基于改擴容高速公路超高方式探究

倪小軍， 白秀銀

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041；2.成都理工大學，四川 成都 610059)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，路網(wǎng)的進一步完善，汽車保有量持續(xù)增長，交通需求越來越大，早期修建的高速公路服務水平降低，改擴容高速公路項目需求越來越多，是當前和今后的主要任務之一。

改擴容方案設(shè)計中，如何充分利用既有道路，減少工程浪費，施工中車輛如何保通、路面施工技術(shù)方案確定、構(gòu)造物的鋪裝等是其特有的技術(shù)問題，而其中超高路段的擬合又受到超高方式的影響和制約。現(xiàn)行規(guī)范中并未對超高方式做統(tǒng)一明確的規(guī)定。該文在對常規(guī)超高方式分析的基礎(chǔ)上，首先通過安全性評價，在滿足其前提條件下，提出適用于改擴容高速公路的超高方式。

1 完全超高值的確定

為抵消車輛在曲線路段上行駛時所產(chǎn)生的離心力，而將路面做成外側(cè)高于內(nèi)側(cè)的單向坡度值，在高速公路中，圓曲線段所對應的路面坡度值，稱作完全超高值，取值要和半徑及行車速度相匹配，大小決定了單圓曲線段車輛行駛的穩(wěn)定性和安全性，因此，如何在不同半徑條件下合理選用完全超高值，對路線方案起著制約作用。

1.1 常規(guī)方式

根據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》表7-1圓曲線半徑與超高值建議值，查取不同速度、不同半徑以及最大超高值下所對應的全超高值。

1.2 擴容高速公路

就擴容高速公路來說，擴容前按原標準(JTJ 001—97《公路工程技術(shù)標準》)運營多年，按當時的車輛構(gòu)成和相關(guān)規(guī)范采用的全超高值與現(xiàn)行JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標準》建議值不完全相同，如果均按現(xiàn)有建議值取用，擴容段工程規(guī)模相對增大，幾乎所有曲線段均會調(diào)整相應橫披。該文依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，采用運行速度對既有道路全超高值進行安全性驗算[式(1)]，如符合安全運行要求，則沿用原有全超高值，若不滿足要求，則調(diào)整全超高值至滿足安全運行的要求。

(1)

式中：i為路拱橫坡(%)；V85為運行速度計算值(km/h)；R為運行速度要求的曲線半徑(m)；μ為橫向力系數(shù)。對應參數(shù)可根據(jù)表1查得。

表1 V85與μ對應關(guān)系

1.3 案例分析

以某擴容項目部分路段(一般情況路段)為例進行分析(表2)，設(shè)計速度100 km/h，最大超高值8%。

由表2可知：運行速度按120 km/h驗算，其結(jié)果原全超高值所要求的曲線半徑均小于原路半徑，表明滿足安全舒適行車條件，而現(xiàn)行路線規(guī)范建議值部分與原全超值不一致(如JD2、JD5)，但也滿足安全條件。

基于此，在擴建高速公路中，就全超高值的選用而言，首先對原半徑對應采用的全超高值進行行車安全性、舒適性驗算，如滿足相應指標，則采用既有全超高值，否者再進行調(diào)整，以達到對原路橫坡最小化的調(diào)整，避免橋隧構(gòu)造物橫坡調(diào)整，降低路面施工難度。

表2 案例路段基本信息

2 超高漸變段長度

從行車舒適性、視覺安全性以及路面排水等方面綜合考慮，現(xiàn)行公路相關(guān)規(guī)范中規(guī)定高等級公路中路線在由直線段的雙向路拱到單圓曲線的單向橫坡之間必須設(shè)置超高漸變段，超高漸變段應在回旋曲線范圍內(nèi)完成，即超高漸變段長度不小于回旋曲線長度。而從節(jié)省工程方案、線形組合考慮的實際路線方案中，緩和曲線長度一般大于超高過渡段長度。

2.1 常規(guī)方式

根據(jù)規(guī)范中規(guī)定的不同設(shè)計速度下最大超高漸變率和利于排水的最小漸變率分別計算超高漸變段長度，即：

(2)

式中：Lc為超高漸變段長度(m)；Δi為超高橫坡(全超高值)與路拱橫坡代數(shù)差(%)；B為超高旋轉(zhuǎn)軸至路緣帶外側(cè)邊緣距離(m)；P為超高漸變率。

根據(jù)計算的Lc范圍值，結(jié)合平縱線形組合，在其中選用一個相對合理的漸變段長度。以V=120 km/h，路基寬度34.5 m為例，P=1/330～1/200，計算結(jié)果如表3所示。

2.2 擴容高速公路

為了做好橫斷面擬合設(shè)計，合理的超高漸變確定可以提高既有超高段橫斷面擬合精度，最大限度利用原有道路路面層，減少路面由于厚度不均而帶來的施工難度。因此滿足擴建后的高速公路寬度及超高漸變率要求，超高漸變段長度會在原來基礎(chǔ)上做相應調(diào)整。調(diào)整后長度及起止范圍一般由曲線段內(nèi)構(gòu)造物所處位置制約，該文建議按以下3種方式來處理：

表3 超高值與超高過渡段取值范圍

(1) 超高漸變率不變

若受控構(gòu)造物位于超高緩和段，首先核查既有道路超高漸變率是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，若滿足要求，可保持原超高漸變率不變，增大漸變段長度，減短圓曲線長度。其漸變段的調(diào)整主要通過非控制的路基段落來完成，減少施工難度。

(2) 全超值不變

若受控構(gòu)造物位于全超高段，首先通過運行速度核算全超高值是否滿足安全運營的要求，若不滿足，則需要結(jié)合漸變段長度調(diào)整，否則保證全超高段不變，在最大和最小漸變率所屬范圍內(nèi)適當選取漸變率，減少路面的開挖或鋪裝。

(3) 漸變率及全超高值均做調(diào)整

若構(gòu)造物位于漸變段和全超高段，需要結(jié)合構(gòu)造物調(diào)整超高橫坡的難易程度，結(jié)合上述安全驗算方法，在許可的范圍試算選用全超高值及超高漸變率，從而確定該擴容路段的超高漸變段長度及起止位置。

3 超高漸變方式

現(xiàn)行《規(guī)范》(JTG D20—2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》)規(guī)定超高過渡段應在回旋線全長范圍內(nèi)完成，從線元構(gòu)成來看：高速公路圓曲線半徑一般較大，而回旋線長度隨圓曲線半徑增大而增長，導致回旋線長度一般大于超高過渡段長度，基于該文前述的全超高值和超高漸變段的選用，超高漸變方式有不同的選擇?？紤]車輛行駛舒適性、雨季防滑風險性及超高漸變與曲線變化協(xié)調(diào)性，漸變段起于曲率半徑不小于不設(shè)超高的最小半徑所對應的位置，在緩圓點(或圓緩點)完成，并等于全超高值。如圖1所示。

3.1 線性超高

線性漸變計算簡便，在各等級公路中應用普遍，其超高漸變率是恒定不變的。就該文所論及的改擴建高速公路而言，原雙向四車道高速公路根據(jù)當時的規(guī)范及交通構(gòu)成，超高所需B值(符號意義同上)一般均考慮了硬路肩寬度，而擴建后的高速公路由于漸變段長度增加，當圓曲線半徑接近一般最小值時，超高漸變段長度往往直接控制緩和曲線長度，影響和制約平面設(shè)計，加之從施工難度可行性考慮，盡量減少增加的漸變段長度，因此，B值取用一般未考慮右側(cè)硬路肩寬度。單幅雙車道邊緣(含路緣帶)寬度在單向四車道對應位置漸變率P′=P×B/B′。以目前規(guī)范提出最大設(shè)計速度120 km/h為例(P=1/175)，B=0.75+3.75×2+2.5=10.5 m，B′=0.75+3.75×4+0.75=16.5 m，P′=1/175×10.5/16.5=1/275>1/330。由此可見，采用線性漸變的超高方式滿足排水要求。根據(jù)上述公式推算，若B′>19.8 m(即十車道及以上)，則漸變率不滿足最小排水要求，存在安全隱患，為此結(jié)合已有文獻，如何改善路面排水條件，首先考慮減小超高過渡段長度、加大超高漸變率或增大主線縱坡(可改善合成坡度外)，當主線縱坡無法增大到至少0.5%時，可在多車道行車道中間增設(shè)路拱線，但這將導致部分車道為反超高形式，從而有可能產(chǎn)生側(cè)滑、翻車等不確定因素，需加強安全設(shè)施。

圖1 超高漸變方式示意圖

3.2 三次拋物線超高

三次拋物線超高漸變有其自身的特點。與線性漸變不同的是：① 超高漸變率是變化的，最小點在起終位置，最大點在漸變段中點；② 當三次拋物線與線性漸變率一致時，前者所需的漸變段長度較后者大；③ 三次拋物線漸變率連續(xù)，而線性漸變由于附加坡度的存在，在起終點會出現(xiàn)折線式突變，行車舒適性不及前者高，因此在高速公路擴容后，社會使用要求更高，舒適性是必需考慮的因素之一。若多車道高速公路考慮排水而增設(shè)路拱線，此時采用線性超高漸變，超高漸變率將存在多個突變點。為解決上述問題，拋物線超高方式的采用是比較理性的。具體方式如圖2和式(3)所示。

(3)

式中：L為緩和段長度(m)；l為曲線上任意一點到超高起點距離(m);h為距離為l處的超高值；H為總超高值(m)。

圖2 兩種漸變方式比較

3.3 分析

根據(jù)上述線性和三次拋物線超高漸變方式比較可知：在漸變段中點兩者高程值一致；前半段線性漸變高程值大于拋物線漸變高程值；后半段線性超高小于拋物線漸變的高程值。據(jù)此該文建議：在前半段的超高中，如不涉及橋梁，則需要挖除既有路面，挖除高度只要不影響水穩(wěn)層，結(jié)構(gòu)受力不變，優(yōu)先考慮線性超高方式；后半段超高，原路面標高抬升，如涉及橋梁構(gòu)造物，考慮頂升方案，只要凈空不受制約，考慮采用拋物線超高方式。這樣工程規(guī)模更節(jié)省，施工保通更容易。

4 運行效果分析

某改擴建項目(速度由80 km/h提速到120 km/h)，采用該文的超高方式，對其結(jié)果進行運行效果分析。

4.1 超高值評價

對某案例路段的超高檢算結(jié)果見表4。

由表4可以看出：圓曲線橫向力系數(shù)均滿足運行速度下臨界橫向力系數(shù)的要求，可滿足司乘人員舒適性的要求。

4.2 超高過渡段協(xié)調(diào)性

擴建項目由于路基寬度增加，超高過渡段長度會相應增長，超高過渡段一般在全緩和曲線內(nèi)進行，由此需要對回旋線進行協(xié)調(diào)性檢查。經(jīng)過驗算，符合JTG D20—2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，表明回旋線參數(shù)與圓曲線相協(xié)調(diào)，滿足視距要求。

表4 超高檢驗結(jié)果

4.3 運行速度協(xié)調(diào)性

運行速度如圖3所示。

圖3 運行速度圖

從圖3可看出：運行速度基本為112～120 km/h，相鄰路段運行速度差最大值為8 km/h，速度梯度的絕對值最大為2.67 km/(h·100 m)，表明運行速度協(xié)調(diào)性好。

5 結(jié)論

該文就改擴容高速公路分析了常規(guī)超高漸變方式的利與弊，在滿足安全性評價結(jié)論的基礎(chǔ)上，從提高行車舒適性、安全性、利于排水、最大限度利用橫坡，減少工程規(guī)?？紤]，提出了針對不同的曲線組成、控制構(gòu)造物所處位置而采用不同的超高方式，以實體工程案例對運行效果進行分析，表明不管是舒適性、還是協(xié)調(diào)性均滿足要求?？刹捎靡韵略瓌t確定超高方式：

(1) 在擴建高速公路中，就全超值的選用而言，首先對原半徑對應采用的全超值就行車安全舒適性驗算，如滿足安全性評價指標，則采用既有全超高值，否則進行調(diào)整至滿足安全的最大超高值，以達到對原路橫坡最小化的調(diào)整，避免橋隧構(gòu)造物橫坡調(diào)整，有利于保通，降低路面施工難度。

(2) 由于擴建后的高速公路寬度增加，超高漸變段長度較原來有所增長，該文根據(jù)控制性因素所在位置，通過單獨調(diào)整漸變率、全超高值或兩者均調(diào)整的靈活應用來確定超高漸變段。

(3) 通過分析線性漸變和三次拋物線漸變方式的優(yōu)缺點，提出改擴建高速公路在不同條件下使用的超高漸變方式。