公路改建的線形設(shè)計(jì)方法與工程應(yīng)用

周斌華，楊建明，李 明，李子龍，何 建，易靈芝

（1.衡陽(yáng)市公路管理局，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.南華大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

截止2010年底，中國(guó)已建成通車(chē)的公路總里程達(dá)到3.984×106km，其中：高速公路通車(chē)?yán)锍踢_(dá)7.4×104km，農(nóng)村公路（縣、鄉(xiāng)、村）通車(chē)?yán)锍踢_(dá)到3.45×106km.隨著經(jīng)濟(jì)和交通事業(yè)的發(fā)展，原有的低等級(jí)公路已不適應(yīng)發(fā)展的需要，甚至成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的因素.而舊路因當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)和地理?xiàng)l件的限制，公路線形大多隨地形變化極不規(guī)劃，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較低，并且使用年限較長(zhǎng)，公路路面破壞嚴(yán)重，因此需要對(duì)舊路進(jìn)行提質(zhì)改造，以適應(yīng)當(dāng)前的交通需求.同時(shí)，在公路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，部分公路路段出現(xiàn)城鎮(zhèn)化，公路兩側(cè)修建了大量的建筑物和商業(yè)設(shè)施，局部經(jīng)常性產(chǎn)生交通阻塞，因此對(duì)舊路進(jìn)行改建提質(zhì)勢(shì)在必行.

1 公路改建線形設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

1.1 舊路線形擬合技術(shù)

公路改建過(guò)程中，應(yīng)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(shù)進(jìn)行公路線形設(shè)計(jì).

舊路線形擬合技術(shù)即利用舊路測(cè)量資料（公路中心線的X，Y坐標(biāo)和高程），以橋涵構(gòu)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(shù)等）來(lái)擬合舊公路線形，獲得舊路線形數(shù)據(jù)，并利用公路路線設(shè)計(jì)軟件（如：Hint－CAD和CARD／1等）進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法.在公路改建線形設(shè)計(jì)過(guò)程中，舊路線形擬合技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用［1－5］.舊路測(cè)量資料可采用3種方法獲?。孩倮萌緝x或經(jīng)緯儀與水準(zhǔn)儀來(lái)獲取舊路中線點(diǎn)X，Y坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)；②利用RTK技術(shù)采集舊路中線數(shù)據(jù)，采集內(nèi)容包括舊路中線點(diǎn)X，Y坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)［1］；③ 直接從地形圖上獲取舊路中線點(diǎn)X，Y坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù).

1.2 城鎮(zhèn)化改線設(shè)計(jì)方法

公路在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于某些歷史原因，造成局部路段城鎮(zhèn)化，公路兩側(cè)出現(xiàn)許多商店或其他設(shè)施，嚴(yán)重影響了公路的正常運(yùn)營(yíng)，因此，在公路改建過(guò)程中，通過(guò)原路改建或繞行的方式，可以解決舊路城鎮(zhèn)化問(wèn)題［6］.

1）原路改建設(shè)計(jì)方法

當(dāng)改建公路交通量較小且舊路預(yù)留斷面滿足改建要求、或改建道路等級(jí)與舊路相同時(shí)，可通過(guò)加寬道路路基、完善排水系統(tǒng)和交通安全設(shè)施來(lái)滿足行車(chē)需要.

當(dāng)改建公路交通量較大、原有斷面無(wú)法滿足交通量的需求時(shí)，采取的途徑有：①通過(guò)拆遷，拓寬現(xiàn)有道路.②當(dāng)現(xiàn)有道路拆遷造價(jià)高且橫向干擾較大時(shí)，可架設(shè)高架橋快速通過(guò)城鎮(zhèn)段，分流過(guò)境車(chē)流和街區(qū)車(chē)流.該方案解決較為徹底，但造價(jià)較高.

2）改建公路繞行設(shè)計(jì)方法

當(dāng)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(dá)不到需求和舊公路路段規(guī)劃為城鎮(zhèn)區(qū)域時(shí)，可采用繞行，避開(kāi)原有舊路城鎮(zhèn)化路段.該繞行路段是新建的，路線線形設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，相應(yīng)可以采取較高的線形指標(biāo)，并且可為公路遠(yuǎn)期的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ).

1.3 公路局部改線設(shè)計(jì)方法

低等級(jí)公路改建為高等級(jí)公路，由于高等級(jí)公路線形設(shè)計(jì)指標(biāo)較高，舊路線形較差，舊路擬合后的改建公路線形指標(biāo)偏低，或根本不能滿足公路改建后的公路等級(jí)需要，因此，需要根據(jù)具體地形條件情況，對(duì)公路路線采取裁彎取直的改線設(shè)計(jì)方案，從而使改建公路的線形指標(biāo)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(jìn)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(shè)計(jì)方案.

1.4 公路線形局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法

在公路改建過(guò)程中，應(yīng)盡量利用原有舊路，可以減少拆遷和征地的成本，節(jié)約土地資源.但原有舊路等級(jí)較低，舊路擬合設(shè)計(jì)后改建公路部分線形設(shè)計(jì)指標(biāo)較差，達(dá)不到改建公路相應(yīng)等級(jí)的設(shè)計(jì)要求，從而影響到改建公路的運(yùn)營(yíng)和行車(chē)安全如：小偏角、曲線間最小直線、未設(shè)緩和曲線及圓曲線半徑過(guò)小問(wèn)題［7－8］.因此，有必要對(duì)改建公路局部線形進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到改建公路相應(yīng)等級(jí)的設(shè)計(jì)要求.

1）小偏角

改建公路平面線形設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常遇到舊路小偏角問(wèn)題.小偏角的危害性較大，常常給駕駛?cè)水a(chǎn)生視覺(jué)誘導(dǎo)錯(cuò)誤，容易導(dǎo)致事故的發(fā)生.因此，工程設(shè)計(jì)中，盡量取消小偏角，實(shí)在無(wú)法回避小偏角時(shí)，應(yīng)保證足夠的平曲線長(zhǎng)度［9］（見(jiàn)表1），并輔助設(shè)置相應(yīng)的交通設(shè)施，以減少或消除小偏角問(wèn)題的安全危害.

表1 公路轉(zhuǎn)角≤7°時(shí)的平曲線長(zhǎng)度Table 1 Horizontal curve length of equal to or less than 7°road corner

2）舊路未設(shè)緩和曲線

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

3）曲線間最小直線

按規(guī)范［9］規(guī)定，同向曲線間直線長(zhǎng)度宜大于6v，反向曲線間直線長(zhǎng)度宜大于2v.舊路同向曲線及反向曲線因等級(jí)低而設(shè)計(jì)了較短的直線，且圓曲線未設(shè)緩和曲線.公路改建過(guò)程中，應(yīng)盡量利用舊路，增設(shè)緩和曲線.當(dāng)采用的直線長(zhǎng)度不夠或地形有困難時(shí)，可輔以綠化誘導(dǎo)駕駛?cè)艘暰€或采用交通設(shè)施提示.對(duì)于部分曲線間直線過(guò)短的同向曲線，可以采用C形曲線或卵形曲線設(shè)計(jì)；對(duì)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(shè)計(jì).

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(chē)安全，因此，從保障行車(chē)安全角度考慮，需要盡可能在暗彎處設(shè)置較大的平曲線半徑.當(dāng)無(wú)法設(shè)置較大圓曲線半徑時(shí)，應(yīng)結(jié)合路基邊坡設(shè)計(jì)情況考慮開(kāi)挖視距臺(tái).

5）適當(dāng)布置交通設(shè)施

對(duì)于降低了設(shè)計(jì)指標(biāo)的路段，即設(shè)計(jì)指標(biāo)采用規(guī)范最小值以下指標(biāo)的路段，宜與相鄰路段一道進(jìn)行運(yùn)行速度校核.對(duì)于線形難以調(diào)整的特別困難地段，應(yīng)通過(guò)加寬路面、增大超高、設(shè)置路面限速帶及完善交通工程設(shè)施等辦法予以彌補(bǔ)，并通過(guò)景觀綠化和沿線設(shè)施等形成良好的視覺(jué)誘導(dǎo)系統(tǒng).

2 工程實(shí)例

某公路在南岳轄區(qū)內(nèi)長(zhǎng)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(qū)內(nèi)路段（起點(diǎn)的海撥高程103.8m，最高點(diǎn)K9＋703.001處標(biāo)高722.3m）；衡山縣轄區(qū)內(nèi)長(zhǎng)15.382km（K13＋800～XK29＋327.285）（K21＋300處標(biāo)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(shì)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(shì)較陡部位出現(xiàn)了連續(xù)回頭曲線，道路標(biāo)準(zhǔn)較低.由于使用年代久遠(yuǎn)，道路路況較差，對(duì)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(qū)路段，設(shè)計(jì)速度20km／h，按四級(jí)公路設(shè)計(jì)，2車(chē)道，路面寬度7.50m；K9＋743.107～K21＋507.516段，越嶺道路下坡段，設(shè)計(jì)速度20km／h，按三級(jí)公路設(shè)計(jì)，2車(chē)道，路面寬度7.50m；K21＋507.516～K29＋327.285段，地勢(shì)較平坦，按三級(jí)公路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度40km／h，2車(chē)道，路基寬度10m.

K0＋000～K9＋743.107為旅游區(qū)路段，因公路通過(guò)地段地形復(fù)雜，且公路通過(guò)的南岳旅游區(qū)地段，因保護(hù)景區(qū)，不能開(kāi)挖，因此，該段采用舊路線形擬合技術(shù)設(shè)計(jì)，局部針對(duì)平曲線半徑指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

K9＋743.107～K21＋507.516段為越嶺段按三級(jí)公路設(shè)計(jì)，因原來(lái)公路線形較差，部分曲線半徑較低，設(shè)計(jì)方案首先采用舊路線形擬合技術(shù)設(shè)計(jì)，其次采用公路局部改線設(shè)計(jì)方法、增大圓曲線半徑及優(yōu)化公路回頭曲線半徑等設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

K21＋507.516～K29＋327.285段為地勢(shì)平坦地段，原公路線形相對(duì)較好，采用設(shè)計(jì)速度40km／h，采用舊路線形擬合技術(shù)盡量利用原有公路，減少拆遷量.在K23＋100處，舊路兩側(cè)修建大量民用和商業(yè)設(shè)施，并延伸進(jìn)入東湖鎮(zhèn).公路改建難度很大，考慮到東湖鎮(zhèn)的發(fā)展需要和規(guī)劃，K23＋100～K26＋222.380段采用繞行改線設(shè)計(jì)方案.

2.1 舊路線形擬合技術(shù)設(shè)計(jì)

K0＋000～K9＋743.107為旅游區(qū)公路，為保護(hù)南岳旅游區(qū)資源，設(shè)計(jì)原則是沿舊路設(shè)計(jì)，局部?jī)?yōu)化公路線形指標(biāo).由于按四級(jí)公路進(jìn)行設(shè)計(jì)，按規(guī)范要求，圓曲線徑相相接或與直線相接，沒(méi)有設(shè)置緩和曲線.如圖1所示，改建公路沿舊路的中線布設(shè)，僅在局部圓曲線半徑過(guò)小地段增大了圓曲線半徑.

圖1 舊路線形擬合設(shè)計(jì)Fig.1 Alignment fitting design of old road

2.2 公路局部改線設(shè)計(jì)

K18＋900～K19＋200處，舊路為回頭曲線但回頭曲線半徑過(guò)小，回頭曲線的長(zhǎng)度不夠，不能滿足原四級(jí)公路的要求，汽車(chē)行駛相當(dāng)困難.當(dāng)按三級(jí)公路改建時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足三級(jí)公路的要求，并且，受該處地形和房屋的限制，不可能布設(shè)符合三級(jí)公路要求的回頭曲線，因此，將回頭曲線修改設(shè)計(jì)為反S形曲線（如圖2所示），線形指標(biāo)滿足三級(jí)公路的要求.

2.3 回頭曲線的優(yōu)化

K10＋500～K11＋900處，舊路回頭曲線半徑接近15m，剛好滿足四級(jí)公路要求（見(jiàn)表2），現(xiàn)改建公路采用三級(jí)公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按30km／h設(shè)計(jì)速度，回頭曲線［9］的最小半徑需達(dá)20m.如圖3所示，通過(guò)回頭曲線半徑優(yōu)化設(shè)計(jì)，該處回頭曲線半徑調(diào)整為25m，改善該回頭曲線的線形指標(biāo).

圖2 公路局部改線設(shè)計(jì)Fig.2 Local line design of highway

表2 回頭曲線技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technology index of switch－back curve

圖3 回頭曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.3 Optimization design of switch－back curve

2.4 曲線線形優(yōu)化

K18＋400～K18＋800處，交點(diǎn)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(diǎn)JD245圓曲線半徑83 m，兩者緩和曲線長(zhǎng)度為25m，兩同向曲線間直線長(zhǎng)度70m，小于6v，達(dá)不到現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)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(shè)施，提示前方存在同向曲線或增加公路輪廓標(biāo)，提示駕駛?cè)俗⒁馇胺酵蚯€.

2.5 城鎮(zhèn)化地段改線繞行設(shè)計(jì)

K23＋100處，舊路兩側(cè)城鎮(zhèn)化嚴(yán)重，并且前方為東湖鎮(zhèn)，考慮到東湖鎮(zhèn)的近、遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃在K23＋100處采用公路改線繞行設(shè)計(jì)（如圖5所示）.既解決了公路城鎮(zhèn)化問(wèn)題，又為東湖鎮(zhèn)遠(yuǎn)期發(fā)展留下足夠的空間.

圖4 同向曲線線形優(yōu)化Fig.4 Alignment optimization of adjacent curve in one direction

圖5 城鎮(zhèn)化地段改線繞行設(shè)計(jì)Fig.5 Alignment and bypass design of urbanization lot

3 結(jié)語(yǔ)

公路改建設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，且改建公路比舊路設(shè)計(jì)等級(jí)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(shè)計(jì)線形指標(biāo)，以消除或減少公路運(yùn)營(yíng)時(shí)的安全隱患.因此，在公路改建過(guò)程中，應(yīng)注意5個(gè)問(wèn)題：

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

2）低等級(jí)公路改建為等級(jí)較高的公路時(shí)，原有部分舊路的線形指標(biāo)偏低，不能滿足新改建公路設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還會(huì)影響改建公路的行車(chē)安全，因此，針對(duì)線形較差的舊路地段，可以采取公路局部改線設(shè)計(jì)方法.

3）在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，往往公路兩側(cè)出現(xiàn)城鎮(zhèn)化問(wèn)題，采取公路繞行改線設(shè)計(jì)方法可以解決公路改建的城鎮(zhèn)化問(wèn)題.公路改建后，還有可能出現(xiàn)新城鎮(zhèn)化問(wèn)題，因此，必須確保公路法的執(zhí)行，才能從根本上避免城鎮(zhèn)化問(wèn)題的產(chǎn)生.

4）針對(duì)舊路圓曲線半徑過(guò)小或線形組合不理想的情況，在公路改建過(guò)程中，對(duì)圓曲線半徑和線形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

5）公路改建過(guò)程中，部分路段線形指標(biāo)較差，而公路改建可能造成施工成本過(guò)大或其他原因，可以通過(guò)增加交通設(shè)施或景觀設(shè)計(jì)來(lái)改善公路的質(zhì)量.

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