閆 磊

(蘇交科集團股份有限公司新疆分院，新疆 830000)

大黃山至烏魯木齊公路段是國家高速公路網(wǎng)G7北京至烏魯木齊國家高速公路的重要組成部分，是新疆第一條需按八車道高速公路技術(shù)標準改擴建的公路。

目前，我國高速公路改擴建的經(jīng)驗主要是對既有高速公路進行加寬，而將二級或一級公路提高等級改為高速公路的情況更為復雜，經(jīng)驗也不成熟。由于西部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展較慢，道路分期實施的情況比較常見，隨著交通需求的增長，西部地區(qū)將低等級公路改造為高速公路的情況會逐漸增多。本次擬改造的既有公路屬于低等級公路，本次改造經(jīng)驗對今后的類似項目具有重要的參考價值。

1 項目特性及設(shè)計理念

1.1 基本情況

現(xiàn)有的大黃山至烏魯木齊公路于1998年8月正式建成并通車。建成時為二級公路，路基寬度12 m。2005年，在原有的二級公路一側(cè)新建一條兩車道瀝青混凝土公路，以分離式伴行，路基寬度為12 m，改建后成為一條雙向四車道形式的一級公路。

本次擬將現(xiàn)有公路(設(shè)計時速100 km/h，路基寬2×12 m)升級改造為雙向八車道高速公路(設(shè)計時速120 km/h，路基寬2×20.75 m)。

1.2 自然條件

本項目沿東天山博格達山北麓、準噶爾盆地南緣山前沖洪積扇一線展布，整體地勢較為開闊，南高北低，地形高程自西向東在646～896 m之間變化，地屬中溫帶大陸性半干旱-干旱氣候。

地貌主要由山區(qū)、丘陵區(qū)及斜坡平原區(qū)構(gòu)成。該地區(qū)二疊系—第三系地層皆有分布，上二疊統(tǒng)—侏羅系發(fā)育較好，其中又以三疊系發(fā)育最佳。巖石有砂巖、石灰?guī)r、片巖、玄武巖及安山巖，路線走廊廣泛被第四系地層覆蓋，基巖出露極少，不良地質(zhì)主要為鹽漬土。

項目公路沿線地震動峰值加速度為0.20 g，地震基本烈度屬Ⅷ級。路線自東向西依次經(jīng)過黃山河、西溝河、白楊河、泉水溝、甘河子河、四工河和三工河7條河流，所有河流均為季節(jié)性河流，大部分時間處于干涸狀態(tài)。

1.3 項目特點

(1) 通道功能顯著，施工交通組織復雜

本項目是烏魯木齊以東、天山北坡唯一的東西向交通通道，現(xiàn)有交通量較大，附近礦產(chǎn)資源豐富，工業(yè)企業(yè)密集，旅游景點眾多。其重要性決定了擴建期間交通不能中斷，實施期間保持雙向四車道通行，設(shè)置合理的交通分流方案以保證擴建工程的順利實施。

(2) 現(xiàn)有高速公路建設(shè)較早，部分指標較低

已頒布實施的《高速公路改擴建設(shè)計細則》(JTG/T L11—2014)主要適用于既有高速公路進行加寬的改擴建工程設(shè)計，而本項目是將兩條并行的、分期修建的二級公路改造為八車道高速公路，國內(nèi)可借鑒經(jīng)驗不多。

(3) 重車比例高

車型構(gòu)成方面，根據(jù)各收費站的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，本項目小客車比例為53.27%，特大型貨車接近40%，客貨比基本接近1∶1，可見整個路段貨車的比例較高，特大型貨車尤為顯著。

1.4 設(shè)計理念

(1) 安全至上

在人的諸多需求中，安全要素居于首位。在公路改擴建設(shè)計中，要綜合考慮公路功能、行車安全、建設(shè)條件等因素，既要充分考慮公路設(shè)施的自身安全和運營安全，又要減少公路事故和安全隱患，盡量采用改善行車安全的措施，從根本上解決行車安全問題。

(2) 注重實效

按照全壽命周期成本的理念進行設(shè)計，選擇安全可靠、技術(shù)先進、環(huán)境友好、經(jīng)濟合理、施工便利的設(shè)計方案。

(3) 綠色環(huán)保

堅持“不破壞就是最大的保護”的設(shè)計理念，做到尊重自然、回歸自然，減少人工痕跡。在保證質(zhì)量和安全的前提下，通過科學管理， 最大限度地減少對生態(tài)環(huán)境的破壞。

(4) 舒適和諧

通過線型連續(xù)均衡、路面平整、橋涵搭接順適以及完善交通工程等措施，滿足駕駛者對舒適性的要求；突出工程與環(huán)境、道路建設(shè)與經(jīng)濟發(fā)展、施工與運營的和諧。

2 道路現(xiàn)狀評價

2.1 道路現(xiàn)狀評價方法

(1) 既有高速公路幾何數(shù)據(jù)資料收集方法

測量是對既有高速公路幾何狀況評價的基礎(chǔ)。高速公路改擴建時，需要對現(xiàn)有道路進行更為精確的數(shù)據(jù)采集。由于現(xiàn)有道路車流量大，傳統(tǒng)的人工測量方式往往存在測量速度慢、數(shù)據(jù)點少、無法保證測量人員安全的問題。因此，本項目采用了車載移動激光掃描測量技術(shù)對現(xiàn)有高速公路進行三維數(shù)據(jù)采集工作。

車載激光掃描主要采用Lynx V100車載激光雷達系統(tǒng)，具有2×100 kHz脈沖頻率，20萬個點/秒測量頻率，360度掃描視角，150 Hz掃描頻率。

車載激光雷達點云平差用靶標點按單向400 m、交叉200 m沿老路布設(shè)。經(jīng)檢驗，激光雷達掃描獲得的點云數(shù)據(jù)精度滿足勘測規(guī)范要求，對車載激光無法采集到的要素點也進行了人工采集。

(2) 既有公路評價過程

既有公路調(diào)查與評價主要包含道路安全現(xiàn)狀評價和道路技術(shù)現(xiàn)狀評價兩方面，有利于全面了解既有公路自身狀況，評價利用價值，為確定既有工程的利用和改造方案奠定基礎(chǔ)。公路路線方面，本項目在車載激光雷達實測的點云基礎(chǔ)上，對既有公路幾何數(shù)據(jù)進行全面恢復和高精度擬合，采用清單法對技術(shù)指標進行逐項評價，從而提出路線改造方案。

2.2 道路安全現(xiàn)狀評價

道路安全現(xiàn)狀主要從運行速度協(xié)調(diào)性、事故調(diào)查分析、營運管理人員意見三個方面進行評價。

(1) 運行速度協(xié)調(diào)性以相鄰路段的運行速度的差值△V85來評價。

|△V85 |<10 km/h時，運行速度協(xié)調(diào)性好；

|△V85 |為10～20 km/h時，運行速度協(xié)調(diào)性較好，條件許可，宜調(diào)整技術(shù)指標；

|△V85 |>20 km/h時，運行速度協(xié)調(diào)性不良，調(diào)整路線平、縱面設(shè)計。

本項目主線的設(shè)計速度為120 km/h，具體計算方法和參數(shù)取值參見《公路項目安全性評價規(guī)范》(JTG/B05—2015)。

(2) 進行事故調(diào)查分析。

既有的公路事故調(diào)查從項目路交通事故管理部門調(diào)取3～5年的大小事故資料作為研究樣本，包含事故類型、發(fā)生路段、天氣情況、傷亡情況多個方面。

交通事故原因眾多，每起事故均有其特殊性。交通事故分析就是為了在這特殊性之中，通過對大量已經(jīng)發(fā)生的交通事故進行調(diào)查、統(tǒng)計、分析，得出趨勢性的結(jié)論，找出共性，以便公路改擴建時對特定路段采取更強的防范措施，減少事故，保障安全。

(3) 相關(guān)單位意見是重要的參考依據(jù)，應盡可能全面地搜集既有公路運營期間內(nèi)公路管理、養(yǎng)護、路政、交警及地方政府的意見和建議，總結(jié)后作為公路改擴建方案制定的依據(jù)。

2.3 道路技術(shù)現(xiàn)狀評價

(1) 既有公路路線技術(shù)狀況評價

綜合國內(nèi)外對道路線形因素與交通事故率關(guān)系的已有研究、駕駛員的心理反應、汽車行駛動力學與道路線形的關(guān)系研究，和已有的道路線形安全審查清單，針對具體項目的特點，本著實用性和可操作性的原則建立全面的路線審查清單，如表1所示。

表1 道路線形安全審查清單

(2) 路基路面及橋涵結(jié)構(gòu)物評價

既有道路路基路面及橋涵結(jié)構(gòu)物評價主要由專業(yè)檢測報告構(gòu)成，檢測項目清單如表2和表3所示。

表2 既有路基路面檢測項目清單

表3 既有橋梁檢測項目清單

2.4 主要評價結(jié)論

2.4.1 道路現(xiàn)狀安全性問題

(1) 運行速度協(xié)調(diào)性

根據(jù)運行速度的差值△V85，全線除白楊河段外，運行速度協(xié)調(diào)性總體較好。白楊河段存在連續(xù)陡坡，根據(jù)運行速度檢驗成果，該路段車輛速度變化明顯，其中大貨車的|△V85|>20 km/h，如圖1所示。

圖1 運行速度檢驗結(jié)果

(2) 事故調(diào)查分析及對策

該段落近5年的傷亡數(shù)據(jù)表明，全線大部分段落事故較少，且事故點分布離散，安全性好，但白楊河段烏魯木齊一側(cè)傷亡事故明顯偏多，事故類型以追尾居多，如圖2所示。

圖2 事故調(diào)查數(shù)據(jù)及分布

處于白楊河段的車輛在上坡時，由于小車與大車之間存在很大的速度差，易發(fā)生小車追尾大車的惡性事故；下坡時，大車頻繁剎車，易導致剎車片過熱，制動失效，長陡下坡路段失控的大車對道路上其他車輛的安全會造成嚴重的威脅。另外，南泉子收費站距離該點位較近，車輛排隊擁堵也是該段道路事故多發(fā)的原因。

(3) 運營管理及各單位意見

① 路政與交警部門：由于路段附近有南泉子水庫和白楊河水庫，冬季易出現(xiàn)團霧和黑冰，影響車輛運行安全。另外，車輛爬坡時，車輛降速較多，尤其是大貨車，運行速度降至40 km/h以下，爬坡困難，冬季路面結(jié)冰時重型車輛甚至無法正常運行停在路邊。下坡時易發(fā)生剎車困難造成追尾事故，現(xiàn)已按80 km/h限速運行。

② 地方公路局：本項目防洪評價中，有4處排洪涵洞以及2處橋梁，排洪能力不足。

③ 高速公路管養(yǎng)部門：大黃山服務區(qū)左、右側(cè)廣場僅有一座人行天橋溝通，車輛溝通需繞行約20 km，公路養(yǎng)護和搶險較為不便。

④ 地方交通局：上戶溝互通被交路為X132，主線下穿，X132上縱坡較大，坡底事故頻發(fā)。

2.4.2 道路現(xiàn)狀技術(shù)性問題

(1) 路線技術(shù)性問題

路線技術(shù)性問題如表4所示。

表4 路線技術(shù)性問題

(2) 路基路面檢測結(jié)論

① 大烏方向、烏大方向行車道路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI分別為54和57，路面行車道代表彎沉平均值為50.8和50.9(0.01 mm)。

② 依據(jù)《公路技術(shù)評定標準》，路面無明顯車轍。

③ 路面病害主要類型為橫向裂縫、縱向裂縫、塊裂及龜裂，同時存在坑槽及修補等病害。

④ 瀝青路面的主要病害占總病害折算面積：橫縫54.56%，塊狀裂縫21.12%，龜裂16.29%，縱縫7.60%。 依據(jù)《公路技術(shù)評定標準》，從路面破損現(xiàn)狀來看，烏大方向PCI總平均值為82.13，大烏方向為81.50，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對其評價為良。

⑤ 通過對雷達檢測結(jié)果進行分析，進一步探明沿線路面內(nèi)部層間結(jié)合及松散情況，結(jié)合路面性能檢測，為路面改造方案選擇及段落劃分提供依據(jù)。

⑥ 烏大方向共64處取芯，大烏方向共64處取芯。所取芯樣的大部分路段面層與基層無粘結(jié)，基層表面松散，路面厚度變化明顯，控制較差。由于老路分期修建時路面結(jié)構(gòu)厚度不同，期間經(jīng)過多次大中修，從取芯結(jié)果來看，瀝青面層厚度差別較大。

⑦ 路基檢測：

共布置18個坑探，其中路基病害處布置16個，路基正常段布置2個，上、下行方向各9個探坑，按照單向6公里一個點進行，探坑尺寸約為80 cm×80 cm。

探坑表明，路表裂縫基本都貫穿面層，大部分基層強度較好，底基層為天然砂礫，含有較多大粒徑卵石，部分粒徑甚至超過20 cm，較為松散、潮濕。路床填料主要為天然砂礫，部分含有較多大粒徑卵石。

壓實度方面，上行方向路床壓實度平均值為95.8%，下行方向路床壓實度平均值為95.6%，略小于《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)中對路床范圍壓實度要求不小于96%的要求。

(3) 橋梁檢測結(jié)論

本項目共包括橋梁32座、涵洞127座。鑒于左右幅橋梁的建造年代差異，左右雙線采取分開評定的方式。

左幅橋梁：二類橋7座，三類橋22座，四類橋2座；右幅橋梁：二類橋2座、三類橋28座、四類橋1座。

(4) 涵洞檢測結(jié)論

左幅涵洞：73座較好，46座較差；

右幅涵洞：64座較好，58座較差。

3 改造方案研究

3.1 道路現(xiàn)狀安全性問題改造方案

3.1.1 白楊河段安全性問題改造方案

根據(jù)運營速度檢驗、事故調(diào)查、地方政府及管理部門意見，以及縱斷面技術(shù)指標分析，白楊河兩側(cè)總長約10 km的段落存在一定問題，需進行改造。設(shè)計中提出了4種方案進行定性和定量分析比選，如表5所示。

表5 白楊河段比選方案

(1) 方案定性比較

首先對各比選方案進行定性分析比較，比較情況如表6所示。

(2) 各方案定量比較及結(jié)論

對各比選方案進行同深度定量比選，比選結(jié)果表7所示。

表6 各比選方案定性分析

表7 各方案工程規(guī)模比較

由比選可知，K線建安費加交通組織的費用最高，比最低的A3方案高9 019.8萬元；A1線改線后南泉子河橋梁規(guī)模較小，費用較低，但仍比A3方案高3 623.9萬元，且A1存在現(xiàn)有老路利用困難的問題； A2方案為上下行分離方案，存在上下行路線包圍區(qū)域內(nèi)的約3 700畝土地利用困難的問題。

相比之下A3線利用了現(xiàn)有老路走廊，僅對坡長超規(guī)范情況進行了調(diào)整，最大縱坡采用了4%，符合《公路工程技術(shù)標準》中“設(shè)計時速為120 km/h、100 km/h、80 km/h的高速公路受地形條件及其他特殊情況限制時，經(jīng)技術(shù)論證，最大縱坡可增加1%”的要求。

綜上所述，本次設(shè)計擬利用建設(shè)費用最低的A3線方案作為推薦方案。

3.1.2 其他安全性問題改造方案

通過溝通及必要的方案比選，確定了其他安全性問題改造方案，如表8所示。

表8 其他安全性問題改造方案

3.2 道路現(xiàn)狀技術(shù)性問題改造方案

3.2.1 路線技術(shù)性問題改造方案

路線技術(shù)性問題改造方案如表9所示。

表9 路線技術(shù)性問題改造方案

3.2.2 路基路面改造方案

(1) 主線路基填土高度結(jié)合既有公路縱斷面、既有構(gòu)造物分布及改造方案、路面改造方案確定。新建路基在滿足洪水位要求前提下，填土高度宜大于路面厚度與路床厚度之和。

(2) 結(jié)合既有公路邊坡DCP測試，拼接路基前，在保證路基穩(wěn)定的前提下清除既有公路邊坡圬工等，削坡厚度按30 cm計。

(3) 本項目根據(jù)交通量組成特點，在交通運行組織上實行客貨分車道運營管理，路面設(shè)計將原有道路的第1、2車道按小型車、中型車進行設(shè)計劃分，擴建的第3、4車道按大貨車、拖掛車進行設(shè)計劃分。這樣既實現(xiàn)了原路面的充分利用，又保證了新建路面的耐久性，使新老路面耐久性保持一致性。因此，項目采用分車道設(shè)計的累計軸載和設(shè)計彎沉。

(4) 對舊瀝青路面再生利用進行專題研究，根據(jù)專題審查意見，不對舊瀝青路面銑刨進行再生處理，將銑刨料用于路基填料。

3.2.3 橋梁改造方案

對于路線調(diào)整段無法滿足線形要求的，考慮拆除新建方案；對于互通及支線上跨橋梁均不滿足拓寬后凈跨要求的，采用拆除新建方案；對于承載能力極限狀態(tài)正截面抗彎強度超限較多的6 m和8 m橋梁，考慮采取上部結(jié)構(gòu)更換、下部結(jié)構(gòu)拼寬的方案。

3.2.4 涵洞改造方案

涵洞上部結(jié)構(gòu)總體較差，下部結(jié)構(gòu)總體良好。通過計算，明涵拼寬后既有涵洞承載能力不足，擬采用對既有涵洞上部結(jié)構(gòu)進行更換，下部結(jié)構(gòu)維修利用、兩側(cè)拼寬的方案；暗涵擬采用對既有涵洞維修利用、兩側(cè)拼寬的方案。

4 小結(jié)

論文結(jié)合項目實踐經(jīng)驗，對典型的低等級公路改擴建高速公路的設(shè)計理念、改造方案進行了探討；總結(jié)高精度激光掃描測量技術(shù)在改擴建項目中的應用經(jīng)驗；提出基于運行速度檢驗、事故調(diào)查分析、意見調(diào)查研究的運營安全性評價方法，以及清單篩查法和試驗檢測相結(jié)合的公路技術(shù)狀況評價方法；梳理項目中長直線、緩和曲線、平包豎、大縱坡、事故點等具體問題，研究路基路面改造、橋涵改造利用原則等重難點問題；最后結(jié)合評價結(jié)果分析問題原因并提出解決方案，以便類似改擴建項目借鑒。