國省道改擴建工程道路擬合設(shè)計的方法與探討

梅基賢

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司 廣州 510507）

1 工程概況

國道G105 線中山沙朗至古鶴段改建工程（以下稱為“本項目”）穿越中山市5 大鎮(zhèn)區(qū)，公路兩側(cè)城鎮(zhèn)化程度發(fā)達、建筑物密集，通過項目前期論證，近期無另辟新線的可能，故本項目沿舊國道G105 線進行改擴建，改建范圍自北向南分為2 段，其中第一段為沙朗至中山三橋段，起于西區(qū)沙朗立交，順接國道G105線細滘大橋至沙朗段（北段），經(jīng)西區(qū)、沙溪鎮(zhèn)，結(jié)束于中山三橋南岸；第二段為板芙至三鄉(xiāng)古鶴段，起于板芙鎮(zhèn)中環(huán)，順接南區(qū)中環(huán)路，經(jīng)板芙、三鄉(xiāng)，結(jié)束于三鄉(xiāng)鎮(zhèn)古鶴（與珠海交界處）。全長約32.304 km，采用一級公路兼顧城市快速路功能技術(shù)標準，雙向八車道，設(shè)計速度為80 km/h。

本項目全線共新建互通立交主線跨線橋10 座共4 795 m，改造中橋8 座共224.48 m，利用中橋1 座35.5 m；既有涵洞接長23 座共132.6 m，新建涵洞6 座共253 m；既有人行通道接長3 座共21.5 m，利用既有人行通道接長3 座共108.33 m，拆除新建車行通道1座110 m，新建人行通道9 座共348.5 m，設(shè)互通立交共10 處。

從技術(shù)標準和建設(shè)規(guī)?？芍瑢扔械缆?、構(gòu)造物等的利用成為本項目改造設(shè)計的重要一環(huán)。因此，在設(shè)計過程中，應(yīng)優(yōu)先對既有道路線形進行擬合，充分利用既有道路設(shè)施，盡量減少征地、拆遷數(shù)量，減少改擴建對周邊環(huán)境及居民生活的影響。同時對不滿足現(xiàn)行規(guī)范［2，3］或道路運行安全性不良的路段，優(yōu)化調(diào)整不良路線組合設(shè)計。

2 路線線形擬合設(shè)計

路線線形擬合設(shè)計主要包括平面設(shè)計、縱斷面設(shè)計和平縱組合設(shè)計，通過舊路線形的掌握和充分擬合，對道路的工程規(guī)模、通行能力、行車安全、社會評價等都有很大的影響。以下結(jié)合本項目設(shè)計中的心得體會，對路線線形擬合設(shè)計進行探討。

2.1 平面設(shè)計

公路平面線形擬合設(shè)計中，受到舊路、地形和地物等因素的影響，尤其在城區(qū)路段道路兩側(cè)居民區(qū)密集無法改線時，往往容易出現(xiàn)平面組合不合理、圓曲線半徑較小、緩和曲線較短或超高緩和段長度不足等問題。

2.1.1 設(shè)計原則

為充分利用既有道路及沿線構(gòu)造物，盡量減少沿線征地、拆遷數(shù)量，減少對沿線居民生活及出行的影響。本項目路線平面設(shè)計根據(jù)技術(shù)指標和改造方案，靈活運用道路平面設(shè)計，原則上沿舊路國道G105 線進行布設(shè)，充分擬合既有道路中線，對于舊路達不到技術(shù)標準要求的路段，采用降低設(shè)計指標、增加限速標志等措施［4］。

2.1.2 設(shè)計方法

⑴通過實測舊路中心線，初步擬合出舊路中線；

⑵通過對舊路中線的擬合，核查出平面組合設(shè)計需優(yōu)化調(diào)整和平面指標不滿足現(xiàn)行規(guī)范的路段；

⑶對平曲線組合設(shè)計不合理的路段，應(yīng)靈活運用平面線形設(shè)計，對局部路段進行改建，消除道路安全隱患;

⑷對不滿足現(xiàn)行規(guī)范的路段，提出部分路段降低設(shè)計標準的可能性；

⑸對舊路兩側(cè)受征拆影響較大路段，應(yīng)充分擬合舊路中線，當兩側(cè)均造成較大拆遷量時，可根據(jù)規(guī)劃及技術(shù)要求，調(diào)整道路標準斷面組成，也可將中線向不受限制或受限制較少的一側(cè)加寬。

2.1.3 舊路平面擬合示例

以本項目為例，現(xiàn)狀道路K2666+070～K2666+820段兩側(cè)存在密集民居，其平面設(shè)計存在同向圓曲線間夾一短直線的情況，短直線長度102 m（見圖1），遠遠不滿足《公路路線設(shè)計規(guī)范：JTG D20-2017》［2］中兩同向曲線間直線長度不宜小于6V（480 m）的要求。

圖1 現(xiàn)狀道路平面線位圖Fig.1 Current Road Plane Line Bitmap

一般情況下，可通過調(diào)整緩和曲線長度，使兩圓曲線相連且直線長度為零（形成卵形或C 形），也可在兩圓曲線間插入另一段圓曲線形成三心圓曲線來解決以上問題。

因此本項目分別提出卵形曲線、C 線曲線和三心圓曲線3 種方案進行比選（見圖2）。

圖2 路線平面線位方案圖Fig.2 Plane Line Position Plan of Route

⑴卵形曲線：兩曲率相同的同向圓曲線通過共用同一緩和曲線，使其兩兩相連形成卵形曲線［5］。該平曲線組合雖滿足線形指標要求，但其平面線形往南側(cè)偏移，未能較好地擬合舊路中線，導(dǎo)致舊路南側(cè)新增用地及房屋征拆。

⑵C 形曲線：兩同向圓曲線通過各自的回旋線徑直相連形成C 形曲線［5］，由于兩同向圓間直線長度為102 m，導(dǎo)致C 形曲線在平面線形中無法完全擬合道路中線，存在一定的征拆數(shù)量。更重要的是，C 形曲線為兩同向圓曲線的回旋線曲率為零處徑向銜接而組成，其僅限于地形條件特殊困難，路線嚴格受限制時方可采用。

⑶三心圓曲線：兩圓曲線間插入另一段圓曲線形成三心圓曲線，可將其分解為三個卵形曲線組合而成，該平面曲線運用靈活，滿足設(shè)計指標要求，且充分擬合道路中線，減少征拆數(shù)量。

通過以上3 種線形組合的比選，推薦采用平面組合設(shè)計合理、擬合舊路程度較高的三心圓曲線設(shè)計。

2.2 縱斷面設(shè)計

現(xiàn)狀道路縱斷面擬合及改造設(shè)計中，若根據(jù)文獻［2］中路線縱斷面的相關(guān)要求，往往容易出現(xiàn)舊路填方較大、舊路路面需要大面積銑刨或挖除、既有構(gòu)造物擬合困難無法利用、道路標高與周邊商鋪存在高差不利于居民出行、工程費用增大等問題。因此在現(xiàn)狀道路（尤其是國省道）擬合及改造設(shè)計中，建議采用以下原則進行設(shè)計［6］：

⑴由于文獻［2］中對最小坡長的規(guī)定主要是從行車舒適性考慮，在其他指標滿足的情況下，最小坡長不會影響行車安全性?？紤]到國省道改擴建工程的特殊性，可參照《高速公路改擴建設(shè)計細則：JTG/T L11-2014》［7］的要求，對受構(gòu)造物控制且縱坡不大，滿足視距的前提下，經(jīng)論證，縱斷面設(shè)計最小坡長可不作過分要求，以豎曲線最小長度（3S 行程）作為控制指標設(shè)計；

⑵以既有立交、構(gòu)造物標高作為控制要點，對橋頭處存在縱坡差值時，可設(shè)置漸變段進行高程漸變；

⑶應(yīng)著重采用“寧填勿挖”原則，充分利用舊路路面結(jié)構(gòu)強度，控制路面加鋪厚度，減少路基填方數(shù)量，減少因舊路挖除而產(chǎn)生的廢料，降低工程費用及對環(huán)境的污染，減少征地拆遷，合理控制工程造價，并兼顧行車舒適性；

⑷路基設(shè)計標高應(yīng)核查道路洪水頻率，對舊路標高無法滿足該設(shè)計要求時，應(yīng)調(diào)整縱斷面設(shè)計；

⑸縱斷面設(shè)計要綜合考慮路線平面、橫斷面、構(gòu)造物（大中橋、涵）的設(shè)置以及路基范圍內(nèi)的排水、工程量的平衡等。

2.3 平縱組合設(shè)計

文獻［2］中對道路平縱組合線形的技術(shù)要求，其主要目的是行車安全和舒適性。由于國省道改擴建工程的平縱技術(shù)指標受多方面條件的約束，難以達到新建公路工程的水平，因此，針對改擴建工程，掌握平縱組合的方法和設(shè)計要領(lǐng)尤為重要。

國省道改擴建平縱組合設(shè)計要領(lǐng)有［8，9］：

⑴平曲線與豎曲線應(yīng)按照“平包縱”的原則，即平曲線與豎曲線相重合，豎曲線變坡點應(yīng)盡量控制在圓曲線范圍內(nèi)；

⑵平、縱線形宜相互對應(yīng)，平、縱設(shè)計指標相互均衡；

⑶應(yīng)避免在長直線中插入小半徑凹形豎曲線；

⑷凸形豎曲線的頂部或凹形豎曲線的底部，不宜與反向平曲線的拐點重合；

⑸應(yīng)控制道路合成縱坡，避免急、陡坡組合的形成；對合成縱坡較小的情況，應(yīng)結(jié)合沿線情況進行綜合排水設(shè)計；

⑹平縱組合應(yīng)結(jié)合橫斷面設(shè)計，保持各要素間的相對均衡與協(xié)調(diào)，提高道路通行能力和行車安全。

3 橫斷面設(shè)計

國省道改擴建工程對既有道路橫斷面的擬合設(shè)計，有利于老路的充分利用，減少工程規(guī)模。然而受到建設(shè)初期的有關(guān)技術(shù)標準等因素影響，現(xiàn)狀道路橫斷面布置和超高橫坡值難以完全滿足現(xiàn)行文獻［2］的要求，因此在國省道改擴建工程設(shè)計過程中，超高橫坡度的取值和規(guī)范的合理運用顯得尤為重要。

⑴橫向力系數(shù)計算

式中：Rmin為彎道最小平曲線半徑（m）；V 為彎道設(shè)計速度（km/h）；μ為路面與輪胎間的橫向力系數(shù)，極限值為路面與輪胎之間的橫向摩阻系數(shù)；i 為路面的超高橫坡度。

通過以上計算公式可知，當設(shè)計速度V 確定時，橫向力系數(shù)μ與圓曲線超高橫坡度i 和平曲線最小半徑 Rmin密切相關(guān)，文獻［2］7.3.2 條條文說明指出，橫向力系數(shù)μ的大小對于車輛行駛的穩(wěn)定性和舒適性有直接影響［10］。

從表1可知，在速度和圓曲線半徑均確定的情況下，橫向力系數(shù)μ宜小于0.10。

表1 橫向力系數(shù)Tab.1 Transverse Force Coefficient

⑵超高橫坡度擬合設(shè)計示例

以國道G105 線為例，通過實測碎部點計算得出舊路超高橫坡度i=3%，擬合舊路最小圓曲線半徑R=700 m，設(shè)計速度=80 km/h。根據(jù)文獻［2］條文說明表7-1 查得對應(yīng)的超高橫坡值宜為4%，擬定設(shè)計超高橫坡度與舊路超高橫坡度存在差異，將導(dǎo)致圓曲線超高路段兩側(cè)路基分別存在挖除舊路和加鋪厚度不均衡的情況。

因此，在舊路改造設(shè)計中應(yīng)通過舊路橫坡值對橫向力系數(shù)μ進行驗算，即取用舊路超高橫坡值3%進行驗算，得到橫向力系數(shù)μ=0.042（＜ 0.10），行車平穩(wěn)，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

國省道改擴建現(xiàn)階段已成為我國的緊迫任務(wù)，舊路平縱橫擬合設(shè)計對工程規(guī)模影響甚大，也是改擴建項目重要的一環(huán)。隨著改擴建項目建設(shè)和經(jīng)驗的積累，大量新技術(shù)、新方法的不斷應(yīng)用，改擴建項目設(shè)計方法也必將越來越完善、科學。