基于现状评价的高速公路改扩建方案设计——以G7大黄山至乌鲁木齐段改造为例

闫 磊

(苏交科集团股份有限公司新疆分院，新疆 830000)

大黄山至乌鲁木齐公路段是国家高速公路网G7北京至乌鲁木齐国家高速公路的重要组成部分，是新疆第一条需按八车道高速公路技术标准改扩建的公路。

目前，我国高速公路改扩建的经验主要是对既有高速公路进行加宽，而将二级或一级公路提高等级改为高速公路的情况更为复杂，经验也不成熟。由于西部地区经济发展较慢，道路分期实施的情况比较常见，随着交通需求的增长，西部地区将低等级公路改造为高速公路的情况会逐渐增多。本次拟改造的既有公路属于低等级公路，本次改造经验对今后的类似项目具有重要的参考价值。

1 项目特性及设计理念

1.1 基本情况

现有的大黄山至乌鲁木齐公路于1998年8月正式建成并通车。建成时为二级公路，路基宽度12 m。2005年，在原有的二级公路一侧新建一条两车道沥青混凝土公路，以分离式伴行，路基宽度为12 m，改建后成为一条双向四车道形式的一级公路。

本次拟将现有公路(设计时速100 km/h，路基宽2×12 m)升级改造为双向八车道高速公路(设计时速120 km/h，路基宽2×20.75 m)。

1.2 自然条件

本项目沿东天山博格达山北麓、准噶尔盆地南缘山前冲洪积扇一线展布，整体地势较为开阔，南高北低，地形高程自西向东在646～896 m之间变化，地属中温带大陆性半干旱-干旱气候。

地貌主要由山区、丘陵区及斜坡平原区构成。该地区二叠系—第三系地层皆有分布，上二叠统—侏罗系发育较好，其中又以三叠系发育最佳。岩石有砂岩、石灰岩、片岩、玄武岩及安山岩，路线走廊广泛被第四系地层覆盖，基岩出露极少，不良地质主要为盐渍土。

项目公路沿线地震动峰值加速度为0.20 g，地震基本烈度属Ⅷ级。路线自东向西依次经过黄山河、西沟河、白杨河、泉水沟、甘河子河、四工河和三工河7条河流，所有河流均为季节性河流，大部分时间处于干涸状态。

1.3 项目特点

(1) 通道功能显著，施工交通组织复杂

本项目是乌鲁木齐以东、天山北坡唯一的东西向交通通道，现有交通量较大，附近矿产资源丰富，工业企业密集，旅游景点众多。其重要性决定了扩建期间交通不能中断，实施期间保持双向四车道通行，设置合理的交通分流方案以保证扩建工程的顺利实施。

(2) 现有高速公路建设较早，部分指标较低

已颁布实施的《高速公路改扩建设计细则》(JTG/T L11—2014)主要适用于既有高速公路进行加宽的改扩建工程设计，而本项目是将两条并行的、分期修建的二级公路改造为八车道高速公路，国内可借鉴经验不多。

(3) 重车比例高

车型构成方面，根据各收费站的统计数据表明，本项目小客车比例为53.27%，特大型货车接近40%，客货比基本接近1∶1，可见整个路段货车的比例较高，特大型货车尤为显著。

1.4 设计理念

(1) 安全至上

在人的诸多需求中，安全要素居于首位。在公路改扩建设计中，要综合考虑公路功能、行车安全、建设条件等因素，既要充分考虑公路设施的自身安全和运营安全，又要减少公路事故和安全隐患，尽量采用改善行车安全的措施，从根本上解决行车安全问题。

(2) 注重实效

按照全寿命周期成本的理念进行设计，选择安全可靠、技术先进、环境友好、经济合理、施工便利的设计方案。

(3) 绿色环保

坚持“不破坏就是最大的保护”的设计理念，做到尊重自然、回归自然，减少人工痕迹。在保证质量和安全的前提下，通过科学管理， 最大限度地减少对生态环境的破坏。

(4) 舒适和谐

通过线型连续均衡、路面平整、桥涵搭接顺适以及完善交通工程等措施，满足驾驶者对舒适性的要求；突出工程与环境、道路建设与经济发展、施工与运营的和谐。

2 道路现状评价

2.1 道路现状评价方法

(1) 既有高速公路几何数据资料收集方法

测量是对既有高速公路几何状况评价的基础。高速公路改扩建时，需要对现有道路进行更为精确的数据采集。由于现有道路车流量大，传统的人工测量方式往往存在测量速度慢、数据点少、无法保证测量人员安全的问题。因此，本项目采用了车载移动激光扫描测量技术对现有高速公路进行三维数据采集工作。

车载激光扫描主要采用Lynx V100车载激光雷达系统，具有2×100 kHz脉冲频率，20万个点/秒测量频率，360度扫描视角，150 Hz扫描频率。

车载激光雷达点云平差用靶标点按单向400 m、交叉200 m沿老路布设。经检验，激光雷达扫描获得的点云数据精度满足勘测规范要求，对车载激光无法采集到的要素点也进行了人工采集。

(2) 既有公路评价过程

既有公路调查与评价主要包含道路安全现状评价和道路技术现状评价两方面，有利于全面了解既有公路自身状况，评价利用价值，为确定既有工程的利用和改造方案奠定基础。公路路线方面，本项目在车载激光雷达实测的点云基础上，对既有公路几何数据进行全面恢复和高精度拟合，采用清单法对技术指标进行逐项评价，从而提出路线改造方案。

2.2 道路安全现状评价

道路安全现状主要从运行速度协调性、事故调查分析、营运管理人员意见三个方面进行评价。

(1) 运行速度协调性以相邻路段的运行速度的差值△V85来评价。

|△V85 |<10 km/h时，运行速度协调性好；

|△V85 |为10～20 km/h时，运行速度协调性较好，条件许可，宜调整技术指标；

|△V85 |>20 km/h时，运行速度协调性不良，调整路线平、纵面设计。

本项目主线的设计速度为120 km/h，具体计算方法和参数取值参见《公路项目安全性评价规范》(JTG/B05—2015)。

(2) 进行事故调查分析。

既有的公路事故调查从项目路交通事故管理部门调取3～5年的大小事故资料作为研究样本，包含事故类型、发生路段、天气情况、伤亡情况多个方面。

交通事故原因众多，每起事故均有其特殊性。交通事故分析就是为了在这特殊性之中，通过对大量已经发生的交通事故进行调查、统计、分析，得出趋势性的结论，找出共性，以便公路改扩建时对特定路段采取更强的防范措施，减少事故，保障安全。

(3) 相关单位意见是重要的参考依据，应尽可能全面地搜集既有公路运营期间内公路管理、养护、路政、交警及地方政府的意见和建议，总结后作为公路改扩建方案制定的依据。

2.3 道路技术现状评价

(1) 既有公路路线技术状况评价

综合国内外对道路线形因素与交通事故率关系的已有研究、驾驶员的心理反应、汽车行驶动力学与道路线形的关系研究，和已有的道路线形安全审查清单，针对具体项目的特点，本着实用性和可操作性的原则建立全面的路线审查清单，如表1所示。

表1 道路线形安全审查清单

(2) 路基路面及桥涵结构物评价

既有道路路基路面及桥涵结构物评价主要由专业检测报告构成，检测项目清单如表2和表3所示。

表2 既有路基路面检测项目清单

表3 既有桥梁检测项目清单

2.4 主要评价结论

2.4.1 道路现状安全性问题

(1) 运行速度协调性

根据运行速度的差值△V85，全线除白杨河段外，运行速度协调性总体较好。白杨河段存在连续陡坡，根据运行速度检验成果，该路段车辆速度变化明显，其中大货车的|△V85|>20 km/h，如图1所示。

图1 运行速度检验结果

(2) 事故调查分析及对策

该段落近5年的伤亡数据表明，全线大部分段落事故较少，且事故点分布离散，安全性好，但白杨河段乌鲁木齐一侧伤亡事故明显偏多，事故类型以追尾居多，如图2所示。

图2 事故调查数据及分布

处于白杨河段的车辆在上坡时，由于小车与大车之间存在很大的速度差，易发生小车追尾大车的恶性事故；下坡时，大车频繁刹车，易导致刹车片过热，制动失效，长陡下坡路段失控的大车对道路上其他车辆的安全会造成严重的威胁。另外，南泉子收费站距离该点位较近，车辆排队拥堵也是该段道路事故多发的原因。

(3) 运营管理及各单位意见

① 路政与交警部门：由于路段附近有南泉子水库和白杨河水库，冬季易出现团雾和黑冰，影响车辆运行安全。另外，车辆爬坡时，车辆降速较多，尤其是大货车，运行速度降至40 km/h以下，爬坡困难，冬季路面结冰时重型车辆甚至无法正常运行停在路边。下坡时易发生刹车困难造成追尾事故，现已按80 km/h限速运行。

② 地方公路局：本项目防洪评价中，有4处排洪涵洞以及2处桥梁，排洪能力不足。

③ 高速公路管养部门：大黄山服务区左、右侧广场仅有一座人行天桥沟通，车辆沟通需绕行约20 km，公路养护和抢险较为不便。

④ 地方交通局：上户沟互通被交路为X132，主线下穿，X132上纵坡较大，坡底事故频发。

2.4.2 道路现状技术性问题

(1) 路线技术性问题

路线技术性问题如表4所示。

表4 路线技术性问题

(2) 路基路面检测结论

① 大乌方向、乌大方向行车道路面结构强度指数PSSI分别为54和57，路面行车道代表弯沉平均值为50.8和50.9(0.01 mm)。

② 依据《公路技术评定标准》，路面无明显车辙。

③ 路面病害主要类型为横向裂缝、纵向裂缝、块裂及龟裂，同时存在坑槽及修补等病害。

④ 沥青路面的主要病害占总病害折算面积：横缝54.56%，块状裂缝21.12%，龟裂16.29%，纵缝7.60%。 依据《公路技术评定标准》，从路面破损现状来看，乌大方向PCI总平均值为82.13，大乌方向为81.50，根据现行规范对其评价为良。

⑤ 通过对雷达检测结果进行分析，进一步探明沿线路面内部层间结合及松散情况，结合路面性能检测，为路面改造方案选择及段落划分提供依据。

⑥ 乌大方向共64处取芯，大乌方向共64处取芯。所取芯样的大部分路段面层与基层无粘结，基层表面松散，路面厚度变化明显，控制较差。由于老路分期修建时路面结构厚度不同，期间经过多次大中修，从取芯结果来看，沥青面层厚度差别较大。

⑦ 路基检测：

共布置18个坑探，其中路基病害处布置16个，路基正常段布置2个，上、下行方向各9个探坑，按照单向6公里一个点进行，探坑尺寸约为80 cm×80 cm。

探坑表明，路表裂缝基本都贯穿面层，大部分基层强度较好，底基层为天然砂砾，含有较多大粒径卵石，部分粒径甚至超过20 cm，较为松散、潮湿。路床填料主要为天然砂砾，部分含有较多大粒径卵石。

压实度方面，上行方向路床压实度平均值为95.8%，下行方向路床压实度平均值为95.6%，略小于《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)中对路床范围压实度要求不小于96%的要求。

(3) 桥梁检测结论

本项目共包括桥梁32座、涵洞127座。鉴于左右幅桥梁的建造年代差异，左右双线采取分开评定的方式。

左幅桥梁：二类桥7座，三类桥22座，四类桥2座；右幅桥梁：二类桥2座、三类桥28座、四类桥1座。

(4) 涵洞检测结论

左幅涵洞：73座较好，46座较差；

右幅涵洞：64座较好，58座较差。

3 改造方案研究

3.1 道路现状安全性问题改造方案

3.1.1 白杨河段安全性问题改造方案

根据运营速度检验、事故调查、地方政府及管理部门意见，以及纵断面技术指标分析，白杨河两侧总长约10 km的段落存在一定问题，需进行改造。设计中提出了4种方案进行定性和定量分析比选，如表5所示。

表5 白杨河段比选方案

(1) 方案定性比较

首先对各比选方案进行定性分析比较，比较情况如表6所示。

(2) 各方案定量比较及结论

对各比选方案进行同深度定量比选，比选结果表7所示。

表6 各比选方案定性分析

表7 各方案工程规模比较

由比选可知，K线建安费加交通组织的费用最高，比最低的A3方案高9 019.8万元；A1线改线后南泉子河桥梁规模较小，费用较低，但仍比A3方案高3 623.9万元，且A1存在现有老路利用困难的问题； A2方案为上下行分离方案，存在上下行路线包围区域内的约3 700亩土地利用困难的问题。

相比之下A3线利用了现有老路走廊，仅对坡长超规范情况进行了调整，最大纵坡采用了4%，符合《公路工程技术标准》中“设计时速为120 km/h、100 km/h、80 km/h的高速公路受地形条件及其他特殊情况限制时，经技术论证，最大纵坡可增加1%”的要求。

综上所述，本次设计拟利用建设费用最低的A3线方案作为推荐方案。

3.1.2 其他安全性问题改造方案

通过沟通及必要的方案比选，确定了其他安全性问题改造方案，如表8所示。

表8 其他安全性问题改造方案

3.2 道路现状技术性问题改造方案

3.2.1 路线技术性问题改造方案

路线技术性问题改造方案如表9所示。

表9 路线技术性问题改造方案

3.2.2 路基路面改造方案

(1) 主线路基填土高度结合既有公路纵断面、既有构造物分布及改造方案、路面改造方案确定。新建路基在满足洪水位要求前提下，填土高度宜大于路面厚度与路床厚度之和。

(2) 结合既有公路边坡DCP测试，拼接路基前，在保证路基稳定的前提下清除既有公路边坡圬工等，削坡厚度按30 cm计。

(3) 本项目根据交通量组成特点，在交通运行组织上实行客货分车道运营管理，路面设计将原有道路的第1、2车道按小型车、中型车进行设计划分，扩建的第3、4车道按大货车、拖挂车进行设计划分。这样既实现了原路面的充分利用，又保证了新建路面的耐久性，使新老路面耐久性保持一致性。因此，项目采用分车道设计的累计轴载和设计弯沉。

(4) 对旧沥青路面再生利用进行专题研究，根据专题审查意见，不对旧沥青路面铣刨进行再生处理，将铣刨料用于路基填料。

3.2.3 桥梁改造方案

对于路线调整段无法满足线形要求的，考虑拆除新建方案；对于互通及支线上跨桥梁均不满足拓宽后净跨要求的，采用拆除新建方案；对于承载能力极限状态正截面抗弯强度超限较多的6 m和8 m桥梁，考虑采取上部结构更换、下部结构拼宽的方案。

3.2.4 涵洞改造方案

涵洞上部结构总体较差，下部结构总体良好。通过计算，明涵拼宽后既有涵洞承载能力不足，拟采用对既有涵洞上部结构进行更换，下部结构维修利用、两侧拼宽的方案；暗涵拟采用对既有涵洞维修利用、两侧拼宽的方案。

4 小结

论文结合项目实践经验，对典型的低等级公路改扩建高速公路的设计理念、改造方案进行了探讨；总结高精度激光扫描测量技术在改扩建项目中的应用经验；提出基于运行速度检验、事故调查分析、意见调查研究的运营安全性评价方法，以及清单筛查法和试验检测相结合的公路技术状况评价方法；梳理项目中长直线、缓和曲线、平包竖、大纵坡、事故点等具体问题，研究路基路面改造、桥涵改造利用原则等重难点问题；最后结合评价结果分析问题原因并提出解决方案，以便类似改扩建项目借鉴。