淺析既有高速公路平面線形擬合設(shè)計(jì)

袁大偉

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

當(dāng)前中國(guó)人均汽車保有量不斷增加，給高速公路的運(yùn)行增加了負(fù)擔(dān)。很多建設(shè)年代相對(duì)較早的高速公路都出現(xiàn)了或多或少的沉降，影響了高速公路的平整度，造成了安全隱患。在高速公路養(yǎng)護(hù)大修工程中，路面平整度是一項(xiàng)至關(guān)重要的控制標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)某些沉降變化較大的路段進(jìn)行調(diào)坡，而既有公路平面線形的擬合是進(jìn)行調(diào)坡的先決條件。本文結(jié)合實(shí)際工程，探討了采用緯地道路設(shè)計(jì)軟件對(duì)既有高速公路平面線形擬合的相關(guān)規(guī)則及方法[1-4]。

1 高速公路養(yǎng)護(hù)大修工程前期測(cè)量

某高速公路的設(shè)計(jì)行車速度為100 km·h-1，設(shè)置雙向四車道，原設(shè)計(jì)橫坡為2%。由于高速公路所在地區(qū)軟弱基層較厚，造成了該高速公路的一些路段在運(yùn)行多年后產(chǎn)生了大幅沉降，致使路面出現(xiàn)縱向裂縫、橫向裂縫、龜裂、坑槽等病害，嚴(yán)重影響了該高速公路的平整度，給公路行車安全埋下了隱患。綜上，考慮到該高速公路的現(xiàn)狀及運(yùn)行安全，需要對(duì)沉降路段進(jìn)行大修，使公路線形平順，確保運(yùn)行安全。由于該高速公路施工年代較早，原有的公路設(shè)計(jì)資料已經(jīng)與實(shí)際情況不符，因此，在大修前需要對(duì)既有路面進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，收集高程及坐標(biāo)數(shù)據(jù)。該養(yǎng)護(hù)大修工程前期測(cè)量采用GPS測(cè)量工具；為了保證后期擬合的準(zhǔn)確性，測(cè)量路段起、終點(diǎn)都要位于直線上，每隔2.5 m一個(gè)斷面，每個(gè)斷面在路緣帶邊緣、超車道邊緣、硬路肩邊緣取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)位。對(duì)既有路面進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量，斷面測(cè)量點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 路面橫斷面測(cè)量點(diǎn)位

2 測(cè)量數(shù)據(jù)整理

通過GPS測(cè)量工具獲得公路平面線形，由于該高速公路中分帶有綠植，直接測(cè)量中樁坐標(biāo)不切實(shí)際，因此在中分帶兩側(cè)路緣帶邊線進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量。如何利用測(cè)得的數(shù)據(jù)獲得平面線形的參數(shù)，是線形擬合過程中的一大難點(diǎn)，尤其是該高速公路的某些段落路面已經(jīng)發(fā)生大幅沉降，實(shí)際線形與原設(shè)計(jì)已有差別。結(jié)合工程特點(diǎn)及測(cè)量數(shù)據(jù)收集方法，設(shè)計(jì)師采用間接法獲得路線中樁位置的數(shù)據(jù)，將路緣帶邊緣測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD中，在整體式路基段落用直線將左右相近的2個(gè)路緣帶測(cè)量點(diǎn)連接，最后連接直線中點(diǎn)，即為該段落中樁位置。對(duì)于分離式路基段落，將測(cè)量點(diǎn)依次連接，然后將線形偏離路緣帶及半條中分帶的寬度，即為該段落中樁位置。最后將中樁位置線形順連，勾畫出中樁平面線形的大致走向，為后期采用緯地道路設(shè)計(jì)軟件擬合平面線提供詳細(xì)、可靠的基礎(chǔ)資料，如圖2所示。

圖2 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

3 緯地道路設(shè)計(jì)軟件擬合平面線形

公路平面線形主要由直線、圓曲線、緩和曲線3種線性要素組成?！豆仿肪€設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20—2017)規(guī)定，圓曲線最大半徑值不宜超過10 000 m，因此在擬合過程中，當(dāng)曲率к=1/R≤0.000 1 m-1時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)曲線上的點(diǎn)位于直線上。設(shè)計(jì)速度為100 km·h-1，當(dāng)圓曲線半徑小于4 000 m時(shí)，直線與圓曲線相連時(shí)應(yīng)設(shè)置緩和曲線過渡，且緩和曲線的最小長(zhǎng)度為85 m。

平面線擬合的關(guān)鍵在于確定交點(diǎn)。本工程采用直線相交法找到交點(diǎn)，即在數(shù)據(jù)處理后的CAD圖中找到圓曲線兩邊曲率小于0.000 1 m-1的直線段，再將兩邊直線延長(zhǎng)相交，即為此處交點(diǎn)。采用緯地道路設(shè)計(jì)軟件擬合平面線形具有很強(qiáng)的主觀性，在擬合過程中需要不斷地試算、修改，對(duì)設(shè)計(jì)人員的業(yè)務(wù)能力要求也高。JTG D20—2017規(guī)定緩和曲線、圓曲線、緩和曲線的長(zhǎng)度宜大致接近，因此，本工程采用三分法大致確定直緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)、曲中點(diǎn)、圓緩點(diǎn)、緩直點(diǎn)曲線要素點(diǎn)位置，即確定圓曲線范圍，將它等分為3份。三分法有效地避免了軟件擬合中的主觀盲目性，極大地減少了試算次數(shù)，使得擬合操作過程簡(jiǎn)單易行，如圖3所示。

圖3 三分法確定曲線要素點(diǎn)

本工程采用緯地道路設(shè)計(jì)軟件中的交點(diǎn)設(shè)計(jì)法擬合公路平面線形，即將1段圓曲線和前后2段緩和曲線放在一起，作為交點(diǎn)曲線的基本組合，其中前部緩和曲線和后部緩和曲線既可以分別設(shè)置不同的長(zhǎng)度及曲率半徑過渡，也可以不設(shè)置，并且可以將相鄰交點(diǎn)曲線組合起來。正是由于這樣的組合，交點(diǎn)設(shè)計(jì)法可以用于公路主線各種線形組合的設(shè)計(jì)或者擬合，如對(duì)稱與非對(duì)稱、S形、凸形、卵形、C形以及回頭曲線的設(shè)計(jì)。

根據(jù)大致確定的曲線要素點(diǎn)，初步得出圓曲線半徑、兩邊緩和曲線的長(zhǎng)度。緯地道路設(shè)計(jì)軟件提供了常規(guī)通用計(jì)算方式、單圓曲線的切線反算方式、對(duì)稱曲線的切線反算方式等11種交點(diǎn)法曲線設(shè)計(jì)計(jì)算方式。本工程采用最常用的S1+Rc+S2模式，即前緩和曲線長(zhǎng)度+圓曲線半徑+后緩和曲線長(zhǎng)度。首先繪出此處曲線的大致走向，然后對(duì)比測(cè)量點(diǎn)位置，調(diào)整S1、Rc、S2的長(zhǎng)度，直到圓曲線與測(cè)量點(diǎn)位置基本重合為止。但根據(jù)JTG D20—2017的規(guī)定，緩和曲線參數(shù)A1∶A2不應(yīng)大于2，且緩和曲線參數(shù)取值宜在R/3～R范圍內(nèi)，如圖4所示。

圖4 緯地道路設(shè)計(jì)軟件操作界面

在常規(guī)S1+Rc+S2模式下，任意的交點(diǎn)曲線組合都可以根據(jù)實(shí)際需要，輸入各種曲線控制參數(shù)完成，即通過輸入前端緩和曲線的長(zhǎng)度、前端緩和曲線起點(diǎn)曲率半徑、中間圓曲線的半徑、后端緩和曲線的長(zhǎng)度、后端緩和曲線終點(diǎn)曲率半徑等數(shù)據(jù)，程序會(huì)自動(dòng)判斷本處交點(diǎn)曲線組合的類型，并完成該交點(diǎn)處曲線的計(jì)算設(shè)置與平面標(biāo)注繪圖。例如：本工程交點(diǎn)1處擬合時(shí)，在軟件中輸入S1=200 m、R0=9 999 m(代表半徑無窮大)、Rc=1 750 m、S2=200 m、RD=9 999 m時(shí)，程序?qū)?huì)判斷本交點(diǎn)的曲線組合為前端及后端帶有長(zhǎng)度為200 m的緩和曲線，中間設(shè)有半徑為1 750 m的圓曲線，前端緩和曲線曲率半徑由無窮大過渡到1 750 m，后端緩和曲線曲率半徑由1 750 m過渡到無窮大。前端緩和曲線參數(shù)A1=(RcS1)-1/2=(1 750×200)-1/2=591.608，后端緩和曲線參數(shù)A2=(RcS2)-1/2=(1 750×200)-1/2=591.608，滿足A1∶A2不大于2且A1、A2取值在Rc/3～Rc范圍內(nèi)的要求。

4 擬合平面線形檢查

擬合的平面線形需要重點(diǎn)檢查圓曲線段落超高設(shè)置及緩和曲線長(zhǎng)度。JTG D20—2017規(guī)定，設(shè)計(jì)速度為100 km·h-1時(shí)，若圓曲線半徑不小于4 000 m，可不設(shè)置超高，正常設(shè)置橫坡；緩和曲線長(zhǎng)度不應(yīng)小于超高過渡段長(zhǎng)度，且不小于JTG D20—2017規(guī)定的長(zhǎng)度最小值。因此，該工程平面線擬合后，設(shè)計(jì)師采用對(duì)比法，即根據(jù)圓曲線段落實(shí)測(cè)橫斷面高程算出實(shí)際橫坡值，然后根據(jù)實(shí)際橫坡值確定該段落是否存在超高設(shè)置，判斷該圓曲線段落擬合數(shù)據(jù)是否符合實(shí)際。如果圓曲線段落確實(shí)設(shè)置了超高，設(shè)計(jì)師需根據(jù)實(shí)際橫坡確定該段落橫坡過渡值，然后結(jié)合JTG D20—2017規(guī)定的超高漸變率，算出超高過渡段長(zhǎng)度，再對(duì)比擬合數(shù)據(jù)，判斷該段落緩和曲線長(zhǎng)度是否滿足超高過渡要求。

5 結(jié) 語

結(jié)合實(shí)際工程討論了在高速公路養(yǎng)護(hù)大修中，采用緯地道路設(shè)計(jì)軟件擬合既有路面平面線形的方法及原則。前期測(cè)量數(shù)據(jù)決定了后期擬合線形的準(zhǔn)確性。本工程測(cè)量段落起、終點(diǎn)均位于直線上，現(xiàn)場(chǎng)所選斷面測(cè)點(diǎn)均容易標(biāo)記，測(cè)量斷面間距密集，易于勾畫出路線的實(shí)際走向。詳細(xì)、有效的測(cè)量數(shù)據(jù)處理對(duì)于線形擬合至關(guān)重要，本工程采用間接法獲得中樁點(diǎn)位置，并勾畫出中樁大致走向的測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法，給后期線形擬合過程提供了詳細(xì)及客觀的基礎(chǔ)資料。

在路線擬合過程中，本工程采用三分法大致確定曲線要素點(diǎn)位置，避免了采用軟件擬合的主觀盲目性，極大地減少了試算次數(shù)，使得操作簡(jiǎn)單易行。使用緯地道路設(shè)計(jì)軟件擬合線形，系統(tǒng)可以直接輸出線形的各種曲線要素，極大地減少擬合后的線形數(shù)據(jù)編輯整理工作量，后期數(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生的誤差也得到了改善。擬合的線形需要重點(diǎn)檢查圓曲線段落的超高設(shè)置及緩和曲線長(zhǎng)度。本工程采用對(duì)比法，結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和JTG D20—2017有關(guān)規(guī)定，判斷擬合線形是否與公路實(shí)際橫坡變化保持一致。