高速公路改擴建工程設計方案研究

蔡寧生

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西　南寧　530029)

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高速公路改擴建工程設計方案研究

蔡寧生

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西南寧530029)

摘要：高速公路路線改擴建時必須考慮對原有橋梁及路基的有效利用并進一步提高道路通行能力。文章以某復雜路段的擴建工程為對象，通過交通事故分析，針對路線改擴建的平曲線、縱坡的線形優化及原有橋梁的利用等關鍵技術問題，提出了不同的改擴建設計方案并進行比選分析，確定了合適的路線方案與橋梁拓寬設計方案。

關鍵詞：高速公路；改擴建；路線；橋梁；設計方案

0引言

我國20世紀八九十年代建成通車的高速公路現今都面臨著改擴建以提升道路等級的問題，由于新舊路建設期間所采用的技術規范的差異，改擴建中舊路的線形指標達不到新規范要求的都要進行調整[1]。在滿足規范要求的前提下，平曲線、縱坡調整需要考慮的因素眾多，特別是調整路段中有大中型橋梁時，路線調整受橋面標高的影響較大，在保證交通不受影響的前提下，路線調整則成了改擴建工程設計中的關鍵和難點[2-4]。本文以廣西沿海一高速公路擴

建工程為對象，在考慮橋梁標高及施工交通組織的基礎上，研究了改擴建方式及線形優化，原有橋梁的利用與新拓寬拼接方式等關鍵技術問題，并提出相應的處理措施及方法。

1工程概況

廣西沿海某高速公路1998年建成通車，10多年來隨著經濟的快速發展，交通量不斷增長，本段高速公路通行壓力不斷加大，必須對原高速進行改擴建，以增強道路的通行能力。

項目改擴建分兩期進行，總里程約88 km，投資約52億元，道路設計時速為120 km/h，一期工程主線為舊路面為六車道水泥混凝土路面，路基寬為33.5 m；擴建時在原來有路基上兩側各加寬4.25 m，成為標準八車道的路面形式，路基寬度為42 m。

1.1原有公路平、縱面指標的采用情況

根據原施工圖及竣工圖資料，一期工程舊路全段最大圓曲線半徑為8 868.259 m，最小圓曲線半徑650 m，平曲線半徑<5 500 m的圓曲線均設置了緩和曲線。緩和曲線最大長度為400 m，最小長度為190 m；最大直線長度為3 946.433 m，反向圓曲線間最小直線長度為352.714 m，同向圓曲線間最小直線長度為856.589 m；最小平曲線長度為410.37 m；小偏角曲線2處，最大縱坡3.9%。

本著節約土地，減少征地拆遷及有利于道路的維護和交通管理的基本原則，改建方案應充分利用現有工程，降低工程造價。

1.2改擴建路線平、縱面指標的采用情況

為了使改擴建后道路通行能力得到提高，必須合理選擇改建方案。減少對現有道路交通的影響并利于項目的可持續發展是改建方案的重點，并提高行車安全。全段最大圓曲線半徑為8 868.259 m，最小圓曲線半徑為1 000 m，最短緩和曲線長220 m。縱面線形設計最大縱坡為3.0%，最小坡長440 m，豎曲線最小半徑為17 000/8 200(凸/凹)m。

1.3路線平、縱面擬合情況

(1)路線平面

因原有道路施工較早，施工水平較低及運營階段荷載作用產生不均勻沉降等影響，實際測量的路線中線與原竣工圖路線中線可能會有一定的變形和差異。本次改擴建設計中，路線平面線位以竣工圖資料作為參考，根據外業實際測量資料進行高程的擬合及誤差分析，以最大限度地擬合出老路的實際線位。

在平面擬合及誤差分析過程中均利用外業在左右側中央分隔帶邊緣采集的GPS點資料進行精度控制，比較點對數9 374(對)，以擬合線為基準最大正差1.679(m)，以擬合線為基準最大負差為0(m)，偏差平均值1.234(m)，標準偏差1.27(m)，擬合誤差統計分析偏差值范圍詳見表1。

表1　平面差值分布范圍表

從表1可知，本段統計分析實測點位有86.96%的點位偏差絕對值在1.4以內，點位偏差絕對值>1.6 m的占總量的8.7%，表明縱斷面擬合效果相對較好。

(2)路線縱面擬合

根據路面散點的平面、高程資料，以及所有橋梁橋面實測高程對縱面進行擬合，比較點對數7 963(對)，以擬合線為基準最大正差0.222(m)，以擬合線為基準最大負差-0.217(m)，偏差平均值0.024(m)，標準偏差0.085(m)。擬合的誤差統計分析結果列出于下頁表2。

表2的縱斷面偏差統計分析結果表明，實測點位約有97.1%的點高程偏差在-0.2～0.2 m，點位偏差絕對值>0.2 m的占總量的2.9%，縱斷面擬合效果較好。

表2　縱斷面偏差值分布范圍表

2路線方案布置及比選論證

根據舊路的線形分析，除K2034+450～K2040+551.5(原道路樁號為K2040+600)外，舊路的其他路段線形相對較好，現以K2034+450～K2040+551.5為例，進行路線方案的優化比選。

2.1舊路狀況

K2034+450～K2040+551.5路段位于南曉鎮與那布村之間，地形較平坦，路線長為6.101 5 km，原設計圓曲線半徑最小Rmin=650 m，最大圓曲線半徑Rmax=1 750.32 m；路段中最大縱坡為3.9%，最大坡長為800 m。本路段K2035+553.545～K2036+583.928處的圓曲線半徑為650 m，其值小于《公路工程技術標準(JTG B01-2003)》中要求的最小圓曲線半徑一般值(1 000 m)。根據文獻[5][6]，當行車速度為120 km時，最大縱坡為3%，最大坡長為900 m，本段不滿足《規范》要求路段，參見表3。從表3可知，本路段不足6.2 km的路線有5處，不能滿足現行規范要求。

表3　路段(>3%)坡度和坡長數值表

另外，K2034+562.226～K2034+901.952及K035+950.937～K2036+313.267兩路段的平面與縱斷面線形組合欠合理，豎曲線半徑太小的同時平、豎曲線沒有相互對應。

同時，K2034+375.898南曉大橋為6×20 m預應力混凝土空心梁橋，K2039+991大沖大橋為5×20 m預應力混凝土空心梁橋，兩座橋大約分別位于K2034+450～K2040+551.5段的起點及終點位置，南曉大橋所處路段縱坡較小，可考慮不用調整，直接在兩側加寬，而大沖大橋所處路段縱坡為-3.04%，必須進行橋面高程調整[7]。

2.2現有道路存在問題

根據一期工程中現有道路路線技術指標評價報告，通過對運行速度的檢驗及設計的符合性檢核，雖然原設計圓曲線最小半徑Rmin=650 m滿足現行規范的極限指標要求，但是該指標與前后路段的指標差較大，路線的連續均衡性較差，視距欠佳。

調查以前的交通事故資料表明，在2008年5月9日沿海高速公路北海往南寧方向K2036處連續發生多起交通事故。其主要原因是大范圍持續強降雨導致該路段嚴重積水，水最深處達50 cm以上；且積水覆蓋近路中線約兩個行車道。由于路面積水較深且車速快，當駕駛員發現積水時反應不及，導致方向失控而與中央隔離墻發生刮擦或碰撞，從而引起交通事故。

原路線設計時，K2036處于由—個下坡(坡度1.33%)和一個上坡(坡度3.50%)組成的凹形曲線內，豎曲線半徑R=7 500 m；路線最低處左側為挖方，右側為填方及半填半挖，原設計平縱配合相對較差；舊路兩側均設有邊溝及排水溝，中分帶也設有超高縱向排水溝，但最低處沒有設置橫向排水涵，當降雨量大時容易造成積水無法及時排出。

經調查分析，K2036處只有在雨天積水情況下才容易發生交通事故，晴天卻很少發生，而且交通事故多發生在北海往南寧方向一側，說明事故的發生與道路線形無直接因果關系，而只與排水系統的設置不完善有關。

2.3路線方案比選

根據上述分析，本路段擬作兩個方案與平縱面均不調整、兩側直接拼接加寬進行比較，A方案采用平面不調整，只調整縱斷面兩側直接拼接加寬；K方案進行平縱面調整，即將最小圓曲線半徑R=650 m調整到R=1 000 m，一部分路段新建，另一部分路段采用兩側直接拼接加寬。兩種方案的平面圖參見圖1，各方案的縱斷面設計分別見圖2、圖3。

圖1　方案平面比選圖

從圖2的A方案縱斷面設計中可以看出，如果上下坡的坡比均<3%，則大沖大橋必須加高，必然會造成舊橋的利用率下降，并對施工期間的車輛通行有影響。

圖2　A方案縱斷面設計圖

從K方案縱斷面設計(圖3)中可以看出，當要求上下坡的坡比均<3%規范要求，則大沖橋梁也要進行加高，如果橋梁加高，舊橋的利用率也會下降，也會對施工期間的車輛通行有影響。

圖3　K方案縱斷面設計圖

兩種方案的經濟分析見表4。

表4　方案對比表

從表4可以看出：K方案與A方案相比較，計價路基土石增加38.1萬立方米，改建橋梁數量—樣，終點處的大橋橋面標高都必須進行抬高，造價增加約762萬元。因沿海高速公路是通往東盟國家和周邊省份的主要運輸通道，在不過分增加工程量的前提下，有必要通過線形改善以提高道路的通行能力；從K2034+450～K2040+551.5路段原有平縱面指標看，其線形指標較差，對通行能力影響較大，同時對整條高速公路交通流是否順暢也有較大影響。故改擴建時從長遠考慮，對此路段進行平、縱面的調整，以提高大型客貨車的速度，減少追尾等交通安全事故。K方案相對A方案，工程造價增加不大，橋梁都要進行加高，施工時交通組織難度相當，綜合上述分析，推薦K方案[8][9]。

2.4橋梁拓寬設計方案

(1)南曉大橋(AK2034+375.898)：舊橋上部結構為6×20 m先張法預應力混凝土空心板梁，橋墩為雙幅雙柱式墩，基礎為明挖擴大基礎，由于改造后橋面中心高程基本不變，故橋梁的拓寬采用兩側加寬，經檢測本橋的梁體技術狀況評定為二類，墩臺基礎技術狀況評定為一類，同時，對舊橋的主梁進行了相關驗算，計算表明中梁承載力滿足要求，但正常使用極限狀態及撓度基本都不滿足要求；經驗算得知邊梁跨中承載力都不能滿足要求，正常使用極限狀態及撓度基本都不滿足要求。因舊橋主梁不能滿足現行公路規范要求[10-12]，故將拆除全部橋面并全部更換主梁，在原橋兩側采用與原橋相同跨徑加寬，采用下部結構分開，而上部結構整體連接的拼接方式。改擴建橋面寬度由33.5 m加寬到42 m。

(2)大沖大橋(K2039+991)：舊橋為5×20 m先張法預應力混凝土空心梁，橋墩為雙幅雙柱式墩，基礎為明挖擴大基礎，南寧岸橋臺為雙幅雙樁柱式(圓柱直徑為2.0 m)，欽州岸為U型橋臺明挖擴大基礎，橋面中心高約79.417 m。經檢測本橋的梁體技術狀況評定為二類，墩臺基礎技術狀況評定為一類。對舊橋的主梁進行了相關驗算表明不能滿足現行規范要求，必須進行更換。

本橋改造后橋面中心高程80.978 m，高程抬高約1.56 m。因為高程抬高較多，需要拆除全部橋面及附屬結構、上部結構和大部分下部結構，南寧岸橋臺在原有樁基的基礎上補樁，整體制作橋臺；欽州岸橋臺在原有擴大基礎橋臺的前面增加斷面并加高，兩側加寬部分采用樁基橋臺；中墩不再利用舊的基礎，重新制作。改擴建橋面寬度由33.5 m加寬到42 m。

3結語

(1)舊路改擴建工程不同于新建工程，設計時要結合遠景預測交通量、公路沿線地形地物條件、舊路的線形條件、受控制的橋面高程等工程的實際情況，在充分利用舊橋舊路的基礎上合理選擇改建方案，提高服務水平；

(2)在舊路及橋涵不能滿足技術標準要求的情況下，要盡量考慮遠期交通量增長的需求，盡可能地提高道路的行車條件，改善舊路的線形條件；

(3)對于受橋梁標高影響的線形改建時，在提高技術指標時，要充分考慮橋梁標高升降對現行道路通行的影響，選擇合理的橋梁加高(降低)的加寬方式；

(4)還要加強對施工期間交通組織和安全對策的研究，制定考慮周全且易于實施的交通組織方案和安全對策，保持施工作業期間交通的通暢及施工的安全。

參考文獻

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Research on Design Plans of Expressway Reconstruction and Expansion Engineering

CAI Ning-sheng

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：The expressway route reconstruction and expansion must consider the effective use of existing bridge and roadbed to further increase the road traffic capacity.Taking the reconstruction and expansion project of a complex road section as the object，by analyzing traffic accidents，and regarding the linear optimization of flat curve and longitudinal slope of route reconstruction and expansion as well as the uti-lization of existing bridges and other key technical problems，this article proposed the different recon-struction and expansion design plan and conducted the comparison analysis，then determined the ap-propriate route plan and bridge widening design plan.

Keywords：Expressway；Reconstruction and expansion；Route；Bridges；Design plan

收稿日期：2015-12-20

文章編號：1673-4874(2016)01-0006-05

中圖分類號：U418.8

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.002

基金項目

作者簡介

蔡寧生(1969—)，高級工程師，從事公路及橋梁工程勘察設計、科研工作。

廣西交通科技項目“廣西高速公路改擴建橋涵加寬拼接技術研究”(桂交科教發〔2012〕26號)