近年来,随着长距离和高质量交通出行需求的不断增加,高速公路交通量增长迅速,导致高速公路服务水平急剧下降,现有四车道高速公路已不能适应交通量快速增长的需求,高速公路改扩建将是今后我国公路建设的重要任务之一。然而,既有高速公路由于受到地形条件、路基沉降、指标规定变化或要求提高以及经济性等因素的限制,原满足建设期规范要求的部分线形设计指标不易满足改扩建后技术标准的要求,成为改扩建设计的难点问题。因此,开展高速公路改扩建设计中线形指标受限路段设计方法的研究,对解决高速公路改扩建关键技术问题,提高改扩建工程的安全性具有非常重要的意义。通过对从事高速公路改扩建设计专业人员的问卷调查,分析确定了超高过渡受限路段、路基不均匀沉降引起的纵面线形受限路段、单侧加宽旧路侧通行路段及互通与相邻构造物小净距路段为本文的研究重点。通过分析高速公路超高过渡段现状及存在问题,确定了既有缓和曲线长度、超高过渡段长度及二者的大小关系是影响超高过渡段改扩建设计的关键因素。结合超高过渡段道路几何模型,提出了适用于既有缓和曲线长度不足、既有超高过渡段设置在缓和曲线部分区段及设置缓和曲线的桥梁构造物路段改扩建时超高过渡的设计方法。受既有高速公路路基路面不均匀沉降的影响,改扩建工程的纵面线形难于按原设计恢复或将造成路面结构厚度异常或既有构造物难于利用,针对纵断面线形拟合难的问题,本文运用坐标轴平移定理推导了多种不对称竖曲线方程,基于最小二乘法建立了竖曲线拟合模型,明确了竖曲线拟合段设计方法,通过工程实例验证了拟合模型的实用性。通过分析单侧加宽旧路侧通行路段存在的主要问题,确定了单向双路拱路面行车安全性、互通出入口前后中央分隔带开口设置条件是影响旧路侧设计的关键。基于车辆换道模型及汽车动力学模型,论证了单向双路拱路面的行车安全适应性。结合交通流理论,分析了中央分隔带开口设置条件,提出了中央分隔带开口长度及开口起终点与互通出入口最小距离建议值。结合高速公路互通式立交改扩建现状,分析了导致互通式立交与相邻构造物净距不足的原因。基于交通流理论,分析了相邻互通式立交以传统及新型集散车道相连的设置条件,提出了以新型集散车道代替传统集散车道的设计方法。结合国内典型工程实例,提出了适用于隧道出口与相邻互通式立交小净距路段的改扩建设计方法。