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摘要：市政道路下穿高速铁路的项目设计比一般市政道路设计的要求更为严格，需保证高速铁路安全的情况下开展设计。为保证高速铁路安全运营，必须控制高速铁路地基不均匀沉降在合理范围内，故市政道路路线设计时，需做到路基零填挖或减少填挖高度，确保高速铁路地基不增加附加应力和减少自重应力。基于地基沉降控制的城市道路纵断面设计方法可以解决高速铁路地基不均匀沉降的问题。现以学院路下穿石武客专为例，分析讨论基于地基沉降控制的城市道路纵断面设计方法。

关键词： 地基沉降;竖曲线;纵断面设计

1概述

学院路（解放路—京港澳高速）位于新郑市东侧，东西走向，是与郑州航空港区衔接项目，向东与郑州航空港区志洋路连接（京港澳高速以西为学院路，以东为志洋路），并与京港澳高速实现互通连接，直接服务于园博园B区。学院路为城市主干路，双向八车道，设计速度60km/h。本项目在京港澳高速西侧下穿石武客专，下穿处为挖方路堑。下穿处石武客专桥墩编号为24号至28号。中铁四院的评估咨询报告指出总体设计院设计的纵断面挖方过深，将造成石武客专沉降量超标，影响高铁运营安全，需对原纵断面设计进行优化，减少挖土方，并明确提出减少挖深最小0.2m。

2常规纵断面优化设计方法

2.1学院路道路纵断面控制点

学院路道路纵断面控制点自西向东依次为：

（1）学院路已施工到K2+790处，且在变坡点附近，为竖曲线范围，须减少对建成路段的破坏;

（2）学院路与铁西路交叉处，桩号K2+854.5，交叉口前后纵断面坡度受限制;

（3）学院路与石武客专交叉处，桩号K2+925，此处纵断面高程应高于115.810m，且涉铁范围（K2+890-K2+960）至少在原设计基础上少挖0.2m;

（4）学院路与京港澳高速交叉处，桩号K3+062，交叉范围（K3+034-K3+090）均为竖曲线，且高速东侧志洋路已施工到高速下面，已施工节点桩号为K3+080。此处不能减小志洋路下穿京港澳高速的净高。

2.2 城市道路规范对纵断面的相关规定

《城市道路路线设计规范》（CJJ 193-2012）规定设计速为60km/h的城市道路机动车道纵坡的最小坡长为150m。纵断面坡长指纵断面中两变坡点间的距离。城市道路纵断面设计时，除机动车专用道路外，凡有非机动车道的城市道路，纵断面设计还应满足非机动车道对最大坡长的要求。非机动车道最大坡长的要求如下表：

《城市道路交叉口设计规程》（CJJ 152-2010）规定：平面交叉口进口道的纵坡度，宜小于或等于2.5%，困难情况下不宜大于3%。

2.3下穿石武客专路段原纵断面

下穿石武客专路段原纵断面为单一直坡段，坡度/坡长为-2.49%/293.240m。其设计指标逼近《城市道路路线设计规范》对非机动车道最大坡长的要求，即坡度/坡长2.5%/300m;且逼近《城市道路交叉口设计规程》对平面交叉口进口道的纵坡度不宜大于2.5%的要求。

2.4常规纵断面优化设计

在本案例中，基于减少挖方的常规纵断面优化设计常采用以下方法：

（1）变坡点SJD8高程不变，加大前坡段即石武客专路段纵断面坡度，达到减少挖方的目标，铁西路进口道纵坡度将大于2.5%，不满足《城市道路交叉口设计规程》对平面交叉口进口道的纵坡度不宜大于2.5%的要求，且需要废除项目两端已建成道路约160m。

（2）整体抬高石武客专路段纵断面高程，学院路下穿京港澳高速处净空将不满足要求，且需要废除项目两端已建成道路约150m。

（3）在石武客专路段纵坡段插入变坡点，坡长需满足《城市道路路线设计规范》对设计速为60km/h的城市道路机动车道纵坡的最小坡长为150m的要求。为了减少石武客专处路堑深度，最大限度加大石武客专东侧纵断面坡度，同时应调整京港澳高速处竖曲线半径，以不减少学院路净空为原则。纵断面优化后设计见图三，石武客专处路堑挖方可减少0.26m至0.64m不等，满足安全评估报告的要求，并满足市政道路规范的要求。但是京港澳高速处已建成道路需改建约90m。

上述方案（1）、（2）不满足规范，方案（3）虽满足规范要求，但需改建已建成道路，工程经济方面不合理，刚建成的道路就拆除重建会造成不良社会影响。因此，常规纵断面优化设计不能满足本项目要求，需进一步寻求优化设计的方法。

3竖曲线计算原理

3.1竖曲线计算公式

纵断面设计线上的竖曲线有圆曲线和抛物线两种。在工程实践中，竖曲线常采用圆曲线，其便于计算及施工放样。圆曲线竖曲线布置及设计要素示意如图4所示。竖曲线的切线长为变坡点到竖曲线起点或终点的距离，以字母T表示。依据圆曲线与其切线的几何关系，易得下式：

由于竖曲线处的道路纵坡度比较小，可使用变坡点处路线前坡度I1与后坡度I2的道路纵坡度相减得到转坡角，即;值很小，三角函数，故有：

依据公式（2），在已知竖曲线半径R及变坡点前后坡度I1 和I2时，可以计算出竖曲线的切线长T。在纵断面设计时，可固定竖曲线半径和后坡度I2不变，沿变坡点后纵断面导线前后移动变坡点来调整前坡度I1，可实现竖曲线范围内纵断面高程不变的情况下，加大或减小变坡点前纵断面坡度I1，达到降低或增加路基高度最终目标。

3.2 基于变坡点坡差的变坡点移动距离的计算

固定竖曲线半径R和纵断面后坡度值I2不变，及竖曲线范围内设计高程不变时，在给定纵断面前坡度值Itv1后，变坡点可向前后移动。纵断面前坡度值Itv1大于初始值时，变坡点向前移动;纵断面前坡度值Itv1小于初始值时，变坡点向后移动。纵断面前坡度值Itv1大于初始值时变坡点向前移动距离计算如下：

式中：Ttv—给定前坡度值后的竖曲线切线长度

Tov—原竖曲线切线长度

Itv—给定的前坡度值

ΔT—变坡点向前移动距离

4基于变坡点坡差的纵断面优化设计方法

鉴于本项目两端已施工范围均在竖曲线处，且京港澳高速下穿学院路路段在竖曲线内，为保证京港澳高速处道路设计高程不变，可采用基于变坡点坡差的纵断面优化设计方法。

石武客专所在纵断面路段道路与铁西路交叉，平面交叉口进口道的纵坡度不宜大于2.5%，不可直接加大纵断面的坡度。本项目的优化目标是减少石武客专范围内的路堑挖方深度，其他范围的路堑深度变化对优化设计目标没有影响，故在纵断面中增加一变坡点，避免铁西路处纵坡度增大。为了减少纵断面优化设计影响的范围，采用规范要求的纵断面最小坡长150m;调整变坡点处前坡度采用满足非机动车道对纵断面坡度要求的最大值3.5%。

本项目I1=-3.5%，I2=2.49%，故5.99%。又原纵断面此竖曲线半径R=4000m，故可按式（3）计算优化后竖曲线切线目标值（target value）Ttv。

原纵断面竖曲线切线初始值（original value）Tov= 99.600m，故变坡点需前移动的距离为Ttv与Tov的差值，按式（4）计算，即20.2m。原纵断面竖曲线变坡点桩号为K3+093.240，故优化目标纵断面圆曲线变坡点为K3+073.040。优化设计后的纵断面见图5所示。本优化设计石武客专处路堑挖方减少21cm以上，满足安全评估报告对减少涉铁范围挖方的要求。优化后的纵断面高程与原纵断面设计高程相比变化处均在为施工范围内，避免了工程浪费，加快了工程进度。

5结论

1、本论文在探讨常规纵断面优化设计的基础上，提出了基于变坡点坡差的纵断面优化设计方法，该方法为定量的纵断面优化设计方法，可快速实现基于目标纵坡度值的纵断面优化设计。

2、基于变坡点坡差的纵断面优化设计方法实现了安全评估报告建议减少路堑开挖深度的要求，保证了石武客专对地基沉降的要求。

3、优化设计后的纵断面不需拆除已建成道路，避免了不良社会影响，节省了工程费用。

参考文献

[1] CJJ 152-2010.城市道路交叉口设计规程[S].2010

[2] CJJ 193-2012.城市道路路线设计规范[S].2012

[3] TB 1182-2017.公路与市政工程下穿高速铁路技术规程[S].201

作者简介：吕建源（1987-），男，河南柘城人，本科，工程师，注册道路工程师。研究方向：道路工程。