高速公路改擴(kuò)建工程路線設(shè)計方案優(yōu)化研究

張晗

（河北高速公路集團(tuán)有限公司青銀分公司，河北石家莊 050000）

0 引言

高速公路在加強(qiáng)區(qū)域聯(lián)系、帶動城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。新時期，人們對高速公路的通行效率和安全性提出了較高的要求，高速公路改擴(kuò)建項目逐漸增多。在改擴(kuò)建項目建設(shè)中，科學(xué)優(yōu)化公路路線設(shè)計方案，能為高速公路改擴(kuò)建工程的開展提供指導(dǎo)，提升項目整體的建設(shè)質(zhì)量，滿足新時期高速公路通行的實際需要。

1 高速公路改擴(kuò)建工程路線設(shè)計方案優(yōu)化原則

高速公路改擴(kuò)建工程旨在提高公路通行能力，保證高速公路通行的安全性，見圖1。結(jié)合改擴(kuò)建項目施工情況可知，高速公路改擴(kuò)建工程受既有公路結(jié)構(gòu)、線形結(jié)構(gòu)的影響，在施工初期階段，需要做好公路路線設(shè)計方案的持續(xù)優(yōu)化工作。

圖1 高速公路改擴(kuò)建現(xiàn)場

在改擴(kuò)建工程路線設(shè)計方案優(yōu)化，需要遵循以下原則：一方面，改擴(kuò)建工程路線設(shè)計應(yīng)滿足路線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及一般性原則，且需將這些原則作為最基本的要求，在保證路線設(shè)計科學(xué)、合理的基礎(chǔ)上，減少交通的擁堵率和事故率。另一方面，在考慮高速公路的長度、結(jié)構(gòu)、通行需要的基礎(chǔ)上，應(yīng)按照分級化的原則進(jìn)行路線設(shè)計方案優(yōu)化。該過程中，若既有公路較短，則應(yīng)靈活的設(shè)計改擴(kuò)建方案；而當(dāng)既有公路存在設(shè)計不合理、病害頻繁等多種問題時，應(yīng)盡可能使用全新的路線設(shè)計方案。

此外，高速公路改擴(kuò)建項目路線設(shè)計方案優(yōu)化還應(yīng)堅持保護(hù)性原則，即工程設(shè)計施工人員既要保護(hù)既有公路構(gòu)造物，又要最大限度地保護(hù)公路兩側(cè)的預(yù)留地，減少對農(nóng)用地的占用，實現(xiàn)公路建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的統(tǒng)一[1]。

2 高速公路改擴(kuò)建工程路線設(shè)計方案優(yōu)化要點(diǎn)

2.1 安全評價優(yōu)化

高速公路改擴(kuò)建工程路線設(shè)計方案優(yōu)化，首先應(yīng)考慮路線的安全性評價設(shè)計。在公路線路安全性評價設(shè)計優(yōu)化中，行車速度檢測、平縱組合評價、空間曲率的標(biāo)準(zhǔn)評價是極為重要的三個分析因素。其中，在行車速度設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)對整體的線性關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)籌，并做好不同路段的極差分析，通過兩種以上的評價策略進(jìn)行一致性評價，避免不同路段的車速設(shè)計獨(dú)立。而在平縱組合評價中，需要通過透視圖檢查的方式確保路線組合的系統(tǒng)性和均衡性；確保平面或縱面的協(xié)調(diào)發(fā)展。該環(huán)節(jié)中，為了確保公路設(shè)計的系統(tǒng)性，當(dāng)部分平縱組合誤差較小時，應(yīng)予以忽略。譬如，平面曲線半徑超過6000m 或縱向坡度小于1%時，應(yīng)忽略數(shù)值，實現(xiàn)平縱組合的均衡。在空間曲率標(biāo)準(zhǔn)評價中，設(shè)計人員還應(yīng)在考慮空間曲率指標(biāo)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)構(gòu)建事故率的安全模型，并繪出這兩個指標(biāo)關(guān)系的模型曲線圖，見圖2，從而實現(xiàn)對公路安全性的有效評價[2]。

圖2 空間曲率與事故發(fā)生率曲線圖

基于上述三個因素，在高速公路改擴(kuò)建項目安全評價優(yōu)化中，還需要對視距、平面線形、平縱組合、公路結(jié)構(gòu)、交通路標(biāo)等要素進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

2.1.1 在改擴(kuò)建公路視距設(shè)計優(yōu)化中，除了要考慮障礙物、路標(biāo)、公路曲線等因素外，還應(yīng)結(jié)合地形、水文、駕駛員舒適度等因素對視距進(jìn)行優(yōu)化，重點(diǎn)做好對曲路線段障礙物的處理、視距觀測及曲線彎度要素的控制，保證駕人員視野開闊，行車安全。

2.1.2 平面線形設(shè)計中，要盡量保持路面線形的整體平穩(wěn)，避免因水平高差過大而對行車安全造成影響。

2.1.3 在高速公路改擴(kuò)建項目的平縱組合設(shè)計中，一是盡量減少凹凸曲線的應(yīng)用，確保駕駛員視距最大化，二是減少豎曲線在直線公路中的應(yīng)用，保證高速公路平縱組合設(shè)計的合理性。

2.1.4 應(yīng)重視公路結(jié)構(gòu)、路標(biāo)等要素的設(shè)計，在保證高速公路穩(wěn)定性、安全性的基礎(chǔ)上，提高車輛的運(yùn)輸效率、避免交通阻塞問題。

2.2 平面擬合優(yōu)化

高速公路改擴(kuò)建項目路線設(shè)計方案優(yōu)化中，設(shè)計人員還應(yīng)對改擴(kuò)建項目的平面進(jìn)行擬合。該環(huán)節(jié)中，應(yīng)在考慮既有高速公路左右幅實測資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合明式構(gòu)造物、隧道等要素進(jìn)行路線擬合，并以此為基礎(chǔ)完成誤差分析，確保高速公路平面擬合設(shè)計優(yōu)化的合理性。

在平面擬合設(shè)計中，若兩路段通過拼接完成，則在通過擬合設(shè)計后，還應(yīng)基本保持原路設(shè)計的平面線形。而對長度較大的圓曲線實施平面擬合優(yōu)化時，還需要通過對多圓復(fù)曲線擬合法的應(yīng)用，減少擬合的整體誤差。另外，在平面擬合優(yōu)化中需要考慮復(fù)曲線因素，對復(fù)曲線中各段圓曲線的半徑和長度進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)參考測點(diǎn)位置繪制“樁號-曲率分布圖”，然后按照串珠法進(jìn)行分析、確定。該環(huán)節(jié)中，應(yīng)對各段復(fù)曲線長度實施嚴(yán)格控制，確保其滿足最短圓曲線長度的要求。

實施平面擬合優(yōu)化的過程中，設(shè)計人員應(yīng)對擬合的精度進(jìn)行控制，通常對明式構(gòu)造物而言，其平面擬合精度誤差需控制在10cm 以內(nèi)，而在一般路基段的平面擬合控制中，需將其擬合精度控制在10～20cm。在這些誤差指標(biāo)的分析及優(yōu)化中，還應(yīng)結(jié)合既有高速公路的實際情況，對相關(guān)的誤差指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整[3]。

2.3 縱面擬合優(yōu)化

完成路面平面擬合后，還應(yīng)系統(tǒng)地進(jìn)行路線的縱面擬合優(yōu)化工作。在高速公路改擴(kuò)建項目縱面擬合優(yōu)化中，首先，應(yīng)注重縱面擬合要素的系統(tǒng)分析，除了要考慮高速公路與橋梁和其他線路交叉外，還需要對路面設(shè)計、軟基處理、沿線設(shè)施改造等內(nèi)容的協(xié)調(diào)性進(jìn)行分析。其次，在改擴(kuò)建項目縱面擬合優(yōu)化中，應(yīng)按照與平面擬合誤差分析相同的方式，進(jìn)行分幅、分段擬合設(shè)計優(yōu)化，并在老路改造中，遵守“寧填勿挖”的改造原則。考慮到一些特殊路段受凈空及構(gòu)造物的限制，在縱面擬合優(yōu)化及改擴(kuò)建中，可放松對最短坡長指的控制。但是，在豎曲線最小長度擬合優(yōu)化控制中，需保證其滿足3S 的行程要求。再次，高速公路改擴(kuò)建項目的縱面擬合，還應(yīng)系統(tǒng)地考慮擬合精度，如針對明式構(gòu)造物的擬合，需要結(jié)合其應(yīng)力儲備控制擬合誤差，滿足結(jié)構(gòu)安全管理需要。最后，在改擴(kuò)建項目縱面擬合優(yōu)化中，需要對老路縱坡進(jìn)行二次分幅調(diào)坡設(shè)計。實施此項擬合優(yōu)化時，除了考慮路面施工技術(shù)方案外，還應(yīng)注重對路面加鋪厚度的有效控制，以滿足路面施工精度的控制需要，保證行車的舒適性。

2.4 線形及橫斷面設(shè)計優(yōu)化

開展高速公路改擴(kuò)建項目路線設(shè)計方案優(yōu)化，還應(yīng)對擬建路線的線形和橫斷面進(jìn)行優(yōu)化。在擬建高速公路線形設(shè)計優(yōu)化中，應(yīng)在考慮前期公路安全性評價建議的基礎(chǔ)上，對老路的平縱組合情況進(jìn)行深層次分析。該指標(biāo)下的分析內(nèi)容不僅包含危險的曲線半徑，還涉及曲線線形銜接情況。此外，設(shè)計人員應(yīng)對既有道路的線形指標(biāo)進(jìn)行分析、控制，實現(xiàn)事故多發(fā)等危險路段的有效補(bǔ)救和處理。

在擬建公路線形設(shè)計優(yōu)化中，凹形豎曲線設(shè)計難度較大，這是因為其頂部容易出現(xiàn)排水不暢的問題。對此，在設(shè)計優(yōu)化中，還需要系統(tǒng)調(diào)整其縱斷面和橫坡設(shè)計內(nèi)容，縮短排水不暢路段的長度。若施工區(qū)域存在同向曲線或S 形曲線路段，還應(yīng)增加一定的誘導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，以保證線形設(shè)計的合理性，確保后期的行車安全。另外，對于擬建高速公路的線形設(shè)計，應(yīng)做好其與既有高速公路線形指標(biāo)的堵截，確保高速公路整體的連續(xù)性、順捷性。

在對改擴(kuò)建高速公路橫斷面進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化時，一方面，應(yīng)注重路面橫坡的核查與設(shè)計優(yōu)化。譬如，當(dāng)既有公路路面橫坡與新建路面橫坡差值不超過±0.5%時，在公路改擴(kuò)建過程中，應(yīng)確保原路的路面橫坡不變，防止對其超高設(shè)計情況進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。另一方面，若存在分離路段，還應(yīng)做好分離路段斷面形式與老路斷面的銜接，確保高速公路整體的平順性。詳見圖3[4]。

圖3 高速公路改擴(kuò)建路基標(biāo)準(zhǔn)斷面

2.5 局部分離路段的路線設(shè)計優(yōu)化

高速公路改擴(kuò)建項目中，局部分離路段包括兩側(cè)分離和單側(cè)分離兩種形式。在公路路線設(shè)計優(yōu)化中，應(yīng)做好這些分離路段的線路設(shè)計優(yōu)化。就單側(cè)分離路段而言，其受老路的制約較小，故而在路段的路線設(shè)計中，應(yīng)盡可能選用與老路相同的縱面線形設(shè)計方法。

而在兩側(cè)分離路段的路線設(shè)計優(yōu)化中，應(yīng)考慮使用雙側(cè)分離模式，擴(kuò)建工程項目的規(guī)模、經(jīng)濟(jì)、用地等因素，均會對分離方式的應(yīng)用造成影響，故而在路線設(shè)計優(yōu)化中，一是在分幅設(shè)計中嚴(yán)格遵守線形分離的設(shè)計要求，重視分合流端部的設(shè)計，做好交通組織規(guī)劃；二是在分離路段單側(cè)車道數(shù)控制中，要求其車道數(shù)不小于2 條，且這兩條車道應(yīng)遵循車道數(shù)平衡的原則，若有必要，還應(yīng)注重漸變段的設(shè)計、應(yīng)用，提升分離路段線路優(yōu)化設(shè)計的整體水平。

3 高速公路改擴(kuò)建工程路線設(shè)計方案優(yōu)化的注意事項

新時期，高速公路改擴(kuò)建工程逐漸增多，路線勘察是高速公路改擴(kuò)建項目設(shè)計方案優(yōu)化的基礎(chǔ)，其能為公路路線設(shè)計優(yōu)化提供準(zhǔn)確、全面的參數(shù)支撐。在前期路線勘察中，除了要考慮新建工程的全部勘察內(nèi)容外，還需要對既有公路的幾何設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)查。主要調(diào)查并采集的數(shù)據(jù)類型，不僅包括原高速公路的平、縱、橫面數(shù)據(jù)，還涉及各類構(gòu)造物的三維數(shù)據(jù)。在既有高速公路測量中，應(yīng)按照左、右幅的實際情況進(jìn)行，要求在考慮曲線半徑的基礎(chǔ)上，完成公路縱向間距的測量與確定。

在實際測量中，還應(yīng)重視數(shù)字化勘察技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，如使用低空大比例尺航空攝影、數(shù)字?jǐn)z影測量等技術(shù)，從而有效建立較為精密的數(shù)字道路模型，提升改擴(kuò)建工程路線設(shè)計的精度和效益，見圖4。另外，在新時期的高速公路改擴(kuò)建工程路線設(shè)計方案優(yōu)化中，還應(yīng)注重對BIM 等現(xiàn)代工程設(shè)計手段的應(yīng)用，通過現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行設(shè)計數(shù)據(jù)的分析、處理和應(yīng)用，有效提升路線設(shè)計方案的優(yōu)化效果，為工程后期建設(shè)提供有效指導(dǎo)。

圖4 低空大比例尺航空攝影載體平臺

4 結(jié)語

綜上所述，優(yōu)化路線設(shè)計方案是高速公路改擴(kuò)建工程路線設(shè)計的內(nèi)在要求，其能充分保證高速公路改擴(kuò)建工程設(shè)計的科學(xué)性、整體性，滿足工程項目的建設(shè)需要。新時期，設(shè)計人員只有深刻認(rèn)識到高速公路改擴(kuò)建工程路線設(shè)計方案優(yōu)化的原則和要求，結(jié)合工程實際進(jìn)行多元要素的設(shè)計優(yōu)化，才能有效提升路線設(shè)計方案的優(yōu)化效果，指導(dǎo)工程項目建設(shè)工作的順利開展，繼而推動高速公路改擴(kuò)建工程的可持續(xù)發(fā)展。