高速公路改扩建工程路线设计方案优化研究

张晗

（河北高速公路集团有限公司青银分公司，河北石家庄 050000）

0 引言

高速公路在加强区域联系、带动城市经济发展中起着至关重要的作用。新时期，人们对高速公路的通行效率和安全性提出了较高的要求，高速公路改扩建项目逐渐增多。在改扩建项目建设中，科学优化公路路线设计方案，能为高速公路改扩建工程的开展提供指导，提升项目整体的建设质量，满足新时期高速公路通行的实际需要。

1 高速公路改扩建工程路线设计方案优化原则

高速公路改扩建工程旨在提高公路通行能力，保证高速公路通行的安全性，见图1。结合改扩建项目施工情况可知，高速公路改扩建工程受既有公路结构、线形结构的影响，在施工初期阶段，需要做好公路路线设计方案的持续优化工作。

图1 高速公路改扩建现场

在改扩建工程路线设计方案优化，需要遵循以下原则：一方面，改扩建工程路线设计应满足路线设计标准及一般性原则，且需将这些原则作为最基本的要求，在保证路线设计科学、合理的基础上，减少交通的拥堵率和事故率。另一方面，在考虑高速公路的长度、结构、通行需要的基础上，应按照分级化的原则进行路线设计方案优化。该过程中，若既有公路较短，则应灵活的设计改扩建方案；而当既有公路存在设计不合理、病害频繁等多种问题时，应尽可能使用全新的路线设计方案。

此外，高速公路改扩建项目路线设计方案优化还应坚持保护性原则，即工程设计施工人员既要保护既有公路构造物，又要最大限度地保护公路两侧的预留地，减少对农用地的占用，实现公路建设经济效益与生态效益的统一[1]。

2 高速公路改扩建工程路线设计方案优化要点

2.1 安全评价优化

高速公路改扩建工程路线设计方案优化，首先应考虑路线的安全性评价设计。在公路线路安全性评价设计优化中，行车速度检测、平纵组合评价、空间曲率的标准评价是极为重要的三个分析因素。其中，在行车速度设计过程中，设计人员应对整体的线性关系进行系统统筹，并做好不同路段的极差分析，通过两种以上的评价策略进行一致性评价，避免不同路段的车速设计独立。而在平纵组合评价中，需要通过透视图检查的方式确保路线组合的系统性和均衡性；确保平面或纵面的协调发展。该环节中，为了确保公路设计的系统性，当部分平纵组合误差较小时，应予以忽略。譬如，平面曲线半径超过6000m 或纵向坡度小于1%时，应忽略数值，实现平纵组合的均衡。在空间曲率标准评价中，设计人员还应在考虑空间曲率指标的基础上，系统构建事故率的安全模型，并绘出这两个指标关系的模型曲线图，见图2，从而实现对公路安全性的有效评价[2]。

图2 空间曲率与事故发生率曲线图

基于上述三个因素，在高速公路改扩建项目安全评价优化中，还需要对视距、平面线形、平纵组合、公路结构、交通路标等要素进行系统设计。

2.1.1 在改扩建公路视距设计优化中，除了要考虑障碍物、路标、公路曲线等因素外，还应结合地形、水文、驾驶员舒适度等因素对视距进行优化，重点做好对曲路线段障碍物的处理、视距观测及曲线弯度要素的控制，保证驾人员视野开阔，行车安全。

2.1.2 平面线形设计中，要尽量保持路面线形的整体平稳，避免因水平高差过大而对行车安全造成影响。

2.1.3 在高速公路改扩建项目的平纵组合设计中，一是尽量减少凹凸曲线的应用，确保驾驶员视距最大化，二是减少竖曲线在直线公路中的应用，保证高速公路平纵组合设计的合理性。

2.1.4 应重视公路结构、路标等要素的设计，在保证高速公路稳定性、安全性的基础上，提高车辆的运输效率、避免交通阻塞问题。

2.2 平面拟合优化

高速公路改扩建项目路线设计方案优化中，设计人员还应对改扩建项目的平面进行拟合。该环节中，应在考虑既有高速公路左右幅实测资料的基础上，结合明式构造物、隧道等要素进行路线拟合，并以此为基础完成误差分析，确保高速公路平面拟合设计优化的合理性。

在平面拟合设计中，若两路段通过拼接完成，则在通过拟合设计后，还应基本保持原路设计的平面线形。而对长度较大的圆曲线实施平面拟合优化时，还需要通过对多圆复曲线拟合法的应用，减少拟合的整体误差。另外，在平面拟合优化中需要考虑复曲线因素，对复曲线中各段圆曲线的半径和长度进行优化，应参考测点位置绘制“桩号-曲率分布图”，然后按照串珠法进行分析、确定。该环节中，应对各段复曲线长度实施严格控制，确保其满足最短圆曲线长度的要求。

实施平面拟合优化的过程中，设计人员应对拟合的精度进行控制，通常对明式构造物而言，其平面拟合精度误差需控制在10cm 以内，而在一般路基段的平面拟合控制中，需将其拟合精度控制在10～20cm。在这些误差指标的分析及优化中，还应结合既有高速公路的实际情况，对相关的误差指标进行调整[3]。

2.3 纵面拟合优化

完成路面平面拟合后，还应系统地进行路线的纵面拟合优化工作。在高速公路改扩建项目纵面拟合优化中，首先，应注重纵面拟合要素的系统分析，除了要考虑高速公路与桥梁和其他线路交叉外，还需要对路面设计、软基处理、沿线设施改造等内容的协调性进行分析。其次，在改扩建项目纵面拟合优化中，应按照与平面拟合误差分析相同的方式，进行分幅、分段拟合设计优化，并在老路改造中，遵守“宁填勿挖”的改造原则。考虑到一些特殊路段受净空及构造物的限制，在纵面拟合优化及改扩建中，可放松对最短坡长指的控制。但是，在竖曲线最小长度拟合优化控制中，需保证其满足3S 的行程要求。再次，高速公路改扩建项目的纵面拟合，还应系统地考虑拟合精度，如针对明式构造物的拟合，需要结合其应力储备控制拟合误差，满足结构安全管理需要。最后，在改扩建项目纵面拟合优化中，需要对老路纵坡进行二次分幅调坡设计。实施此项拟合优化时，除了考虑路面施工技术方案外，还应注重对路面加铺厚度的有效控制，以满足路面施工精度的控制需要，保证行车的舒适性。

2.4 线形及横断面设计优化

开展高速公路改扩建项目路线设计方案优化，还应对拟建路线的线形和横断面进行优化。在拟建高速公路线形设计优化中，应在考虑前期公路安全性评价建议的基础上，对老路的平纵组合情况进行深层次分析。该指标下的分析内容不仅包含危险的曲线半径，还涉及曲线线形衔接情况。此外，设计人员应对既有道路的线形指标进行分析、控制，实现事故多发等危险路段的有效补救和处理。

在拟建公路线形设计优化中，凹形竖曲线设计难度较大，这是因为其顶部容易出现排水不畅的问题。对此，在设计优化中，还需要系统调整其纵断面和横坡设计内容，缩短排水不畅路段的长度。若施工区域存在同向曲线或S 形曲线路段，还应增加一定的诱导标准，以保证线形设计的合理性，确保后期的行车安全。另外，对于拟建高速公路的线形设计，应做好其与既有高速公路线形指标的堵截，确保高速公路整体的连续性、顺捷性。

在对改扩建高速公路横断面进行设计优化时，一方面，应注重路面横坡的核查与设计优化。譬如，当既有公路路面横坡与新建路面横坡差值不超过±0.5%时，在公路改扩建过程中，应确保原路的路面横坡不变，防止对其超高设计情况进行调整、优化。另一方面，若存在分离路段，还应做好分离路段断面形式与老路断面的衔接，确保高速公路整体的平顺性。详见图3[4]。

图3 高速公路改扩建路基标准断面

2.5 局部分离路段的路线设计优化

高速公路改扩建项目中，局部分离路段包括两侧分离和单侧分离两种形式。在公路路线设计优化中，应做好这些分离路段的线路设计优化。就单侧分离路段而言，其受老路的制约较小，故而在路段的路线设计中，应尽可能选用与老路相同的纵面线形设计方法。

而在两侧分离路段的路线设计优化中，应考虑使用双侧分离模式，扩建工程项目的规模、经济、用地等因素，均会对分离方式的应用造成影响，故而在路线设计优化中，一是在分幅设计中严格遵守线形分离的设计要求，重视分合流端部的设计，做好交通组织规划；二是在分离路段单侧车道数控制中，要求其车道数不小于2 条，且这两条车道应遵循车道数平衡的原则，若有必要，还应注重渐变段的设计、应用，提升分离路段线路优化设计的整体水平。

3 高速公路改扩建工程路线设计方案优化的注意事项

新时期，高速公路改扩建工程逐渐增多，路线勘察是高速公路改扩建项目设计方案优化的基础，其能为公路路线设计优化提供准确、全面的参数支撑。在前期路线勘察中，除了要考虑新建工程的全部勘察内容外，还需要对既有公路的几何设计参数进行调查。主要调查并采集的数据类型，不仅包括原高速公路的平、纵、横面数据，还涉及各类构造物的三维数据。在既有高速公路测量中，应按照左、右幅的实际情况进行，要求在考虑曲线半径的基础上，完成公路纵向间距的测量与确定。

在实际测量中，还应重视数字化勘察技术的大规模应用，如使用低空大比例尺航空摄影、数字摄影测量等技术，从而有效建立较为精密的数字道路模型，提升改扩建工程路线设计的精度和效益，见图4。另外，在新时期的高速公路改扩建工程路线设计方案优化中，还应注重对BIM 等现代工程设计手段的应用，通过现代信息技术进行设计数据的分析、处理和应用，有效提升路线设计方案的优化效果，为工程后期建设提供有效指导。

图4 低空大比例尺航空摄影载体平台

4 结语

综上所述，优化路线设计方案是高速公路改扩建工程路线设计的内在要求，其能充分保证高速公路改扩建工程设计的科学性、整体性，满足工程项目的建设需要。新时期，设计人员只有深刻认识到高速公路改扩建工程路线设计方案优化的原则和要求，结合工程实际进行多元要素的设计优化，才能有效提升路线设计方案的优化效果，指导工程项目建设工作的顺利开展，继而推动高速公路改扩建工程的可持续发展。