二级公路改扩建高速公路路线设计研究

2022-09-11

随着我国高速公路的大规模建设, 二级路改扩建为高速公路的工程项目越来越多。我国既有二级公路分布范围广总里程长, 充分利用二级路改扩建高速公路不仅可以有效节省投资、节约土地, 同时对公路建设可持续发展亦具有重要意义。二级路改扩建高速公路线路平、纵面设计由于受既有路牵制, 具有一定的独特性及难度。

1 既有路测量及拟合

1.1 既有路测量

既有路平、纵测量是改扩建高速公路路线设计的基础, 其详实度及精度直接影响到设计成果。由于既有路经过多年的运营, 在车辆荷载及自然条件作用下多产生不均匀沉降, 其平纵面现状与竣工资图资料均有一定差异。在初步设计阶段主要目标为拟合出旧路平、纵面线形, 可沿既有路两侧边线或中线直线地段每50m~100m, 曲线地段20m~50m测量一组数据即可, 路面高程使用GPS高程精度可满足要求。施工图阶段需要对既有路进行详细的测量, 对沿线桥梁、涵洞、挡墙及曲线段既有路边线及中线应加密测量, 精确测出桥涵构造物各点平面位置。高程测量宜采用水准测量, 测出既有路两侧边线及中线路面高程。对于初步设计与施工图设计间隔较短的项目, 可按施工图深度对既有路一次测量到位, 但对于初设与施设间隔较长的项目, 由于既有路可能出现沉降及养护施工, 路面高程可能出现较大变化, 应按不同深度分别测量。

1.2 既有路拟合及分析

根据既有路平纵测量资料对既有路平纵断面线形进行拟合, 最大程度的拟合出旧路线形。由于既有路施工时存在施工误差, 运营期间产生不均匀沉降, 挡护构造物可能出现滑移, 因此在拟合时应结合对旧路的利用情况, 对拟合偏差予以控制, 尤其对于改造困难的大中桥等工点, 应严格控制拟合偏差, 困难时拟合线位可适当迁就桥涵结构物。

为宏观掌握全线拟合状况, 应对拟合好的平纵面线形进行分析和评价。平面分析以里程为X轴, 以既有路中线或边线与拟合中线或边线的相对差值为Y轴, 绘制线位拟合误差分布图, 并统计出最大正误差、最大负误差、偏差平均值及标准偏差, 对于偏差较大的段落应分析原因及拟定改建措施, 有竣工图资料的可将拟合线形平曲线要素与竣工图逐一对比分析。纵断面分析以里程为X轴, 以拟合路面高程与实测路面高程之差为Y轴, 绘制纵断面拟合误差分布图。

2 设计速度的选择

合理确定改建后高速公路标准是一项系统而复杂的工作, 也是旧路改建一项关键技术, 但其主要受既有路线形指标控制, 因此应对既有路平纵线形指标进行系统分析, 并对二级路车辆运行速度调查研究, 以确定合理的设计速度。我国既有二级路及汽专二级设计速度有80及40km/h两个等级, 现行规范高速公路设计时速有120、100、80km/h三个等级, 因此二级路改扩建对象主要为80km时速二级路。由于许多80km/h二级路线形指标较高, 不仅满足时速100km标准, 甚至满足120km时速标准, 致使既有路车辆运行速度偏高, 超速现象严重, 对于这样的旧路改建设计速度的选择不应拘泥于80km/h, 可适当提高标准, 也可分段选择设计速度, 以避免高速公路建成后设计速度与运行速度差值较大应保证二者差值在20km/h以内。

3 横断面布置

我国80km时速二级路标准路基宽度多为12.0m, 为对向双车道, 而80km时速双向四车道速高速公路标准路基宽为24.5m。因此利用二级路改扩建高速公路, 采用24.5m标准断面最为理想, 无论采用整体式路基或分离式路基均可充分利用既有路, 对桥梁的改造工程最小。若采用双向六车道及以上宽度断面, 应对线路范围内桥梁工程进行研究, 采取经济合理的加宽改建措施。

4 路拱形式的选择

二级路的道路横坡大都为双向曲线路拱形式, 而高速公路道路横坡多为单向直线路拱形式。应综合考虑工程投资及运营条件, 合理确定改建高速的路拱形式。若新建帮宽一幅采用直线路拱而利用旧路一幅维持双向路拱, 其优点是可以有效节省路面工程数量, 减小桥涵构造物的改建工程及桥涵永久荷载, 缺点是需要在全线增加排水设施以排除路拱内侧雨水, 行车舒适性降低。若将二级路一幅亦改建为单向直线路拱形式, 则需要用路面材料填充曲线路拱内侧三角区域, 增加桥涵结构物永久荷载, 需要对旧梁进行检验加固, 可采用加高支座、改造盖梁横坡等方法对内侧半幅梁予以抬高, 全线桥涵改造工程量大, 但其优点是不需埋压排水设施, 行车舒适。

5 既有路调查及病害处理措施

利用既有路改扩建高速公路需要对既有路病害进行全面的调查及处理, 路面及桥涵病害处理将影响到路线设计。根据路面质量状况可以分别采取罩面、铣刨、新建等处理措施, 各种处理措施所要求的纵断面高程亦不同。根据既有桥涵病害状况可采取换梁、换板等措施, 处理过程中需要破坏桥面及开挖路基, 同样影响到纵断面设计高程。

6 路线平面设计

对于既有路线形满足标准的段落, 应最大程度予以利用, 采用整体式路基应根据旧路两侧地形地物及控制条件选择合理的帮宽侧, 尽量减少换侧次数及换侧段长度, 避免换侧段位于大中桥上而引起桥梁两侧加宽。对于帮宽困难段落, 经技术经济比选可采用分离式路基, 利用旧路作为一幅, 新建一幅绕行, 尽量减小左右线间距。既有路平面线形指标不满足要求的段落, 改建过程中应尽量利用, 减少桥涵构造物的废弃。

超高设计首先应根据测量资料计算既有路超高值及超高渐变率, 由于多年的运营, 既有路超高值多小于设计值, 超高设计时应考虑弯道段桥梁构造, 加大超高值往往会增加桥面铺装厚度, 增加桥梁荷载, 因此在超高设计时应综合考虑既有路现状, 也可将帮宽一幅与利用既有路一幅设计成不同的超高值。

7 路线纵断面设计

影响纵断面路面高程设计因素主要有路面改建方式、桥面高程、既有路纵断面线形及曲线超高等。既有路纵断面线形满足标准的段落, 纵断面设计应尽可能与既有路保持一致, 以减小对既有路的改建。既有路纵断面不满足标准的段落应根据情况合理优化改造, 原则是对旧路宜填高不宜切挖。由于特大桥、大中桥桥面改建加铺厚度较小, 一般在3~5cm间, 需要对桥面高程进行核算, 减小桥梁改建工程, 对于出现明显沉降, 无法满足拟合线形的孔跨, 应通过调整支座等工程措施予以修正。

在设有超高的曲线段高速公路设计高程为中央分隔带边缘高程, 而二级路设计高程位于曲线内侧路基边缘高程, 若二级路超高抬高端位于中央分隔带侧, 将使纵断面设计线形难以于旧路纵断面原始线形保持一致, 可增加变坡点抬高设计高程。