基于土石方管控视角的新区道路竖向规划优化

曾 柯,罗 超

(1.中冶赛迪工程技术股份有限公司,重庆 400013;2.重庆通拓交通规划设计有限公司,重庆 401147)

城市用地竖向规划是在用地开发建设片区或区段,为满足道路交通、排水防涝、建筑布局及环境景观等方面综合要求,对自然地形进行利用与改造,明确坡度、控制高程和土石方平衡等而进行的规划。城市道路竖向规划设计是用地竖向规划的重要组成,是指导区域道路网实施与用地开发建设的关键依据之一,与土地开发利用的程度密不可分,二者相互制约、促进。路网竖向规划确定的竖向标高很大程度上影响着土地开发投入成本,尤其对开发建设过程中土石方的影响最为显著。但现实中由于城市新区开发建设过程中的快速施工与片面性等因素,导致建设过程中的土石方调配利用不平衡、难消纳等问题日渐突出,尤其复杂地形的山地城市,受先天地形条件限制,城市开发建设中的土石方问题更为严峻。因此做好规划阶段道路网竖向规划设计,改善城市新区建设过程中的土石方消纳矛盾、提升土地开发利用的经济性非常必要。

目前已有学者分别针对道路竖向设计优化与土石方优化等两方面开展了相关研究工作。道路竖向设计优化方面,已有研究普遍从道路交通使用者本身需求出发研究道路竖向纵坡特征,或基于不同道路建设环境提出道路竖向控制要求,部分学者重点关注了道路平面交叉口的竖向设计研究。陈旭娟[1]、蔡建勇[2]从道路纵坡选择、线位标高等方面论述了城市道路竖向设计应遵循的一些原则,并对不同地形条件下的道路竖向设计进行了分析。王英杰等[3]重点探讨了城市道路竖向设计的10个技术要点,进一步拓展了竖向设计的优化设计关注要素。韩旭等[4]通过深化土方计算,结合场地价值、竖向进行评估分析后,提出机场限高区域的道路竖向设计优化策略。王真平[5]、陈正雄[6]等重点关注城市道路平面交叉口的竖向设计,从安全性、行驶舒适性提升等角度提出优化建议。

土石方优化管控方面,大多数研究从土石方调配角度出发,引入包容性、动态反馈机制更优的调配模型,或结合实际土石方管理经验研究智能化时空调配管理系统,从而实现土石方工程优化管控。张仲勇等[7]建立土石方调配与施工进度的动态联合优化模型;黄丙湖[8]、赵芸[9]等从算法优化角度,运用蚁群算法等模型改进优化了土石方调配优化模型;周瑞园[10]基于交通特性影响,站在路径优化视角提出土石方平衡规划,采用仿真系统进行了模型验证;陈超[11]、丁志军[12]等面向土石方调运管控的新技术与手段,提出了开发智能化时空调配管理系统,并在相关工程建设应用中取得效果。

1 城市新区开发土石方特征分析

城市新区是拓展城市的建设空间,优化城市空间格局的重要方式。一般来说,新区的开发建设主要包括基础设施建设与用地开发建设两个阶段。而道路交通的建设贯穿整个新区的开发过程。在基础建设的前期阶段,城市主干路作为片区开发先行官,一般会优先考虑实施建设,为后续用地的开发与招商引资提供基础支撑。随着城市主干道的通车运营,新区产业、商业商务、居住等用地开发也将逐步沿着城市主干道分布开展。当用地开发到一定程度后,随着人口逐渐增长与区域吸引力的提升,沿主干道的轴向发展会逐步转变为全区域开发建设[13],这个阶段区域化的新区用地开发成为主导,次、支路等服务性道路成为路网建设的主要任务,且其建设基本是伴随紧邻区域用地的开发同步完成,土地开发一片、道路建设一片(或一段),既实现了基础设施集约建设,又提供了有效的出行保障。以重庆高新区南部片区为例,片区整体位于高新大道以南,现状建设形成白彭路、九江大道构成的“十字型”主干道路,开发建设用地总体较少,基本分布在两条主干道沿线,同时建成用地周边配套建设有次、支服务道路。从南部片区的整体建设发展历程来看,工程土石方的产生主要包括两个来源,一是区域基础设施建设阶段,由于白彭路主干道、九江大道(华福隧道)等前期基础设施建设而产生的土石方;二是干道沿线地块开发以及紧邻次、支道路建设的阶段,因存在场地综合整治、地下空间开发以及道路边坡开挖等因素而产生的土石方。

2 规划道路竖向设计优化策略

2.1 土石方优化管控思路

结合相关研究情况,土石方的产生贯穿城市开发建设全过程。因此提出“土石方全周期优化管控”思路,即“规划阶段的源头控制与开发建设阶段的过程管控”,见图1。

图1 开发阶段土石方动态调配优化流程建议

规划阶段源头控制强调的是道路竖向规划的合理优化,以减少基础设施开发阶段的土石方产生。运用GIS三维信息技术,结合土石方填挖、用地功能特征、道路功能保障等综合分析,优化规划路网竖向设计参数,实现道路与场地在竖向设计上的协同,从而减少道路边坡或场地开挖等工程,促进土石方的源头减量。

开发建设阶段的过程管控则重点关注建设过程中土石方的调度与平衡,包括智慧动态调度与精细科学管理两个方面。结合新区用地开发建设时序,基于土石方的产生与需求,合理选取土方消纳场进行集中调度管理,并引入智慧调度系统,实现经济运距内的统一调度;同时规范借土、弃渣场运营,明确不同类别土方使用要求,分类精细管理。

重庆高新技术产业开发区位于重庆中心城区西部槽谷,规划区域范围1 198 km2,涉及重庆高新区及沙坪坝、九龙坡、北碚、江津、璧山5个行政区,其核心区是重庆高新区直管园、面积313 km2。现状城市建设顺谷生长、北快南缓,城市建成区大多集中在高新大道以北,而高新大道以南片区多为城市待开发区域,更具备条件推进“土石方的全周期优化管控”。但考虑到后期开发建设阶段的过程管控受实际条件影响,本次研究将着重聚焦“规划源头控制”,从土石方优化管控视角,研究道路与场地的竖向协同设计,并以高新区南部片区的道路网竖向规划为例,对规划阶段道路网竖向规划的优化策略进行探析与研究。

2.2 基于土石方管控视角的道路竖向设计优化

结合土石方的产生特征与优化管控思路,道路竖向设计在城市开发建设的不同阶段,存在对应的优化策略与方法。

(1)基础设施建设阶段

本阶段以城市主干道、桥隧等重大基础设施建设为主,为实现土石方的源头减量,此阶段道路竖向设计应力求在保障道路功能需求与设计指标的前提下,尽可能结合区域条件优化调整平面线形与竖向标高,充分遵循依山就势合理布线的理念,减少土石方填挖、促进项目的土石方自平衡,建议遵循以下四点设计策略。

①以规划为基础

以用地规划和道路交通规划为基础,原则上基本保持道路交通骨架路网的构成,重点考虑道路及场地竖向高程的优化空间,不对路网结构做大的调整。

②尊重现状并对接跟踪大型项目

统筹协调新建道路、地块与在建和已建项目的关系,减少对现状的破坏和影响。优化过程中对接大型项目和主要通道型道路的设计单位,竖向优化与主通道道路高程合理衔接。

③保护生态环境

根据地形条件科学调整道路竖向,在满足规范和标准的前提下,减少大填大挖,保护区域内现状水系和山体。

④经济合理

对竖向设计优化进行全局把控,减少土石方,节约工程造价。

(2)用地开发建设阶段

在本阶段中,次、支道路将作为主要实施对象要满足地块开发的实施建设需求。因此除遵循道路本身竖向设计优化策略外,更关键的是实现道路与地块的竖向设计协同,促进周边场地开发与道路建设的土石方综合优化。首先,结合居住、商业及公服等用地的地下空间开发需求(工业一般不考虑地下建筑),按照用地性质对开发建设片区的未建设用地地下空间土石方量进行测算。参考国内建筑地下空间普遍开发情况,居住用地建议按照2层测算,公服用地按照1层测算,商业办公按照1层测算,平均层高按4 m计,挖方松散系数考虑1.1,从而测算得到拟开发片区的地下土石方开挖情况。其次,基于地下土石方开挖量的测算,对应优化拟开发片区范围内的次、支道路竖向标高参数,若片区整体以土石方挖方利用与外运需求为主,则道路竖向优化应以抬高策略为主,相反竖向优化应尽可能遵循道路土石方的自身平衡。最终,采用鸿业市政道路软件的方格网法(网格间距建议设置为20 m)核算道路竖向调整后的片区土石方变化情况。经多次道路竖向标高优化与土石方核算后,可实现区域的道路竖向设计与土石方填挖的协同优化。以居住功能区为例,由于存在地下车库建筑等较大地下空间开发需求,此时若考虑将紧邻地块的规划道路竖向标高整体抬升优化约4 m,此时实际地面正负零标高将随之抬高,见图2。通过对比分析,居住地块原地下车库开挖将由两层变为一层,大幅减少了土石方挖方工程量;同时由于原始地面的抬高,也一定程度上增加了所在区域土石方消纳能力,后续用地开发的成本随之变得更为经济。

1—挖方区域;2—填方区域。

而针对地下空间开发需求相对较小的片区,若为近期开发用地,建议参照干道竖向设计优化策略,采取依山就势合理布线的理念,减少土石方填挖。若作为远景开发用地,建议在满足地块建设和区域道路功能前提下,同样采取次支道路标高抬高的方式,以增强片区土石方的消纳能力、减小用地开发成本。

值得关注的是,由于次、支道路局部标高抬升后将导致道路高程高于紧邻规划地块,容易形成积水或堰塘,不利于地块后续开发利用,建议做好地块建设前的排水设计。一般来说主要存在两种情况,当地块标高低于市政道路雨水系统标高时,此时需在路基基底采用设置场地排水管或盲沟方式,将积水及时排出;当地块标高大于或等于市政道路雨水系统标高时,考虑将场地内部积水接入道路雨水系统后,及时排出,见图3、图4。

图3 场地标高小于市政道路雨水系统标高时地块排水处理方式示意图

图4 场地标高大于等于市政道路雨水系统标高时地块排水处理方式示意图

3 应用实例——以重庆高新区南部某片区规划道路为例

某规划生活功能片区隶属重庆高新区南部片区,为典型的山地城市地形,且片区用地以居住用地性质主。同时根据高新区用地开发建设时序,本片区为中远期开发建设区域。

分析片区现行规划路网资料,区域道路以次、支等级为主,最大规划设计纵坡为3.6%。但既有规划道路边坡普遍较大,基本为四级边坡。经采用鸿业土石方计算软件分析后,片区规划道路建设涉及填方约59万m3、挖方约241万m3;由于区域以居住用地功能为主,存在较大的地下空间开挖需求。参考一般居住建筑地下空间开发情况,测算出片区地下空间用地挖方约404万m3,若按照既有规划路网方案实施开发,片区存在较大土石方外运需求,道路竖向设计优化前见图5。

1—片区范围线;2—路段纵坡值;3—道路边坡。

结合土石方管控视角的道路竖向优化策略,片区道路竖向优化应以抬高为主,道路竖向设计优化后见图6。经多次迭代优化测算后,道路整体线形与纵坡可基本保持不变,但边坡级数明显减少,且道路自身挖方已由241万m3减少至181万m3、填方由59万m3增至83万m3;同时由于道路标高平均抬升2.3 m,地块地下空间挖方也大幅降低,总体挖方由404万m3减少至273万m3。结合道路土石方变化情况,片区总体将减少土石方弃方191万m3,增加填方24万m3,按照重庆土石方项目一般投资经济指标,区域开发建设的土石方项目投资将节约近5 000万元(挖方单位造价为10～12元/m3,弃方单位造价为20元/m3,填方单位造价为6～8元/m3,借方单位造价为25～30元/m3)。综上所述,道路竖向优化后,不仅实现了与用地更好的衔接,还有效从源头减少片区土石方弃方、增加了片区土石方消纳能力,也为降低新区用地开发建设成本、提高土地利用价值打下了良好基础。

表1 道路竖向设计优化前后相关指标对比

1—片区范围线;2—路段纵坡值;3—道路边坡;4—降低标高节点2 m;5—抬升节点标高1 m。

4 结 语

城市道路竖向规划设计考虑的因素较多,文中从新区开发建设中土石方的产生源头出发,重点探讨了道路竖向规划设计与土石方工程的互动联系,针对如何源头优化管控土石方问题,从道路竖向设计优化角度提出了不同用地场景下的优化策略,并结合重庆高新区规划道路进行有效性的实例分析。文中提出的优化策略与方法贴合实际、具备可操作性,能够为其他新区城市道路的竖向规划设计提供借鉴。