公路改建的線形設計方法與工程應用

周斌華，楊建明，李 明，李子龍，何 建，易靈芝

（1.衡陽市公路管理局，湖南 衡陽 421001；2.南華大學 城市建設學院，湖南 衡陽 421001）

截止2010年底，中國已建成通車的公路總里程達到3.984×106km，其中：高速公路通車里程達7.4×104km，農村公路（縣、鄉、村）通車里程達到3.45×106km.隨著經濟和交通事業的發展，原有的低等級公路已不適應發展的需要，甚至成為制約社會經濟發展的因素.而舊路因當時經濟和地理條件的限制，公路線形大多隨地形變化極不規劃，技術標準較低，并且使用年限較長，公路路面破壞嚴重，因此需要對舊路進行提質改造，以適應當前的交通需求.同時，在公路運營過程中，部分公路路段出現城鎮化，公路兩側修建了大量的建筑物和商業設施，局部經常性產生交通阻塞，因此對舊路進行改建提質勢在必行.

1 公路改建線形設計優化方法

1.1 舊路線形擬合技術

公路改建過程中，應盡量利用原有舊路，以減少房屋拆遷，降低公路改建成本，采用舊路線形擬合技術進行公路線形設計.

舊路線形擬合技術即利用舊路測量資料（公路中心線的X，Y坐標和高程），以橋涵構造物和隧道等為控制要素，采用擬合方法（如：最小二乘法和B樣條函數等）來擬合舊公路線形，獲得舊路線形數據，并利用公路路線設計軟件（如：Hint－CAD和CARD／1等）進行優化的設計方法.在公路改建線形設計過程中，舊路線形擬合技術得到了廣泛的應用［1－5］.舊路測量資料可采用3種方法獲取：①利用全站儀或經緯儀與水準儀來獲取舊路中線點X，Y坐標及高程數據；②利用RTK技術采集舊路中線數據，采集內容包括舊路中線點X，Y坐標及高程數據［1］；③ 直接從地形圖上獲取舊路中線點X，Y坐標及高程數據.

1.2 城鎮化改線設計方法

公路在運營過程中，由于某些歷史原因，造成局部路段城鎮化，公路兩側出現許多商店或其他設施，嚴重影響了公路的正常運營，因此，在公路改建過程中，通過原路改建或繞行的方式，可以解決舊路城鎮化問題［6］.

1）原路改建設計方法

當改建公路交通量較小且舊路預留斷面滿足改建要求、或改建道路等級與舊路相同時，可通過加寬道路路基、完善排水系統和交通安全設施來滿足行車需要.

當改建公路交通量較大、原有斷面無法滿足交通量的需求時，采取的途徑有：①通過拆遷，拓寬現有道路.②當現有道路拆遷造價高且橫向干擾較大時，可架設高架橋快速通過城鎮段，分流過境車流和街區車流.該方案解決較為徹底，但造價較高.

2）改建公路繞行設計方法

當改建公路交通量較大且原有斷面不能滿足需求、或舊公路線形達不到需求和舊公路路段規劃為城鎮區域時，可采用繞行，避開原有舊路城鎮化路段.該繞行路段是新建的，路線線形設計相對簡單，相應可以采取較高的線形指標，并且可為公路遠期的規劃設計提供基礎.

1.3 公路局部改線設計方法

低等級公路改建為高等級公路，由于高等級公路線形設計指標較高，舊路線形較差，舊路擬合后的改建公路線形指標偏低，或根本不能滿足公路改建后的公路等級需要，因此，需要根據具體地形條件情況，對公路路線采取裁彎取直的改線設計方案，從而使改建公路的線形指標滿足要求.但公路改線后，可能造成征地拆遷量大，施工成本增加，則需進行多方案比選，并盡可能減少公路改線的成本，以選擇合理的路線設計方案.

1.4 公路線形局部優化設計方法

在公路改建過程中，應盡量利用原有舊路，可以減少拆遷和征地的成本，節約土地資源.但原有舊路等級較低，舊路擬合設計后改建公路部分線形設計指標較差，達不到改建公路相應等級的設計要求，從而影響到改建公路的運營和行車安全如：小偏角、曲線間最小直線、未設緩和曲線及圓曲線半徑過小問題［7－8］.因此，有必要對改建公路局部線形進行調整，從而達到改建公路相應等級的設計要求.

1）小偏角

改建公路平面線形設計時，經常遇到舊路小偏角問題.小偏角的危害性較大，常常給駕駛人產生視覺誘導錯誤，容易導致事故的發生.因此，工程設計中，盡量取消小偏角，實在無法回避小偏角時，應保證足夠的平曲線長度［9］（見表1），并輔助設置相應的交通設施，以減少或消除小偏角問題的安全危害.

表1 公路轉角≤7°時的平曲線長度Table 1 Horizontal curve length of equal to or less than 7°road corner

2）舊路未設緩和曲線

當圓曲線半徑大于或等于不設超高的最小半徑時，可不設緩和曲線［9］.舊路因等級較低，平曲線由單圓曲線組成，其半徑能滿足原規范要求，因此，未設緩和曲線.而改建公路等級相比舊路高原有曲線能滿足最小半徑要求，但小于不設緩和曲線的半徑，不能滿足新的規范要求，因此，公路改建時，需要增設緩和曲線部分.

3）曲線間最小直線

按規范［9］規定，同向曲線間直線長度宜大于6v，反向曲線間直線長度宜大于2v.舊路同向曲線及反向曲線因等級低而設計了較短的直線，且圓曲線未設緩和曲線.公路改建過程中，應盡量利用舊路，增設緩和曲線.當采用的直線長度不夠或地形有困難時，可輔以綠化誘導駕駛人視線或采用交通設施提示.對于部分曲線間直線過短的同向曲線，可以采用C形曲線或卵形曲線設計；對于部分曲線間直線較短的反向曲線，可以采用反S形曲線設計.

4）平曲線最小半徑

原有舊路圓曲線半徑較小或存在暗彎等影響了行車安全，因此，從保障行車安全角度考慮，需要盡可能在暗彎處設置較大的平曲線半徑.當無法設置較大圓曲線半徑時，應結合路基邊坡設計情況考慮開挖視距臺.

5）適當布置交通設施

對于降低了設計指標的路段，即設計指標采用規范最小值以下指標的路段，宜與相鄰路段一道進行運行速度校核.對于線形難以調整的特別困難地段，應通過加寬路面、增大超高、設置路面限速帶及完善交通工程設施等辦法予以彌補，并通過景觀綠化和沿線設施等形成良好的視覺誘導系統.

2 工程實例

某公路在南岳轄區內長13.8km（K0＋000～K13＋800），其中10.2km（K0＋000～K9＋743.107南岳至西嶺段）為旅游區內路段（起點的海撥高程103.8m，最高點K9＋703.001處標高722.3m）；衡山縣轄區內長15.382km（K13＋800～XK29＋327.285）（K21＋300處標高101.56 m），其中K21＋300處前為越嶺道路.該公路建成年代較早，道路蜿蜒崎嶇順山勢而建，道路多為曲線線形，同向曲線、反向S曲線遍布全路段，局部山勢較陡部位出現了連續回頭曲線，道路標準較低.由于使用年代久遠，道路路況較差，對道路交通安全造成較大影響.

該公路改建方案為：K0＋000～K9＋743.107為旅游區路段，設計速度20km／h，按四級公路設計，2車道，路面寬度7.50m；K9＋743.107～K21＋507.516段，越嶺道路下坡段，設計速度20km／h，按三級公路設計，2車道，路面寬度7.50m；K21＋507.516～K29＋327.285段，地勢較平坦，按三級公路設計，設計速度40km／h，2車道，路基寬度10m.

K0＋000～K9＋743.107為旅游區路段，因公路通過地段地形復雜，且公路通過的南岳旅游區地段，因保護景區，不能開挖，因此，該段采用舊路線形擬合技術設計，局部針對平曲線半徑指標進行優化設計.

K9＋743.107～K21＋507.516段為越嶺段按三級公路設計，因原來公路線形較差，部分曲線半徑較低，設計方案首先采用舊路線形擬合技術設計，其次采用公路局部改線設計方法、增大圓曲線半徑及優化公路回頭曲線半徑等設計方法進行優化設計.

K21＋507.516～K29＋327.285段為地勢平坦地段，原公路線形相對較好，采用設計速度40km／h，采用舊路線形擬合技術盡量利用原有公路，減少拆遷量.在K23＋100處，舊路兩側修建大量民用和商業設施，并延伸進入東湖鎮.公路改建難度很大，考慮到東湖鎮的發展需要和規劃，K23＋100～K26＋222.380段采用繞行改線設計方案.

2.1 舊路線形擬合技術設計

K0＋000～K9＋743.107為旅游區公路，為保護南岳旅游區資源，設計原則是沿舊路設計，局部優化公路線形指標.由于按四級公路進行設計，按規范要求，圓曲線徑相相接或與直線相接，沒有設置緩和曲線.如圖1所示，改建公路沿舊路的中線布設，僅在局部圓曲線半徑過小地段增大了圓曲線半徑.

圖1 舊路線形擬合設計Fig.1 Alignment fitting design of old road

2.2 公路局部改線設計

K18＋900～K19＋200處，舊路為回頭曲線但回頭曲線半徑過小，回頭曲線的長度不夠，不能滿足原四級公路的要求，汽車行駛相當困難.當按三級公路改建時，遠遠不能滿足三級公路的要求，并且，受該處地形和房屋的限制，不可能布設符合三級公路要求的回頭曲線，因此，將回頭曲線修改設計為反S形曲線（如圖2所示），線形指標滿足三級公路的要求.

2.3 回頭曲線的優化

K10＋500～K11＋900處，舊路回頭曲線半徑接近15m，剛好滿足四級公路要求（見表2），現改建公路采用三級公路設計標準，按30km／h設計速度，回頭曲線［9］的最小半徑需達20m.如圖3所示，通過回頭曲線半徑優化設計，該處回頭曲線半徑調整為25m，改善該回頭曲線的線形指標.

圖2 公路局部改線設計Fig.2 Local line design of highway

表2 回頭曲線技術指標Table 2 Technology index of switch－back curve

圖3 回頭曲線優化設計Fig.3 Optimization design of switch－back curve

2.4 曲線線形優化

K18＋400～K18＋800處，交點JD244和JD245為兩同向曲線（如圖4所示），其中JD244圓曲線半徑為70m，交點JD245圓曲線半徑83 m，兩者緩和曲線長度為25m，兩同向曲線間直線長度70m，小于6v，達不到現行設計規范的要求，可采取措施：①將同向曲線線形組合修改為卵形曲線或C型曲線；②在曲線處，增加交通設施，提示前方存在同向曲線或增加公路輪廓標，提示駕駛人注意前方同向曲線.

2.5 城鎮化地段改線繞行設計

K23＋100處，舊路兩側城鎮化嚴重，并且前方為東湖鎮，考慮到東湖鎮的近、遠期發展規劃在K23＋100處采用公路改線繞行設計（如圖5所示）.既解決了公路城鎮化問題，又為東湖鎮遠期發展留下足夠的空間.

圖4 同向曲線線形優化Fig.4 Alignment optimization of adjacent curve in one direction

圖5 城鎮化地段改線繞行設計Fig.5 Alignment and bypass design of urbanization lot

3 結語

公路改建設計是非常復雜的系統工程，且改建公路比舊路設計等級高.既要盡量利用原有舊路，避免改建公路大挖大填、大量拆遷和征地，造成公路改建成本高；又要改建公路盡量采用較高的設計線形指標，以消除或減少公路運營時的安全隱患.因此，在公路改建過程中，應注意5個問題：

1）盡量利用舊路，采用舊路擬合技術，可以最大程度利用舊路，減少拆遷和征地成本，進而減少公路改建的成本.

2）低等級公路改建為等級較高的公路時，原有部分舊路的線形指標偏低，不能滿足新改建公路設計要求，同時還會影響改建公路的行車安全，因此，針對線形較差的舊路地段，可以采取公路局部改線設計方法.

3）在運營過程中，往往公路兩側出現城鎮化問題，采取公路繞行改線設計方法可以解決公路改建的城鎮化問題.公路改建后，還有可能出現新城鎮化問題，因此，必須確保公路法的執行，才能從根本上避免城鎮化問題的產生.

4）針對舊路圓曲線半徑過小或線形組合不理想的情況，在公路改建過程中，對圓曲線半徑和線形進行優化設計.

5）公路改建過程中，部分路段線形指標較差，而公路改建可能造成施工成本過大或其他原因，可以通過增加交通設施或景觀設計來改善公路的質量.

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