(湖南省交通科学研究院有限公司, 湖南 长沙 410015)
0 引言
随着城市化进程的推进,城乡结合部公路的公路属性逐渐弱化,城市道路属性逐渐凸显,需要将其改造为城市道路。平纵面设计是公路设计的核心和基础,《公路路线设计规范》(JTGD20-2017)提出“公路采用分期修建方案时,必须遵循统筹规划、分期实施的原则进行总体设计,应使前期工程在后期仍能充分利用,并为后期工程的修建留有余地和创造有利条件”[1],该条文在公路设计规范层面提出了“近期建设为远期所用”的总体思路。但是,就城乡结合部公路的平纵面设计而言,规范没有具体的设计指标或设计思路。
国内外研究方面,目前关于城乡结合部公路平纵面设计的研究较少。美国曾提出公路灵活性设计指南[2],我国曾提出“六个坚持、六个树立”的新理念公路设计指南[3]、降低造价设计指南[4]和绿色公路建设理念[5]等,国内外在交通建设层面均提出了全寿命周期成本建设理念。国内学者对城乡结合部公路设计进行了相关研究,杨春风等[6]提出“城郊高速公路”,即预先考虑城市化改造的高速公路,重点从横断面布设和纵断面标高两方面进行了研究;王曦等[7]提出了城郊公路城市化改造的规划设计原则和理念;钱勇生等[8]从有利于交通安全的角度,提出中小城市结合部的交通特征对视距、平纵断面等的影响;陈旭等[9]针对我国公路与城市道路规范中竖曲线极限最小半径指标的差异性做比较分析,并给出了新的竖曲线极限最小半径推荐值;朱全军等[10]针对城乡结合部公路动态演变等,提出了城乡结合部公路横断面设置研究。
综上所述,城乡结合部公路平纵面设计目前没有针对性的规范可供参考,也没有系统的、成熟的设计理念和方法。目前在设计过程中,往往参考公路相关设计规范,采用一般公路的设计思路和方法,而没有考虑改造为城市道路的功能需求、两厢土地开发等因素,导致后期的城市化改造时现有公路平纵面没办法利用,造成大量资金和土地资源的浪费,公路的建设不利于城市的可持续发展。
因此,考虑城乡结合部公路的动态演变性,如何预先考虑公路的城市化改造,科学、合理的确定其平纵面,使其能够有利于城市发展,同时在未来城市化改造中能够最大限度利用现有公路,使“近期建设为远期所用”,降低全寿命周期成本,是城乡结合部公路平纵面设计需要研究的重要内容。
目前,城乡结合部公路没有专用的设计标准或规范。公路平纵面设计采用的规范主要为《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)和《公路路线设计规范》(JTG D20-2017),城市道路平纵面设计采用的规范主要为《城市道路工程设计规范》(CJJ 37-2012)和《城市道路路线设计规范》(CJJ 193-2012)。公路与城市道路的设计理念存在较大差异,在具体指标及参数方面也有差别,如设计速度方面,与公路相比城市道路存在50 km/h的设计速度标准,相同设计速度情况下圆曲线半径、最大纵坡等具体指标也存在差异[11-12]。
城乡结合部公路的功能由公路逐渐演变为城市道路,若采用一次性建成为城市道路的方案,将给政府造成财政压力,且人行道、非机动车道、路灯等相关市政设施利用率不高,不利于提高资金的使用价值[10]。目前,大部分城乡结合部公路在设计时考虑到其初期为承担公路功能,且一般为公路交通部门审批管辖,因此往往采用公路的设计规范,在设计过程中也往往没有考虑城乡结合部公路交通参与者的特性及功能的动态演变,导致技术标准之间的冲突和脱节,不利于未来公路的城市化改造。
目前,城乡结合部公路的平纵面设计理念尚未成熟,设计主要参考公路或城市道路相关思路。公路平纵面设计一般结合地形地貌、征地拆迁、城市规划、环境敏感区等因素,尽量减少工程量、节约工程造价,公路的路线平纵面设计具有很大的灵活性,往往不同公路设计师就会有不同的平纵面设计;城市道路一般位于城市规划区内,其路线平面线位、节点纵面标高一般由城市相关规划(如控制性详细规划等)确定,因此城市道路平纵面设计受规划制约,给设计者灵活变动的空间相对较小。
城乡结合部公路,尤其是没有进入城市规划区内的城乡结合部公路,没有相关城市规划对平纵面进行约束,公路选线往往考虑地形地貌减少工程量、避免拆迁等因素,线形相对曲折,纵面起伏频繁,不利于城市化后土地的开发利用。此外,城乡结合部公路采用公路的平纵面设计理念,在后期承担城市交通功能时,容易形成交通安全盲点,难以适应城市化需求。
在城乡结合部公路设计、建设初期仅从满足公路规范要求的线形指标要求考虑,平面线位的确定在没有规划约束时,带有主观性和相对随意性,往往没有考虑后期两厢土地开发利用,更没有考虑区域未来城市化需求。加上城乡结合部路网相对发达,且土地权属复杂、用地类型多样,往往公路建成后,两侧房屋、商铺迅速发展,导致后期城市化不得不考虑拆迁成本等问题无法调整路网,而只能按原有公路的平面,导致畸形交叉和地块的不规整。
在城乡结合部公路纵面设计时,在没有规划及地质、地物等约束的情况下,考虑的重点是经济性的问题(如减少工程规模、土石方平衡等),而缺少考虑道路与两厢土地高程的关系,导致纵面起伏频繁、短坡多。在城市化进程中,可能出现道路与两厢用地高差过大,市政工程实施困难,影响两厢土地开发及城市景观。
城乡结合部公路一般两侧尚未开发,慢行交通需求少,无需设置非机动车道。在纵面设计时,一般按照公路的技术规范进行取值,没有考虑非机动车的对纵坡的要求。在城市化进程中,非机动车逐渐增多,由于原公路的纵面指标不能满足非机动车爬坡需求,导致改扩建或增加非机动车道都需要对原纵面进行调整。
城乡结合部高等级公路,尤其是采用一级公路技术标准绕城线或城际干线公路、城市周边的高速公路,在公路设计初期,由于两厢土地尚未开发,也没有统筹考虑的路网或城市规划,在填方路段的纵面设计一般从满足最小填土高度、设计洪水位、设置通道涵洞等构造物要求等方面考虑,与地面的设计高差一般为3~6 m。随着城市化的发展,路网逐步加密,需要与已建成的高等级公路采用互通式或分离式交叉,而原公路又没有预留足够的分离式交叉位置,需要新建上跨或者下穿构造物处理交叉问题,由于既有公路不合理的纵面设计高程,往往使后续公路的交叉处理陷入困境:采用下穿方案则需要顶进施工或挖除现有公路,且难以满足设计水位要求,加之下穿处往往处于凹曲线底部,排水困难,且易形成事故黑点;采用上跨方案则桥梁建设规模大,造价较高。如图1所示为某城乡结合部高速公路在一处台地上的高约3 m的路堤,既有高速公路在该路段仅设一座宽约8 m、高约4 m的通道。现有一条宽12 m的二级公路需要与之交叉,由于既有高速未考虑未来路网发展、交叉处理的问题,导致分离式交叉工程规模大:若采用顶进下穿方案,须采用顶进箱涵施工,且须在台地上挖一段长约400 m的路堑;若采用桥梁上跨方案,则高架桥长达900 m。
(a)平面方案比较图
(b)顶进下穿方案纵断面图
(c)桥梁上跨方案纵断面图
公路的功能是确定技术标准的重要依据,也直接关系到公路的总体设计思路及平纵面指标的选用。城乡结合部公路的功能由公路逐渐演变为城市道路,其功能具有动态演变的特性。城乡结合部公路未来将作为城市快速路、主干路或是次干路,总体设计思路大相径庭,也直接关系到平纵面设计的总体思路。如未来可能演变成城市快速路,则在纵面设计时尽量考虑被交道采用分离式交叉;如发展成生活性城市主干路或次干路,则在纵面设计时更多地考虑被交道采用平面交叉。因此,需要分析城乡结合部公路近远期道路的不同功能,确定总体设计思路,尽量使平纵面指标能够满足不同时期、不同功能的道路需求。
把城乡结合部公路区域未来将城市化作为重要的考虑因素,结合城市相关规划,分析城市发展趋势及未来路网规划,使公路平纵面线位能够满足未来城市的发展需求,使城乡结合部公路的建设不仅不成为未来城市发展的瓶颈和障碍,还将引领促进城市的可持续发展。
城乡结合部公路近远期交通参与者存在较大差异,近期主要满足汽车交通需求,远期城市化之后,需要满足汽车、非机动车、行人等的交通需求。在平纵面设计时,宜充分考虑服务对象的转变,尽量满足近远期交通参与者对平纵面指标的需求。
城乡结合部公路在未来改造为城市道路的过程中,往往需要在横断面上进行加宽,同时还需要增加市政工程的相关设施,因此在公路平纵面线位选择时,宜尽量预留加宽空间,并考虑未来市政工程设施的布设,尽可能避免未来城市化改造时因平纵面线形调整导致的大规模房屋拆迁、重新改移道路等。
设计速度是技术标准的重要方面,也是平纵面设计的前提和依据。在城乡结合部公路设计中,首先分析项目近、远期的功能定位,确定采用的公路等级,进而确定设计速度标准。
在现实情况中,城乡结合部技术等级为二级及以上公路改造为城市道路的情况较为多见,大部分情况为二级公路改造为城市主干路或次干路、一级公路改造为城市快速路或主干路。对照“表1城市道路与公路设计速度对比表”,二级公路的设计速度低值60 km/h即能满足城市主干路、次干路所有档次设计速度要求,一级公路设计速度最低值60 km/h也能满足城市主干路所有档次设计速度要求,而一级公路与城市快速路的设计速度标准完全一致[1,13]。
表1 城市道路与公路设计速度对比表Table 1 Table of design speed comparison between urban roads and highways(km·h-1)设计速度城市道路公路快速路主干路次干路支路1008060605040504030403020高速公路一级公路二级公路三级公路四级公路120100801008060806040303020
因此,在城乡结合部公路设计速度标准选择时,考虑到未来城市化改造的需要,二级公路设计速度标准的约束性相对较小,满足其设计速度低值60 km/h即可,但应尽量避免采用因特殊情况(如受地形、地质等条件限制、利用老路等)而降低一档设计速度标准至40 km/h的规范容许情况;一级公路须分析其未来城市化改造道路的功能定位,若定位为城市快速路则宜尽量采用较高的设计速度标准,若定位为城市主干路则可以视建设条件选用3种设计速度的任一值。
确定设计速度标准后,为使城乡结合部公路在城市化改造过程中,能够满足城市道路设计规范的要求,设计指标宜同时能够满足近期公路的需要与远期改造为城市道路的需要。在具体平纵面设计参数选择时,为有利于公路未来的城市化改造,宜对照公路与城市道路相关设计规范,选用较高值。
城乡结合部公路未来将作为城市路网的组成部分,其选线需有利于促进城市的发展。当路线位于城市规划范围内时,应参考相关规划进行选线;当路线位于城市规划区以外时,应重点考虑有利于城市发展,平面线形以直线和大半径圆曲线为主。
3.2.1以有利于城市发展为落脚点,充分考虑城市路网发展形态
在普通公路的选线过程中,在满足公路设计规范要求的前提下,为节约资源、降低造价,将充分利用现有老路、尽量减少新征用地尤其是耕地、尽量避免或减少房屋拆迁、尽量降低土石方工程规模等作为重要的考虑因素。在特殊情况下,为尽量利用老路、减少工程规模、降低工程造价,经论证可以降低设计指标,如老路改造或地形条件复杂山区的二级公路项目,设计速度由60 km/h降低到40 km/h,可以大幅降低平曲线半径,以更好地利用现有老路或适应山区地形。
相比普通公路而言,城乡结合部公路将演变为城市道路,两厢土地将逐渐城市化,平面设计过程中宜以公路的建设如何有利于城市发展为落脚点,老路利用、新征土地、房屋拆迁、工程规模等宜作为次要考虑因素。即城乡结合部公路设计中,不宜为尽量利用老路、尽量减少新征用地、尽量避免或减少房屋拆迁、尽量降低土石方工程规模等,而牺牲公路平面指标,导致公路建设不利于城市发展。
3.2.2路线平面以直线和大半径圆曲线为宜
与普通公路相比,公路选线在充分考虑城市路网的发展形态和城市的发展要求的基础上,尽量在既有城市路网格局的基础上进行延伸,路线平面以直线加大半径曲线为宜,其主要原因有:
a. 有利于形成规整地块,有利于公路两侧土地开发利用,促进城市的发展。
b. 有利于降低后期公路城市化改造时的难度,尤其是利于后期市政工程管线的布设。
c. 有利于提高城乡结合部公路的安全性和舒适性,城乡结合部公路交通组成复杂,车速离散程度高,在相同的建设条件、交通组成及横向干扰的情况下,直线和大半径曲线可以增加行车视距,对交通安全有利。
d. 有利于超高的设置,在一般情况下公路的超高值比城市道路大,但对于城乡结合部公路而言,从交通组成、路面排水、城市景观等方面考虑,最大超高值应适当降低,选用较低超高值的半径要求也相应需要增大。因此,采用较大半径可以采用较小超高或不设超高,有利于未来城市化改造。
e. 有利于城市天际轮廓线的形成,利于城市景观的塑造。
3.2.3平面设计典型案例
某丘陵地区城乡结合部公路,采用设计速度80 km/h、路基宽度12 m的二级公路标准,现有老路路基宽约7 m,方案比较路段长约1.5 km,提出如下两种平面设计方案:
路线方案一: 该方案按照本文提出的城乡结合部公路平面设计思路及对策进行设计,采用新线方案,路线在该路段只有一处圆曲线,半径为1 000 m。
路线方案二: 该方案按照普通公路的传统平面设计思路进行设计,采用利用老路改造方案,路线在该路段存在5处圆曲线,为最大限度利用现有老路、降低工程规模,平面最小半径降低到60 km/h的极限最小半径125 m。
两个方案主要经济技术指标及优缺点对比见表2。
表2 平面设计典型案例方案对比表Table 2 Table of plane design comparison between typical case类别路线方案一(本文提出的设计思路)路线方案二(传统设计思路)路线里程/km土石方/m3新征用地/hm2拆迁房屋/m2总造价/万元路线里程/km土石方/m3新征用地/hm2拆迁房屋/m2总造价/万元经济技术指标值1.50054 7684.081 7632 7061.55237 4682.132 5212 632优点① 平面指标高,有利于公路的城市化改造,有利于引导城市发展;② 视距较好,有利于交通安全① 充分利用了老路资源;② 土石方等工程量相对较大,新征用地相对较小,造价相对较低缺点① 没有利用老路资源;② 土石方等工程量相对较大,新征用地相对较多,造价相对较高① 平面指标低,不利于公路的城市化改造,不利于引导城市发展;② 平面半径小,不利于交通安全比较结论推荐
经综合分析,尽管方案一总造价稍高,但考虑到项目位于城乡结合部,且位于地形起伏较小的丘陵地区,公路两侧用地将被城市化,从利于公路的城市化改造、引导城市发展的角度,推荐采用路线平面指标相对较高的路线方案一。
图2 某城乡结合部公路平面方案比较图Figure 2 Comparison diagram of a highway plane scheme in rural-urban continuum
城乡结合部公路在进行纵面设计时,需充分考虑其自身及周边将城市化的特性。若位于城市规划区内,纵面设计参考相关规划确定的控制高程;若位于城市规划区外,需注重道路设计高程与两厢用地的协调性,综合考虑非机动车的通行要求,高等级公路还需充分预留未来分离式交叉的线位。
3.3.1注重道路设计高程与两厢用地的协调性
注重道路设计高程与两厢用地高程之间的协调性主要考虑从如下几个方面:
a. 在满足路基最小填土高度、涵洞等构造物设置要求等前提下,统筹考虑道路设计高程与两厢用地之间的高差,以有利于两厢土地的开发利用、有利于区域城市化的推进。在地形相对平坦的填方路段,尽量减少路基填土高度,以减少道路与两厢用地的高差;在地形相对复杂的路段,综合分析区域城市化后可能的地面标高,纵面设计标高以尽量减少道路与城市化后可能的地面高程之间的高差为宜。
b.尽量避免纵面频繁变坡,减小后期市政管线敷设的难度。普通公路纵面设计时,会将减少土石方规模、标段内土石方平衡等问题作为重要考虑因素,在地形起伏频繁的区域往往会出现频繁变坡。城乡结合部公路考虑到后期城市化改造,宜尽量避免频繁变坡,有利于市政管线的敷设,同时也有利于城市景观的营造。
c.考虑到未来两厢土地的开发,区域未来城市化建设,纵面设计宜尽量采用缓坡。
3.3.2综合考虑非机动车的通行要求
城乡结合部公路在设计初期非机动车需求较小,一般没有设置非机动车道及人行道。但是,随着城市化的推进,非机动车需求增大,在未改造为城市道路的过渡时期,需要考虑将硬路肩作为慢行道使用。未来改造成为城市道路时,需要考虑非机动车的通行需求。因此,在不增加工程量或工程量增加较小的情况下,城乡结合部公路的最大纵坡宜综合考虑非机动车的通行需求,参考城市道路设计规范对最大纵坡和坡长要求进行控制。
3.3.3高等级公路预留分离式交叉线位,有利于未来被交道交叉的设置
城乡结合部公路采用高等级公路标准时,若经济条件允许,在可能交叉的位置宜尽量预留分离式交叉桥梁,未来被交道路与之交叉时可以直接利用。若受建设资金等条件制约,不能预留桥梁,则在纵面标高的控制方面,宜结合区域地形条件、城市规划、路网情况等因素,充分考虑未来被交道分离式交叉设置的可能性、可行性和经济性,分析未来被交道可能的上跨或下穿方案,合理确定纵面标高,有利于未来被交道分离式交叉的设置。
3.2.4纵面设计典型案例
某微丘地区城乡结合部公路,采用设计速度60 km/h、路基宽度12 m的二级公路标准,采用新线方案。项目起点接城市道路,分析路段长约1 km,在维持平面方案不动的前提下,提出了两个纵面设计方案,见图3。
纵面设计方案一:该方案按照本文提出的城乡结合部公路纵面设计思路及对策进行设计,设1处变坡点,最大纵坡为2.2%。
纵面设计方案二:该方案按照普通公路的传统纵面设计思路进行设计,设4处变坡点,最大纵坡为6%。
(a)路线平面图
图3 某城乡结合部公路纵面方案比较图
Figure 3 Comparison diagram of the highway longitudinal scheme in rural-urban continuum
(b)纵面设计方案一
(c)纵面设计方案二
两个方案主要经济技术指标及优缺点对比如表3所示。
表3 纵面设计典型案例方案对比表Table 3 Table of longitudinal design comparison between typical case类别纵面设计方案一(本文提出的设计思路)纵面设计方案二(传统设计思路)竖曲线变坡点个数最大纵坡/%最大挖方高度/m土石方总量/m3弃方总量/m3总造价/万元竖曲线变坡点个数最大纵坡/%最大挖方高度/m土石方总量/m3弃方总量/m3总造价/万元经济技术指标值12.212.271 35058 0591 726465.531 33016 1841 662优点① 纵面相对平缓,有利于公路的城市化改造,利于引导城市发展;② 变坡点少,舒适性较好 挖方高度较小,土石方工程量相对较低,造价相对较低缺点 挖方相对较高,土石方工程量相对较大,造价相对较高① 纵坡较大且纵面起伏频繁,不利于公路的城市化改造;② 变坡点多,舒适性较差比较结论推荐
经综合分析,尽管纵面设计方案一总造价略高,但考虑到项目位于微丘地形的城乡结合部,最大挖方K0+600处位于山丘顶部,挖方工程量不大,且未来道路两侧城市化需要挖除该山包,从利于两厢土地的城市化、有利于公路的城市化改造的角度,推荐采用纵面平缓、起伏较小的纵面设计方案一。
随着城市化不断发展,城乡结合部公路必将改造成城市道路。平纵面设计是公路设计的核心和基础,在城乡结合部公路的平纵面设计过程中,预先考虑其未来将改造为城市道路的特征,使城乡结合部公路的建设能够有利于城市的发展,并在未来改造为城市道路时能够最大限度的利用现有公路,降低全寿命周期成本。
本文通过分析目前城乡结合部公路平纵面设计存在的主要问题,提出平纵面设计的总体思路,分别从平面、纵面两个维度提出具体设计对策,并通过典型工程案例对本文提出的设计思路及设计对策进行论证,对同类项目的规划、设计具有很强的参考价值。