基于現(xiàn)狀評價(jià)的高速公路改擴(kuò)建方案設(shè)計(jì)
——以G7大黃山至烏魯木齊段改造為例

閆 磊

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司新疆分院，新疆 830000)

大黃山至烏魯木齊公路段是國家高速公路網(wǎng)G7北京至烏魯木齊國家高速公路的重要組成部分，是新疆第一條需按八車道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)改擴(kuò)建的公路。

目前，我國高速公路改擴(kuò)建的經(jīng)驗(yàn)主要是對既有高速公路進(jìn)行加寬，而將二級或一級公路提高等級改為高速公路的情況更為復(fù)雜，經(jīng)驗(yàn)也不成熟。由于西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較慢，道路分期實(shí)施的情況比較常見，隨著交通需求的增長，西部地區(qū)將低等級公路改造為高速公路的情況會逐漸增多。本次擬改造的既有公路屬于低等級公路，本次改造經(jīng)驗(yàn)對今后的類似項(xiàng)目具有重要的參考價(jià)值。

1 項(xiàng)目特性及設(shè)計(jì)理念

1.1 基本情況

現(xiàn)有的大黃山至烏魯木齊公路于1998年8月正式建成并通車。建成時(shí)為二級公路，路基寬度12 m。2005年，在原有的二級公路一側(cè)新建一條兩車道瀝青混凝土公路，以分離式伴行，路基寬度為12 m，改建后成為一條雙向四車道形式的一級公路。

本次擬將現(xiàn)有公路(設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，路基寬2×12 m)升級改造為雙向八車道高速公路(設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，路基寬2×20.75 m)。

1.2 自然條件

本項(xiàng)目沿東天山博格達(dá)山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前沖洪積扇一線展布，整體地勢較為開闊，南高北低，地形高程自西向東在646～896 m之間變化，地屬中溫帶大陸性半干旱-干旱氣候。

地貌主要由山區(qū)、丘陵區(qū)及斜坡平原區(qū)構(gòu)成。該地區(qū)二疊系—第三系地層皆有分布，上二疊統(tǒng)—侏羅系發(fā)育較好，其中又以三疊系發(fā)育最佳。巖石有砂巖、石灰?guī)r、片巖、玄武巖及安山巖，路線走廊廣泛被第四系地層覆蓋，基巖出露極少，不良地質(zhì)主要為鹽漬土。

項(xiàng)目公路沿線地震動峰值加速度為0.20 g，地震基本烈度屬Ⅷ級。路線自東向西依次經(jīng)過黃山河、西溝河、白楊河、泉水溝、甘河子河、四工河和三工河7條河流，所有河流均為季節(jié)性河流，大部分時(shí)間處于干涸狀態(tài)。

1.3 項(xiàng)目特點(diǎn)

(1) 通道功能顯著，施工交通組織復(fù)雜

本項(xiàng)目是烏魯木齊以東、天山北坡唯一的東西向交通通道，現(xiàn)有交通量較大，附近礦產(chǎn)資源豐富，工業(yè)企業(yè)密集，旅游景點(diǎn)眾多。其重要性決定了擴(kuò)建期間交通不能中斷，實(shí)施期間保持雙向四車道通行，設(shè)置合理的交通分流方案以保證擴(kuò)建工程的順利實(shí)施。

(2) 現(xiàn)有高速公路建設(shè)較早，部分指標(biāo)較低

已頒布實(shí)施的《高速公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T L11—2014)主要適用于既有高速公路進(jìn)行加寬的改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)，而本項(xiàng)目是將兩條并行的、分期修建的二級公路改造為八車道高速公路，國內(nèi)可借鑒經(jīng)驗(yàn)不多。

(3) 重車比例高

車型構(gòu)成方面，根據(jù)各收費(fèi)站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，本項(xiàng)目小客車比例為53.27%，特大型貨車接近40%，客貨比基本接近1∶1，可見整個(gè)路段貨車的比例較高，特大型貨車尤為顯著。

1.4 設(shè)計(jì)理念

(1) 安全至上

在人的諸多需求中，安全要素居于首位。在公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)中，要綜合考慮公路功能、行車安全、建設(shè)條件等因素，既要充分考慮公路設(shè)施的自身安全和運(yùn)營安全，又要減少公路事故和安全隱患，盡量采用改善行車安全的措施，從根本上解決行車安全問題。

(2) 注重實(shí)效

按照全壽命周期成本的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)合理、施工便利的設(shè)計(jì)方案。

(3) 綠色環(huán)保

堅(jiān)持“不破壞就是最大的保護(hù)”的設(shè)計(jì)理念，做到尊重自然、回歸自然，減少人工痕跡。在保證質(zhì)量和安全的前提下，通過科學(xué)管理， 最大限度地減少對生態(tài)環(huán)境的破壞。

(4) 舒適和諧

通過線型連續(xù)均衡、路面平整、橋涵搭接順適以及完善交通工程等措施，滿足駕駛者對舒適性的要求；突出工程與環(huán)境、道路建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、施工與運(yùn)營的和諧。

2 道路現(xiàn)狀評價(jià)

2.1 道路現(xiàn)狀評價(jià)方法

(1) 既有高速公路幾何數(shù)據(jù)資料收集方法

測量是對既有高速公路幾何狀況評價(jià)的基礎(chǔ)。高速公路改擴(kuò)建時(shí)，需要對現(xiàn)有道路進(jìn)行更為精確的數(shù)據(jù)采集。由于現(xiàn)有道路車流量大，傳統(tǒng)的人工測量方式往往存在測量速度慢、數(shù)據(jù)點(diǎn)少、無法保證測量人員安全的問題。因此，本項(xiàng)目采用了車載移動激光掃描測量技術(shù)對現(xiàn)有高速公路進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集工作。

車載激光掃描主要采用Lynx V100車載激光雷達(dá)系統(tǒng)，具有2×100 kHz脈沖頻率，20萬個(gè)點(diǎn)/秒測量頻率，360度掃描視角，150 Hz掃描頻率。

車載激光雷達(dá)點(diǎn)云平差用靶標(biāo)點(diǎn)按單向400 m、交叉200 m沿老路布設(shè)。經(jīng)檢驗(yàn)，激光雷達(dá)掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度滿足勘測規(guī)范要求，對車載激光無法采集到的要素點(diǎn)也進(jìn)行了人工采集。

(2) 既有公路評價(jià)過程

既有公路調(diào)查與評價(jià)主要包含道路安全現(xiàn)狀評價(jià)和道路技術(shù)現(xiàn)狀評價(jià)兩方面，有利于全面了解既有公路自身狀況，評價(jià)利用價(jià)值，為確定既有工程的利用和改造方案奠定基礎(chǔ)。公路路線方面，本項(xiàng)目在車載激光雷達(dá)實(shí)測的點(diǎn)云基礎(chǔ)上，對既有公路幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行全面恢復(fù)和高精度擬合，采用清單法對技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行逐項(xiàng)評價(jià)，從而提出路線改造方案。

2.2 道路安全現(xiàn)狀評價(jià)

道路安全現(xiàn)狀主要從運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性、事故調(diào)查分析、營運(yùn)管理人員意見三個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)。

(1) 運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性以相鄰路段的運(yùn)行速度的差值△V85來評價(jià)。

|△V85 |<10 km/h時(shí)，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性好；

|△V85 |為10～20 km/h時(shí)，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性較好，條件許可，宜調(diào)整技術(shù)指標(biāo)；

|△V85 |>20 km/h時(shí)，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不良，調(diào)整路線平、縱面設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目主線的設(shè)計(jì)速度為120 km/h，具體計(jì)算方法和參數(shù)取值參見《公路項(xiàng)目安全性評價(jià)規(guī)范》(JTG/B05—2015)。

(2) 進(jìn)行事故調(diào)查分析。

既有的公路事故調(diào)查從項(xiàng)目路交通事故管理部門調(diào)取3～5年的大小事故資料作為研究樣本，包含事故類型、發(fā)生路段、天氣情況、傷亡情況多個(gè)方面。

交通事故原因眾多，每起事故均有其特殊性。交通事故分析就是為了在這特殊性之中，通過對大量已經(jīng)發(fā)生的交通事故進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、分析，得出趨勢性的結(jié)論，找出共性，以便公路改擴(kuò)建時(shí)對特定路段采取更強(qiáng)的防范措施，減少事故，保障安全。

(3) 相關(guān)單位意見是重要的參考依據(jù)，應(yīng)盡可能全面地搜集既有公路運(yùn)營期間內(nèi)公路管理、養(yǎng)護(hù)、路政、交警及地方政府的意見和建議，總結(jié)后作為公路改擴(kuò)建方案制定的依據(jù)。

2.3 道路技術(shù)現(xiàn)狀評價(jià)

(1) 既有公路路線技術(shù)狀況評價(jià)

綜合國內(nèi)外對道路線形因素與交通事故率關(guān)系的已有研究、駕駛員的心理反應(yīng)、汽車行駛動力學(xué)與道路線形的關(guān)系研究，和已有的道路線形安全審查清單，針對具體項(xiàng)目的特點(diǎn)，本著實(shí)用性和可操作性的原則建立全面的路線審查清單，如表1所示。

表1 道路線形安全審查清單

(2) 路基路面及橋涵結(jié)構(gòu)物評價(jià)

既有道路路基路面及橋涵結(jié)構(gòu)物評價(jià)主要由專業(yè)檢測報(bào)告構(gòu)成，檢測項(xiàng)目清單如表2和表3所示。

表2 既有路基路面檢測項(xiàng)目清單

表3 既有橋梁檢測項(xiàng)目清單

2.4 主要評價(jià)結(jié)論

2.4.1 道路現(xiàn)狀安全性問題

(1) 運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性

根據(jù)運(yùn)行速度的差值△V85，全線除白楊河段外，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性總體較好。白楊河段存在連續(xù)陡坡，根據(jù)運(yùn)行速度檢驗(yàn)成果，該路段車輛速度變化明顯，其中大貨車的|△V85|>20 km/h，如圖1所示。

圖1 運(yùn)行速度檢驗(yàn)結(jié)果

(2) 事故調(diào)查分析及對策

該段落近5年的傷亡數(shù)據(jù)表明，全線大部分段落事故較少，且事故點(diǎn)分布離散，安全性好，但白楊河段烏魯木齊一側(cè)傷亡事故明顯偏多，事故類型以追尾居多，如圖2所示。

圖2 事故調(diào)查數(shù)據(jù)及分布

處于白楊河段的車輛在上坡時(shí)，由于小車與大車之間存在很大的速度差，易發(fā)生小車追尾大車的惡性事故；下坡時(shí)，大車頻繁剎車，易導(dǎo)致剎車片過熱，制動失效，長陡下坡路段失控的大車對道路上其他車輛的安全會造成嚴(yán)重的威脅。另外，南泉子收費(fèi)站距離該點(diǎn)位較近，車輛排隊(duì)擁堵也是該段道路事故多發(fā)的原因。

(3) 運(yùn)營管理及各單位意見

① 路政與交警部門：由于路段附近有南泉子水庫和白楊河水庫，冬季易出現(xiàn)團(tuán)霧和黑冰，影響車輛運(yùn)行安全。另外，車輛爬坡時(shí)，車輛降速較多，尤其是大貨車，運(yùn)行速度降至40 km/h以下，爬坡困難，冬季路面結(jié)冰時(shí)重型車輛甚至無法正常運(yùn)行停在路邊。下坡時(shí)易發(fā)生剎車?yán)щy造成追尾事故，現(xiàn)已按80 km/h限速運(yùn)行。

② 地方公路局：本項(xiàng)目防洪評價(jià)中，有4處排洪涵洞以及2處橋梁，排洪能力不足。

③ 高速公路管養(yǎng)部門：大黃山服務(wù)區(qū)左、右側(cè)廣場僅有一座人行天橋溝通，車輛溝通需繞行約20 km，公路養(yǎng)護(hù)和搶險(xiǎn)較為不便。

④ 地方交通局：上戶溝互通被交路為X132，主線下穿，X132上縱坡較大，坡底事故頻發(fā)。

2.4.2 道路現(xiàn)狀技術(shù)性問題

(1) 路線技術(shù)性問題

路線技術(shù)性問題如表4所示。

表4 路線技術(shù)性問題

(2) 路基路面檢測結(jié)論

① 大烏方向、烏大方向行車道路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI分別為54和57，路面行車道代表彎沉平均值為50.8和50.9(0.01 mm)。

② 依據(jù)《公路技術(shù)評定標(biāo)準(zhǔn)》，路面無明顯車轍。

③ 路面病害主要類型為橫向裂縫、縱向裂縫、塊裂及龜裂，同時(shí)存在坑槽及修補(bǔ)等病害。

④ 瀝青路面的主要病害占總病害折算面積：橫縫54.56%，塊狀裂縫21.12%，龜裂16.29%，縱縫7.60%。 依據(jù)《公路技術(shù)評定標(biāo)準(zhǔn)》，從路面破損現(xiàn)狀來看，烏大方向PCI總平均值為82.13，大烏方向?yàn)?1.50，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對其評價(jià)為良。

⑤ 通過對雷達(dá)檢測結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)一步探明沿線路面內(nèi)部層間結(jié)合及松散情況，結(jié)合路面性能檢測，為路面改造方案選擇及段落劃分提供依據(jù)。

⑥ 烏大方向共64處取芯，大烏方向共64處取芯。所取芯樣的大部分路段面層與基層無粘結(jié)，基層表面松散，路面厚度變化明顯，控制較差。由于老路分期修建時(shí)路面結(jié)構(gòu)厚度不同，期間經(jīng)過多次大中修，從取芯結(jié)果來看，瀝青面層厚度差別較大。

⑦ 路基檢測：

共布置18個(gè)坑探，其中路基病害處布置16個(gè)，路基正常段布置2個(gè)，上、下行方向各9個(gè)探坑，按照單向6公里一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行，探坑尺寸約為80 cm×80 cm。

探坑表明，路表裂縫基本都貫穿面層，大部分基層強(qiáng)度較好，底基層為天然砂礫，含有較多大粒徑卵石，部分粒徑甚至超過20 cm，較為松散、潮濕。路床填料主要為天然砂礫，部分含有較多大粒徑卵石。

壓實(shí)度方面，上行方向路床壓實(shí)度平均值為95.8%，下行方向路床壓實(shí)度平均值為95.6%，略小于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)中對路床范圍壓實(shí)度要求不小于96%的要求。

(3) 橋梁檢測結(jié)論

本項(xiàng)目共包括橋梁32座、涵洞127座。鑒于左右幅橋梁的建造年代差異，左右雙線采取分開評定的方式。

左幅橋梁：二類橋7座，三類橋22座，四類橋2座；右幅橋梁：二類橋2座、三類橋28座、四類橋1座。

(4) 涵洞檢測結(jié)論

左幅涵洞：73座較好，46座較差；

右幅涵洞：64座較好，58座較差。

3 改造方案研究

3.1 道路現(xiàn)狀安全性問題改造方案

3.1.1 白楊河段安全性問題改造方案

根據(jù)運(yùn)營速度檢驗(yàn)、事故調(diào)查、地方政府及管理部門意見，以及縱斷面技術(shù)指標(biāo)分析，白楊河兩側(cè)總長約10 km的段落存在一定問題，需進(jìn)行改造。設(shè)計(jì)中提出了4種方案進(jìn)行定性和定量分析比選，如表5所示。

表5 白楊河段比選方案

(1) 方案定性比較

首先對各比選方案進(jìn)行定性分析比較，比較情況如表6所示。

(2) 各方案定量比較及結(jié)論

對各比選方案進(jìn)行同深度定量比選，比選結(jié)果表7所示。

表6 各比選方案定性分析

表7 各方案工程規(guī)模比較

由比選可知，K線建安費(fèi)加交通組織的費(fèi)用最高，比最低的A3方案高9 019.8萬元；A1線改線后南泉子河橋梁規(guī)模較小，費(fèi)用較低，但仍比A3方案高3 623.9萬元，且A1存在現(xiàn)有老路利用困難的問題； A2方案為上下行分離方案，存在上下行路線包圍區(qū)域內(nèi)的約3 700畝土地利用困難的問題。

相比之下A3線利用了現(xiàn)有老路走廊，僅對坡長超規(guī)范情況進(jìn)行了調(diào)整，最大縱坡采用了4%，符合《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中“設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h、100 km/h、80 km/h的高速公路受地形條件及其他特殊情況限制時(shí)，經(jīng)技術(shù)論證，最大縱坡可增加1%”的要求。

綜上所述，本次設(shè)計(jì)擬利用建設(shè)費(fèi)用最低的A3線方案作為推薦方案。

3.1.2 其他安全性問題改造方案

通過溝通及必要的方案比選，確定了其他安全性問題改造方案，如表8所示。

表8 其他安全性問題改造方案

3.2 道路現(xiàn)狀技術(shù)性問題改造方案

3.2.1 路線技術(shù)性問題改造方案

路線技術(shù)性問題改造方案如表9所示。

表9 路線技術(shù)性問題改造方案

3.2.2 路基路面改造方案

(1) 主線路基填土高度結(jié)合既有公路縱斷面、既有構(gòu)造物分布及改造方案、路面改造方案確定。新建路基在滿足洪水位要求前提下，填土高度宜大于路面厚度與路床厚度之和。

(2) 結(jié)合既有公路邊坡DCP測試，拼接路基前，在保證路基穩(wěn)定的前提下清除既有公路邊坡圬工等，削坡厚度按30 cm計(jì)。

(3) 本項(xiàng)目根據(jù)交通量組成特點(diǎn)，在交通運(yùn)行組織上實(shí)行客貨分車道運(yùn)營管理，路面設(shè)計(jì)將原有道路的第1、2車道按小型車、中型車進(jìn)行設(shè)計(jì)劃分，擴(kuò)建的第3、4車道按大貨車、拖掛車進(jìn)行設(shè)計(jì)劃分。這樣既實(shí)現(xiàn)了原路面的充分利用，又保證了新建路面的耐久性，使新老路面耐久性保持一致性。因此，項(xiàng)目采用分車道設(shè)計(jì)的累計(jì)軸載和設(shè)計(jì)彎沉。

(4) 對舊瀝青路面再生利用進(jìn)行專題研究，根據(jù)專題審查意見，不對舊瀝青路面銑刨進(jìn)行再生處理，將銑刨料用于路基填料。

3.2.3 橋梁改造方案

對于路線調(diào)整段無法滿足線形要求的，考慮拆除新建方案；對于互通及支線上跨橋梁均不滿足拓寬后凈跨要求的，采用拆除新建方案；對于承載能力極限狀態(tài)正截面抗彎強(qiáng)度超限較多的6 m和8 m橋梁，考慮采取上部結(jié)構(gòu)更換、下部結(jié)構(gòu)拼寬的方案。

3.2.4 涵洞改造方案

涵洞上部結(jié)構(gòu)總體較差，下部結(jié)構(gòu)總體良好。通過計(jì)算，明涵拼寬后既有涵洞承載能力不足，擬采用對既有涵洞上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行更換，下部結(jié)構(gòu)維修利用、兩側(cè)拼寬的方案；暗涵擬采用對既有涵洞維修利用、兩側(cè)拼寬的方案。

4 小結(jié)

論文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對典型的低等級公路改擴(kuò)建高速公路的設(shè)計(jì)理念、改造方案進(jìn)行了探討；總結(jié)高精度激光掃描測量技術(shù)在改擴(kuò)建項(xiàng)目中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；提出基于運(yùn)行速度檢驗(yàn)、事故調(diào)查分析、意見調(diào)查研究的運(yùn)營安全性評價(jià)方法，以及清單篩查法和試驗(yàn)檢測相結(jié)合的公路技術(shù)狀況評價(jià)方法；梳理項(xiàng)目中長直線、緩和曲線、平包豎、大縱坡、事故點(diǎn)等具體問題，研究路基路面改造、橋涵改造利用原則等重難點(diǎn)問題；最后結(jié)合評價(jià)結(jié)果分析問題原因并提出解決方案，以便類似改擴(kuò)建項(xiàng)目借鑒。