城市道路改扩建路线平面拟合设计研究

张者

（商洛市交通设计院，陕西 商洛 726000）

0 引言

根据测量数据进行道路平面线形拟合是城市道路改扩建工程的关键环节之一，但我国城市道路改扩建工程方面缺乏平纵线形测量数据拟合的完善理论和技术支撑。道路平面线形拟合的关键在于道路线形数据的采集、曲线参数解析及恰当拟合方法的选取，并进行道路路线中桩点位于直线段还是曲线段的线形识别。改扩建道路工程既要满足《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）及相关设计标准，又要充分利用原道路已经建成的设施，故其路线平面拟合设计不同于新建工程路线设计。改扩建公路路线拟合设计中，结合类似改扩建工程线形设计实践，平面拟合误差不得超出10cm，而纵断面设计必须充分考虑路面施工要求及既有构造的限制，对路基应宁填勿挖，而对桥梁等结构物不填不挖。

1 工程概况

某城市道路建成于2001 年，根据该公路所处地形、地物条件及《城市道路工程设计规范》（CJJ 37—2012），建设时划分成两个路段，其中长度1.194km 的K0+000—K1+194 段地形起伏不平，设计行车速度60km/h，路基宽18.5m；而其余段则位于平原微丘地区，设计行车速度80km/h，路基宽20.5m。结合对原道路全线运行速度协调性的调查，全线路段运行速度协调性不良，设计速度和设计运行速度协调性评价较差。通过对交通事故的调查也发现，该城市道路路段平面设计不合理，技术指标运用失当，平面组合设计单调，总体设计缺乏合理性。随着该城市道路段交通运行量的不断增大，车辆运行速度下降，高峰时段车辆拥堵十分严重，现有路况已经无法适应车辆正常通行的要求，交通事故发生频率也呈明显上升趋势。为此，必须进行改扩建，以适应交通量持续增长及交通安全运行的要求。本文主要针对该城市道路改扩建K0+000—K1+194 段展开路线平面拟合设计。

2 路线平面拟合设计

2.1 控制网布设

该工程为旧路改扩建工程，施工期间不中断交通。为尽可能减少交通运行对施工的不利影响，应沿道路两侧共同布设控制点。为保证路两侧水准线统一及路线方案坐标精度，应每间隔5km 进行一次路两侧水准线联测。在测量平面线形数据时，必须将测量点设置在道路中线处，并按照10～15m 间隔左右交替测量，同时统计测点三维坐标。适当加密测量直线段和曲线段结合处，测量人员必须能做出测点区域是位于直线段还是曲线段的合理判断。

当前CARD/1、纬地等道路设计软件已经具备依托最小二乘法原理展开直线、圆曲线拟合的功能。例如，使用CARD/1 软件展开道路平面线形拟合设计时，其平面智能布线工具中设置由穿圆、穿直线等工具，可以展开对圆曲线及直线的拟合，减少设计人员手工拟合的工作量，并保证拟合精度。

2.2 拟合线形数据采集

应用GPS-NET 网平差软件控制测量数据内业平差[1]，GPS 点的全部平面坐标均通过WGS-84 系统转换为80 坐标系，并将最大相对点位误差控制在4mm以内，最大边长相对中误差控制在1/71000。通过对向观测及中丝测高法施测外业三角高程；距离测量则采用现场观测斜距、竖直角，并往返测距各测两次的方式。内业平差则应用NASEW97 网平差软件。必须对所采集到的外业数据进行精度验算，并判断测量误差，保证测量结果合格；对于超出规定范围的误差，必须超出原因所在并重新测量，直至符合设计要求。

2.3 路线平面拟合及误差分析

在进行城市道路改扩建设计时，必须在充分考虑现行标准及规范的基础上最大限度地利用既有道路设施。改扩建工程路线平面拟合设计不同于新建工程，既不能简单地利用旧路平纵面，又不能抛开旧路而展开设计。具体而言，可以采用单曲线、复曲线、多圆曲线等平面拟合曲线形式，通过坡长控制达到拟合纵坡过程中竖曲线半径相应调整的目的；考虑到路面不均匀沉降等可能造成纵面线形变化较多，为此拟合结束后必须依照现行规范检验拟合结果。

道路改扩建工程施工误差、运营期不均匀沉降等均会引起既有道路中线和原施工图设计道路中线的偏差，引发局部范围内纵断面起伏，故在平面拟合设计中必须十分注重指标均衡性及其与平纵面组合的匹配关系[2]。

结合该城市道路改扩建工程特点及类似工程线形设计经验，从公路施测精度控制角度考虑应将平面线形拟合误差控制在10cm 以内。平面线位以2001 年该城市道路段施工图和2002 年竣工图为参考，外业测量时通过GPS-RTK 沿道路中线按照10m 间隔实测，并基于实测外业数据和1∶500 航测地形图分析平面线形拟合误差，保证现有道路改扩建工程实际线位的最大精度。

为保证该改扩建路段路线平面拟合线位准确以及平面线和既有道路中线吻合，控制误差，在进行拟合时以原施工图和竣工图为基础进行拟合设计结果微调，确保长度及各曲线单元要素均满足规范。统计线形拟合及误差分析异常的路段及点位，并加强现场核查，保证基础资料准确。内业则根据现有道路中线点位坐标，应用CARD/1 路线程序进行路线平面拟合，起讫桩号K0+000—K1+194 段拟合误差统计结果详见图1。

图1 平面拟合误差情况统计

起讫桩号K0+000—K1+194 段15375 个测点线形平面拟合误差统计结果显示，误差＜0.05m 的测点数在总实测点数中占比76.4%，误差在0.05～0.1m 以内的测点数在总实测点数中占比17.9%，误差＞0.1m 的测点数在总实测点数中占比5.7%。从拟合误差统计图中也可以看出，正负误差主要以正态分布形式分布于中线两侧，拟合程度较好。

2.4 横断面拟合设计

该改扩建路线平纵配合时必须进行横断面设计，保证平纵线形顺直，同时与工程所在地地形、周围环境及现有道路设施相适应。这种设计思路首先体现在平纵设计与地形天然曲率的协调一致方面，其次体现在城市道路与地形的协调性。故在城市道路改扩建工程设计阶段，必须充分结合地形条件，综合考虑平纵组合设计及横断面设计。

整体拼接是应用较为广泛的横断面拓宽方案，可借鉴经验较多，目前国内并无横断面设计相关的成熟规范标准，城市道路改扩建仍以普通四车道高速公路技术指标为参照，但是当公路改扩建方案实施后，部分技术指标和方法可能因环境的改变而对于城市道路改扩建工程不再适用[3]。

城市道路改扩建的主要目的在于提升道路技术标准及通行能力，但设计速度等技术指标的提升必将造成圆曲线半径增大以及曲线长度的延长，而这种较长缓和曲线的采用会使超高渐变率过小，进而造成路面滞水，使路面边缘外形过于扭曲，不利于安全行车。

该工程采用整体拼接的横断面拓宽方案，改扩建的目的主要在于拓宽既有路面、提高技术标准并改善通行能力，同时避免采用长缓和曲线所引起的超高渐变率减小、路面积水、影响行车安全、引发路面边缘外形扭曲等问题。结合所取得的该道路改扩建工程实测路面点等外业资料，构建起BIM 三维路面模型，并通过CARD/1 工具对超高圆曲线段的超高横坡等数值展开统计，因受到路基不均匀沉降等不利因素的影响，改扩建路段的路基超高横坡比原设计值略小[4]。根据运行车速验算原设计超高横坡值后发现，原设计超高横坡基本满足安全行车要求，故改扩建后的路基超高横坡应与原道路设计横坡保持一致。对于该改扩建路段而言，主要采用明式构造形式展开超高渐变段起点、终点以及超高渐变率参数的设计，以便在满足规范和设计要求的基础上，使设计结果与原构造物横坡基本吻合。

考虑到该城市道路改扩建工程所对应的路线纵坡较为缓和，改建后的路面宽度比原路面大，为确保降雨能快速排出道路路面，为行车安全和路面结构安全提供保证，在超高渐变段长度确定时按照16.25m确定行车道宽度。

依据工程K0+000—K1+194 段全部测点纵断面拟合误差统计结果显示，纵断面设计高程和实测高程误差＜0.05m 的测点数在实测点数中占比77.6%，误差在0.05～0.1m 以内的测点数在总实测点数中占比18.8%，误差＞0.1m 的测点数在总实测点数中占比3.6%。根据拟合误差统计图，对于误差＜0.05m 的区域纵断面拟合程度较好，而对于误差在0.05～0.1m范围的路段应在下一阶段分析中进行纵断面调整和优化处理。

3 结语

城市道路改扩建工程路线平面拟合设计过程中主要面临现行道路技术规范要求与既有道路设施充分利用之间的矛盾，设计人员必须结合工程实际保证平面线形拟合设计的合理性，使路线在满足既有规范要求的基础上，能最大限度地利用既有道路设施。结合该城市道路改扩建工程路线设计实践，在改扩建项目路线设计时，必须充分利用原道路优势，结合交通运行实际及地勘结果合理布局，并尽量选取占用土地资源少、利于车辆通行的路线方案。

2.5 纵断面拟合设计

该路段改扩建过程中在现有路面加铺厚度4cm 的沥青面层，并将路基段拟合设计和既有道路实测高差差值控制在0.05m 以内。结合四等水准实测点高程并应用GPS-RTK 以10m 间隔在道路中线边缘点、硬路肩边缘点处展开参数测量，采用与横断面拟合设计相同的方法构建路面三维模型，同时通过CARD/1 软件，依托原竣工图中坡长、坡度、曲线半径等参数展开纵断面拟合设计。为确保设计结果能较好地与现有道路纵断面吻合，控制误差，必须展开长大竖曲线分解，通过多重复合竖曲线等的使用，保证不同单元竖曲线半径以及长度等参数取值满足现行设计规范。在长大直坡路段增设变坡点，分解成短坡路段，同时按照规范要求的最短坡长确定短坡路段坡长[5]。根据纵断面高程控制原则进行纵断面拟合误差分析，起讫桩号K0+000—K1+194 段纵断面拟合误差统计结果详见图2。

图2 纵断面拟合误差情况统计