山区高速公路改扩建工程路线设计要点.pdf

总651期2023年第21期（7月 下）1 山区高速公路改扩建原则和方式对比1.1 改扩建设计原则山区公路改扩建的路线线形设计前，应根据交通量预测结果及设计通行能力，选择合适的加宽方式，保证改扩建项目的可行性1。山区高速公路改扩建设计时应遵循以下原则：降低对既有路网的影响。高速公路改扩建期间由于封闭交通，部分交通量会转移到沿线国省道，超出国省道原设计通行能力，容易导致交通拥堵、行车延误等现象；经济性。山区高速公路改扩建应在满足 公路工程技术标准（JTG B012014）条件下，尽可能利用现有结构物和两侧预留土地，以减少拆迁工程量，节约土地资源，降低工程造价；便于施工。线形设计方案不应过于复杂，指标相近的线形宜归并设计，以便于控制施工质量和施工进度；严选控制点。改扩建路线的平、纵线形拟合应贴合实际走向，尽量选择旧路沿线的大桥、特大桥、隧道等构造物作为控制点2。1.2 改扩建加宽方式对比山区高速公路改扩建方式包括整体拼宽和新建分离两大类，不同改扩建方式的主要优缺点及适用条件如表1所示。表1 山区高速改扩建方式对比改扩建方式新建分离整体拼宽单侧拼宽双侧拼宽混合拼宽加宽原理采用分离式路基与老路拉开一定距离后，新建两条平行的单向道路公路一侧土地受限，不便施工，仅对另一侧加宽保持走向基本不变，在旧路两侧拼接单侧和双侧加宽相组合优点基本不受旧路线约束，设计指标好不加宽侧附属设施可继续适用，施工场地大线形指标好，中分带可直接利用同上缺点占地多，工程造价高新老路车辆汇接受限路线中线偏移，需拆除中分带新旧路基沉降不易控制，施工场地小同上2 山区高速公路改扩建规模计算及线形指标的灵活应用山高速公路线形在进行改扩建设计之前应预测交通量、服务水平等条件计算出加宽车道数确定。2.1 交通量计算山区高速公路所需满足的最大服务交通量MSFd计算公式见（1）（3）：MSFd=SFfhv fp（1）SF=DDHVPHF15（2）fhv=11+Pi(Ei-1)（3）式（1）（3）中：SF为15 min高峰小时交通量，单位veh/h；fhv为交通组成影响对流率的修正系数；fp为驾驶员总体特性影响对流率的修正系数；DDHV为单方向设计小时交通量，单位veh/h；PHF15为15 min高峰小时系数；Pi为第i类车型交通量占总交通量的比例（%）；Ei为第i类车型的车辆折算系数。2.2 车道数确定根据上文计算出的路段所需最大服务交通量MSFd，即可得到改扩建高速公路所需车道数N，见式（4）：N=MSFiMSFd（4）式（4）中：MSFi为高速公路服务水平等级对应的最大服务交通，单位veh/h。在最终确定改扩建车道数时，应注意以下几个问题3：山区高速公路沿线交通条件和交通需求并不完全一致，可能相邻路段车道数不同，甚至同一路段两个方向的车道数也有差别，在计算N时应结合实际情况尽量细化路段；计算出的车道数 N 可能不是整数，向上或向下取整取决于道路设施利用率、土地利用率、运行分析结果等因素；最终确定的车道数应满足基收稿日期：2022-11-29作者简介：石磊（1981），男，安徽淮南人，高级工程师，从事路桥设计工作。山区高速公路改扩建工程路线设计要点石磊（云南省交通规划设计研究院有限公司，云南 昆明 650011）摘要：为提高山区高速公路改扩建项目设计水平，首先总结了山区高速公路改扩建方式及适用条件，随后研究了改扩建车道数计算及圆曲线半径、缓和曲线长度、最小坡长、不对称性竖曲线等平纵指标，最后依托某山区高速公路四改六项目，利用弯坡路段纵坡允许值和汽车弯道允许速度作为定量指标对平纵线形组合的合理性进行评价。关键词：山区高速；改扩建；平纵指标；平纵组合；设计要点中图分类号：U412文献标识码：B66交通世界TRANSPOWORLD本车道数要求。2.3 线形指标的灵活应用山区高速改扩建的线形指标应结合公路路线设计规范（JTG D202017）灵活选择路线平纵指标。比如平面线形指标不小于极限值可不调整，指标小于极限值应改善线形设计；如果旧路两侧建筑物分布密集，改变平面线形导致拆迁量过大，可先核查该路段是否交通事故频发。如果不属于事故多发路段，可保持旧路平面线形，加强交通安全设施设计，提高高速公路运营的安全性；旧路的纵断面竖曲线半径R或长度L不满足行车视距要求时应加大竖曲线半径，纵断面线形指标不能满足设计速度和坡长限制要求时，尽量通过调整局部路段来改善纵断面技术指标4。3 山区高速公路改扩建平、纵断面线形指标3.1 改扩建平面线形指标3.1.1 圆曲线半径圆曲线半径应注意以下几点：当原高速公路地形条件受限制时，圆曲线半径可取一般最小半径；当原高速公路地形特别困难时，圆曲线半径可取极限最小半径；前后线形要素应协调，小半径不宜与陡坡重合。3.1.2 缓和曲线长度缓和曲线长度不满足公路路线设计规范（JTGD202017）最小长度要求（见表2），可对局部线形调整。而工程地质、地形地貌特别复杂路段，尽量确保缓和曲线长度满足超高过渡，否则，宜将圆曲线或直线插入超高过渡段。表2 缓和曲线最小长度设计速度/（km/h）缓和曲线最小长度最小值/m一般值/m6060808070100100851201201001303.1.3 缓和曲线参数A值A值与回旋线曲率变化的快慢程度密切相关，条件允许时取大值，同时其最小值应结合汽车在缓和曲线上行驶时间要求、超高渐变率要求等因素确定。缓和曲线参数A值由式（5）计算：A2=r l（5）式（5）中：r为回旋线某点曲率半径，单位m，其值随l动态变化；l为回旋线某点到原点的曲线长，单位m。3.2 改扩建纵断面线形指标山区高速改扩建项目路线纵断面设计首先要满足行车安全和视觉诱导舒适等，应与地形地貌、沿线景观等相协调，同时还应与平面线形相互配合。在改扩建项目中，旧路走向和纵坡基本已确定，宜遵循“线形服从地形”的原则，只需对纵坡和竖曲线拟合，并对局部不能满足现行规范的纵断面在原设计标高的基础上进行调整，确保纵断面的顺滑舒适。因此，山区高速公路在进行改扩建设计时，必须确定合适最小坡长和不对称性竖曲线。3.2.1 最小坡长坡长是指纵断面上相邻变坡点间的距离。车辆行驶试验的研究表明，纵断面变坡点不宜过多（即坡长不宜过短），否则会导致车辆行驶颠簸频繁，影响行车安全性和舒适度，同时也不利于平纵线形配合。公路路线设计规范（JTG D202017）规定了山区高速在设计速度为120 km/h、100 km/h时对应的最小坡长分别为300 m、250 m。如果根据以上规定进行纵断面设计，会导致路基填方量较多，路面罩面或铣刨厚度大，经济性较差。笔者认为在进行山区改扩建高速公路的纵断面设计时，可适当在原设计方案中增加改变坡点。如果新增变坡点所对应的转坡角较小，可以放宽最小坡长的运用，但是需结合变坡点行程时间和离心加速度研究最小坡长的控制值。3.2.2 变坡点行程时间山区高速公路上行驶的车辆在竖曲线上行程时间不宜过短，应给驾驶人员留出足够的反应时间。一般认 为，变 坡 点 行 程 时 间 不 宜 小 于 3s 行 程，计 算见式（6）：Lmin=V3.6 t=V1.2（6）式（6）中：V为高速公路设计车速，单位km/h。代入数值可得，山区高速满足行程时间的最小坡长取整后为：设计速度为120 km/h、100 km/h时对应的最小坡长分别为100 m、85 m。3.2.3 离心加速度山区高速公路竖曲线设计时，车辆行驶离心加速度宜取0.20.4 m/s2（规范取0.278 m/s2）。满足车辆离心加速度的最小坡长Lmin应不小于相邻竖曲线切线长度之和T1+T2，见式（7）：Lmin=T1+T2=V27.2(1+2)（7）式（7）中：1为原变坡点的转坡角（%）；2为新增变坡点的转坡角（%）。按最不利因素考虑，1、2可取最大转坡角的1.4倍系数。3.3 不对称性竖曲线设计山区高速改扩建设计时可能遇到填挖高度降低，但由于结构物或竖向净空限制竖曲线起讫点无法移动（无法加大竖曲线长度）的问题，运用传统的设计理念需同时调整若干纵坡，工作量较大，误差会不断累计。为改善公路纵断面线形，实现填挖高度降低的目的，可采用不对称竖曲线设计。新型不对称竖曲线采用三次抛物线拟合纵断面，拟合曲线更平缓，精度更高，如图1所示。67总651期2023年第21期（7月 下）图1 新型不对称竖曲线拟合示意4 山区高速改扩建公路线形平、纵组合评价4.1 依托工程某山区改扩建高速公路路线全长113.8 km，设计速度维持100 km/h不变，设计荷载公路I级，最大纵坡为7%，最小纵坡0.8%。路基采用双侧加宽，由双向四车道加宽为双向六车道，路基宽度34.5 m，其中：行车道宽233.75 m，中间带宽4.5 m（中央分隔带宽3.0 m，左侧路缘带20.75 m），硬路肩宽23.0 m（含右侧路缘带20.5 m），土路肩宽20.75 m。4.2 平、纵组合设计要点山区高速路线平、纵线形组合设计应重点关注驾驶人员视觉和心理方面的连续、良好的排水条件、安全性和经济性等，笔者结合多年工程经验总结出了平纵组合设计要点如下：平、纵曲线半径及长度选择不宜过分追求高指标，应确保平纵线形几何指标均衡，平竖曲线重叠时以平曲线为主导；合成坡度要满足路面排水要求和车辆转弯不出现离心倾覆；平纵组合应保持良好的通视效果。在凹形竖曲线上，路面向下翘曲，通视条件好，基本无视线障碍；纵面凸形竖曲线的路面向上翘曲，司机视线向下移动，凸起的路面会遮挡司机视线（尤其是竖曲线过长，半径小的线形组合），易发生交通事故。4.3 平、纵线形组合设计评价指标4.3.1 汽车弯道允许速度国内高速公路行驶的车辆类型复杂，车辆速度相互干扰严重，从而影响公路的服务水平，故在评价线形平纵组合的优劣时考虑汽车实际运行速度具有重要的意义。车辆实际行驶速度v的计算见式（8）。同时，应防止由于平面线形和纵坡的影响，导致汽车发生横向滑移、横向倾覆等危险。v=127R(+i)（8）式（8）中：R为弯道平曲线半径，单位m；为横向力系数，可取0.10.15；i为弯道超高横坡坡度（%）。根据上述公式计算出了K61+010K75+376段的允许车速和实际车速并绘制“车速图”，如图2。计算结果表明，K61+010K75+376段实际车速与允许车速差距过大，平纵线形指标组合合理，其中第12个圆曲线安全性最好，纵断面线形提供的安全性高于圆曲线。4.3.2 弯坡路段纵坡允许值由相关统计数据可知，60%70%的交通事故发生在弯坡路段，一般是由于平纵线形组合不当导致。当平曲线包含纵坡时，司机需同时完成转弯和上下坡动作，车辆受力复杂，稳定性差。为提高车辆稳定性，平曲线半径、车速、横坡可按式（9）进行控制：i弯 imax-v2127Rih（9）式（9）中：i弯、imaxR分别为弯坡路段纵坡和直坡路段最大纵坡（%）；ih为弯道横坡（%）。当平纵组合中的纵坡度大于i弯，则汽车行驶越不稳定，平纵线形指标组合越不合理。5 结论本文研究了山区高速公路改扩建规模计算、平纵线形指标、拟合方法等，并依托某实际工程对平、纵线形组合的合理性进行评价，得出以下几方面结论：山区公路改扩建的路线线形设计应遵循降低对既有路网的影响、经济性、便于施工、严选控制点等原则；改扩建后公路圆曲线半径在地形允许的条件下宜选择大值，并合理确定缓和曲线长度和缓和曲线参数A值；纵断面增加变坡点后，可结合变坡点行程时间和离心加速度合理放宽最小坡长要求；平、纵线形组合的合理性可选择弯坡路段纵坡允许值和汽车弯道允许速度作为定量指标。参考文献：1 柴金燕.公路工程中改扩建公路路线以及路面路基设计J.工程建设与设计，2021（23）：125-127.2 庞学冬，李晓龙.高速公路改扩建工程路线设计方案优化研究J.交通世界，2020（30）：61-62.3 秦志清.山区高速公路改扩建工程路线总体设计要点与实践J.公路，2020，65（7）：86-91.4 陈康俊.改扩建高速公路的路线设计原则及要点分析J.城市道桥与防洪，2017（4）：22-24，6.图2 不同路段车速计算结果68