国省道改扩建工程道路拟合设计的方法与探讨

2019-07-26梅基贤

广东土木与建筑 2019年7期

梅基贤

（广东省交通规划设计研究院股份有限公司广州 510507）

1 工程概况

国道G105 线中山沙朗至古鹤段改建工程（以下称为“本项目”）穿越中山市5 大镇区，公路两侧城镇化程度发达、建筑物密集，通过项目前期论证，近期无另辟新线的可能，故本项目沿旧国道G105 线进行改扩建，改建范围自北向南分为2 段，其中第一段为沙朗至中山三桥段，起于西区沙朗立交，顺接国道G105线细滘大桥至沙朗段（北段），经西区、沙溪镇，结束于中山三桥南岸；第二段为板芙至三乡古鹤段，起于板芙镇中环，顺接南区中环路，经板芙、三乡，结束于三乡镇古鹤（与珠海交界处）。全长约32.304 km，采用一级公路兼顾城市快速路功能技术标准，双向八车道，设计速度为80 km/h。

本项目全线共新建互通立交主线跨线桥10 座共4 795 m，改造中桥8 座共224.48 m，利用中桥1 座35.5 m；既有涵洞接长23 座共132.6 m，新建涵洞6 座共253 m；既有人行通道接长3 座共21.5 m，利用既有人行通道接长3 座共108.33 m，拆除新建车行通道1座110 m，新建人行通道9 座共348.5 m，设互通立交共10 处。

从技术标准和建设规模可知，对既有道路、构造物等的利用成为本项目改造设计的重要一环。因此，在设计过程中，应优先对既有道路线形进行拟合，充分利用既有道路设施，尽量减少征地、拆迁数量，减少改扩建对周边环境及居民生活的影响。同时对不满足现行规范［2，3］或道路运行安全性不良的路段，优化调整不良路线组合设计。

2 路线线形拟合设计

路线线形拟合设计主要包括平面设计、纵断面设计和平纵组合设计，通过旧路线形的掌握和充分拟合，对道路的工程规模、通行能力、行车安全、社会评价等都有很大的影响。以下结合本项目设计中的心得体会，对路线线形拟合设计进行探讨。

2.1 平面设计

公路平面线形拟合设计中，受到旧路、地形和地物等因素的影响，尤其在城区路段道路两侧居民区密集无法改线时，往往容易出现平面组合不合理、圆曲线半径较小、缓和曲线较短或超高缓和段长度不足等问题。

2.1.1 设计原则

为充分利用既有道路及沿线构造物，尽量减少沿线征地、拆迁数量，减少对沿线居民生活及出行的影响。本项目路线平面设计根据技术指标和改造方案，灵活运用道路平面设计，原则上沿旧路国道G105 线进行布设，充分拟合既有道路中线，对于旧路达不到技术标准要求的路段，采用降低设计指标、增加限速标志等措施［4］。

2.1.2 设计方法

⑴通过实测旧路中心线，初步拟合出旧路中线；

⑵通过对旧路中线的拟合，核查出平面组合设计需优化调整和平面指标不满足现行规范的路段；

⑶对平曲线组合设计不合理的路段，应灵活运用平面线形设计，对局部路段进行改建，消除道路安全隐患;

⑷对不满足现行规范的路段，提出部分路段降低设计标准的可能性；

⑸对旧路两侧受征拆影响较大路段，应充分拟合旧路中线，当两侧均造成较大拆迁量时，可根据规划及技术要求，调整道路标准断面组成，也可将中线向不受限制或受限制较少的一侧加宽。

2.1.3 旧路平面拟合示例

以本项目为例，现状道路K2666+070～K2666+820段两侧存在密集民居，其平面设计存在同向圆曲线间夹一短直线的情况，短直线长度102 m（见图1），远远不满足《公路路线设计规范：JTG D20-2017》［2］中两同向曲线间直线长度不宜小于6V（480 m）的要求。

图1 现状道路平面线位图Fig.1 Current Road Plane Line Bitmap

一般情况下，可通过调整缓和曲线长度，使两圆曲线相连且直线长度为零（形成卵形或C 形），也可在两圆曲线间插入另一段圆曲线形成三心圆曲线来解决以上问题。

因此本项目分别提出卵形曲线、C 线曲线和三心圆曲线3 种方案进行比选（见图2）。

图2 路线平面线位方案图Fig.2 Plane Line Position Plan of Route

⑴卵形曲线：两曲率相同的同向圆曲线通过共用同一缓和曲线，使其两两相连形成卵形曲线［5］。该平曲线组合虽满足线形指标要求，但其平面线形往南侧偏移，未能较好地拟合旧路中线，导致旧路南侧新增用地及房屋征拆。

⑵C 形曲线：两同向圆曲线通过各自的回旋线径直相连形成C 形曲线［5］，由于两同向圆间直线长度为102 m，导致C 形曲线在平面线形中无法完全拟合道路中线，存在一定的征拆数量。更重要的是，C 形曲线为两同向圆曲线的回旋线曲率为零处径向衔接而组成，其仅限于地形条件特殊困难，路线严格受限制时方可采用。

⑶三心圆曲线：两圆曲线间插入另一段圆曲线形成三心圆曲线，可将其分解为三个卵形曲线组合而成，该平面曲线运用灵活，满足设计指标要求，且充分拟合道路中线，减少征拆数量。

通过以上3 种线形组合的比选，推荐采用平面组合设计合理、拟合旧路程度较高的三心圆曲线设计。

2.2 纵断面设计

现状道路纵断面拟合及改造设计中，若根据文献［2］中路线纵断面的相关要求，往往容易出现旧路填方较大、旧路路面需要大面积铣刨或挖除、既有构造物拟合困难无法利用、道路标高与周边商铺存在高差不利于居民出行、工程费用增大等问题。因此在现状道路（尤其是国省道）拟合及改造设计中，建议采用以下原则进行设计［6］：

⑴由于文献［2］中对最小坡长的规定主要是从行车舒适性考虑，在其他指标满足的情况下，最小坡长不会影响行车安全性。考虑到国省道改扩建工程的特殊性，可参照《高速公路改扩建设计细则：JTG/T L11-2014》［7］的要求，对受构造物控制且纵坡不大，满足视距的前提下，经论证，纵断面设计最小坡长可不作过分要求，以竖曲线最小长度（3S 行程）作为控制指标设计；

⑵以既有立交、构造物标高作为控制要点，对桥头处存在纵坡差值时，可设置渐变段进行高程渐变；

⑶应着重采用“宁填勿挖”原则，充分利用旧路路面结构强度，控制路面加铺厚度，减少路基填方数量，减少因旧路挖除而产生的废料，降低工程费用及对环境的污染，减少征地拆迁，合理控制工程造价，并兼顾行车舒适性；

⑷路基设计标高应核查道路洪水频率，对旧路标高无法满足该设计要求时，应调整纵断面设计；

⑸纵断面设计要综合考虑路线平面、横断面、构造物（大中桥、涵）的设置以及路基范围内的排水、工程量的平衡等。

2.3 平纵组合设计

文献［2］中对道路平纵组合线形的技术要求，其主要目的是行车安全和舒适性。由于国省道改扩建工程的平纵技术指标受多方面条件的约束，难以达到新建公路工程的水平，因此，针对改扩建工程，掌握平纵组合的方法和设计要领尤为重要。

国省道改扩建平纵组合设计要领有［8，9］：

⑴平曲线与竖曲线应按照“平包纵”的原则，即平曲线与竖曲线相重合，竖曲线变坡点应尽量控制在圆曲线范围内；

⑵平、纵线形宜相互对应，平、纵设计指标相互均衡；

⑶应避免在长直线中插入小半径凹形竖曲线；

⑷凸形竖曲线的顶部或凹形竖曲线的底部，不宜与反向平曲线的拐点重合；

⑸应控制道路合成纵坡，避免急、陡坡组合的形成；对合成纵坡较小的情况，应结合沿线情况进行综合排水设计；

⑹平纵组合应结合横断面设计，保持各要素间的相对均衡与协调，提高道路通行能力和行车安全。

3 横断面设计

国省道改扩建工程对既有道路横断面的拟合设计，有利于老路的充分利用，减少工程规模。然而受到建设初期的有关技术标准等因素影响，现状道路横断面布置和超高横坡值难以完全满足现行文献［2］的要求，因此在国省道改扩建工程设计过程中，超高横坡度的取值和规范的合理运用显得尤为重要。

⑴横向力系数计算

式中：Rmin为弯道最小平曲线半径（m）；V 为弯道设计速度（km/h）；μ为路面与轮胎间的横向力系数，极限值为路面与轮胎之间的横向摩阻系数；i 为路面的超高横坡度。

通过以上计算公式可知，当设计速度V 确定时，横向力系数μ与圆曲线超高横坡度i 和平曲线最小半径 Rmin密切相关，文献［2］7.3.2 条条文说明指出，横向力系数μ的大小对于车辆行驶的稳定性和舒适性有直接影响［10］。

从表1可知，在速度和圆曲线半径均确定的情况下，横向力系数μ宜小于0.10。

表1 横向力系数Tab.1 Transverse Force Coefficient

⑵超高横坡度拟合设计示例

以国道G105 线为例，通过实测碎部点计算得出旧路超高横坡度i=3%，拟合旧路最小圆曲线半径R=700 m，设计速度=80 km/h。根据文献［2］条文说明表7-1 查得对应的超高横坡值宜为4%，拟定设计超高横坡度与旧路超高横坡度存在差异，将导致圆曲线超高路段两侧路基分别存在挖除旧路和加铺厚度不均衡的情况。

因此，在旧路改造设计中应通过旧路横坡值对横向力系数μ进行验算，即取用旧路超高横坡值3%进行验算，得到横向力系数μ=0.042（＜ 0.10），行车平稳，满足设计要求。