(yùn)行速度為108 km/h、最小運(yùn)行速度為86 km/h，運(yùn)行速度平均值為95.5 km/h。將各個(gè)特征點(diǎn)的運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度進(jìn)行求差，可知僅特征點(diǎn)8的|V85?V|＞10 km/h，其他特征點(diǎn)|V85?V|均≤10 km/h，線形協(xié)調(diào)性好或較好的路段占比達(dá)到了100%，說(shuō)明路線設(shè)計(jì)水平較高。

5 結(jié)論

該文主要研究了山區(qū)高速公路改擴(kuò)建路線的設(shè)計(jì)原則、線形擬合方法、平縱線形參數(shù)分析及組合，并對(duì)路線方案的協(xié)調(diào)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到了以下結(jié)論：

（1）高速公路改擴(kuò)建路線設(shè)計(jì)前要先對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，并堅(jiān)持“一致性、節(jié)約用地、靈活性、協(xié)調(diào)性”等原則。

（2）舊路平面線形可基于線性函數(shù)、圓函數(shù)等進(jìn)行擬合，縱斷面豎曲線可采用二次拋物線進(jìn)行擬合，應(yīng)將擬合誤差盡量控制在10 cm內(nèi)。

（3）舊路線形擬合完成后，應(yīng)對(duì)其各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。如出現(xiàn)不滿足規(guī)范要求的指標(biāo)，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。

（4）改擴(kuò)建公路路線方案設(shè)計(jì)完成后，可基于運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度的差值絕對(duì)值評(píng)價(jià)其協(xié)調(diào)性。

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