高速公路改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)方案研究

蔡寧生

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西　南寧　530029)

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高速公路改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)方案研究

蔡寧生

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530029)

摘要：高速公路路線改擴(kuò)建時(shí)必須考慮對原有橋梁及路基的有效利用并進(jìn)一步提高道路通行能力。文章以某復(fù)雜路段的擴(kuò)建工程為對象，通過交通事故分析，針對路線改擴(kuò)建的平曲線、縱坡的線形優(yōu)化及原有橋梁的利用等關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了不同的改擴(kuò)建設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行比選分析，確定了合適的路線方案與橋梁拓寬設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：高速公路；改擴(kuò)建；路線；橋梁；設(shè)計(jì)方案

0引言

我國20世紀(jì)八九十年代建成通車的高速公路現(xiàn)今都面臨著改擴(kuò)建以提升道路等級的問題，由于新舊路建設(shè)期間所采用的技術(shù)規(guī)范的差異，改擴(kuò)建中舊路的線形指標(biāo)達(dá)不到新規(guī)范要求的都要進(jìn)行調(diào)整[1]。在滿足規(guī)范要求的前提下，平曲線、縱坡調(diào)整需要考慮的因素眾多，特別是調(diào)整路段中有大中型橋梁時(shí)，路線調(diào)整受橋面標(biāo)高的影響較大，在保證交通不受影響的前提下，路線調(diào)整則成了改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵和難點(diǎn)[2-4]。本文以廣西沿海一高速公路擴(kuò)

建工程為對象，在考慮橋梁標(biāo)高及施工交通組織的基礎(chǔ)上，研究了改擴(kuò)建方式及線形優(yōu)化，原有橋梁的利用與新拓寬拼接方式等關(guān)鍵技術(shù)問題，并提出相應(yīng)的處理措施及方法。

1工程概況

廣西沿海某高速公路1998年建成通車，10多年來隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量不斷增長，本段高速公路通行壓力不斷加大，必須對原高速進(jìn)行改擴(kuò)建，以增強(qiáng)道路的通行能力。

項(xiàng)目改擴(kuò)建分兩期進(jìn)行，總里程約88 km，投資約52億元，道路設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，一期工程主線為舊路面為六車道水泥混凝土路面，路基寬為33.5 m；擴(kuò)建時(shí)在原來有路基上兩側(cè)各加寬4.25 m，成為標(biāo)準(zhǔn)八車道的路面形式，路基寬度為42 m。

1.1原有公路平、縱面指標(biāo)的采用情況

根據(jù)原施工圖及竣工圖資料，一期工程舊路全段最大圓曲線半徑為8 868.259 m，最小圓曲線半徑650 m，平曲線半徑<5 500 m的圓曲線均設(shè)置了緩和曲線。緩和曲線最大長度為400 m，最小長度為190 m；最大直線長度為3 946.433 m，反向圓曲線間最小直線長度為352.714 m，同向圓曲線間最小直線長度為856.589 m；最小平曲線長度為410.37 m；小偏角曲線2處，最大縱坡3.9%。

本著節(jié)約土地，減少征地拆遷及有利于道路的維護(hù)和交通管理的基本原則，改建方案應(yīng)充分利用現(xiàn)有工程，降低工程造價(jià)。

1.2改擴(kuò)建路線平、縱面指標(biāo)的采用情況

為了使改擴(kuò)建后道路通行能力得到提高，必須合理選擇改建方案。減少對現(xiàn)有道路交通的影響并利于項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展是改建方案的重點(diǎn)，并提高行車安全。全段最大圓曲線半徑為8 868.259 m，最小圓曲線半徑為1 000 m，最短緩和曲線長220 m?？v面線形設(shè)計(jì)最大縱坡為3.0%，最小坡長440 m，豎曲線最小半徑為17 000/8 200(凸/凹)m。

1.3路線平、縱面擬合情況

(1)路線平面

因原有道路施工較早，施工水平較低及運(yùn)營階段荷載作用產(chǎn)生不均勻沉降等影響，實(shí)際測量的路線中線與原竣工圖路線中線可能會(huì)有一定的變形和差異。本次改擴(kuò)建設(shè)計(jì)中，路線平面線位以竣工圖資料作為參考，根據(jù)外業(yè)實(shí)際測量資料進(jìn)行高程的擬合及誤差分析，以最大限度地?cái)M合出老路的實(shí)際線位。

在平面擬合及誤差分析過程中均利用外業(yè)在左右側(cè)中央分隔帶邊緣采集的GPS點(diǎn)資料進(jìn)行精度控制，比較點(diǎn)對數(shù)9 374(對)，以擬合線為基準(zhǔn)最大正差1.679(m)，以擬合線為基準(zhǔn)最大負(fù)差為0(m)，偏差平均值1.234(m)，標(biāo)準(zhǔn)偏差1.27(m)，擬合誤差統(tǒng)計(jì)分析偏差值范圍詳見表1。

表1　平面差值分布范圍表

從表1可知，本段統(tǒng)計(jì)分析實(shí)測點(diǎn)位有86.96%的點(diǎn)位偏差絕對值在1.4以內(nèi)，點(diǎn)位偏差絕對值>1.6 m的占總量的8.7%，表明縱斷面擬合效果相對較好。

(2)路線縱面擬合

根據(jù)路面散點(diǎn)的平面、高程資料，以及所有橋梁橋面實(shí)測高程對縱面進(jìn)行擬合，比較點(diǎn)對數(shù)7 963(對)，以擬合線為基準(zhǔn)最大正差0.222(m)，以擬合線為基準(zhǔn)最大負(fù)差-0.217(m)，偏差平均值0.024(m)，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.085(m)。擬合的誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果列出于下頁表2。

表2的縱斷面偏差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，實(shí)測點(diǎn)位約有97.1%的點(diǎn)高程偏差在-0.2～0.2 m，點(diǎn)位偏差絕對值>0.2 m的占總量的2.9%，縱斷面擬合效果較好。

表2　縱斷面偏差值分布范圍表

2路線方案布置及比選論證

根據(jù)舊路的線形分析，除K2034+450～K2040+551.5(原道路樁號(hào)為K2040+600)外，舊路的其他路段線形相對較好，現(xiàn)以K2034+450～K2040+551.5為例，進(jìn)行路線方案的優(yōu)化比選。

2.1舊路狀況

K2034+450～K2040+551.5路段位于南曉鎮(zhèn)與那布村之間，地形較平坦，路線長為6.101 5 km，原設(shè)計(jì)圓曲線半徑最小Rmin=650 m，最大圓曲線半徑Rmax=1 750.32 m；路段中最大縱坡為3.9%，最大坡長為800 m。本路段K2035+553.545～K2036+583.928處的圓曲線半徑為650 m，其值小于《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2003)》中要求的最小圓曲線半徑一般值(1 000 m)。根據(jù)文獻(xiàn)[5][6]，當(dāng)行車速度為120 km時(shí)，最大縱坡為3%，最大坡長為900 m，本段不滿足《規(guī)范》要求路段，參見表3。從表3可知，本路段不足6.2 km的路線有5處，不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表3　路段(>3%)坡度和坡長數(shù)值表

另外，K2034+562.226～K2034+901.952及K035+950.937～K2036+313.267兩路段的平面與縱斷面線形組合欠合理，豎曲線半徑太小的同時(shí)平、豎曲線沒有相互對應(yīng)。

同時(shí)，K2034+375.898南曉大橋?yàn)?×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁橋，K2039+991大沖大橋?yàn)?×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁橋，兩座橋大約分別位于K2034+450～K2040+551.5段的起點(diǎn)及終點(diǎn)位置，南曉大橋所處路段縱坡較小，可考慮不用調(diào)整，直接在兩側(cè)加寬，而大沖大橋所處路段縱坡為-3.04%，必須進(jìn)行橋面高程調(diào)整[7]。

2.2現(xiàn)有道路存在問題

根據(jù)一期工程中現(xiàn)有道路路線技術(shù)指標(biāo)評價(jià)報(bào)告，通過對運(yùn)行速度的檢驗(yàn)及設(shè)計(jì)的符合性檢核，雖然原設(shè)計(jì)圓曲線最小半徑Rmin=650 m滿足現(xiàn)行規(guī)范的極限指標(biāo)要求，但是該指標(biāo)與前后路段的指標(biāo)差較大，路線的連續(xù)均衡性較差，視距欠佳。

調(diào)查以前的交通事故資料表明，在2008年5月9日沿海高速公路北海往南寧方向K2036處連續(xù)發(fā)生多起交通事故。其主要原因是大范圍持續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致該路段嚴(yán)重積水，水最深處達(dá)50 cm以上；且積水覆蓋近路中線約兩個(gè)行車道。由于路面積水較深且車速快，當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)積水時(shí)反應(yīng)不及，導(dǎo)致方向失控而與中央隔離墻發(fā)生刮擦或碰撞，從而引起交通事故。

原路線設(shè)計(jì)時(shí)，K2036處于由—個(gè)下坡(坡度1.33%)和一個(gè)上坡(坡度3.50%)組成的凹形曲線內(nèi)，豎曲線半徑R=7 500 m；路線最低處左側(cè)為挖方，右側(cè)為填方及半填半挖，原設(shè)計(jì)平縱配合相對較差；舊路兩側(cè)均設(shè)有邊溝及排水溝，中分帶也設(shè)有超高縱向排水溝，但最低處沒有設(shè)置橫向排水涵，當(dāng)降雨量大時(shí)容易造成積水無法及時(shí)排出。

經(jīng)調(diào)查分析，K2036處只有在雨天積水情況下才容易發(fā)生交通事故，晴天卻很少發(fā)生，而且交通事故多發(fā)生在北海往南寧方向一側(cè)，說明事故的發(fā)生與道路線形無直接因果關(guān)系，而只與排水系統(tǒng)的設(shè)置不完善有關(guān)。

2.3路線方案比選

根據(jù)上述分析，本路段擬作兩個(gè)方案與平縱面均不調(diào)整、兩側(cè)直接拼接加寬進(jìn)行比較，A方案采用平面不調(diào)整，只調(diào)整縱斷面兩側(cè)直接拼接加寬；K方案進(jìn)行平縱面調(diào)整，即將最小圓曲線半徑R=650 m調(diào)整到R=1 000 m，一部分路段新建，另一部分路段采用兩側(cè)直接拼接加寬。兩種方案的平面圖參見圖1，各方案的縱斷面設(shè)計(jì)分別見圖2、圖3。

圖1　方案平面比選圖

從圖2的A方案縱斷面設(shè)計(jì)中可以看出，如果上下坡的坡比均<3%，則大沖大橋必須加高，必然會(huì)造成舊橋的利用率下降，并對施工期間的車輛通行有影響。

圖2　A方案縱斷面設(shè)計(jì)圖

從K方案縱斷面設(shè)計(jì)(圖3)中可以看出，當(dāng)要求上下坡的坡比均<3%規(guī)范要求，則大沖橋梁也要進(jìn)行加高，如果橋梁加高，舊橋的利用率也會(huì)下降，也會(huì)對施工期間的車輛通行有影響。

圖3　K方案縱斷面設(shè)計(jì)圖

兩種方案的經(jīng)濟(jì)分析見表4。

表4　方案對比表

從表4可以看出：K方案與A方案相比較，計(jì)價(jià)路基土石增加38.1萬立方米，改建橋梁數(shù)量—樣，終點(diǎn)處的大橋橋面標(biāo)高都必須進(jìn)行抬高，造價(jià)增加約762萬元。因沿海高速公路是通往東盟國家和周邊省份的主要運(yùn)輸通道，在不過分增加工程量的前提下，有必要通過線形改善以提高道路的通行能力；從K2034+450～K2040+551.5路段原有平縱面指標(biāo)看，其線形指標(biāo)較差，對通行能力影響較大，同時(shí)對整條高速公路交通流是否順暢也有較大影響。故改擴(kuò)建時(shí)從長遠(yuǎn)考慮，對此路段進(jìn)行平、縱面的調(diào)整，以提高大型客貨車的速度，減少追尾等交通安全事故。K方案相對A方案，工程造價(jià)增加不大，橋梁都要進(jìn)行加高，施工時(shí)交通組織難度相當(dāng)，綜合上述分析，推薦K方案[8][9]。

2.4橋梁拓寬設(shè)計(jì)方案

(1)南曉大橋(AK2034+375.898)：舊橋上部結(jié)構(gòu)為6×20 m先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，橋墩為雙幅雙柱式墩，基礎(chǔ)為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，由于改造后橋面中心高程基本不變，故橋梁的拓寬采用兩側(cè)加寬，經(jīng)檢測本橋的梁體技術(shù)狀況評定為二類，墩臺(tái)基礎(chǔ)技術(shù)狀況評定為一類，同時(shí)，對舊橋的主梁進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)算，計(jì)算表明中梁承載力滿足要求，但正常使用極限狀態(tài)及撓度基本都不滿足要求；經(jīng)驗(yàn)算得知邊梁跨中承載力都不能滿足要求，正常使用極限狀態(tài)及撓度基本都不滿足要求。因舊橋主梁不能滿足現(xiàn)行公路規(guī)范要求[10-12]，故將拆除全部橋面并全部更換主梁，在原橋兩側(cè)采用與原橋相同跨徑加寬，采用下部結(jié)構(gòu)分開，而上部結(jié)構(gòu)整體連接的拼接方式。改擴(kuò)建橋面寬度由33.5 m加寬到42 m。

(2)大沖大橋(K2039+991)：舊橋?yàn)?×20 m先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁，橋墩為雙幅雙柱式墩，基礎(chǔ)為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，南寧岸橋臺(tái)為雙幅雙樁柱式(圓柱直徑為2.0 m)，欽州岸為U型橋臺(tái)明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋面中心高約79.417 m。經(jīng)檢測本橋的梁體技術(shù)狀況評定為二類，墩臺(tái)基礎(chǔ)技術(shù)狀況評定為一類。對舊橋的主梁進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)算表明不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，必須進(jìn)行更換。

本橋改造后橋面中心高程80.978 m，高程抬高約1.56 m。因?yàn)楦叱烫Ц咻^多，需要拆除全部橋面及附屬結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)和大部分下部結(jié)構(gòu)，南寧岸橋臺(tái)在原有樁基的基礎(chǔ)上補(bǔ)樁，整體制作橋臺(tái)；欽州岸橋臺(tái)在原有擴(kuò)大基礎(chǔ)橋臺(tái)的前面增加斷面并加高，兩側(cè)加寬部分采用樁基橋臺(tái)；中墩不再利用舊的基礎(chǔ)，重新制作。改擴(kuò)建橋面寬度由33.5 m加寬到42 m。

3結(jié)語

(1)舊路改擴(kuò)建工程不同于新建工程，設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合遠(yuǎn)景預(yù)測交通量、公路沿線地形地物條件、舊路的線形條件、受控制的橋面高程等工程的實(shí)際情況，在充分利用舊橋舊路的基礎(chǔ)上合理選擇改建方案，提高服務(wù)水平；

(2)在舊路及橋涵不能滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，要盡量考慮遠(yuǎn)期交通量增長的需求，盡可能地提高道路的行車條件，改善舊路的線形條件；

(3)對于受橋梁標(biāo)高影響的線形改建時(shí)，在提高技術(shù)指標(biāo)時(shí)，要充分考慮橋梁標(biāo)高升降對現(xiàn)行道路通行的影響，選擇合理的橋梁加高(降低)的加寬方式；

(4)還要加強(qiáng)對施工期間交通組織和安全對策的研究，制定考慮周全且易于實(shí)施的交通組織方案和安全對策，保持施工作業(yè)期間交通的通暢及施工的安全。

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Research on Design Plans of Expressway Reconstruction and Expansion Engineering

CAI Ning-sheng

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：The expressway route reconstruction and expansion must consider the effective use of existing bridge and roadbed to further increase the road traffic capacity.Taking the reconstruction and expansion project of a complex road section as the object，by analyzing traffic accidents，and regarding the linear optimization of flat curve and longitudinal slope of route reconstruction and expansion as well as the uti-lization of existing bridges and other key technical problems，this article proposed the different recon-struction and expansion design plan and conducted the comparison analysis，then determined the ap-propriate route plan and bridge widening design plan.

Keywords：Expressway；Reconstruction and expansion；Route；Bridges；Design plan

收稿日期：2015-12-20

文章編號(hào)：1673-4874(2016)01-0006-05

中圖分類號(hào)：U418.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.002

基金項(xiàng)目

作者簡介

蔡寧生(1969—)，高級工程師，從事公路及橋梁工程勘察設(shè)計(jì)、科研工作。

廣西交通科技項(xiàng)目“廣西高速公路改擴(kuò)建橋涵加寬拼接技術(shù)研究”(桂交科教發(fā)〔2012〕26號(hào))