高速公路改扩建工程设计方案研究

蔡宁生

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530029)



高速公路改扩建工程设计方案研究

蔡宁生

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530029)

摘要：高速公路路线改扩建时必须考虑对原有桥梁及路基的有效利用并进一步提高道路通行能力。文章以某复杂路段的扩建工程为对象，通过交通事故分析，针对路线改扩建的平曲线、纵坡的线形优化及原有桥梁的利用等关键技术问题，提出了不同的改扩建设计方案并进行比选分析，确定了合适的路线方案与桥梁拓宽设计方案。

关键词：高速公路；改扩建；路线；桥梁；设计方案

0引言

我国20世纪八九十年代建成通车的高速公路现今都面临着改扩建以提升道路等级的问题，由于新旧路建设期间所采用的技术规范的差异，改扩建中旧路的线形指标达不到新规范要求的都要进行调整[1]。在满足规范要求的前提下，平曲线、纵坡调整需要考虑的因素众多，特别是调整路段中有大中型桥梁时，路线调整受桥面标高的影响较大，在保证交通不受影响的前提下，路线调整则成了改扩建工程设计中的关键和难点[2-4]。本文以广西沿海一高速公路扩

建工程为对象，在考虑桥梁标高及施工交通组织的基础上，研究了改扩建方式及线形优化，原有桥梁的利用与新拓宽拼接方式等关键技术问题，并提出相应的处理措施及方法。

1工程概况

广西沿海某高速公路1998年建成通车，10多年来随着经济的快速发展，交通量不断增长，本段高速公路通行压力不断加大，必须对原高速进行改扩建，以增强道路的通行能力。

项目改扩建分两期进行，总里程约88 km，投资约52亿元，道路设计时速为120 km/h，一期工程主线为旧路面为六车道水泥混凝土路面，路基宽为33.5 m；扩建时在原来有路基上两侧各加宽4.25 m，成为标准八车道的路面形式，路基宽度为42 m。

1.1原有公路平、纵面指标的采用情况

根据原施工图及竣工图资料，一期工程旧路全段最大圆曲线半径为8 868.259 m，最小圆曲线半径650 m，平曲线半径<5 500 m的圆曲线均设置了缓和曲线。缓和曲线最大长度为400 m，最小长度为190 m；最大直线长度为3 946.433 m，反向圆曲线间最小直线长度为352.714 m，同向圆曲线间最小直线长度为856.589 m；最小平曲线长度为410.37 m；小偏角曲线2处，最大纵坡3.9%。

本着节约土地，减少征地拆迁及有利于道路的维护和交通管理的基本原则，改建方案应充分利用现有工程，降低工程造价。

1.2改扩建路线平、纵面指标的采用情况

为了使改扩建后道路通行能力得到提高，必须合理选择改建方案。减少对现有道路交通的影响并利于项目的可持续发展是改建方案的重点，并提高行车安全。全段最大圆曲线半径为8 868.259 m，最小圆曲线半径为1 000 m，最短缓和曲线长220 m。纵面线形设计最大纵坡为3.0%，最小坡长440 m，竖曲线最小半径为17 000/8 200(凸/凹)m。

1.3路线平、纵面拟合情况

(1)路线平面

因原有道路施工较早，施工水平较低及运营阶段荷载作用产生不均匀沉降等影响，实际测量的路线中线与原竣工图路线中线可能会有一定的变形和差异。本次改扩建设计中，路线平面线位以竣工图资料作为参考，根据外业实际测量资料进行高程的拟合及误差分析，以最大限度地拟合出老路的实际线位。

在平面拟合及误差分析过程中均利用外业在左右侧中央分隔带边缘采集的GPS点资料进行精度控制，比较点对数9 374(对)，以拟合线为基准最大正差1.679(m)，以拟合线为基准最大负差为0(m)，偏差平均值1.234(m)，标准偏差1.27(m)，拟合误差统计分析偏差值范围详见表1。

表1　平面差值分布范围表

从表1可知，本段统计分析实测点位有86.96%的点位偏差绝对值在1.4以内，点位偏差绝对值>1.6 m的占总量的8.7%，表明纵断面拟合效果相对较好。

(2)路线纵面拟合

根据路面散点的平面、高程资料，以及所有桥梁桥面实测高程对纵面进行拟合，比较点对数7 963(对)，以拟合线为基准最大正差0.222(m)，以拟合线为基准最大负差-0.217(m)，偏差平均值0.024(m)，标准偏差0.085(m)。拟合的误差统计分析结果列出于下页表2。

表2的纵断面偏差统计分析结果表明，实测点位约有97.1%的点高程偏差在-0.2～0.2 m，点位偏差绝对值>0.2 m的占总量的2.9%，纵断面拟合效果较好。

表2　纵断面偏差值分布范围表

2路线方案布置及比选论证

根据旧路的线形分析，除K2034+450～K2040+551.5(原道路桩号为K2040+600)外，旧路的其他路段线形相对较好，现以K2034+450～K2040+551.5为例，进行路线方案的优化比选。

2.1旧路状况

K2034+450～K2040+551.5路段位于南晓镇与那布村之间，地形较平坦，路线长为6.101 5 km，原设计圆曲线半径最小Rmin=650 m，最大圆曲线半径Rmax=1 750.32 m；路段中最大纵坡为3.9%，最大坡长为800 m。本路段K2035+553.545～K2036+583.928处的圆曲线半径为650 m，其值小于《公路工程技术标准(JTG B01-2003)》中要求的最小圆曲线半径一般值(1 000 m)。根据文献[5][6]，当行车速度为120 km时，最大纵坡为3%，最大坡长为900 m，本段不满足《规范》要求路段，参见表3。从表3可知，本路段不足6.2 km的路线有5处，不能满足现行规范要求。

表3　路段(>3%)坡度和坡长数值表

另外，K2034+562.226～K2034+901.952及K035+950.937～K2036+313.267两路段的平面与纵断面线形组合欠合理，竖曲线半径太小的同时平、竖曲线没有相互对应。

同时，K2034+375.898南晓大桥为6×20 m预应力混凝土空心梁桥，K2039+991大冲大桥为5×20 m预应力混凝土空心梁桥，两座桥大约分别位于K2034+450～K2040+551.5段的起点及终点位置，南晓大桥所处路段纵坡较小，可考虑不用调整，直接在两侧加宽，而大冲大桥所处路段纵坡为-3.04%，必须进行桥面高程调整[7]。

2.2现有道路存在问题

根据一期工程中现有道路路线技术指标评价报告，通过对运行速度的检验及设计的符合性检核，虽然原设计圆曲线最小半径Rmin=650 m满足现行规范的极限指标要求，但是该指标与前后路段的指标差较大，路线的连续均衡性较差，视距欠佳。

调查以前的交通事故资料表明，在2008年5月9日沿海高速公路北海往南宁方向K2036处连续发生多起交通事故。其主要原因是大范围持续强降雨导致该路段严重积水，水最深处达50 cm以上；且积水覆盖近路中线约两个行车道。由于路面积水较深且车速快，当驾驶员发现积水时反应不及，导致方向失控而与中央隔离墙发生刮擦或碰撞，从而引起交通事故。

原路线设计时，K2036处于由—个下坡(坡度1.33%)和一个上坡(坡度3.50%)组成的凹形曲线内，竖曲线半径R=7 500 m；路线最低处左侧为挖方，右侧为填方及半填半挖，原设计平纵配合相对较差；旧路两侧均设有边沟及排水沟，中分带也设有超高纵向排水沟，但最低处没有设置横向排水涵，当降雨量大时容易造成积水无法及时排出。

经调查分析，K2036处只有在雨天积水情况下才容易发生交通事故，晴天却很少发生，而且交通事故多发生在北海往南宁方向一侧，说明事故的发生与道路线形无直接因果关系，而只与排水系统的设置不完善有关。

2.3路线方案比选

根据上述分析，本路段拟作两个方案与平纵面均不调整、两侧直接拼接加宽进行比较，A方案采用平面不调整，只调整纵断面两侧直接拼接加宽；K方案进行平纵面调整，即将最小圆曲线半径R=650 m调整到R=1 000 m，一部分路段新建，另一部分路段采用两侧直接拼接加宽。两种方案的平面图参见图1，各方案的纵断面设计分别见图2、图3。

图1　方案平面比选图

从图2的A方案纵断面设计中可以看出，如果上下坡的坡比均<3%，则大冲大桥必须加高，必然会造成旧桥的利用率下降，并对施工期间的车辆通行有影响。

图2　A方案纵断面设计图

从K方案纵断面设计(图3)中可以看出，当要求上下坡的坡比均<3%规范要求，则大冲桥梁也要进行加高，如果桥梁加高，旧桥的利用率也会下降，也会对施工期间的车辆通行有影响。

图3　K方案纵断面设计图

两种方案的经济分析见表4。

表4　方案对比表

从表4可以看出：K方案与A方案相比较，计价路基土石增加38.1万立方米，改建桥梁数量—样，终点处的大桥桥面标高都必须进行抬高，造价增加约762万元。因沿海高速公路是通往东盟国家和周边省份的主要运输通道，在不过分增加工程量的前提下，有必要通过线形改善以提高道路的通行能力；从K2034+450～K2040+551.5路段原有平纵面指标看，其线形指标较差，对通行能力影响较大，同时对整条高速公路交通流是否顺畅也有较大影响。故改扩建时从长远考虑，对此路段进行平、纵面的调整，以提高大型客货车的速度，减少追尾等交通安全事故。K方案相对A方案，工程造价增加不大，桥梁都要进行加高，施工时交通组织难度相当，综合上述分析，推荐K方案[8][9]。

2.4桥梁拓宽设计方案

(1)南晓大桥(AK2034+375.898)：旧桥上部结构为6×20 m先张法预应力混凝土空心板梁，桥墩为双幅双柱式墩，基础为明挖扩大基础，由于改造后桥面中心高程基本不变，故桥梁的拓宽采用两侧加宽，经检测本桥的梁体技术状况评定为二类，墩台基础技术状况评定为一类，同时，对旧桥的主梁进行了相关验算，计算表明中梁承载力满足要求，但正常使用极限状态及挠度基本都不满足要求；经验算得知边梁跨中承载力都不能满足要求，正常使用极限状态及挠度基本都不满足要求。因旧桥主梁不能满足现行公路规范要求[10-12]，故将拆除全部桥面并全部更换主梁，在原桥两侧采用与原桥相同跨径加宽，采用下部结构分开，而上部结构整体连接的拼接方式。改扩建桥面宽度由33.5 m加宽到42 m。

(2)大冲大桥(K2039+991)：旧桥为5×20 m先张法预应力混凝土空心梁，桥墩为双幅双柱式墩，基础为明挖扩大基础，南宁岸桥台为双幅双桩柱式(圆柱直径为2.0 m)，钦州岸为U型桥台明挖扩大基础，桥面中心高约79.417 m。经检测本桥的梁体技术状况评定为二类，墩台基础技术状况评定为一类。对旧桥的主梁进行了相关验算表明不能满足现行规范要求，必须进行更换。

本桥改造后桥面中心高程80.978 m，高程抬高约1.56 m。因为高程抬高较多，需要拆除全部桥面及附属结构、上部结构和大部分下部结构，南宁岸桥台在原有桩基的基础上补桩，整体制作桥台；钦州岸桥台在原有扩大基础桥台的前面增加断面并加高，两侧加宽部分采用桩基桥台；中墩不再利用旧的基础，重新制作。改扩建桥面宽度由33.5 m加宽到42 m。

3结语

(1)旧路改扩建工程不同于新建工程，设计时要结合远景预测交通量、公路沿线地形地物条件、旧路的线形条件、受控制的桥面高程等工程的实际情况，在充分利用旧桥旧路的基础上合理选择改建方案，提高服务水平；

(2)在旧路及桥涵不能满足技术标准要求的情况下，要尽量考虑远期交通量增长的需求，尽可能地提高道路的行车条件，改善旧路的线形条件；

(3)对于受桥梁标高影响的线形改建时，在提高技术指标时，要充分考虑桥梁标高升降对现行道路通行的影响，选择合理的桥梁加高(降低)的加宽方式；

(4)还要加强对施工期间交通组织和安全对策的研究，制定考虑周全且易于实施的交通组织方案和安全对策，保持施工作业期间交通的通畅及施工的安全。

参考文献

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[11]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[12]JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

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

文章编号：1673-4874(2016)01-0006-05

中图分类号：U418.8

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.002

基金项目

作者简介

蔡宁生(1969—)，高级工程师，从事公路及桥梁工程勘察设计、科研工作。

广西交通科技项目“广西高速公路改扩建桥涵加宽拼接技术研究”(桂交科教发〔2012〕26号)