山区高速公路改扩建工程路线设计要点探析

何凡　何虹萍

摘要 为了提高高速公路改扩建公路路线设计方案的合理性，文章总结了改扩建公路的路线设计原则，并依托某山区高速公路项目，分析了平面线形和纵断面线形的拟合方法及拟合误差，并对拟合后线形的关键指标的合规性及平纵组合方法进行了分析。同时，基于运行速度评价了公路改扩建工程路线设计方案的协调性，研究成果可供类似项目借鉴。

关键词 高速公路；改扩建原则；线形拟合；线形指标；协调性

中图分类号 U418.8文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0020-03

0 引言

近年来，我国经济快速发展，交通量也日益增加。原先设计的低标准高速公路已无法满足通行需求，使得公路拥堵现象日益严重，交通事故频发。此时，即使采取多种交通管控措施，也无法解决根本问题，需对高速公路进行改扩建处理。由于高速公路属于线性工程，其服务水平首先取决于路线的设计质量。尤其是山区高速公路，其地形复杂、路线设计难度大。因此，进一步研究山区高速公路改扩建工程路线的设计要点十分必要。

1 旧路路线调查及改扩建设计原则

1.1 改扩建公路路线调查

根据《高速公路改扩建设计细则》（JTG/T L11—2014），山区高速公路改扩建路线在设计前应对旧路平面、纵断面线形及横断面进行调查，具体应满足以下规定：平面线形和纵断面线形测点应保持一致，即在左、右幅中央分隔带边缘和右侧硬路肩外边缘布设测点（见图1所示），且左、右幅的测点宜位于同一断面；旧路线形测点纵向间距应小于25 m；对于小半径圆曲线路段及特殊路基段，可加密测点；对于桥梁、桥式通道、分离立体桥梁等构造物，测点纵向间距应小于10 m；横断面调查应重点关注断面布置形式、边沟尺寸、边坡坡度等参数[1]。

1.2 改扩建公路路线设计原则

山区高速公路改扩建路线设计是一个层层推进、不断深入的过程，应遵循以下几个原则[2]：①一致性。路线平、纵线形拟合应严格以选用的构造物为控制点，确保拟合线形与实际尽量一致。②节约用地。路线改扩建应充分利用原公路两侧预留的土地，以减小征地拆迁规模；同时，还要尽量利用旧路，以节约工程造价。③灵活性。改扩建公路路线指标不能完全照搬规范或随意突破规范，应结合项目实际情况灵活选择平、纵指标，并合理组合；如布线条件限制，线形指标必须突破规范中的一般值，则路线方案需经专家论证，并增设安全设施。④协调性。改扩建公路路线设计应坚持“宁填勿挖”原则，否则会增大施工难度、破坏周边自然环境。

2 旧路平、纵线形拟合

2.1 工程概况

研究对象为某山区高速公路，其路线全长56.8 km，设计速度为100 km/h，设计标准为双向4车道，重交通等级，路基标准横断面宽为25 m，路面为沥青路面，沿线共设置了特大桥2座、大桥118座、小桥涵394座、特长隧道1座、长隧道3座、监控管理中心1处、服务区2处等。近年来，其沿线交通量折算后接近40 000 pcu/d，使得高速公路通行能力严重下降。鉴于此，拟对该高速公路进行扩建，将双向四车扩建为双向六车道（双侧拼宽），以提高道路通行能力。

2.2 旧路平面线形拟合

在开展平面线形拟合前，需获取旧路线形坐标数据。但是，旧路的设计文件已经不完整，可以按上节方法布置测点，得到旧路线形散点数据。筛除异常值后，才能用于平面线形拟合。

2.2.1 拟合方法

高速公路平面线形是指中线在水平面的投影。由于直线、圆曲线、缓和曲线三种基本线形元素不同，不同线形元素的拟合方法不同。在平面线形拟合前，先根据散点曲率半径判断其所在位置。

对于在直线上的点位（x， y），其曲率半径无穷大，可用线性函数y=ax+b表示，利用最小二乘法得到散点数据的最佳匹配函数；对于在圆曲线上的点位（x，y），其曲率半径等于圆曲线半径R，可用（x?a）2+（ y?b）2=R2表示其变化关系；对于在缓和曲线上的点位（x， y），其曲率半径均匀变化，可用RL=A2表示，其中A为缓和曲线参数、L为缓和曲线长度（可在划分曲线类型时得到）。

2.2.2 拟合精度

以明式构造物为主要控制点时，平面线形拟合精度应控制在10 cm内；在一般路基段，平面线形拟合精度可控制在10～20 cm，具体可结合地形、老路条件适当调整。

2.3 旧路纵断面线形拟合

高速公路纵断面线形由沿中线竖直剖切而得到，由于直线、竖曲线两种基本线形元素不同，其拟合同样基于散点数据。纵断面上的直线拟合需根据变坡点坐标，求出坡线的拟合方程y=ax+b（x为变坡点桩号、y为变坡点高程、a和b均为待定系数）；纵断面竖曲线的计算模型如图2所示，其基本方程满足二次抛物线，见式（1）[3]：

（1）

式中，L——竖曲线长度（m）；i1、i2——相邻两纵坡的坡度（%）。i2?i1＞0表示凹形竖曲线，i2?i1＜0则表示凸形竖曲线。

纵断面的线形拟合精度控制可参考平面线形，不再赘述。

2.4 旧路线形拟合误差分析

基于上述方法，采用纬地道路软件对旧路的平面、纵断面线形进行拟合，并统计了不同误差的点位数量及占比，如表1所示：

由表1可知，大部分拟合点误差都在5 cm内，且不存在误差大于20 cm的拟合点，这说明旧路平面和纵断面线形的拟合精度效果较好。

3 改扩建公路平面、纵断面线形参数及组合设计

3.1 路线平面线形参数

老路的平面线形拟合完成后，按《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）（简称《规范》）要求评价平面线形参数，比如直线、圆曲线等。

3.1.1 直线长度

该高速公路存在1处直线长度较长的路段，其长度为2 150 m，超过了《规范》的20V（2 000 m）。但经分析，路段中间设置了主线收费站，故长直线对车辆运行安全影响不大。同时，同向圆曲线间的最短直线长度为860 m，满足《规范》要求的6V（600 m）；反向圆曲线间的最短直线长度为235 m，满足《规范》要求的2V（200 m）。

3.1.2 圆曲线

该高速公路最小的圆曲线最小半径为1 000 m，满足《规范》要求（700 m）；在超高路段，有2处因受到地形限制，圆曲线半径突破了一般值，仅勉强大于极限值，但路线方案经过了专家论证，并采取了相应的安全控制措施。在改扩建路线设计阶段，重点对其线形进行优化。

《规范》将转角＜10 °的曲线定义为小偏角曲线，旧路也是按此标准控制，从而使路线存在几处转角在7 °～10 °的曲线。为了保证行车安全，该文建议将7 °～

10 °的曲线调整为10 °以上。

3.2 路线纵断面线形参数

同理，纵坡、竖曲线等纵断面线形参数也按《规范》进行评价。该高速公路路线的最大纵坡为3.36%、最小纵坡为0.32%，满足《规范》要求。但存在1处合成坡度不足的路段，即小纵坡路段与横坡的合成坡度小于0.3%，不利于该路段排水，需进一步优化纵断面、加强路面排水措施。

该高速公路的凸形竖曲线最小半径为12 000 m、凹形竖曲线最小半径为5 500 m、竖曲线最小长度为235 m，均满足《规范》要求。

3.3 平、纵组合设计

高速公路改扩建路线不仅要求平面和纵断面技术指标均满足规范要求，还要确保平面、纵断面线形组合后线连续、技术指标大小均衡，且与周边自然环境相协调。

3.3.1 组合形式

综上，高速公路的平面、纵断面线形要素均可划分为直线和曲线两类，可将其随机组合成6种基本立体线形要素，见表2所示[4]。

3.3.2 具体设计要求

当平面为直线时，纵断面不宜频繁边坡，以避免“驼峰”“凹陷”等问题，导致路线不连续，影响驾驶员视线。同时，长直线不应与纵断面长坡相结合，这种组合线形简单，行车较单调，驾驶员视觉容易疲劳。

当平面为曲线时，其与竖曲线应相互对应，且平曲线长度大于竖曲线长度。如果平、竖曲线半径均较小，两者对应长度应严格控制；反之，可稍微放松。同时，长的平曲线内不宜包含多个短竖曲线、短平曲线不宜与短竖曲线组合、小半径圆曲线起终点不宜设置在凸形竖曲线顶部或凹形竖曲线底部。

4 改扩建公路路线方案的协调性评价

4.1 运行速度预测

在开展安全性分析前，需先根据纵坡、圆曲线半径，将高速公路改扩建路线划分为平直路段、平曲线路段、纵坡路段、弯坡组合路段、隧道路段、互通立交路段等，并利用纬地道路软件分段预测车辆运行速度V85。具体预测步骤如下[5]：先确定第1个分析单元起点的初始运行速度（可取设计速度）；然后根据《公路项目安全性评价规范》（JTG B05—2015）中的运行速度预测模型，预测第1个分析单元终点的运行速度，并将其作为第2个分析单位起点的初始运行速度；按上述步骤一次计算，直至预测完最后一个分析单元的运行速度。

4.2 运行速度与设计速度协调性评价

4.2.1 评价方法

一般情况下，高速公路纵坡对小客车运营速度的影响很小，小客车在4%～5%坡度上的运行速度与平坦路段基本无差别。而纵坡对大型车的影响则较为明显。因此，该文基于大型车的运行速度预测结果，评价公路路线方案的安全性。

在该改扩建高速公路选取15个特征点，利用纬地道路软件预测大型车在上行方向的运行速度，求出运行速度V85与设计速度V的差值绝对值以评价路线的协调性。 当|V85?V|＜10 km/h，路线协调性好；当10≤|V85?V|＜20 km/h，路线协调性较好；当|V85?V|≥20 km/h，路线协调性不良。

4.2.2 评价结果

不同特征点的运行速度预测结果如图3所示。

该改扩建高速公路上车辆的最大运行速度为108 km/h、最小运行速度为86 km/h，运行速度平均值为95.5 km/h。将各个特征点的运行速度与设计速度进行求差，可知仅特征点8的|V85?V|＞10 km/h，其他特征点|V85?V|均≤10 km/h，线形协调性好或较好的路段占比达到了100%，说明路线设计水平较高。

5 结论

该文主要研究了山区高速公路改扩建路线的设计原则、线形拟合方法、平纵线形参数分析及组合，并对路线方案的协调性进行评价，得到了以下结论：

（1）高速公路改扩建路线设计前要先对现状进行调查，并坚持“一致性、节约用地、灵活性、协调性”等原则。

（2）旧路平面线形可基于线性函数、圆函数等进行拟合，纵断面竖曲线可采用二次抛物线进行拟合，应将拟合误差尽量控制在10 cm内。

（3）旧路线形拟合完成后，应对其各个指标进行评价。如出现不满足规范要求的指标，应进行优化。

（4）改扩建公路路线方案设计完成后，可基于运行速度与设计速度的差值绝对值评价其协调性。

参考文献

[1]孙伟民， 王红， 王祎旸， 等. 基于绿色公路理念的高速公路改扩建模式决策[J]. 工程与建设， 2023（5）： 1612-1615+1623.

[2]逄锦程. 山区高速公路改扩建路线及路基路面设计要素研究[J]. 建筑机械， 2023（9）： 79-84.

[3]陈结. 改扩建公路路线设计关键要素探析[J]. 散装水泥， 2023（3）： 191-193.

[4]沈丽. 贵州山区二级公路改扩建工程路线设计要点分析[J]. 交通世界， 2021（13）： 75-76+81.

[5]秦志清. 山区高速公路改扩建工程路线总体设计要点与实践[J]. 公路， 2020（7）： 86-91.