公路改建的线形设计方法与工程应用

周斌华，杨建明，李 明，李子龙，何 建，易灵芝

（1.衡阳市公路管理局，湖南 衡阳 421001；2.南华大学 城市建设学院，湖南 衡阳 421001）

截止2010年底，中国已建成通车的公路总里程达到3.984×106km，其中：高速公路通车里程达7.4×104km，农村公路（县、乡、村）通车里程达到3.45×106km.随着经济和交通事业的发展，原有的低等级公路已不适应发展的需要，甚至成为制约社会经济发展的因素.而旧路因当时经济和地理条件的限制，公路线形大多随地形变化极不规划，技术标准较低，并且使用年限较长，公路路面破坏严重，因此需要对旧路进行提质改造，以适应当前的交通需求.同时，在公路运营过程中，部分公路路段出现城镇化，公路两侧修建了大量的建筑物和商业设施，局部经常性产生交通阻塞，因此对旧路进行改建提质势在必行.

1 公路改建线形设计优化方法

1.1 旧路线形拟合技术

公路改建过程中，应尽量利用原有旧路，以减少房屋拆迁，降低公路改建成本，采用旧路线形拟合技术进行公路线形设计.

旧路线形拟合技术即利用旧路测量资料（公路中心线的X，Y坐标和高程），以桥涵构造物和隧道等为控制要素，采用拟合方法（如：最小二乘法和B样条函数等）来拟合旧公路线形，获得旧路线形数据，并利用公路路线设计软件（如：Hint－CAD和CARD／1等）进行优化的设计方法.在公路改建线形设计过程中，旧路线形拟合技术得到了广泛的应用［1－5］.旧路测量资料可采用3种方法获取：①利用全站仪或经纬仪与水准仪来获取旧路中线点X，Y坐标及高程数据；②利用RTK技术采集旧路中线数据，采集内容包括旧路中线点X，Y坐标及高程数据［1］；③ 直接从地形图上获取旧路中线点X，Y坐标及高程数据.

1.2 城镇化改线设计方法

公路在运营过程中，由于某些历史原因，造成局部路段城镇化，公路两侧出现许多商店或其他设施，严重影响了公路的正常运营，因此，在公路改建过程中，通过原路改建或绕行的方式，可以解决旧路城镇化问题［6］.

1）原路改建设计方法

当改建公路交通量较小且旧路预留断面满足改建要求、或改建道路等级与旧路相同时，可通过加宽道路路基、完善排水系统和交通安全设施来满足行车需要.

当改建公路交通量较大、原有断面无法满足交通量的需求时，采取的途径有：①通过拆迁，拓宽现有道路.②当现有道路拆迁造价高且横向干扰较大时，可架设高架桥快速通过城镇段，分流过境车流和街区车流.该方案解决较为彻底，但造价较高.

2）改建公路绕行设计方法

当改建公路交通量较大且原有断面不能满足需求、或旧公路线形达不到需求和旧公路路段规划为城镇区域时，可采用绕行，避开原有旧路城镇化路段.该绕行路段是新建的，路线线形设计相对简单，相应可以采取较高的线形指标，并且可为公路远期的规划设计提供基础.

1.3 公路局部改线设计方法

低等级公路改建为高等级公路，由于高等级公路线形设计指标较高，旧路线形较差，旧路拟合后的改建公路线形指标偏低，或根本不能满足公路改建后的公路等级需要，因此，需要根据具体地形条件情况，对公路路线采取裁弯取直的改线设计方案，从而使改建公路的线形指标满足要求.但公路改线后，可能造成征地拆迁量大，施工成本增加，则需进行多方案比选，并尽可能减少公路改线的成本，以选择合理的路线设计方案.

1.4 公路线形局部优化设计方法

在公路改建过程中，应尽量利用原有旧路，可以减少拆迁和征地的成本，节约土地资源.但原有旧路等级较低，旧路拟合设计后改建公路部分线形设计指标较差，达不到改建公路相应等级的设计要求，从而影响到改建公路的运营和行车安全如：小偏角、曲线间最小直线、未设缓和曲线及圆曲线半径过小问题［7－8］.因此，有必要对改建公路局部线形进行调整，从而达到改建公路相应等级的设计要求.

1）小偏角

改建公路平面线形设计时，经常遇到旧路小偏角问题.小偏角的危害性较大，常常给驾驶人产生视觉诱导错误，容易导致事故的发生.因此，工程设计中，尽量取消小偏角，实在无法回避小偏角时，应保证足够的平曲线长度［9］（见表1），并辅助设置相应的交通设施，以减少或消除小偏角问题的安全危害.

表1 公路转角≤7°时的平曲线长度Table 1 Horizontal curve length of equal to or less than 7°road corner

2）旧路未设缓和曲线

当圆曲线半径大于或等于不设超高的最小半径时，可不设缓和曲线［9］.旧路因等级较低，平曲线由单圆曲线组成，其半径能满足原规范要求，因此，未设缓和曲线.而改建公路等级相比旧路高原有曲线能满足最小半径要求，但小于不设缓和曲线的半径，不能满足新的规范要求，因此，公路改建时，需要增设缓和曲线部分.

3）曲线间最小直线

按规范［9］规定，同向曲线间直线长度宜大于6v，反向曲线间直线长度宜大于2v.旧路同向曲线及反向曲线因等级低而设计了较短的直线，且圆曲线未设缓和曲线.公路改建过程中，应尽量利用旧路，增设缓和曲线.当采用的直线长度不够或地形有困难时，可辅以绿化诱导驾驶人视线或采用交通设施提示.对于部分曲线间直线过短的同向曲线，可以采用C形曲线或卵形曲线设计；对于部分曲线间直线较短的反向曲线，可以采用反S形曲线设计.

4）平曲线最小半径

原有旧路圆曲线半径较小或存在暗弯等影响了行车安全，因此，从保障行车安全角度考虑，需要尽可能在暗弯处设置较大的平曲线半径.当无法设置较大圆曲线半径时，应结合路基边坡设计情况考虑开挖视距台.

5）适当布置交通设施

对于降低了设计指标的路段，即设计指标采用规范最小值以下指标的路段，宜与相邻路段一道进行运行速度校核.对于线形难以调整的特别困难地段，应通过加宽路面、增大超高、设置路面限速带及完善交通工程设施等办法予以弥补，并通过景观绿化和沿线设施等形成良好的视觉诱导系统.

2 工程实例

某公路在南岳辖区内长13.8km（K0＋000～K13＋800），其中10.2km（K0＋000～K9＋743.107南岳至西岭段）为旅游区内路段（起点的海拨高程103.8m，最高点K9＋703.001处标高722.3m）；衡山县辖区内长15.382km（K13＋800～XK29＋327.285）（K21＋300处标高101.56 m），其中K21＋300处前为越岭道路.该公路建成年代较早，道路蜿蜒崎岖顺山势而建，道路多为曲线线形，同向曲线、反向S曲线遍布全路段，局部山势较陡部位出现了连续回头曲线，道路标准较低.由于使用年代久远，道路路况较差，对道路交通安全造成较大影响.

该公路改建方案为：K0＋000～K9＋743.107为旅游区路段，设计速度20km／h，按四级公路设计，2车道，路面宽度7.50m；K9＋743.107～K21＋507.516段，越岭道路下坡段，设计速度20km／h，按三级公路设计，2车道，路面宽度7.50m；K21＋507.516～K29＋327.285段，地势较平坦，按三级公路设计，设计速度40km／h，2车道，路基宽度10m.

K0＋000～K9＋743.107为旅游区路段，因公路通过地段地形复杂，且公路通过的南岳旅游区地段，因保护景区，不能开挖，因此，该段采用旧路线形拟合技术设计，局部针对平曲线半径指标进行优化设计.

K9＋743.107～K21＋507.516段为越岭段按三级公路设计，因原来公路线形较差，部分曲线半径较低，设计方案首先采用旧路线形拟合技术设计，其次采用公路局部改线设计方法、增大圆曲线半径及优化公路回头曲线半径等设计方法进行优化设计.

K21＋507.516～K29＋327.285段为地势平坦地段，原公路线形相对较好，采用设计速度40km／h，采用旧路线形拟合技术尽量利用原有公路，减少拆迁量.在K23＋100处，旧路两侧修建大量民用和商业设施，并延伸进入东湖镇.公路改建难度很大，考虑到东湖镇的发展需要和规划，K23＋100～K26＋222.380段采用绕行改线设计方案.

2.1 旧路线形拟合技术设计

K0＋000～K9＋743.107为旅游区公路，为保护南岳旅游区资源，设计原则是沿旧路设计，局部优化公路线形指标.由于按四级公路进行设计，按规范要求，圆曲线径相相接或与直线相接，没有设置缓和曲线.如图1所示，改建公路沿旧路的中线布设，仅在局部圆曲线半径过小地段增大了圆曲线半径.

图1 旧路线形拟合设计Fig.1 Alignment fitting design of old road

2.2 公路局部改线设计

K18＋900～K19＋200处，旧路为回头曲线但回头曲线半径过小，回头曲线的长度不够，不能满足原四级公路的要求，汽车行驶相当困难.当按三级公路改建时，远远不能满足三级公路的要求，并且，受该处地形和房屋的限制，不可能布设符合三级公路要求的回头曲线，因此，将回头曲线修改设计为反S形曲线（如图2所示），线形指标满足三级公路的要求.

2.3 回头曲线的优化

K10＋500～K11＋900处，旧路回头曲线半径接近15m，刚好满足四级公路要求（见表2），现改建公路采用三级公路设计标准，按30km／h设计速度，回头曲线［9］的最小半径需达20m.如图3所示，通过回头曲线半径优化设计，该处回头曲线半径调整为25m，改善该回头曲线的线形指标.

图2 公路局部改线设计Fig.2 Local line design of highway

表2 回头曲线技术指标Table 2 Technology index of switch－back curve

图3 回头曲线优化设计Fig.3 Optimization design of switch－back curve

2.4 曲线线形优化

K18＋400～K18＋800处，交点JD244和JD245为两同向曲线（如图4所示），其中JD244圆曲线半径为70m，交点JD245圆曲线半径83 m，两者缓和曲线长度为25m，两同向曲线间直线长度70m，小于6v，达不到现行设计规范的要求，可采取措施：①将同向曲线线形组合修改为卵形曲线或C型曲线；②在曲线处，增加交通设施，提示前方存在同向曲线或增加公路轮廓标，提示驾驶人注意前方同向曲线.

2.5 城镇化地段改线绕行设计

K23＋100处，旧路两侧城镇化严重，并且前方为东湖镇，考虑到东湖镇的近、远期发展规划在K23＋100处采用公路改线绕行设计（如图5所示）.既解决了公路城镇化问题，又为东湖镇远期发展留下足够的空间.

图4 同向曲线线形优化Fig.4 Alignment optimization of adjacent curve in one direction

图5 城镇化地段改线绕行设计Fig.5 Alignment and bypass design of urbanization lot

3 结语

公路改建设计是非常复杂的系统工程，且改建公路比旧路设计等级高.既要尽量利用原有旧路，避免改建公路大挖大填、大量拆迁和征地，造成公路改建成本高；又要改建公路尽量采用较高的设计线形指标，以消除或减少公路运营时的安全隐患.因此，在公路改建过程中，应注意5个问题：

1）尽量利用旧路，采用旧路拟合技术，可以最大程度利用旧路，减少拆迁和征地成本，进而减少公路改建的成本.

2）低等级公路改建为等级较高的公路时，原有部分旧路的线形指标偏低，不能满足新改建公路设计要求，同时还会影响改建公路的行车安全，因此，针对线形较差的旧路地段，可以采取公路局部改线设计方法.

3）在运营过程中，往往公路两侧出现城镇化问题，采取公路绕行改线设计方法可以解决公路改建的城镇化问题.公路改建后，还有可能出现新城镇化问题，因此，必须确保公路法的执行，才能从根本上避免城镇化问题的产生.

4）针对旧路圆曲线半径过小或线形组合不理想的情况，在公路改建过程中，对圆曲线半径和线形进行优化设计.

5）公路改建过程中，部分路段线形指标较差，而公路改建可能造成施工成本过大或其他原因，可以通过增加交通设施或景观设计来改善公路的质量.

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