預留遠期改擴建條件下高速公路超前設計探討

張金， 張焱發， 潘丹

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

隨著經濟的不斷發展，國省高速公路網承擔的交通量成倍增趨勢，現階段運營或啟動開工建設的高速公路項目中，湖北省內目前已運營高速公路多為四車道高速公路，設計速度為100 km/h，日趨增加的交通量與公路實際通行能力不相匹配的矛盾漸顯，高速公路原走廊改擴建方案通過道路擴容，能有效緩解矛盾，高速公路改擴建工程項目的設計及施工實施中，往往存在原高速公路主線平面、縱面、橫斷面技術指標設計不匹配，互通式立體交叉設置緊湊而無法適應改擴建方案所需互通的布設，原路基橫斷面未考慮擴建方案所需放坡空間，上跨主線橋涵構造物跨徑無法滿足改擴建條件，隧道或特大橋梁等特殊節點往往因為擴建空間受限，以上種種不利因素均對今后改擴建方案有很大制約，導致改擴建工程規模偏大，不能充分利用既有高速公路橫斷面進行擴建，部分橋梁構造物廢棄，整個互通拆除重建，隧道或特大橋梁因為無法有效擴建而成為瓶頸路段，因此，現階段高速公路設計中，如何有效地為遠期多車道改擴建方案預留空間，又不過于增大現階段投資規模，是一個值得探討的問題。該文從路線、路基路面、互通式立體交叉、分離式立交等設計方面出發，對高速公路勘察設計時，考慮預留改擴建條件的高速公路超前設計進行探討。

1 路線設計

原有四車道高速公路，相比于擴建六車道方案，擴建八車道方案從對快速增長的交通量適應性、遠期經濟效益、避免多次重復建設、大型結構物加寬合理性、施工及質量控制難度等方面，遠期八車道擴建方案無疑比六車道更為合理，現狀100 km/h設計速度，不能滿足遠期八車道高速公路運營需求，因為路容的擴寬，內側超車道要滿足提速到120 km/h的條件，因此，勘察設計時需按現狀120 km/h考慮平縱面設計指標，避免由于設計指標不滿足，從而制約遠期八車道高速公路運營提速設計，以下分析為遠期按120 km/h設計時速條件下，路線設計方面需考慮的內容。

1.1 平面設計

1.1.1 最小平曲線半徑的選取

平面指標除了需滿足規范規定的最小平曲線半徑外，尤其要注意在條件允許下，需采用大的平曲線半徑以保證內側車道停車視距要求。

勘察設計者除了對路線最外側車道進行停車視距檢驗外，也需對平曲線路段內側車道進行視距檢查，根據規范中對視點、物點的定義以及平曲線幾何原理，平曲線內側車道視距檢驗圖如圖1所示，不同設計時速

下停車視距所對應的平曲線半徑計算結果如表1所示。

圖1 停車視距所對應平曲線半徑計算示意圖(單位：m)

表1 滿足停車視距要求的圓曲線最小半徑

由表1可以看出：考慮到遠期改擴建方案的實施，需考慮設計速度為120 km/h時，平曲線段內側車道滿足停車視距要求而所需的最小半徑為，有條件的情況下，最小平曲線半徑建議提高至2 640 m，對最小平曲線半徑小于2 640 m的路段，可通過設置新澤西護欄縮窄中間帶寬度而不外移內側車道，或者加寬中間帶寬度外移內側車道等措施來滿足內側車道停車視距要求，且要求遠期高速公路在運營過程中，避免中央分隔帶綠植野蠻生長而侵入至公路建筑限界范圍內，以保證內側車道停車視距要求。

1.1.2 緩和曲線最小長度的選取

超高緩和段設計過程中，由于四車道改建成八車道帶來的超高旋轉軸至右側路緣帶外邊緣寬度的增加、設計速度提高至120 km/h而對超高漸變率的更高要求以及同一平曲線半徑下超高值的增大，緩和曲線長度過短往往成為制約超高過渡方式的關鍵因素(表2)。由表2可看出：同一平曲線半徑下，預留八車道擴建條件設計中所需緩和段長度大大增長，達到1倍之多，因此，現階段四車道高速公路勘察設計過程中，需考慮足夠長的超高緩和段長度，以滿足預留八車道改擴建條件需求。

1.1.3 平面線元組合的超前設計

根據相關規范規定：同向平曲線間最短直線長度需滿足不小于6倍設計速度長度的要求，對于預留改擴建條件所要求的設計速度的提高，既有高速公路設計時所考慮的同向平曲線間最短直線長度往往不滿足預留八車道改擴建條件的要求，此種在平面指標上與改擴建所需指標不協調匹配的情況，對改擴建工程設計方案、工程規模以及施工時保通方案均有不利影響，因此，在現有高速公路設計時應盡量避免在同向平曲線間接入臨近6倍設計速度長度的最短長度直線，以大半徑圓曲線取而代之，并在大半徑圓曲線段設置最小超高，避免路拱橫坡的頻繁變化對行車安全舒適性造成不利影響。

表2 不同條件下超高緩和段設計參數

1.2 縱面設計

根據JTG D20-2017《公路路線設計規范》規定：設計速度為100 km/h，最小坡長為250 m，最大坡度4%的最大坡長為800 m；設計速度為120 km/h，最小坡長為300 m，最大坡度3%的最大坡長為900 m。規范中最大縱坡和坡長限制指標，主要考慮了汽車的上坡動力性能以及對長大下坡的安全性。因此，考慮到預留遠期改擴建條件，主線“最大縱坡”及對應的“最大坡長”均需進行調整。表3為武漢至陽新高速公路黃石段勘察設計項目，實際設計中考慮到預留八車道擴建條件設計時對縱斷面指標超前設計的實例。

2 路基橫斷面加寬方式

八車道擴建路基橫斷面方案以拼接的形式為主，主要分為兩側加寬、兩側分離、單側加寬和單側分離4種，4種擴建方式均有各自的適宜范圍，且優缺點較為明顯，如表4所示。

表3 不同條件下縱斷面設計方案

表4 路基橫斷面不同擴建方式的優缺點

根據建設條件的不同，雖然有多種加寬方式可供設計者進行比選，但在加寬方式選擇上應以“安全、節約、方便、利用”為基本原則，安全即擴建方案除需保證原有道路路基、邊坡、結構物安全之外，還要保證施工期行車安全和施工安全；節約即節約建設用地及建設費用，特別是老路大范圍穿越基本農田區域時，擴建方案需避免對區域造成封閉效應，加寬方式也應方便施工，方便交通順暢組織，方便擴建后的維護管理；充分利用已有用地空間，充分利用原路基、結構物，充分利用已有道路設施。對于位于重丘區，布設有特長隧道或特大型涉水橋梁時，由于橋隧等大型構造物不適宜兩側加寬，較多采用單側加寬的方式，現階段設計過程中，應考慮到為遠期八車道擴建預留走廊條件，特別是長大隧道、隧道群、特殊復雜結構橋梁的路段，原則上在遠期擴建方案中應采用局部新建分離式路線的方案，同時做好同向分離路段的交通組織和安全設計。

3 互通式立體交叉設計

預留八車道擴建條件下高速公路互通式立體交叉設計，在互通區主線范圍內平縱面指標需考慮升級提速所需指標一般性最小值之外，還需對互通式立交出入主線變速車道設計進行預留條件設計，避免遠期擴建方案下對原有互通進行大規模拆除重建工程，也避免地方與高速主線間轉換交通量的中斷對高速運營產生不利影響。

在互通區主線范圍內及匝道平縱面指標方面，“互通區主線范圍內最小圓曲線半徑”及“最小豎曲線半徑”均需進行預留優化設計，匝道平縱面設計中，需考慮八車道預留改擴建方案造成分匯流點的變化導致匝道長度及出入主線位置的高程變化，條件允許情況下，現階段設計中保證較長匝道長度，取用較保守的匝道平縱面指標，避免在分匯流點附近采用臨近規范規定最小坡長及最小豎曲線半徑指標，以免八車道預留改擴建方案對原有互通式立交匝道的不可利用。

互通式立交出入主線變速車道預留八車道擴建方案設計需從加、減速車道長度的適應性以及八車道擴建方案對既有匝道，尤其是出入主線的匝道端部利用度及匝道兩個方面考慮，需考慮主線設計時速為120 km/h條件下互通立交出入口加、減速車道長度的一般性要求，出入主線的匝道端部利用度需要從出入主線的加減速車道設計方式上考慮，有如下幾種設計方式可供參考：

(1) 當互通區主線位于直線段時，且變速車道范圍內為路基段時，按八車道橫斷面布設出口匝道，再延伸出口匝道起點直線線元，布設四車道近期方案分流鼻，取規定長度漸變段及減速車道長度，遠期八車道擴建只需填筑近期分流鼻至遠期八車道預留時分流鼻之間三角區即可，如圖2所示。此方案充分考慮遠期八車道預留條件，遠期改擴建施工時對匝道能完全利用，值得注意的是，近期四車道高速公路出口匝道名義上有一段與主線同坡，但遠期能充分利用此段作為減速車道段，能最大限度地減少擴建工程造成的工程廢棄。

圖2 主線位于直線段時出口匝道平面線形預留設計示意圖(單位：m)

(2) 當互通區主線位于圓曲線段，且變速車道范圍內有變寬橋梁構造物，以上方式存在遠期改擴建時，三角區路基拼寬段位置橋梁不便于擴建的缺點，先期按照遠期路基寬度全部建成又造成過大的工程規模，因此，此時宜采用考慮遠期變速車道平移外擴的方式進行加寬，如圖3所示。此方式在遠期擴建成八車道時，直接在漸變段及變速車道段外圍擴建等寬路基或橋梁段，并輔助標志標線，完成八車道下主線出口的設計。但是也存在匝道分流點至匝道中部一定長度內，部分路基廢棄，當原匝道上需布設橋梁構造物時，不適宜采用此種方式。

(3) 對于加速車道，預留合流鼻前接入主線的匝道線元位置，先按八車道正常設計合流鼻端及加速車道，然后直接采用較長的緩和曲線接入四車道主線，較易實現考慮預留八車道擴建方案設計(圖4)，此種變速車道方案設計時需注意避免合流點距離主線上跨匝道橋梁太近，盡量避免變寬橋梁增加設計及施工難度。需要注意的是，八車道正常設計時緩和曲線參數較四車道主線設計時小，需首要考慮八車道正常設計時緩和曲線參數滿足相關規范要求。

圖3 主線位于曲線段時出口匝道平面線形預留設計示意圖(單位：m)

圖4 入口匝道平面線形預留設計示意圖(單位：m)

4 結論

該文對考慮遠期擴建八車道條件下，現階段實按四車道高速公路設計時需重點關注的問題進行了簡要論述，得到以下結論：

(1) 平面指標除了需滿足規范所需最小平曲線半徑外，尤其注意在條件允許下，需采用大的平曲線半徑以保證內側車道停車視距要求。

(2) 超高緩和段設計時，現階段四車道高速公路勘察設計過程中，需考慮足夠長的超高緩和段長度，以滿足預留八車道改擴建條件需求。

(3) 平面線元組合的超前設計時，應盡量避免在同向平曲線間接入臨近6倍設計速度長度的最短長度直線，應以大半徑圓曲線取而代之，并在大半徑圓曲線段設置最小超高，以滿足遠期擴建對內側車道提速的需求。

(4) 縱面設計指標預留設計時，需考慮遠期擴建對內側車道提速而對縱坡指標提出更高的要求。

(5) 路基橫斷面不同擴建方式均有其適用范圍，宜結合各種環境條件及制約因素擇優選用。

(6) 在互通區主線范圍內平縱面指標除需考慮升級提速所需指標一般性最小值之外，還需對互通式立交出入主線變速車道進行預留條件設計，并對主線出入口匝道線形預留設計，盡量減少遠期改擴建工程造成的工程廢棄，踐行綠色環保公路理念。