樊 寅， 劉偉超

(臺州市交通勘察設(shè)計(jì)院， 浙江 臺州 318001)

隨著浙江省國民經(jīng)濟(jì)不斷增長，各地區(qū)域間交流變得更加頻繁，公路交通量呈顯著上升趨勢，部分公路等級已無法滿足交通量實(shí)際需求，而改擴(kuò)建是提升交通服務(wù)水平、解決道路交通飽和問題的有效措施。公路改擴(kuò)建中，公路選線的制約因素越來越多，設(shè)計(jì)過程中須做好新老路間縱橫斷面的平穩(wěn)過渡，而超高作為其中一個重要設(shè)計(jì)參數(shù)，其設(shè)計(jì)合理性直接影響到行車的安全性、穩(wěn)定性和舒適性。

目前國內(nèi)主要研究新建道路曲線超高設(shè)計(jì)的相關(guān)問題[1-6]，而對改擴(kuò)建中線形超高研究相對較少，結(jié)合浙江省目前公路改擴(kuò)建實(shí)際情況，開展更為安全、舒適的超高設(shè)計(jì)研究，對提升老路改造具有重要的意義。為此，本文基于S226省道溫嶺岙環(huán)至玉環(huán)龍溪段拓寬改造項(xiàng)目(簡稱S226省道改建項(xiàng)目)，針對改擴(kuò)建項(xiàng)目中分離式路基超高線形設(shè)計(jì)方法、S型曲線超高設(shè)置、曲線內(nèi)構(gòu)造物超高驗(yàn)算以及老路路拱過渡段等特殊超高問題進(jìn)行初步探討，以期提出一些行之有效的設(shè)計(jì)思路及建議。

1 工程概況

S226省道改建項(xiàng)目為老路拓寬提升改造工程，全長約17.7 km，改造后按一級集散公路80 km/h雙向4車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，路基寬度26.5 m，見圖1。老路為設(shè)計(jì)速度60 km/h，雙向2車道的二級公路，路基寬度17 m，共設(shè)橋梁708 m/20座，隧道725 m/2座。受路線走廊帶限制，拓寬后路線總體走向與老路基本一致，并結(jié)合老路沿線地形、線形指標(biāo)、構(gòu)造物、工程造價等因素，在設(shè)計(jì)過程中靈活使用各種設(shè)計(jì)方案，如單側(cè)拓寬、雙側(cè)拓寬以及局部線形優(yōu)化等設(shè)計(jì)方法。

單位：m

2 分離式路基超高線形設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)行JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中，對有、無中間帶、公路的超高過渡方式都作了明確規(guī)定，并對新建和改建工程的適宜過渡方式進(jìn)行了闡述，但未明確具體如何超高旋轉(zhuǎn)，以及不同超高方式帶來的影響，特別是分離式路基。通過了解，大部分設(shè)計(jì)人員對分離式路基超高過渡設(shè)計(jì)通常采用以下3種方法[8]，具體見表1。

表1 分離式路基線形設(shè)計(jì)方法

由表1可以看出，前2種方法的設(shè)計(jì)線和旋轉(zhuǎn)軸位于同一軸線上，平、縱面設(shè)計(jì)線位置相一致，便于設(shè)計(jì)人員計(jì)算路基填挖高度，也便于對超高過渡的控制和操作，在實(shí)際中廣泛采用。然而，筆者認(rèn)為，方法1所需的超高過渡段較短，有利于路面排水，但分離路基間會產(chǎn)生一定的高差，比如S226省道改建項(xiàng)目連接線JK0+000～JK0+450段，路基寬度為2×13.25 m，見圖2，分離式路基曲線半徑分別為500 m和750 m，超高分別為6%和4%，兩者路基內(nèi)側(cè)高差約45 cm，整體美觀性較差，若曲線內(nèi)有橋梁，應(yīng)慎用；后2種方法均可保證整體式路基和分離式路基平順過渡，且兩者具有相同的超高漸變率，行車舒適性較好，但方法2需對項(xiàng)目拆分為多個獨(dú)立項(xiàng)目，設(shè)計(jì)工作量較大且繁瑣。對改擴(kuò)建公路而言，若需充分利用現(xiàn)有道路，則分離式路基線形設(shè)計(jì)建議采用方法1，繞行車道中線旋轉(zhuǎn)；反之則宜采用方法2、方法3，繞內(nèi)側(cè)車道邊緣線旋轉(zhuǎn)。

3 S型曲線超高設(shè)計(jì)

S型曲線作為公路常用線形組合，具有地形適應(yīng)性強(qiáng)和線形流暢的優(yōu)點(diǎn)，在改擴(kuò)建公路中廣泛應(yīng)用[9]。JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]7.5.6中僅要求“超高過渡宜在回旋線全長范圍內(nèi)進(jìn)行”，而未對S型曲線的超高過渡方式和漸變率進(jìn)行特殊具體說明，僅JTG/T D21—2014《公路立交設(shè)計(jì)細(xì)則》[10]對小于最小超高漸變率ρ0的S型曲線提出采用分段過渡方式進(jìn)行超高過渡，并明確曲線GQ點(diǎn)至不設(shè)超高段i0的漸變長度為40 m。但對于高等級公路，其適應(yīng)范圍具有一定局限性。例如路基寬度分別為10 m和24.5 m的二級公路和一級公路，正常路段路面橫坡為2%，計(jì)算其超高漸變率分別為：

單位：m

圖2分離式路基橫斷面布置

Fig.2 Cross section layout of separated subgrade

(1)

(2)

筆者認(rèn)為，分段過渡方式雖然較好地解決了超高漸變率過小的問題，但過渡段長度應(yīng)考慮道路類型、路幅寬度等因素，而不應(yīng)該是定值。為此，筆者結(jié)合公路排水需求最小合成坡度的要求，對S型曲線超高設(shè)計(jì)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男拚?/p>

1) 當(dāng)路線合成縱坡≥0.5%，回旋線Ls大于最小超高過渡段Lc時，反向曲線宜在回旋線全長范圍內(nèi)超高過渡，有利于提高行車舒適性。

2) 當(dāng)路線合成縱坡<0.5%，回旋線Ls大于最大超高過渡段Lc時，則需重視曲線內(nèi)超高漸變率的設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為，S型曲線雖然不存在凹曲線與超高零坡段的不利組合[11]，但對合成縱坡<0.5%路段，倘若超高漸變率ρ<1/330，則路拱橫坡-2%～2%路段依舊存在排水不暢的問題。上述情況可采用分段過渡方式，零坡GQ點(diǎn)至不設(shè)超高i0段采用最小超高漸變率ρ0(主要解決排水問題和防止超高出現(xiàn)過急過大現(xiàn)象)；超高i0過渡到imax段，由于其路面橫向坡度已滿足排水功能，故可不受超高漸變率控制，一般選擇在特征點(diǎn)處結(jié)束。也就是說，不同路幅寬度條件下的超高過渡段長度并不是相同的定值，應(yīng)根據(jù)圖3和公式(3)、公式(4)分別計(jì)算其漸變段長度L1和超高漸變率ρ1:

(3)

(4)

式中：i0為不設(shè)超高路段的路面橫坡度，%。

(a) 平面

(b) 立面

4 曲線內(nèi)構(gòu)造物超高驗(yàn)算

目前，高等級改擴(kuò)建公路主要采用運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性來評價項(xiàng)目整體性和安全性[12]，通過模擬分析得到不同曲線半徑路段的合理超高值。但老橋能夠增加的恒載和超高變化空間往往有限，若一味地采用評價推薦的超高值，勢必造成老橋上部結(jié)構(gòu)的浪費(fèi)，增加工程成本。筆者認(rèn)為，對于完全擬合老路平面線形的路段，應(yīng)計(jì)算改造前后橫向力系數(shù)μ值變化情況，其驗(yàn)算結(jié)果可為橋梁改造方案提供理論依據(jù)。根據(jù)汽車行駛理論，計(jì)算公式如下[13]：

(5)

式中：R為圓曲線半徑，m；V為行駛速度，km/h；μ為橫向力系數(shù)；i為路面橫坡(即超高值)，%。

4.1 超高曲線最小半徑驗(yàn)算

對于老路平曲線完全利用段，首先驗(yàn)算其曲線半徑是否滿足極限平曲線半徑要求。根據(jù)公式(5)可計(jì)算不同設(shè)計(jì)速度條件下的極限平曲線半徑，式中i值取0.06，μ值取JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[14]規(guī)定的最大值，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 圓曲線極限最小半徑

4.2 橫向力系數(shù)驗(yàn)算

道路橫向力系數(shù)μ是衡量道路行車安全性和舒適性的一個重要指標(biāo)，也是計(jì)算平曲線半徑和超高的最基本參數(shù)，μ值越大，轉(zhuǎn)彎感越強(qiáng)烈，反之則越平穩(wěn)。JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]從人的承受能力與舒適感考慮，對不同區(qū)間的μ值作了定性描述，其對應(yīng)關(guān)系見表3。

從表3可以看出，當(dāng)μ<0.10時，轉(zhuǎn)彎感覺不到有曲線的存在，且行車平穩(wěn)；當(dāng)μ>0.10時，轉(zhuǎn)彎感趨于明顯，穩(wěn)定性也逐漸下降。對于V≥60 km/h改擴(kuò)建的高等級公路而言，行車舒適性和穩(wěn)定性尤為重要。筆者認(rèn)為，μ=0.10可作為改擴(kuò)建公路曲線超高值和平曲線半徑組合是否合理的量化指標(biāo)，受地形、地質(zhì)等條件限制或工程規(guī)模較大時，μ值可適當(dāng)放寬，但不應(yīng)大于0.15。

表3 橫向力系數(shù)與舒適感程度的關(guān)系[4]

曲線內(nèi)老橋利用改造，往往采用拓寬處理方案，維持原曲線半徑和超高值，但原有設(shè)計(jì)參數(shù)不一定適應(yīng)新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，故需驗(yàn)算改造前后μ值的變化情況。以S226省道改建項(xiàng)目為例，全線共有5座橋梁和1座隧道位于圓曲線范圍內(nèi)，見表4，曲線半徑均滿足極限最小半徑要求，利用公路路線安全性分析系統(tǒng)V2.9，對改建后道路運(yùn)行速度進(jìn)行分析，并計(jì)算各圓曲線改造后對應(yīng)的橫向力系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 圓曲線范圍內(nèi)原有構(gòu)造物參數(shù)

由表5可知，道路提升改造后，曲線內(nèi)構(gòu)造物橫向力系數(shù)μ均小于0.10，行車舒適性和橫向穩(wěn)定性較好，間接反映出構(gòu)造物原有超高值滿足改造后新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時μ隨曲線半徑R變化明顯，R越大，μ越小，行車越穩(wěn)定，這與道路曲線路段實(shí)際行車舒適感相吻合。

5 路拱設(shè)計(jì)

5.1 路拱值確定

一般情況下，道路受行車荷載和路基恒載等外力作用，運(yùn)營一定年限后，路面都會有一定的沉降，且沉降量呈盆形曲線分布，路基中心沉降量較邊緣相對會大一些。實(shí)際道路橫坡測量結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)2%的道路橫坡，道路改建時路拱橫坡通常僅為1.7%左右。

表5 道路改造后構(gòu)造物橫向力系數(shù)計(jì)算

路拱橫坡的確定取決于道路現(xiàn)狀使用狀況和路面改造方案。對道路基層需補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的老路改造，通常可利用基層厚度進(jìn)行調(diào)拱，不僅施工便利，而且又可以恢復(fù)路面的排水功能和不增加面層工程量；但若老路僅進(jìn)行路面加鋪設(shè)計(jì)，則需結(jié)合現(xiàn)有路拱橫坡情況考慮。對于≥1.5%的路拱橫坡，能夠滿足道路的排水功能需求，不需要進(jìn)行調(diào)拱，可要求施工中按面層厚度控制，維持現(xiàn)有路拱橫坡即可；若路拱<1.5%，可采用路面銑刨方式，通過控制面層不同位置的銑刨厚度，將其路拱調(diào)整至1.5%以上，然后再統(tǒng)一加鋪相同厚度的面層。

5.2 單側(cè)拓寬的路拱設(shè)計(jì)

通常來說，路面強(qiáng)度和使用狀況均較好的雙路拱老路，如果單側(cè)拓寬后雙側(cè)路拱需對稱一致，則需對舊路進(jìn)行調(diào)拱。舊路調(diào)拱后路面平整美觀、排水順暢、行車舒適，但也會造成以下問題：1) 調(diào)拱厚度較大，成本較高，如S226省道17 m寬的二級公路拓寬改建成一級公路，半幅新建半幅利用，舊路僅加鋪面層，最大調(diào)拱厚度為32 cm；2) 橋梁等構(gòu)造物也需相應(yīng)調(diào)拱，若橋梁與路基調(diào)拱協(xié)調(diào)性不一致，勢必造成路拱出現(xiàn)頻繁變換現(xiàn)象，影響行車舒適性；3) 施工期間最小壓實(shí)厚度不易控制，路幅全寬需采用不同厚度銑刨，施工難以控制。因此，對于單側(cè)拓寬的雙側(cè)路拱道路，建議保留舊路原有路拱橫坡，設(shè)置雙路拱線，在中分帶側(cè)參照超高路段進(jìn)行排水設(shè)計(jì)，具體情況可參照圖4設(shè)置。

5.3 老橋路拱與路基橫坡過渡設(shè)計(jì)

當(dāng)老橋路拱與路基橫坡不一致時，需做好兩者間的路拱過渡設(shè)計(jì)，若新老路均以中央分隔帶邊緣線為超高旋轉(zhuǎn)軸，則會在過渡段內(nèi)形成老橋路拱至中分帶一條斜線分布的路拱線，路拱頻繁變換影響行車舒適性[15]。筆者認(rèn)為，老橋橋頭路基過渡段可采用老橋路拱線作為超高旋轉(zhuǎn)軸，控制舊路路基邊緣高程，路拱過渡段參照中線超高旋轉(zhuǎn)的超高漸變率控制，具體路拱變化見圖5。

(a) 調(diào)拱

(b) 非調(diào)拱

(a) 正常(過渡起點(diǎn))

(b) 內(nèi)側(cè)路拱i=0%

(c) 老橋(過渡終點(diǎn))

以S226省道改建項(xiàng)目中K7+719大岙里橋拓寬改造為例，老橋上部結(jié)構(gòu)為2×16 m預(yù)應(yīng)力空心板，橋面寬度17 m，雙側(cè)2%路拱橫坡，右側(cè)單側(cè)拓寬9 m，老橋路拱線至中央分隔帶邊緣3.75 m，橫坡需從+2%過渡至-2%，超高漸變率取ρ=1/200，橋梁兩端路基過渡段長度L計(jì)算公式為：

根據(jù)圖5中路拱過渡思路和公式(6)計(jì)算方法，選取大岙里橋原路拱線作為超高過渡旋轉(zhuǎn)軸，橋梁兩端路基過渡段長度取30 m，分別計(jì)算出過渡段內(nèi)不同路基斷面的路面標(biāo)高，見圖6。

(a) 大岙里橋小樁號方向側(cè)(溫嶺方向)

(b) 大岙里橋大樁號方向側(cè)(玉環(huán)方向)

6 結(jié)束語

本文介紹了改擴(kuò)建公路中分離式路基超高線形設(shè)計(jì)方法、S型曲線超高設(shè)置、曲線內(nèi)構(gòu)造物超高驗(yàn)算及老路路拱設(shè)計(jì)等特殊超高問題的一些經(jīng)驗(yàn)做法，主要結(jié)論如下：

1) 對改擴(kuò)建公路而言，若需充分利用現(xiàn)有道路，則分離式路基設(shè)計(jì)線建議采用行車道中線，繞行車道中線旋轉(zhuǎn)；反之則宜選內(nèi)側(cè)車道邊緣線或路基邊線，繞內(nèi)側(cè)車道邊緣線旋轉(zhuǎn)。

2) S型曲線超高設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)路線合成縱坡合理設(shè)置。若路線合成縱坡≥0.5%，反向曲線宜在回旋線全長范圍內(nèi)超高過渡；若路線合成縱坡<0.5%，曲線GQ點(diǎn)至不設(shè)超高段i0段(路拱橫坡-2%～+2%段)應(yīng)嚴(yán)格控制其超高漸變率，一般情況可按最小超高漸變率ρ0取值，以保證緩坡路段內(nèi)排水順暢和行車安全性。過渡段長度應(yīng)根據(jù)道路類型、路幅寬度等因素計(jì)算得知，而非定值。

3) 對V≥60 km/h改擴(kuò)建的高等級公路，橫向力系數(shù)μ=0.10可作為改擴(kuò)建公路曲線超高值和平曲線半徑組合是否合理的量化指標(biāo)，受地形、地質(zhì)等條件限制或工程規(guī)模較大時，μ值可適當(dāng)放寬，但不應(yīng)大于0.15。

4) 對于單側(cè)拓寬的雙側(cè)路拱道路，建議保留舊路原有路拱橫坡，設(shè)置雙路拱線，在中分帶側(cè)參照超高路段進(jìn)行排水設(shè)計(jì)，以降低工程造價；老橋橋頭路基過渡段可采用老橋路拱線作為超高旋轉(zhuǎn)軸，控制舊路路基邊緣高程，路拱過渡段參照中線超高旋轉(zhuǎn)的超高漸變率控制。