高速公路改扩建工程设计技术研究
时间：2023-06-12 21:55:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李海龙
(新疆交通科学研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)
随着服役年限的累积及交通车流量的飞速增长，部分现有高速公路的服务水平已无法满足营运要求，对这些现有高速公路实施改扩建有着充分必要性且迫在眉睫。
国内外在高速公路改扩建工程研究方面已有一定研究基础：付文群等[1]在开展高速公路改扩建加铺设计时将其与公路线形拟合结合进行探讨，在总结原公路加铺设计原则以及改扩建平纵面线形拟合原则的基础上，提出了对应的设计方案；
马加存等[2]针对高速公路改扩建过程中的路桥过渡段落易发生的沉降不均问题进行了研究，提出了对应方案，并搭建车辆振动模型，以MTVV表征舒适性，总结了差异性沉降控制标准，得出了搭板长度、坡率和车速等因素的影响规律；
邵长桥等[3]综合利用数据分析和虚拟仿真技术，对高速公路改扩建作业区各控制段落的交通流特征进行了阐述，包括饱和车头时距、流量和各车道速度等，利用流量-速度实测数据，搭建回归模型，以排队通过流率表征施工各控制段落通行能力，总结了对应通行能力的计算方案；
李刚等[4]则是重点研究了高速公路改扩建工程中的新旧路基不均匀沉降问题，搭建数值计分析模型，模拟了包括压缩模量、弹性模量、填方高度以及拓宽宽度等控制条件，分析各条件对差异性沉降的影响规律，提出选取小重度填土及提升地基土压缩模量的做法。
综上所述可以发现，现阶段高速公路改扩建工程是业内研究的热点课题，在针对改扩建过程中的线形优化、沉降控制及施工现场管理优化方面已有丰富研究，但在全生命周期综合设计方案分析上仍存在一定空白。因此，本文依托G30连霍高速公路洛阳—郑州段改扩建项目，介绍了主线改扩建设计技术标准，对沿线自然地理特征进行了分析，对比了分离式路基段及整体式单侧加宽等段落的具体工程措施，并从路线、路基路面及排水、桥涵、交通工程及沿线设施等四个方面展开总体设计方案研究。
1.1 项目概况
G30连霍高速公路洛阳—郑州段改扩建工程设计段落全长106 km，工程所处地貌主要为黄土冲沟重丘和黄淮冲积平原交错。改扩建高速公路全线涉及通道176条、涵洞107道、天桥24座、分离式立交27座、高架桥29座、互通式立交10处、中桥5座、大桥和特大桥分别为10座和1座。改扩建段涉及道路总面积2.4×106m2，其中挖方为3.7×106m2、填方为6.1×106m2。
1.2 设计标准
原高速公路为双向四车道设置，其中重丘区路基宽度设置为24.5 m，设计行车速度为100 km/h；
平原微丘区路基宽度则设置为26.0 m，设计行车速度为120 km/h。
本设计方案将重丘区及平原微丘区的高速公路扩建为双向八车道。起点段2.0 km处采取两侧拼宽方案，主线其他路段均采取分离式路基或者单侧整体加宽方案，如图1所示。其中，起点段采取两侧拼宽方案，路基总体宽度设计为42.0 m，主线采用分离式路基方案的路基新建宽度为20.5 m，采用单侧整体加宽方案的路基新建宽度为19.5 m。
图1 分离式路基方案示意图
G30连霍高速公路洛阳—郑州段改扩建工程项目地处黄土高原与华北平原交界处，位于我国黄土分布区的东南部，土壤分布主要为老黄土，部分地区为新黄土，此外还包含伊洛河流域及沟谷周边的冲洪积和破积黄土状土。
改扩建段可划分为两种地貌类型：(1)黄土台塬和黄土丘陵，此类地貌地形起伏明显，海拔处于100～250 m，沟壑纵横、高差大，形成峁岭黄土台塬，塬边广泛分布沟谷，地貌类型常见梁、峁等，Ⅶ度地震基本烈度，其地震动反应谱的特征周期和地震动峰值加速度分别为0.36 s、0.1 g；
(2)分布在伊洛河及汜水河两岸的是冲积平原和河谷地貌，该种地貌起伏较小，分布有较多居民居住区，土地肥沃适宜种植。
全方位考虑该高速公路改扩建过程中涉及的控制因素，因地制宜地选取具体实施方案，“应分则分、应合则合”，合理布置改扩建路线，并尽可能地充分考虑利用原有高速公路资源，保障实施安全，强化服务作用，并确保整体建设和谐统一。设计过程中重点关注单侧整体加宽方案中新旧路基的不均匀沉降问题以及沿线桥涵衔接设计。严格把控单侧整体加宽方案和分离式路基方案中的高速公路中央分隔带的针对性处理设计，实现差异化横断面间的平顺衔接过渡。在确定旧路面病害处理和路面改良方案前，充分开展安全性评价及路面性能检测，确保对各类病害的有效处置。为落实“节能减排”政策号召，充分利用原高速公路各结构层。严格贯彻“节约、耐久、和谐、安全、以人为本”的设计思路，尽可能在设计过程中融入与原公路及周边环境相协调的理念。
4.1 路线设计
4.1.1 平面线形
起点段2.0 km处的两侧拼宽方案段的平面线形设计是在旧路设计线位的基础上，经现场实测复核旧路实际线位，将其作为两侧拼宽设计的中心线位依据。
单侧分离式路基段主要设置于重丘区段，路线设计过程中充分考虑并利用地形特征，贯彻因山就势思路，灵活调整设计技术指标，减少高填深挖的设计，从而避免造成过多的工程占地，减少对自然环境的破坏，同时实现造价成本的控制。
针对单侧整体加宽方案段，同样要先在现场实测复核旧路实际线位，同时充分考虑分离式立交和原公路桥梁等构造物的分布状况，此外还需重点考虑新旧路基高差，从而综合确定出加宽路基的中心线位，并将其作为行车道中心线。常规路段可将中央分隔带宽度设计为3.0 m，而在互通加宽桥梁段则可将其设计为6.0 m。
4.1.2 纵断面
进行纵断面设计前要现场实测复核旧路实际纵断面线形。在两侧拼宽方案段，要依据上文提及的旧路面病害处理和路面改良结果，确定其对应的具体设计标高。
单侧分离式路基段的纵断面设计主要影响因素为越岭高差以及挖填方情况，应避免连续长纵坡，尽可能采取均匀设计方案，竖曲线半径宜在确保满足视距要求的基础上尽可能小。
针对单侧整体加宽方案段，加宽部分的路基纵断面应优先考虑与旧路基纵断面保持对应，同时考虑新旧路基中央分隔带开口设置、通道净空设计以及分离式立交设置情况，尽量避免过大的新旧路基高差，综合得出合理的纵断面设计成果。
4.2 路基路面及排水设计
4.2.1 路基
路基边坡填土高度在2.0～10.0 m时，选取1.0∶1.5的边坡坡率；
路基边坡填土高度>10.0 m时，超过部分选取1.0∶1.75的边坡坡率，且变坡点不考虑平台设置；
路基边坡填土高度<2.0 m时，选取1.0∶1.4的边坡坡率，如图2所示。路堑的边坡坡率设计为1.0∶0.4，同时设置2.0 m宽碎落台，在12.0 m高度处设置平台；
针对浅挖路堑段，将坡率放缓至1.0∶1.5，如图3所示。
充分考虑本项目特征，其中单侧整体加宽方案路基以旧路边坡挖台阶方案实施扩宽路基的填筑，同时应结合实测沉降发生情况以强夯、PTC桩及土工格栅等方式进行处理。
图2 低填路堤断面图
图3 浅挖路堑断面图
对于部分特殊段落，在地面线较为陡峭的填方施工段，生态墙设计坡脚较长，可考虑进行挡墙收坡处理。而常规的圬工挡墙有着高度限制多、对地基承载力要求高、景观相容性差、实施工期长、质量控制难度大等缺陷，因此设计方案中给出GES生态挡墙收坡的设计方案，可有效避免上述圬工挡墙的缺陷。
4.2.2 路面
改扩建段采取沥青路面结构，从下往上分别设置低剂量水泥粉煤灰稳定碎石底基层、水泥粉煤灰稳定碎石下基层、ATB-25密级配沥青稳定碎石上基层、AC-25C粗粒式沥青混合料下面层、AC-20C中粒式改性沥青混合料中面层和SMA-13改性沥青玛蹄脂碎石混合料上面层，各结构层厚度分别设置为16 cm、34 cm、10 cm、8 cm、6 cm和4 cm。其中匝道段落不设上基层，其余各结构层与主线保持一致。
4.2.3 排水
路基排水设计方案应充分结合本项目开展的挖填状况，路基排水设施设有急流槽、排水沟、截水沟以及边沟等，纵坡排水坡度均>0.3%，在各类路基排水设施的共同作用下可迅速将路基水体排出。
路面边缘排水主要利用设置于路肩处的C20无砂混凝土，其厚度设计为20 cm，可使汇集的面层水体快速下渗，并通过路侧边沟内设置的泄水孔排入边沟，或通过横坡将其排出路基，如图4所示。
图4 路面排水设计图
对于单侧整体加宽方案则可采用碎石盲沟中央分隔带排水，在其内部设置纵向打孔HDPE排水管，其内径为9.3 cm。通过每100 m间隔设置的横向同规格HDPE排水管将汇集水体排入中央分隔带的集水井。集水井下部横向设有外径40 cm HDPE排水管，可将汇集水体排出，如图5所示。
图5 分隔带排水设计图(cm)
4.3 桥涵设计
桥位设计以主线走向为主导，桥型选择上以安全保障为先，同时考虑美观及经济，以水文计算、工期限制、施工条件及地形地质为依据确定桥孔布置方案。
针对起点段2.0 km处的两侧拼宽段，新旧桥梁选取同等梁高、跨径和结构形式，两侧分别拼宽8.0 m，拼宽桥梁与原桥梁保持上部连接、下部独立的形式。
针对单侧加宽路基段，新旧桥梁选取同等跨径和结构形式，加宽桥梁分别与加宽路基顺接，与旧桥的上下部结构均独立设置。其中针对单侧分离式路基段加宽桥梁应优先考虑设置在稳定性好、抗冲刷能力强、窄冲沟的低沟岸处。
涵洞的结构形式选择应充分考虑加宽形式和使用需求，可采用钢筋混凝土拱形涵洞、圆管涵及盖板涵的形式。其中针对单侧整体加宽方案段，为降低差异性沉降，可选用灰土垫层和CFG桩进行处理。
4.4 交通工程及沿线设施设计
交安设施的设计，核心在于利用合理的方法，将环境、道路、车辆及人员等要素密切联系起来。具体开展设计工作时，除了协调好人文景观、自然景观及公路线形外，同时要结合好“以人为本，服务司乘”的思路。
本文依托高速公路改扩建实体建设项目，对沿线自然地理特征进行分析，结合工程特征，尽可能利用原道路设施，以充分减少用地、降低工程量、节约工程造价。对比分析了分离式路基段及整体式单侧加宽等段落具体工程措施；
从路线、路基路面及排水、桥涵、交通工程及沿线设施等四个方面展开具体总体设计方案介绍。该方案实现了“应分则分、应合则合”，贯彻了“节约、耐久、和谐、安全、以人为本”的设计思路，可为高速公路改扩建工程提供一定的借鉴。
