預(yù)留遠(yuǎn)期改擴(kuò)建條件下高速公路超前設(shè)計(jì)探討

張金， 張焱發(fā)， 潘丹

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)省高速公路網(wǎng)承擔(dān)的交通量成倍增趨勢(shì)，現(xiàn)階段運(yùn)營(yíng)或啟動(dòng)開工建設(shè)的高速公路項(xiàng)目中，湖北省內(nèi)目前已運(yùn)營(yíng)高速公路多為四車道高速公路，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，日趨增加的交通量與公路實(shí)際通行能力不相匹配的矛盾漸顯，高速公路原走廊改擴(kuò)建方案通過道路擴(kuò)容，能有效緩解矛盾，高速公路改擴(kuò)建工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及施工實(shí)施中，往往存在原高速公路主線平面、縱面、橫斷面技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)不匹配，互通式立體交叉設(shè)置緊湊而無法適應(yīng)改擴(kuò)建方案所需互通的布設(shè)，原路基橫斷面未考慮擴(kuò)建方案所需放坡空間，上跨主線橋涵構(gòu)造物跨徑無法滿足改擴(kuò)建條件，隧道或特大橋梁等特殊節(jié)點(diǎn)往往因?yàn)閿U(kuò)建空間受限，以上種種不利因素均對(duì)今后改擴(kuò)建方案有很大制約，導(dǎo)致改擴(kuò)建工程規(guī)模偏大，不能充分利用既有高速公路橫斷面進(jìn)行擴(kuò)建，部分橋梁構(gòu)造物廢棄，整個(gè)互通拆除重建，隧道或特大橋梁因?yàn)闊o法有效擴(kuò)建而成為瓶頸路段，因此，現(xiàn)階段高速公路設(shè)計(jì)中，如何有效地為遠(yuǎn)期多車道改擴(kuò)建方案預(yù)留空間，又不過于增大現(xiàn)階段投資規(guī)模，是一個(gè)值得探討的問題。該文從路線、路基路面、互通式立體交叉、分離式立交等設(shè)計(jì)方面出發(fā)，對(duì)高速公路勘察設(shè)計(jì)時(shí)，考慮預(yù)留改擴(kuò)建條件的高速公路超前設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 路線設(shè)計(jì)

原有四車道高速公路，相比于擴(kuò)建六車道方案，擴(kuò)建八車道方案從對(duì)快速增長(zhǎng)的交通量適應(yīng)性、遠(yuǎn)期經(jīng)濟(jì)效益、避免多次重復(fù)建設(shè)、大型結(jié)構(gòu)物加寬合理性、施工及質(zhì)量控制難度等方面，遠(yuǎn)期八車道擴(kuò)建方案無疑比六車道更為合理，現(xiàn)狀100 km/h設(shè)計(jì)速度，不能滿足遠(yuǎn)期八車道高速公路運(yùn)營(yíng)需求，因?yàn)槁啡莸臄U(kuò)寬，內(nèi)側(cè)超車道要滿足提速到120 km/h的條件，因此，勘察設(shè)計(jì)時(shí)需按現(xiàn)狀120 km/h考慮平縱面設(shè)計(jì)指標(biāo)，避免由于設(shè)計(jì)指標(biāo)不滿足，從而制約遠(yuǎn)期八車道高速公路運(yùn)營(yíng)提速設(shè)計(jì)，以下分析為遠(yuǎn)期按120 km/h設(shè)計(jì)時(shí)速條件下，路線設(shè)計(jì)方面需考慮的內(nèi)容。

1.1 平面設(shè)計(jì)

1.1.1 最小平曲線半徑的選取

平面指標(biāo)除了需滿足規(guī)范規(guī)定的最小平曲線半徑外，尤其要注意在條件允許下，需采用大的平曲線半徑以保證內(nèi)側(cè)車道停車視距要求。

勘察設(shè)計(jì)者除了對(duì)路線最外側(cè)車道進(jìn)行停車視距檢驗(yàn)外，也需對(duì)平曲線路段內(nèi)側(cè)車道進(jìn)行視距檢查，根據(jù)規(guī)范中對(duì)視點(diǎn)、物點(diǎn)的定義以及平曲線幾何原理，平曲線內(nèi)側(cè)車道視距檢驗(yàn)圖如圖1所示，不同設(shè)計(jì)時(shí)速

下停車視距所對(duì)應(yīng)的平曲線半徑計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖1 停車視距所對(duì)應(yīng)平曲線半徑計(jì)算示意圖(單位：m)

表1 滿足停車視距要求的圓曲線最小半徑

由表1可以看出：考慮到遠(yuǎn)期改擴(kuò)建方案的實(shí)施，需考慮設(shè)計(jì)速度為120 km/h時(shí)，平曲線段內(nèi)側(cè)車道滿足停車視距要求而所需的最小半徑為，有條件的情況下，最小平曲線半徑建議提高至2 640 m，對(duì)最小平曲線半徑小于2 640 m的路段，可通過設(shè)置新澤西護(hù)欄縮窄中間帶寬度而不外移內(nèi)側(cè)車道，或者加寬中間帶寬度外移內(nèi)側(cè)車道等措施來滿足內(nèi)側(cè)車道停車視距要求，且要求遠(yuǎn)期高速公路在運(yùn)營(yíng)過程中，避免中央分隔帶綠植野蠻生長(zhǎng)而侵入至公路建筑限界范圍內(nèi)，以保證內(nèi)側(cè)車道停車視距要求。

1.1.2 緩和曲線最小長(zhǎng)度的選取

超高緩和段設(shè)計(jì)過程中，由于四車道改建成八車道帶來的超高旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)路緣帶外邊緣寬度的增加、設(shè)計(jì)速度提高至120 km/h而對(duì)超高漸變率的更高要求以及同一平曲線半徑下超高值的增大，緩和曲線長(zhǎng)度過短往往成為制約超高過渡方式的關(guān)鍵因素(表2)。由表2可看出：同一平曲線半徑下，預(yù)留八車道擴(kuò)建條件設(shè)計(jì)中所需緩和段長(zhǎng)度大大增長(zhǎng)，達(dá)到1倍之多，因此，現(xiàn)階段四車道高速公路勘察設(shè)計(jì)過程中，需考慮足夠長(zhǎng)的超高緩和段長(zhǎng)度，以滿足預(yù)留八車道改擴(kuò)建條件需求。

1.1.3 平面線元組合的超前設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定：同向平曲線間最短直線長(zhǎng)度需滿足不小于6倍設(shè)計(jì)速度長(zhǎng)度的要求，對(duì)于預(yù)留改擴(kuò)建條件所要求的設(shè)計(jì)速度的提高，既有高速公路設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的同向平曲線間最短直線長(zhǎng)度往往不滿足預(yù)留八車道改擴(kuò)建條件的要求，此種在平面指標(biāo)上與改擴(kuò)建所需指標(biāo)不協(xié)調(diào)匹配的情況，對(duì)改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)方案、工程規(guī)模以及施工時(shí)保通方案均有不利影響，因此，在現(xiàn)有高速公路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免在同向平曲線間接入臨近6倍設(shè)計(jì)速度長(zhǎng)度的最短長(zhǎng)度直線，以大半徑圓曲線取而代之，并在大半徑圓曲線段設(shè)置最小超高，避免路拱橫坡的頻繁變化對(duì)行車安全舒適性造成不利影響。

表2 不同條件下超高緩和段設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 縱面設(shè)計(jì)

根據(jù)JTG D20-2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：設(shè)計(jì)速度為100 km/h，最小坡長(zhǎng)為250 m，最大坡度4%的最大坡長(zhǎng)為800 m；設(shè)計(jì)速度為120 km/h，最小坡長(zhǎng)為300 m，最大坡度3%的最大坡長(zhǎng)為900 m。規(guī)范中最大縱坡和坡長(zhǎng)限制指標(biāo)，主要考慮了汽車的上坡動(dòng)力性能以及對(duì)長(zhǎng)大下坡的安全性。因此，考慮到預(yù)留遠(yuǎn)期改擴(kuò)建條件，主線“最大縱坡”及對(duì)應(yīng)的“最大坡長(zhǎng)”均需進(jìn)行調(diào)整。表3為武漢至陽(yáng)新高速公路黃石段勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目，實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮到預(yù)留八車道擴(kuò)建條件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)縱斷面指標(biāo)超前設(shè)計(jì)的實(shí)例。

2 路基橫斷面加寬方式

八車道擴(kuò)建路基橫斷面方案以拼接的形式為主，主要分為兩側(cè)加寬、兩側(cè)分離、單側(cè)加寬和單側(cè)分離4種，4種擴(kuò)建方式均有各自的適宜范圍，且優(yōu)缺點(diǎn)較為明顯，如表4所示。

表3 不同條件下縱斷面設(shè)計(jì)方案

表4 路基橫斷面不同擴(kuò)建方式的優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)建設(shè)條件的不同，雖然有多種加寬方式可供設(shè)計(jì)者進(jìn)行比選，但在加寬方式選擇上應(yīng)以“安全、節(jié)約、方便、利用”為基本原則，安全即擴(kuò)建方案除需保證原有道路路基、邊坡、結(jié)構(gòu)物安全之外，還要保證施工期行車安全和施工安全；節(jié)約即節(jié)約建設(shè)用地及建設(shè)費(fèi)用，特別是老路大范圍穿越基本農(nóng)田區(qū)域時(shí)，擴(kuò)建方案需避免對(duì)區(qū)域造成封閉效應(yīng)，加寬方式也應(yīng)方便施工，方便交通順暢組織，方便擴(kuò)建后的維護(hù)管理；充分利用已有用地空間，充分利用原路基、結(jié)構(gòu)物，充分利用已有道路設(shè)施。對(duì)于位于重丘區(qū)，布設(shè)有特長(zhǎng)隧道或特大型涉水橋梁時(shí)，由于橋隧等大型構(gòu)造物不適宜兩側(cè)加寬，較多采用單側(cè)加寬的方式，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)考慮到為遠(yuǎn)期八車道擴(kuò)建預(yù)留走廊條件，特別是長(zhǎng)大隧道、隧道群、特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的路段，原則上在遠(yuǎn)期擴(kuò)建方案中應(yīng)采用局部新建分離式路線的方案，同時(shí)做好同向分離路段的交通組織和安全設(shè)計(jì)。

3 互通式立體交叉設(shè)計(jì)

預(yù)留八車道擴(kuò)建條件下高速公路互通式立體交叉設(shè)計(jì)，在互通區(qū)主線范圍內(nèi)平縱面指標(biāo)需考慮升級(jí)提速所需指標(biāo)一般性最小值之外，還需對(duì)互通式立交出入主線變速車道設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)留條件設(shè)計(jì)，避免遠(yuǎn)期擴(kuò)建方案下對(duì)原有互通進(jìn)行大規(guī)模拆除重建工程，也避免地方與高速主線間轉(zhuǎn)換交通量的中斷對(duì)高速運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不利影響。

在互通區(qū)主線范圍內(nèi)及匝道平縱面指標(biāo)方面，“互通區(qū)主線范圍內(nèi)最小圓曲線半徑”及“最小豎曲線半徑”均需進(jìn)行預(yù)留優(yōu)化設(shè)計(jì)，匝道平縱面設(shè)計(jì)中，需考慮八車道預(yù)留改擴(kuò)建方案造成分匯流點(diǎn)的變化導(dǎo)致匝道長(zhǎng)度及出入主線位置的高程變化，條件允許情況下，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)中保證較長(zhǎng)匝道長(zhǎng)度，取用較保守的匝道平縱面指標(biāo)，避免在分匯流點(diǎn)附近采用臨近規(guī)范規(guī)定最小坡長(zhǎng)及最小豎曲線半徑指標(biāo)，以免八車道預(yù)留改擴(kuò)建方案對(duì)原有互通式立交匝道的不可利用。

互通式立交出入主線變速車道預(yù)留八車道擴(kuò)建方案設(shè)計(jì)需從加、減速車道長(zhǎng)度的適應(yīng)性以及八車道擴(kuò)建方案對(duì)既有匝道，尤其是出入主線的匝道端部利用度及匝道兩個(gè)方面考慮，需考慮主線設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h條件下互通立交出入口加、減速車道長(zhǎng)度的一般性要求，出入主線的匝道端部利用度需要從出入主線的加減速車道設(shè)計(jì)方式上考慮，有如下幾種設(shè)計(jì)方式可供參考：

(1) 當(dāng)互通區(qū)主線位于直線段時(shí)，且變速車道范圍內(nèi)為路基段時(shí)，按八車道橫斷面布設(shè)出口匝道，再延伸出口匝道起點(diǎn)直線線元，布設(shè)四車道近期方案分流鼻，取規(guī)定長(zhǎng)度漸變段及減速車道長(zhǎng)度，遠(yuǎn)期八車道擴(kuò)建只需填筑近期分流鼻至遠(yuǎn)期八車道預(yù)留時(shí)分流鼻之間三角區(qū)即可，如圖2所示。此方案充分考慮遠(yuǎn)期八車道預(yù)留條件，遠(yuǎn)期改擴(kuò)建施工時(shí)對(duì)匝道能完全利用，值得注意的是，近期四車道高速公路出口匝道名義上有一段與主線同坡，但遠(yuǎn)期能充分利用此段作為減速車道段，能最大限度地減少擴(kuò)建工程造成的工程廢棄。

圖2 主線位于直線段時(shí)出口匝道平面線形預(yù)留設(shè)計(jì)示意圖(單位：m)

(2) 當(dāng)互通區(qū)主線位于圓曲線段，且變速車道范圍內(nèi)有變寬橋梁構(gòu)造物，以上方式存在遠(yuǎn)期改擴(kuò)建時(shí)，三角區(qū)路基拼寬段位置橋梁不便于擴(kuò)建的缺點(diǎn)，先期按照遠(yuǎn)期路基寬度全部建成又造成過大的工程規(guī)模，因此，此時(shí)宜采用考慮遠(yuǎn)期變速車道平移外擴(kuò)的方式進(jìn)行加寬，如圖3所示。此方式在遠(yuǎn)期擴(kuò)建成八車道時(shí)，直接在漸變段及變速車道段外圍擴(kuò)建等寬路基或橋梁段，并輔助標(biāo)志標(biāo)線，完成八車道下主線出口的設(shè)計(jì)。但是也存在匝道分流點(diǎn)至匝道中部一定長(zhǎng)度內(nèi)，部分路基廢棄，當(dāng)原匝道上需布設(shè)橋梁構(gòu)造物時(shí)，不適宜采用此種方式。

(3) 對(duì)于加速車道，預(yù)留合流鼻前接入主線的匝道線元位置，先按八車道正常設(shè)計(jì)合流鼻端及加速車道，然后直接采用較長(zhǎng)的緩和曲線接入四車道主線，較易實(shí)現(xiàn)考慮預(yù)留八車道擴(kuò)建方案設(shè)計(jì)(圖4)，此種變速車道方案設(shè)計(jì)時(shí)需注意避免合流點(diǎn)距離主線上跨匝道橋梁太近，盡量避免變寬橋梁增加設(shè)計(jì)及施工難度。需要注意的是，八車道正常設(shè)計(jì)時(shí)緩和曲線參數(shù)較四車道主線設(shè)計(jì)時(shí)小，需首要考慮八車道正常設(shè)計(jì)時(shí)緩和曲線參數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖3 主線位于曲線段時(shí)出口匝道平面線形預(yù)留設(shè)計(jì)示意圖(單位：m)

圖4 入口匝道平面線形預(yù)留設(shè)計(jì)示意圖(單位：m)

4 結(jié)論

該文對(duì)考慮遠(yuǎn)期擴(kuò)建八車道條件下，現(xiàn)階段實(shí)按四車道高速公路設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注的問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，得到以下結(jié)論：

(1) 平面指標(biāo)除了需滿足規(guī)范所需最小平曲線半徑外，尤其注意在條件允許下，需采用大的平曲線半徑以保證內(nèi)側(cè)車道停車視距要求。

(2) 超高緩和段設(shè)計(jì)時(shí)，現(xiàn)階段四車道高速公路勘察設(shè)計(jì)過程中，需考慮足夠長(zhǎng)的超高緩和段長(zhǎng)度，以滿足預(yù)留八車道改擴(kuò)建條件需求。

(3) 平面線元組合的超前設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免在同向平曲線間接入臨近6倍設(shè)計(jì)速度長(zhǎng)度的最短長(zhǎng)度直線，應(yīng)以大半徑圓曲線取而代之，并在大半徑圓曲線段設(shè)置最小超高，以滿足遠(yuǎn)期擴(kuò)建對(duì)內(nèi)側(cè)車道提速的需求。

(4) 縱面設(shè)計(jì)指標(biāo)預(yù)留設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮遠(yuǎn)期擴(kuò)建對(duì)內(nèi)側(cè)車道提速而對(duì)縱坡指標(biāo)提出更高的要求。

(5) 路基橫斷面不同擴(kuò)建方式均有其適用范圍，宜結(jié)合各種環(huán)境條件及制約因素?fù)駜?yōu)選用。

(6) 在互通區(qū)主線范圍內(nèi)平縱面指標(biāo)除需考慮升級(jí)提速所需指標(biāo)一般性最小值之外，還需對(duì)互通式立交出入主線變速車道進(jìn)行預(yù)留條件設(shè)計(jì)，并對(duì)主線出入口匝道線形預(yù)留設(shè)計(jì)，盡量減少遠(yuǎn)期改擴(kuò)建工程造成的工程廢棄，踐行綠色環(huán)保公路理念。