倪小軍， 白秀銀

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，路網(wǎng)的進(jìn)一步完善，汽車(chē)保有量持續(xù)增長(zhǎng)，交通需求越來(lái)越大，早期修建的高速公路服務(wù)水平降低，改擴(kuò)容高速公路項(xiàng)目需求越來(lái)越多，是當(dāng)前和今后的主要任務(wù)之一。

改擴(kuò)容方案設(shè)計(jì)中，如何充分利用既有道路，減少工程浪費(fèi)，施工中車(chē)輛如何保通、路面施工技術(shù)方案確定、構(gòu)造物的鋪裝等是其特有的技術(shù)問(wèn)題，而其中超高路段的擬合又受到超高方式的影響和制約?，F(xiàn)行規(guī)范中并未對(duì)超高方式做統(tǒng)一明確的規(guī)定。該文在對(duì)常規(guī)超高方式分析的基礎(chǔ)上，首先通過(guò)安全性評(píng)價(jià)，在滿足其前提條件下，提出適用于改擴(kuò)容高速公路的超高方式。

1 完全超高值的確定

為抵消車(chē)輛在曲線路段上行駛時(shí)所產(chǎn)生的離心力，而將路面做成外側(cè)高于內(nèi)側(cè)的單向坡度值，在高速公路中，圓曲線段所對(duì)應(yīng)的路面坡度值，稱(chēng)作完全超高值，取值要和半徑及行車(chē)速度相匹配，大小決定了單圓曲線段車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性和安全性，因此，如何在不同半徑條件下合理選用完全超高值，對(duì)路線方案起著制約作用。

1.1 常規(guī)方式

根據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》表7-1圓曲線半徑與超高值建議值，查取不同速度、不同半徑以及最大超高值下所對(duì)應(yīng)的全超高值。

1.2 擴(kuò)容高速公路

就擴(kuò)容高速公路來(lái)說(shuō)，擴(kuò)容前按原標(biāo)準(zhǔn)(JTJ 001—97《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》)運(yùn)營(yíng)多年，按當(dāng)時(shí)的車(chē)輛構(gòu)成和相關(guān)規(guī)范采用的全超高值與現(xiàn)行JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》建議值不完全相同，如果均按現(xiàn)有建議值取用，擴(kuò)容段工程規(guī)模相對(duì)增大，幾乎所有曲線段均會(huì)調(diào)整相應(yīng)橫披。該文依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，采用運(yùn)行速度對(duì)既有道路全超高值進(jìn)行安全性驗(yàn)算[式(1)]，如符合安全運(yùn)行要求，則沿用原有全超高值，若不滿足要求，則調(diào)整全超高值至滿足安全運(yùn)行的要求。

(1)

式中：i為路拱橫坡(%)；V85為運(yùn)行速度計(jì)算值(km/h)；R為運(yùn)行速度要求的曲線半徑(m)；μ為橫向力系數(shù)。對(duì)應(yīng)參數(shù)可根據(jù)表1查得。

表1 V85與μ對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.3 案例分析

以某擴(kuò)容項(xiàng)目部分路段(一般情況路段)為例進(jìn)行分析(表2)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，最大超高值8%。

由表2可知：運(yùn)行速度按120 km/h驗(yàn)算，其結(jié)果原全超高值所要求的曲線半徑均小于原路半徑，表明滿足安全舒適行車(chē)條件，而現(xiàn)行路線規(guī)范建議值部分與原全超值不一致(如JD2、JD5)，但也滿足安全條件。

基于此，在擴(kuò)建高速公路中，就全超高值的選用而言，首先對(duì)原半徑對(duì)應(yīng)采用的全超高值進(jìn)行行車(chē)安全性、舒適性驗(yàn)算，如滿足相應(yīng)指標(biāo)，則采用既有全超高值，否者再進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到對(duì)原路橫坡最小化的調(diào)整，避免橋隧構(gòu)造物橫坡調(diào)整，降低路面施工難度。

表2 案例路段基本信息

2 超高漸變段長(zhǎng)度

從行車(chē)舒適性、視覺(jué)安全性以及路面排水等方面綜合考慮，現(xiàn)行公路相關(guān)規(guī)范中規(guī)定高等級(jí)公路中路線在由直線段的雙向路拱到單圓曲線的單向橫坡之間必須設(shè)置超高漸變段，超高漸變段應(yīng)在回旋曲線范圍內(nèi)完成，即超高漸變段長(zhǎng)度不小于回旋曲線長(zhǎng)度。而從節(jié)省工程方案、線形組合考慮的實(shí)際路線方案中，緩和曲線長(zhǎng)度一般大于超高過(guò)渡段長(zhǎng)度。

2.1 常規(guī)方式

根據(jù)規(guī)范中規(guī)定的不同設(shè)計(jì)速度下最大超高漸變率和利于排水的最小漸變率分別計(jì)算超高漸變段長(zhǎng)度，即：

(2)

式中：Lc為超高漸變段長(zhǎng)度(m)；Δi為超高橫坡(全超高值)與路拱橫坡代數(shù)差(%)；B為超高旋轉(zhuǎn)軸至路緣帶外側(cè)邊緣距離(m)；P為超高漸變率。

根據(jù)計(jì)算的Lc范圍值，結(jié)合平縱線形組合，在其中選用一個(gè)相對(duì)合理的漸變段長(zhǎng)度。以V=120 km/h，路基寬度34.5 m為例，P=1/330～1/200，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

2.2 擴(kuò)容高速公路

為了做好橫斷面擬合設(shè)計(jì)，合理的超高漸變確定可以提高既有超高段橫斷面擬合精度，最大限度利用原有道路路面層，減少路面由于厚度不均而帶來(lái)的施工難度。因此滿足擴(kuò)建后的高速公路寬度及超高漸變率要求，超高漸變段長(zhǎng)度會(huì)在原來(lái)基礎(chǔ)上做相應(yīng)調(diào)整。調(diào)整后長(zhǎng)度及起止范圍一般由曲線段內(nèi)構(gòu)造物所處位置制約，該文建議按以下3種方式來(lái)處理：

表3 超高值與超高過(guò)渡段取值范圍

(1) 超高漸變率不變

若受控構(gòu)造物位于超高緩和段，首先核查既有道路超高漸變率是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，若滿足要求，可保持原超高漸變率不變，增大漸變段長(zhǎng)度，減短圓曲線長(zhǎng)度。其漸變段的調(diào)整主要通過(guò)非控制的路基段落來(lái)完成，減少施工難度。

(2) 全超值不變

若受控構(gòu)造物位于全超高段，首先通過(guò)運(yùn)行速度核算全超高值是否滿足安全運(yùn)營(yíng)的要求，若不滿足，則需要結(jié)合漸變段長(zhǎng)度調(diào)整，否則保證全超高段不變，在最大和最小漸變率所屬范圍內(nèi)適當(dāng)選取漸變率，減少路面的開(kāi)挖或鋪裝。

(3) 漸變率及全超高值均做調(diào)整

若構(gòu)造物位于漸變段和全超高段，需要結(jié)合構(gòu)造物調(diào)整超高橫坡的難易程度，結(jié)合上述安全驗(yàn)算方法，在許可的范圍試算選用全超高值及超高漸變率，從而確定該擴(kuò)容路段的超高漸變段長(zhǎng)度及起止位置。

3 超高漸變方式

現(xiàn)行《規(guī)范》(JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》)規(guī)定超高過(guò)渡段應(yīng)在回旋線全長(zhǎng)范圍內(nèi)完成，從線元構(gòu)成來(lái)看：高速公路圓曲線半徑一般較大，而回旋線長(zhǎng)度隨圓曲線半徑增大而增長(zhǎng)，導(dǎo)致回旋線長(zhǎng)度一般大于超高過(guò)渡段長(zhǎng)度，基于該文前述的全超高值和超高漸變段的選用，超高漸變方式有不同的選擇。考慮車(chē)輛行駛舒適性、雨季防滑風(fēng)險(xiǎn)性及超高漸變與曲線變化協(xié)調(diào)性，漸變段起于曲率半徑不小于不設(shè)超高的最小半徑所對(duì)應(yīng)的位置，在緩圓點(diǎn)(或圓緩點(diǎn))完成，并等于全超高值。如圖1所示。

3.1 線性超高

線性漸變計(jì)算簡(jiǎn)便，在各等級(jí)公路中應(yīng)用普遍，其超高漸變率是恒定不變的。就該文所論及的改擴(kuò)建高速公路而言，原雙向四車(chē)道高速公路根據(jù)當(dāng)時(shí)的規(guī)范及交通構(gòu)成，超高所需B值(符號(hào)意義同上)一般均考慮了硬路肩寬度，而擴(kuò)建后的高速公路由于漸變段長(zhǎng)度增加，當(dāng)圓曲線半徑接近一般最小值時(shí)，超高漸變段長(zhǎng)度往往直接控制緩和曲線長(zhǎng)度，影響和制約平面設(shè)計(jì)，加之從施工難度可行性考慮，盡量減少增加的漸變段長(zhǎng)度，因此，B值取用一般未考慮右側(cè)硬路肩寬度。單幅雙車(chē)道邊緣(含路緣帶)寬度在單向四車(chē)道對(duì)應(yīng)位置漸變率P′=P×B/B′。以目前規(guī)范提出最大設(shè)計(jì)速度120 km/h為例(P=1/175)，B=0.75+3.75×2+2.5=10.5 m，B′=0.75+3.75×4+0.75=16.5 m，P′=1/175×10.5/16.5=1/275>1/330。由此可見(jiàn)，采用線性漸變的超高方式滿足排水要求。根據(jù)上述公式推算，若B′>19.8 m(即十車(chē)道及以上)，則漸變率不滿足最小排水要求，存在安全隱患，為此結(jié)合已有文獻(xiàn)，如何改善路面排水條件，首先考慮減小超高過(guò)渡段長(zhǎng)度、加大超高漸變率或增大主線縱坡(可改善合成坡度外)，當(dāng)主線縱坡無(wú)法增大到至少0.5%時(shí)，可在多車(chē)道行車(chē)道中間增設(shè)路拱線，但這將導(dǎo)致部分車(chē)道為反超高形式，從而有可能產(chǎn)生側(cè)滑、翻車(chē)等不確定因素，需加強(qiáng)安全設(shè)施。

圖1 超高漸變方式示意圖

3.2 三次拋物線超高

三次拋物線超高漸變有其自身的特點(diǎn)。與線性漸變不同的是：① 超高漸變率是變化的，最小點(diǎn)在起終位置，最大點(diǎn)在漸變段中點(diǎn)；② 當(dāng)三次拋物線與線性漸變率一致時(shí)，前者所需的漸變段長(zhǎng)度較后者大；③ 三次拋物線漸變率連續(xù)，而線性漸變由于附加坡度的存在，在起終點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)折線式突變，行車(chē)舒適性不及前者高，因此在高速公路擴(kuò)容后，社會(huì)使用要求更高，舒適性是必需考慮的因素之一。若多車(chē)道高速公路考慮排水而增設(shè)路拱線，此時(shí)采用線性超高漸變，超高漸變率將存在多個(gè)突變點(diǎn)。為解決上述問(wèn)題，拋物線超高方式的采用是比較理性的。具體方式如圖2和式(3)所示。

(3)

式中：L為緩和段長(zhǎng)度(m)；l為曲線上任意一點(diǎn)到超高起點(diǎn)距離(m);h為距離為l處的超高值；H為總超高值(m)。

圖2 兩種漸變方式比較

3.3 分析

根據(jù)上述線性和三次拋物線超高漸變方式比較可知：在漸變段中點(diǎn)兩者高程值一致；前半段線性漸變高程值大于拋物線漸變高程值；后半段線性超高小于拋物線漸變的高程值。據(jù)此該文建議：在前半段的超高中，如不涉及橋梁，則需要挖除既有路面，挖除高度只要不影響水穩(wěn)層，結(jié)構(gòu)受力不變，優(yōu)先考慮線性超高方式；后半段超高，原路面標(biāo)高抬升，如涉及橋梁構(gòu)造物，考慮頂升方案，只要凈空不受制約，考慮采用拋物線超高方式。這樣工程規(guī)模更節(jié)省，施工保通更容易。

4 運(yùn)行效果分析

某改擴(kuò)建項(xiàng)目(速度由80 km/h提速到120 km/h)，采用該文的超高方式，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行運(yùn)行效果分析。

4.1 超高值評(píng)價(jià)

對(duì)某案例路段的超高檢算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可以看出：圓曲線橫向力系數(shù)均滿足運(yùn)行速度下臨界橫向力系數(shù)的要求，可滿足司乘人員舒適性的要求。

4.2 超高過(guò)渡段協(xié)調(diào)性

擴(kuò)建項(xiàng)目由于路基寬度增加，超高過(guò)渡段長(zhǎng)度會(huì)相應(yīng)增長(zhǎng)，超高過(guò)渡段一般在全緩和曲線內(nèi)進(jìn)行，由此需要對(duì)回旋線進(jìn)行協(xié)調(diào)性檢查。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，符合JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，表明回旋線參數(shù)與圓曲線相協(xié)調(diào)，滿足視距要求。

表4 超高檢驗(yàn)結(jié)果

4.3 運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性

運(yùn)行速度如圖3所示。

圖3 運(yùn)行速度圖

從圖3可看出：運(yùn)行速度基本為112～120 km/h，相鄰路段運(yùn)行速度差最大值為8 km/h，速度梯度的絕對(duì)值最大為2.67 km/(h·100 m)，表明運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性好。

5 結(jié)論

該文就改擴(kuò)容高速公路分析了常規(guī)超高漸變方式的利與弊，在滿足安全性評(píng)價(jià)結(jié)論的基礎(chǔ)上，從提高行車(chē)舒適性、安全性、利于排水、最大限度利用橫坡，減少工程規(guī)?？紤]，提出了針對(duì)不同的曲線組成、控制構(gòu)造物所處位置而采用不同的超高方式，以實(shí)體工程案例對(duì)運(yùn)行效果進(jìn)行分析，表明不管是舒適性、還是協(xié)調(diào)性均滿足要求?？刹捎靡韵略瓌t確定超高方式：

(1) 在擴(kuò)建高速公路中，就全超值的選用而言，首先對(duì)原半徑對(duì)應(yīng)采用的全超值就行車(chē)安全舒適性驗(yàn)算，如滿足安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，則采用既有全超高值，否則進(jìn)行調(diào)整至滿足安全的最大超高值，以達(dá)到對(duì)原路橫坡最小化的調(diào)整，避免橋隧構(gòu)造物橫坡調(diào)整，有利于保通，降低路面施工難度。

(2) 由于擴(kuò)建后的高速公路寬度增加，超高漸變段長(zhǎng)度較原來(lái)有所增長(zhǎng)，該文根據(jù)控制性因素所在位置，通過(guò)單獨(dú)調(diào)整漸變率、全超高值或兩者均調(diào)整的靈活應(yīng)用來(lái)確定超高漸變段。

(3) 通過(guò)分析線性漸變和三次拋物線漸變方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出改擴(kuò)建高速公路在不同條件下使用的超高漸變方式。