高等級公路線形設計問題的探討

楊繼禹

(黑龍江省龍建路橋第二工程有限公司)

進行線形設計時,不應受線性要素各種最小值的約束,而應根據(jù)設計條件、地形條件等盡可能地采用較高的技術指標,還必須把平、縱面組合起來從立體線形的好壞加以充分的研究。在實際工作中,基本上是依據(jù)著《公路工程技術指標》和《公路路線設計規(guī)范》進行設計的。因為它是吸取了國外修建高速公路的先進經(jīng)驗并與我國的具體情況相結合而確定的。將標準、規(guī)范中的具體要求與實際情況相結合,做到因地制宜、不生搬硬套是設計人員需要關注的問題。

1 公路線形設計的重要性

(1)應從行駛力學上保證汽車行駛安全、舒適,從營運費用等方面保證經(jīng)濟性。

(2)從駕駛員的視覺心里方面來看應是良好的,應具有三維空間的外觀,看起來舒順、連續(xù)和可以預知,而且不應出現(xiàn)急劇的起伏或者扭曲的線形。

(3)應與公路周圍的環(huán)境及景觀協(xié)調(diào)融洽。

(4)應與地形、地物、土地利用規(guī)劃等自然條件及社會條件相適應,施工方便,維修費用、養(yǎng)護費、管理費用經(jīng)濟合理等。

(5)注意線形要素與其他設施間的相互平衡協(xié)調(diào),如直線、圓曲線、緩和曲線組合協(xié)調(diào);縱坡線與豎曲線間的組合協(xié)調(diào);平面線形與縱面線形的組合協(xié)調(diào);路線與公路構造物、沿線設施間的協(xié)調(diào)等。

2 路線平面線形設計

2.1 直線

直線是兩點間最簡捷的路線。過去在設計中往往偏重于設置較長的直線。特別是設計山區(qū)公路時,爭取有較長的直線,往往是工作的重點。但是直線的幾何形態(tài)靈活性差,有僵硬而不易協(xié)調(diào)的缺點,所以難以適應地形的變化。而且過長的直線易使駕駛員產(chǎn)生倦怠;注意力不集中,甚至感覺遲鈍,反應緩慢,難以準確目測車間間距,增加夜間車炫目的危險,還會導致超高速行駛狀態(tài),這些均易造成事故。

國外在修建高速公路時,早期的高速公路多以直線為主,長直線采用的比較多。通過行車運營和經(jīng)驗總結,認識到直線不容易與地形、地物配合,對駕駛員有生理和心理上的不良影響。而曲線能較好地與地形配合,可減少工程和建設費用;同時,曲線能較好地與風景協(xié)調(diào),使景觀優(yōu)美;曲線方向富于變化,使駕駛員駕車高速行駛時,注意力集中,因此,在高速公路平面線形上,就采用了曲線為主體的設計原則。另外有人認為兩點之間曲線總是比直線長,如采用曲線過多無形中將路線距離增長了,曲線比直線長,這是毫無疑問的,但也不是人們所想像的長得多,經(jīng)過計算,一條路線完全用曲線與完全用直線比較,路線距離增長是有限的,而且主要與偏角大小有關,與平曲線半徑大小關系數(shù)較小。

從以上國內(nèi)外的經(jīng)驗中可以看到,現(xiàn)代高速公路的平面線形均強調(diào)了以曲線為主的線形設計,而對直線特別是長直線均持否定態(tài)度。在《公路路線設計規(guī)范》中,對直線的長度也給予了限制。直線的長度一般不宜超過設計車速的 20倍。并要求在長直線兩側地形過于空曠時,以栽植不同樹種,設置風格各異建筑物等方式,減輕景觀單調(diào)的感覺。同時,在強調(diào)線形設計曲線為主的情況下,要從客觀條件出發(fā)、實事求是,不能生搬硬套,一味地追求以曲線為主,增加不必要的工程量和工程投資。綜上所述,在高速公路和一級公路的平面線形設計上,要以曲線設計為主,力求線形與地形、地物的協(xié)調(diào)配合,保持線形的連續(xù)暢通,美觀協(xié)調(diào)。同時又要結合地形,實事求是,從實際出發(fā)做出符合當?shù)乜陀^條件的設計。

2.2 圓曲線和緩和曲線

(1)一般情況下采用極限最小半徑的 4～8倍或超高為2%～4%的圓曲線半徑為宜。

(2)由于自然條件受限制時,應盡量采用大于或接近一般最小半徑的圓半徑。

(3)只有在自然條件特殊困難不得已時,方可采用極限最小半徑,以滿足汽車運動學上的安全要求,但必須在一定路段設法使曲線半徑逐漸變小或者在進行布置上,使駕駛人員能事先意識到前面有急轉彎。

(4)圓曲線半徑過大以致使駕駛員感到與直線并無區(qū)別時,也無實際意義,因為最大半徑一般不宜超過 10000m。

選用半徑時,為適應地形應盡可能采用大半徑曲線,并考慮研究前后線形要素間的相互關系,考慮線形所有指標的均衡。同時要特別注意斟酌平曲線同縱坡的關系,勿使小半徑曲線與陡坡重合。為了使汽車從直線段或從大圓曲線到小圓曲線平順地行駛,為了曲率的緩和、路面橫坡變化的緩和等,必須設置緩和曲線。汽車按等速行駛,轉向盤等速轉動所產(chǎn)生的軌跡與回旋曲線基本是一致的,所以公路上用回旋曲線作為緩和曲線,其優(yōu)越性為:①容易適應自然地形,并且增加了線形設計的自由度;②增加線形美觀,線形變得平順,適合駕駛員視覺心理上要求,有利于安全舒適運行,增加乘車人舒適感。因此,在線形設計中應把回旋曲線作為主要線形要素加以運用。

由于回旋曲線型的緩和曲線能適應各種地形、地物條件,選定路線時,對圓曲線或直線都不能適應的地形、地物情況下,可考慮采用回旋曲線的緩和曲線以達到目的。有些國家在高等級公路設計中,為了視覺和適應地形、地物等的需要,采用的回旋曲線與圓曲線長度之比為 1∶1,即在平曲線長度中,圓曲線和回旋曲線各占一半。但是,在國內(nèi)有些公路設計上,采用較長的回旋曲線時,不是為了適應地形、地物或視覺的需要,而是單純的消除圓曲線間的直線。還有的由于采用較長的回旋曲線,而且又限于轉點間的距離不足,不得不采取減少曲線的半徑來適應,這些做法都是本末倒置的。因為平面線形標準中主曲線半徑的大小是首要的,如果主曲線半徑太小,《公路工程設計標準》規(guī)定的緩和曲線最小長度和超高緩和率所需的緩和曲線長度,在任何情況下都必須滿足。如視覺誘導需要,又不過分增加工程量,可采用按視覺條件要求的緩和曲線長度,地形、地物等特殊需要時,可根據(jù)實際情況采用比較長的緩和曲線。

在設計高等級公路時,也遇到如何設置緩和曲線及圓曲線的關系問題,開始也只是按照《規(guī)范》的要求,設置最小緩和曲線長度,經(jīng)過學習國內(nèi)外的經(jīng)驗,逐步提高了對緩和曲線作用和應用的認識,采用了結合地形設計緩和曲線,運用回旋曲線形進行線形設計。在實際工作中要充分發(fā)揮這一線形的特點,并和實地情況密切結合起來,設計中要反復選擇、比較、精心設計,以達到切合實際的設計效果。

3 平面和縱斷面組合設計

高速公路的線形應具有連貫性和駕駛員視覺上的安全感及舒適感。因此,路線線形設計不但要注意與周圍的地形景觀相協(xié)調(diào),同時要考慮平面線形、縱斷面線形及橫斷面構造三方協(xié)調(diào),切實做好平面和縱面相結合的設計。線形組合設計總的要求是在滿足汽車運動學和力學要求的前提下,研究如何滿足視覺和心理方面的連續(xù)、舒適與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)和良好的排水條件。基本原則是能在視覺上自然地誘導駕駛員的視線,并保持視覺的連續(xù)性。在視覺上能自然地誘導駕駛員視線是組合平、縱線形最根本的要求。

平、縱組合設計是否協(xié)調(diào),形成的道路景觀是否連續(xù)順暢,有無路面扭曲現(xiàn)象,在設計階段均可采用透視圖的方法檢驗。通過繪制道路透視圖,可以發(fā)現(xiàn)設計上存在的問題,對平、縱線形進行調(diào)整,以達到良好的景觀效果。若在施工后再發(fā)現(xiàn)問題,要想糾正就為時已晚。現(xiàn)在國內(nèi)設計單位道路透視圖已從簡單 PC-1500計算機繪制的簡單透視圖,發(fā)展為微型計算機繪制全景透視圖和三維動態(tài)透視圖,這樣對保證高等級公路的線形設計達到美觀協(xié)調(diào),景觀舒展順暢起到了重要的作用。

平面線形與縱斷面線形的組合設計,是線形設計的最后階段。由于公路標準不同,線形組合設計的必要性也不一樣,在各級公路中,設計上很注意平、縱的配合問題?；旧习匆陨掀?、縱組合設計的要求和方法去做設計,使設計的公路在景觀協(xié)調(diào),線形順暢方面達到良好的效果。但是,在有些道路的設計上,只注重了平、縱組合設計,使得工程量增加的較多。對于設計車速較低而且有混合交通的道路,道路景觀問題較之高速公路等設計車速較高的公路,對駕駛人員的影響要小得多。因為在這些道路上橫向、縱向干擾較多,分散了駕駛員的注意力,景觀對他們的影響較少。因此,在客觀條件允許的情況,做到平、縱組合的完美協(xié)調(diào)是可取的,片面強度平、縱配合,而增加工程量過大,則是不提倡的。在平、縱組合設計上,應該做到從客觀實際出發(fā),實事求是。

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