城市内环快速路改建高速公路的设计技术研究

(长沙市城市建设科学研究院，湖南 长沙 410000)

城市内环快速路改建高速公路的设计技术研究

陈浩

(长沙市城市建设科学研究院，湖南 长沙 410000)

随着我国城镇化进程的推进，城市得到了迅速发展，目前城市以资源共享的融城模式进一步发展，同时城市交通格局也在发生变化，城市内环线由快速路与高速公路功能互换的改建越来越常见，为此从城市快速路与高速公路的差异性，通过实际工程设计案例来说明城市内环快速路改建成为高速公路的关键技术问题、设计方法，为类似工程改扩建提供借鉴作用。

城市内环线；快速路；改建；高速公路；差异性；设计方法

1 概述

城市内环线作为城市主骨架路网的重要组成部分，不仅承担了城市内部交通与外部交通的快速转换，而且与外部高速公路有效衔接，从而将周边卫星城市快速连接，为城市群的资源共享、互动发展创造了条件，那么内环线的功能定位和规模直接影响一个城市的路网格局，同时说明了城市发展需求和发展进程。

在城市发展过程中，初期城市环线往往为高速公路，当城区规模不断扩大、郊区变城区，内环高速公路将承担更多的城市道路的功能，为了顺应城市化的进程，很多城市都将内环高速公路改建为内环快速路，取消收费站，并在两侧增设辅道，主辅道增设出入口，以加强城市骨干路网与内环高速公路的衔接。目前内环高速公路改扩建城市快速路较为普遍，相关文献较多，技术也较为成熟。然而当城市得到进一步的发展，特别是大中型卫星城市群的联动发展，城市内部交通拥堵日益加剧，内环快速路交通量增长迅猛，快速路不再快。而且环线快速路大都原本为干线公路的走廊带，对外与高速公路衔接便利、又不收费，高速公路上大量的过境交通更多地选择内环快速路通行，这样加重了对城区的交通压力，为了改善城市拥堵问题，有必要将快速路的主路恢复收费功能系统，形成具有城市道路特点的高速公路。

由于城市内环线快速路出入口较多，改建后仍然需要满足城市交通的刚性需求，且与高速公路的设计标准不一致，导致改建具有一定的难度和复杂性，本文下面以实际工程为例，说明改建需要恢复高速公路的收费系统，优化道路平面指标和横断面布置、优化城市道路与环线立交型式，优化辅道与主路之间的出入口连接等关键设计技术。

2 高速公路与城市快速路差异性分析

2.1 服务功能的变化

城市道路按道路在路网中的地位、交通功能以及对沿线的服务功能等，分为快速路、主干路、次干路和支路4个等级；公路根据其功能和适应的交通量分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路5个等级，其中高速公路为专供汽车分向、分车道行驶并应全部控制出入的多车道公路。可以看出，城市道路的分级主要是根据其在路网中的地位而定，公路则依据交通量大小来分级，从而也充分说明高速公路的横向干预少，通行能力大于快速路。当城市发展到一定程度，交通拥堵成为常态，为了更好地融合城市骨干路网与高速公路网的架构，提高整个城市路网的交通活力，合理选择城市快速路高速化是有必要的。

城市道路功能复杂，不但必须满足城市密集路网的交通功能，同时还需满足与公共交通的接驳，满足慢行系统的连续，满足城市景观绿化和亮化的需要，而且道路还是市政管网的载体。公路功能比较单一，主要为交通运输功能。当城市内环快速路的主路改建成为高速公路后，由于两侧的辅道仍然为城市道路的功能，城市承载的功能依然存在，其出入口设置数量远大于常规高速公路，路网连接较为复杂，所以其功能也就更具有复杂性。

2.2 采用的设计技术规范和标准不同

城市快速路设计采用《城市道路设计规范》和《城市快速路设计规程》及市政相关规范，设计速度为60～100 km/h；公路设计采用《公路工程技术标准》、《公路路线设计规范》及公路相关专业的规范，设计速度为80～120 km/h。当内环快速路改建为高速公路时，设计规范不但需要满足公路设计技术标准，同时需要考虑城市道路交通的刚性需求，满足市政道路和市政设施的相关设计规范的规定。

3 内环快速路改高速公路的设计要点

3.1 平纵面设计

由于城市道路与公路的功能不同，交通环境不同，当采用同一设计速度时，两者的平纵面指标亦不同。规范要求部分取值指标详见表1～表4。

通过数据对比可以看出，公路沿线地形起伏较大，纵坡主要取决于汽车的爬坡能力和行车安全要求，而城市道路主要是受地块开发竖向规划标高和区域排水规划的控制，地形变化较小，纵坡较为平缓，所以公路的纵面指标低于城市道路的指标。但平面指标公路却远高于城市道路，是由于公路侧重于长距离的交通功能，横向干扰较少，城市道路侧重于服务功能，服务于地块交通的串联，在相同的设计速度情况下，公路平面线形指标远高于城市道路的要求。正是由于两者平纵面线形指标取值的差异性较大，为城市环线快速路改建为高速公路增加了难度。

表1 城市道路平面设计指标值设计速度/(km·h-1)不设超高最小半径/m设超高最小半径一般值/m设超高最小半径极限值/m10016006504008010004002506060030015050400200100403001507030150854020704020

表2 公路平面设计指标值设计速度/(km·h-1)不设超高最小半径/m设超高最小半径一般值/m设超高最小半径极限值/m1205500100065010040007004008025004002506015002001254060010060303506530201503015注：“一般值”为正常情况下的采用值；“极限值”为条件受限时可采用的值。

表3 城市道路纵面设计指标值设计速度/(km·h-1)最大纵坡/%最大坡长/m凸型竖曲线最小半径/m凹型竖曲线最小半径/m1004700100004500805600450027006064001800150073005063501350105072504072506007008200

表4 公路纵面设计指标要求值设计速度/(km·h-1)最大纵坡/%最大坡长/m凸型竖曲线最小半径/m凹型竖曲线最小半径/m12039001100040001004800650030008057003000200060660014001000407500450450

一方面，由于城市道路运营多年，道路两侧的商业开发基本完成，写字楼和居民楼林立，导致在快速路改高速公路时平面指标很难提高。所以改建后一般会维持设计速度不变，但由于出入口的减少，行车条件得到改善，应尽量满足高速公路的平面指标，而实际中部分路段平面指标很难满足公路规范的要求，如何解决这一矛盾成为关键的技术问题。

设计中首先是通过调整平面线形，利用道路中心线形，当平面半径满足高速公路的情况下，尽可能地拟合现有线形，局部加宽原有道路增设缓和曲线；当平面半径不满足高速公路的情况下，小范围偏离现有中心线，采用高速公路设计速度对应的最小半径改善平面半径；当无条件改善的情况下，将通过改善附属设施提高行车安全，全线通过运行速度模拟验算来确定项目各路段的设计速度，如果确无条件达到高速公路的设计速度路段，只能通过限速来解决。由于改建后优化了出入口匝道数量和线形，主路的通行能力得到了极大提升，通过路网优化，区域的交通得到了极大改善。

本文依托某城市一环线为例，全长39.92 km，最初为双向6车道的一级公路，2006年改建成为城市快速路，主路采用双向8车道，设计速度100 km/h，两侧辅道采用双向6车道，设计速度不等的技术标准，辅道不连续，功能不连贯。随着城市的发展，交通量增长迅速，目前日交通量最大达到97 652辆，就拥堵严重，特别是过境货车与密集的城市出入口交通不断交织，降低了道路通行能力，加大了道路的拥堵。所以2016年将主路改建为高速公路，主路采用双向8车道高速公路标准，设计速度采用100 km/h，并将两侧辅道全线贯通提质，采用双向6车道，设计速度50 km/h。通过对城市道路路网优化出入口设置数量，交叉型式的优化，辅道的贯通等改造措施，虽然局部路段采用80 km/h进行限速，但道路的通行能力大大提高，预测能满足远期150 000辆/d的交通量。

项目为最初的相同设计速度一级公路改建而成，平面指标较高，但出入口匝道采用城市道路技术标准，大都不满足高速公路出入口的要求，由于周边地块开发影响，存在两段无改善条件，进行了限速设计，这样，同一条道路在平面线形不变的前提下，改造后进行了等级提升，设计速度反而降低了，造成与道路实际功能存在不匹配的现象，所以设计中限速应慎用，应尽可能改善匝道线形指标，合理计算确定改善措施，计算方法在后面变速车道设计中详述，同时加强交通安全设施的设置来提高公路行车安全，提升道路的通行能力，尽量维持现有的设计速度。

3.2 横断面设计

根据功能的需要，高速公路横断面布置主要考虑行车和排水的需要，由土路肩、硬路肩、车行道、中央分隔带组成，由于高速公路行车速度较高，断面宽度主要根据行车安全的需要，行车道宽度、路缘带宽度、侧向余宽均要求较高，高速公路车道宽度均采用3.75 m，但根据《公路工程技术标准》JTG B01-2014的第4.0.2条规定，8车道及以上公路在内侧车道仅限小客车通行时，汽车道宽度可采用3.5 m。路缘带宽度根据不同设计速度采用0.75 m和0.5 m，C值相应采用0.5 m和0.25 m，所以高速公路的路基宽度根据规范选择即可，见图1。

图1 双向6车道路基横断面图

城市快速路由辅道、侧分隔带、车行道、中央分隔带组成。城市道路由于进出口较多，横向干扰降低了行车速度，大货车比例小，所以车道宽度也相应减窄，根据《城市快速路设计规程》大型客、货车或混行车道宽度采用3.75 m，其余小车道采用3.5 m；路缘带根据《城市道路工程设计规范》CJJ37-2012的规定快速路左右侧路缘带均为0.5 m，小于公路高速公路路缘带宽度；辅道根据区域路网和交通需求确定，所以横断面变化较大。见图2。

图2 快速路横断面布置图

当城市内环快速路改建为高速公路时，车道宽度如进行调整，将受地块开发程度的影响难以实施，为了合理确定道路宽度，应根据道路交通量的组成情况确定各条车道的宽度。本文依托的项目一环线虽然交通较大，但过境货车占交通量只有30%左右，主要交通量还是城市组团间的小型汽车量。根据论证内侧车道宽度采用3.5 m，左侧路缘带按小车通行的标准采用0.5 m，仅右侧路缘带需要由0.5 m加宽到0.75 m，利用侧分隔带进行改造，这样最大限度地将路基宽度与道路现状保持一致性，减少改造工程量。

由于两侧辅道依然存在，土路肩不再设置，横断面要素与城市快速路基本一致，见图3。

图3 改建后高速公路横断面图(单位：cm)

道路横坡的改造利用路面提质改造来实现，但也尽可能维持原有道路横坡，以减少改造工程量，以及改变桥梁的铺装厚度，值得引起设计注意的是，改造设计中应加强原有路面排水调查，当存在路面积水路段，必须改善原有道路路面的横坡，保证路面排水的畅通。

3.3 变速车道设计

互通式立体交叉变速车道分为加速车道和减速车道。加速车道长度是为使车辆由匝道车速安全舒适地加速到能够与主线车辆进行合流而设置的车道长度；反之，减速车道长度是为使高速行驶车辆由主线车速安全舒适地减速至能够进入匝道而设置的车道长度。

在规范中，公路和城市道路的理论依据完全一致，但比较《公路立体交叉设计细则》(简称《细则》)和《城市道路工程设计规范》中变速车道长度的取值，两者存在以下明显的差别：在确定变速车道长度的方法上不一致。《细则》中变速车道长度完全由主线车速单独确定，假定主线设计速度高，匝道的设计速度也高，但在实际上中匝道运行速度与主线的运行速度很难匹配，设计中匝道设计速度也相差较大，这必然造成变速车道长度的取值方案匹配度较低，尤其是双车道匝道在合流成单车道的过程中，与主线设计速度关系并不密切。例如文中一环高速化改造中的西龙立交北发卡站车流通过双车道匝道汇入主线。显然，车流在驶入双车道匝道的时候行驶速度很低，该匝道双车道渐变为单车道所需的距离可以比正常匝道行驶速度所需的距离短，但《细则》按主线设计速度为100 km/h时考虑，就需350 m的加速段，没有考虑匝道的实际运行速度。

相比而言，《城市道路工程设计规范》中由主线和匝道设计速度同时作为主要参考来确定，即以变速车道的起终点车速作为取值条件，较符合设置收费站匝道的具体情况。因此，建议在内环快速路改建为高速公路时，匝道平面调整条件受限时，建议采用匝道的实际运行速度，宜采用城市道路的设计规范值。

3.4 集散车道交织长度计算

本文依托的项目沿线经济较为活跃，被交叉公路密集且车流量大，尽管高速化改造中对沿线出入口进行了整合，但出入口仍然较多，部分出入口间距较小，存在较大的车流交织压力，需对集散车道交织长度进行通行能力验算，以本文依托项目的海五路与佛平路交叉节点为例，交通量按2037年远期计算，根据《公路通行能力手册》(以下简称《手册》)中算例验算其右侧出入口间集散车道C匝道长度能否满足交通交织段的需求，见图4。

图4 出入口车道示意图

1)匝道交通量分配：

将海五路与佛平路西侧交通量简化为图5, 则可得出A→ C为6 365 pcu/h；B→ C为1 487 pcu/h； A→ D为1 875 pcu/h；B→ D为0 pcu/h。

图5 2037年远期交通量(单位：pcu·h-1)

2)验算公式为：

DHV=AADT·K·D

式中：DHV为标准设计小时交通量；AADT为年平均日交通量；K近郊为0.085，公路0.125；D为方向不均匀系数，单向时取1，双向0.6。

该项目位于近郊，K取0.085，则：

Qbc=17 488 pcu/h×0.085=1 487 pcu/h

Qad=22 058 pcu/h×0.085=1 875 pcu/h

Qac=124 795 pcu/h×0.085×0.6= 6 365 pcu/h

式中：Q为交通流量；a、b、c、d均对应图4中各匝道名称A、B、C、D，ad代表A匝道向D匝道交通量。

3)确定交织区交通运行参数：

交织长度L=500 m，交织段车道数N=4道，自由流速度V=80 km/h。

4)计算交通流率：

交织段内总的交织交通流量为：

Qw=Qbc+Qad=(1 875+1 487)pcu/h= 3 362 pcu/h；

交织段内总的非交织交通流量为：

Qnw=Qac=6 365 pcu/h；

总的交通流量为：

Q=Qw+Qnw=(3 362+6 365)pcu/h= 9 727 pcu/h；

流率比：

Qr=Qw/Q=0.346。

5)确定交织区构型：

由于A→ D和B→ C的交通流都需要至少1次车道变换，查《应用》可知，该交织区构型为A型。

6)确定交织区运行状态：

① 计算交织强度系数Ww和非交织强度系数Wnw。假设该交织区为非约束运行，则A型交织区计算交织强度系数计算公式为：

式中：Qr为流率比；Q为总交通流量；N为主线车道数；L为交织段长度，均按上面取值。

其中交织强度系数计算常数查《手册》中表4-2得知a=0.15，b=2.2，c=0.97，d=0.75。

Wnw计算方法同上，系数为0.456。

② 计算交织车辆运行速度Vw和非交织车辆运行速度Vnw，已知集散车道中自由流速度Vf f=80 km/h，Vmin为交织区内可能的最小车速，通常根据观测经验取值24 km/h，最大车速通常取自由流车速,则：

其中Vmax为设计车速80 km/h，Vmin取24 km/h。则：

Vnw计算方法同上，车速为62.46 km/h。

③ 确定运行状态：由于所分析的交织区为A型交织区，首先计算非约束运行所需的车道数Nw：

式中：Vw为交织段运行车速；L为交织段长度500 m，N为主线车道数4道，则集散车道运行需要的车道数计算如下：

同时根据《应用》可知：A型交织区所能提供的最大交织宽度为Nwmax=1.4道，而Nw=1.94>Nwmax=1.4道，所以该交织区处于约束运行状态。

按照约束运行状态重复步骤计算交织与非交织的车速，根据集散车道的设计速度计算确定其车道数。

7)计算交织区状况评价指标：

① 根据公式计算交织区速度：

以上公式数据均采用前面计算结果。

② 根据公式计算交织段车流密度K：

8)确定通行能力：

根据表5，K=28.01 pcu/(km·ln)>25 pcu/(km·ln)，本交织区服务水平为五级服务水平。 由《互通式立体交叉设计原理与应用》3.6.2可知：五级服务水平为交通流状态处于拥堵流的下半部分，运行状态不稳定。可以预见的是，在高速化改造后，主线通行状况将得到改善，而辅道则存在拥堵的风险。

表5 交织区服务水平等级表(pcu·km-1·ln-1)服务水平等级交织区车流密度服务水平等级交织区车流密度一级 0～7四级>18～25二级>7～12五级>25～35三级>12～18六级>35

3.5 收费设施的设计

当主路由快速路改为高速公路后，与主线高速公路联系的出入口匝道均需要设置收费站，为了减少收费站设置规模，又能兼顾交通量的转换方便，应综合周边路网考虑收费站的规模、位置，选址满足收费广场中心至匝道分叉处的距离不小于100 m，至被交路平交口的距离不小于150 m的要求。故收费站位置设置时建议遵循以下原则，如图6。

图6 主线出入口收费设置图

1)收费站选址平纵面指标较好路段。

2)为了减少新增用地，尽量伴主线设置。

3)收费站设置应结合相邻被交叉道路综合设计，方便交通量较大的主干路。

本文依托一环线共与10条城市道路相交，共设置收费站6对收费站，其余上下主线高速公路均通过路网进行交通转换来完成。

4 结束语

随着我国经济的快速发展，城镇化得到迅速发展，目前城市更多的是考虑联动发展，实现城市资源共享，城市的交通格局也在不断发生变化，城市内环线的功能也越来越复杂，成为城市道路与城外等级公路进行融合的连接道路，所以，内环线改造成为高速公路也将更为普遍，但快速路改造为高速公路具有技术难度大、改造内容多等特点，本文利用实际改造项目作为案例来说明改造相关设计技术，对指导类似项目的设计有着积极意义。

[1] JTG B01-2014,公路工程技术标准[S].

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1008-844X(2017)03-0032-06

U 412.36

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2017-07-24

陈 浩(1981-)，男，工程师，一直从事道路与桥梁专业的设计、规划、管理工作。