美國(guó)高速公路幾何設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

呂艷平

摘? 要：美國(guó)AASHTO規(guī)范與中國(guó)規(guī)范在公路幾何設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)理論是一致的，只是側(cè)重點(diǎn)和表現(xiàn)形式略有不同，部分設(shè)計(jì)理念差異較大。AASHTO規(guī)范較為靈活，相關(guān)條文不苛求具體詳盡，給設(shè)計(jì)人員提供了充分的靈活設(shè)計(jì)空間。為達(dá)到對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和各項(xiàng)指標(biāo)的靈活掌握應(yīng)用，依托巴基斯坦卡拉奇-拉合爾高速公路，介紹了美國(guó)AASHTO規(guī)范中的高速公路幾何設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)，供設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：AASHTO? 卡拉高速公路? 幾何設(shè)計(jì)? 技術(shù)要點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U412.36? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（c）-0054-03

根據(jù)EPC模式/“交鑰匙”工程招標(biāo)文件的規(guī)定，巴基斯坦卡拉奇-拉合爾高速公路勘察設(shè)計(jì)采用美國(guó)規(guī)范，按照業(yè)主要求，幾何設(shè)計(jì)規(guī)范采用《AASHTO A Policy on Geometric Design of Highways and Streets 2011》。

1? 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 道路功能

AASHTO規(guī)范比較側(cè)重道路功能的分類(lèi)及其協(xié)調(diào)關(guān)系，認(rèn)為道路功能是幾何設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選取的最基礎(chǔ)、最重要的控制因素。

AASHTO規(guī)定高速公路屬于主要干線系統(tǒng)，完全控制出入，其主要目的是保證車(chē)輛在交通量大的地段高速行駛時(shí)的安全性和高效性。完全控制就是管理機(jī)構(gòu)只對(duì)選定的公用道路提供進(jìn)路連接，并禁止設(shè)置平面交叉或直接與私用道路連接，通過(guò)控制出入使直行車(chē)輛得以優(yōu)先通行。

1.2 設(shè)計(jì)車(chē)輛

AASHTO規(guī)定的設(shè)計(jì)車(chē)輛分為小客車(chē)、公共汽車(chē)、載重汽車(chē)和旅游車(chē)四大類(lèi)，并細(xì)化提供了代表這些通用類(lèi)型汽車(chē)的20種設(shè)計(jì)車(chē)輛的尺寸。一般情況下采用載重汽車(chē)WB-19為設(shè)計(jì)車(chē)輛。

1.3 設(shè)計(jì)速度與設(shè)計(jì)交通量

AASHTO認(rèn)為設(shè)計(jì)速度是用來(lái)確定道路不同幾何設(shè)計(jì)特征的。設(shè)計(jì)速度應(yīng)該是一個(gè)合乎邏輯的速度，反映地形、預(yù)期運(yùn)行速度以及臨近土地使用和公路功能分類(lèi)的特征，在建設(shè)初期采用較低的設(shè)計(jì)速度而節(jié)約資金是不可取的，因?yàn)楹笃谟捎诃h(huán)境破壞及交通不便要求改建主要公路設(shè)施時(shí)，所花費(fèi)的成本將會(huì)更大。

鄉(xiāng)區(qū)高速公路設(shè)計(jì)速度選取范圍為80～130km/h，只要地形允許，應(yīng)采用110km/h的設(shè)計(jì)速度，山區(qū)段可采用符合駕駛員期望的80～100km/h的設(shè)計(jì)速度。

鄉(xiāng)區(qū)高速公路通常按設(shè)計(jì)年限20年的規(guī)劃交通量設(shè)計(jì)，并提供更長(zhǎng)的服務(wù)時(shí)間。

1.4 服務(wù)水平

AASHTO將服務(wù)水平劃分為A（最不擁擠）～F（最擁擠）6個(gè)等級(jí)，并根據(jù)公路功能級(jí)別、地形條件推薦選用相應(yīng)的設(shè)計(jì)服務(wù)水平。

鄉(xiāng)區(qū)高速公路宜采用B級(jí)服務(wù)水平，但對(duì)于交通量較大的輔道可采用C級(jí)服務(wù)水平。

2? 平面

2.1 線形要素

高速公路為道路使用者提供安全、高效、舒適的使用環(huán)境，其平面線形應(yīng)與地形特征相適應(yīng)。組成平面線形的要素有直線、圓曲線和緩和曲線3種。

2.2 圓曲線

AASHTO規(guī)定的圓曲線最小半徑有以下4種：

（1）最小圓曲線半徑，由最大超高和橫向摩擦系數(shù)確定。

（2）不設(shè)超高的最小圓曲線半徑。

（3）取消反向路拱的最小圓曲線半徑，是超高值為正常路拱橫坡時(shí)的最小圓曲線半徑。

（4）不設(shè)緩和曲線的最小圓曲線半徑。

、、的取值均與最大超高和設(shè)計(jì)速度有關(guān)，而僅與設(shè)計(jì)速度有關(guān)。詳見(jiàn)表1。

2.3 緩和曲線

AASHTO規(guī)定，當(dāng)圓曲線半徑小于不設(shè)緩和曲線的最小圓曲線半徑時(shí)，為了適應(yīng)車(chē)輛的行駛軌跡及滿足超高過(guò)渡的需要，平曲線應(yīng)設(shè)置緩和曲線。一般采用回旋線作為緩和曲線。

AASHTO規(guī)范中關(guān)于回旋線長(zhǎng)度的規(guī)定是基于駕駛的舒適度和車(chē)輛的偏移情況確定的。當(dāng)車(chē)輛駛?cè)肭€，合適的回旋線長(zhǎng)度不會(huì)讓駕駛員隨著向心加速度的增加產(chǎn)生不舒適的感覺(jué)，也能保證車(chē)輛在正常的軌跡下行駛，其側(cè)向偏移量不會(huì)超出自己的行車(chē)道，但回旋線長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)誤導(dǎo)駕駛員認(rèn)為前方圓曲線的半徑較小，也會(huì)存在安全隱患。

（1）最小長(zhǎng)度。

回旋線的最小長(zhǎng)度取下列公式計(jì)算出的最大值：

式中：為回旋線的最小長(zhǎng)度，m;

為車(chē)輛在直線和圓曲線之間的緩和曲線上的最小偏移量，取0.2m;

為圓曲線半徑，m;

為設(shè)計(jì)速度，km/h;

為向心加速度的最大變化率，取1.2m/s3。

（2）最大長(zhǎng)度。

回旋線的最大長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

式中：為回旋線的最小長(zhǎng)度，m;

為車(chē)輛在直線和圓曲線之間的緩和曲線上的最小偏移量，取0.2m;

為圓曲線半徑，m。

（3）期望長(zhǎng)度。

AASHTO認(rèn)為回旋曲線的長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)中的重要控制值，當(dāng)回旋曲線長(zhǎng)度大約等于車(chē)輛行駛中的自然軌跡長(zhǎng)度時(shí)，車(chē)輛的行駛狀態(tài)是最理想的，如果這兩個(gè)長(zhǎng)度相差過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛的操作行駛問(wèn)題，如在緩和曲線的末端，車(chē)輛產(chǎn)生過(guò)大的側(cè)向速度和側(cè)向位移。因此，AASHTO規(guī)范給出了期望的回旋曲線長(zhǎng)度值，這些長(zhǎng)度值是車(chē)輛在設(shè)計(jì)速度下2s的行駛長(zhǎng)度。對(duì)于多數(shù)駕駛員來(lái)說(shuō)，2s的運(yùn)行時(shí)間代表了車(chē)輛行駛出自然的行駛軌跡所需要的時(shí)間（見(jiàn)表2）。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)于不同半徑的圓曲線，如果期望的回旋線長(zhǎng)度小于由上述公式計(jì)算的最小值，設(shè)計(jì)中應(yīng)采用由公式計(jì)算所得的最小值。同時(shí)，建議回旋線長(zhǎng)度應(yīng)與超高緩和段長(zhǎng)度相同，如果超高緩和段長(zhǎng)度小于由公式計(jì)算所得的回旋線最小值，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整超高緩和段長(zhǎng)度，使其與回旋線長(zhǎng)度相近。

2.4 平曲線長(zhǎng)度

AASHTO規(guī)定，當(dāng)公路轉(zhuǎn)角大于5°時(shí)，在主要公路上，平曲線的最小長(zhǎng)度應(yīng)大約為設(shè)計(jì)速度（km/h）的3倍，即;在可以高速行駛的道路上，采用較緩的曲率時(shí)，考慮道路的美觀，平曲線的最小長(zhǎng)度應(yīng)大約為設(shè)計(jì)速度（km/h）的6倍，即。當(dāng)公路轉(zhuǎn)角為5°時(shí)，平曲線的最小長(zhǎng)度應(yīng)不小于150m，并且轉(zhuǎn)角每減少1°，最小長(zhǎng)度應(yīng)增加30m。

2.5 技術(shù)要點(diǎn)

（1）線形應(yīng)與地形地物相適應(yīng)，并盡可能直捷，曲線轉(zhuǎn)角應(yīng)盡量的小，但要采用足夠的平曲線長(zhǎng)度。

（2）一般應(yīng)盡量采用平緩的圓曲線，要盡可能避免采用最小圓曲線半徑，僅在最困難的地方可采用最小圓曲線半徑。

（3）線形應(yīng)連貫，不應(yīng)在長(zhǎng)直線的末端連接較急的轉(zhuǎn)向。

（4）在曲線半徑較小的路段最好避免使用復(fù)合曲線，必須采用時(shí)，相鄰圓曲線半徑比小于1.5。

（5）應(yīng)避免采用突然的反向線形，反向圓曲線間的最小間距應(yīng)等于超高緩和段長(zhǎng)度和直線緩和段長(zhǎng)度之和。

（6）同向圓曲線間應(yīng)設(shè)置足夠長(zhǎng)的直線，避免“斷背”或“平背”曲線。

3? 縱斷面

3.1 縱坡

（1）最大縱坡。

AASHTO對(duì)最大縱坡的規(guī)定是依據(jù)地形類(lèi)別和設(shè)計(jì)速度確定的（見(jiàn)表3）。

受地形條件或其他特殊情況限制時(shí)，山嶺區(qū)最大縱坡可增加1%。

（2）最小縱坡。

AASHTO對(duì)最小縱坡的規(guī)定較為寬松，是綜合考慮后確定的。在不設(shè)路緣石的公路上，如果路拱有足夠的橫坡坡度滿足路面的橫向排水，那么設(shè)計(jì)中可以采用平緩的;在設(shè)有路緣石的公路上，則應(yīng)設(shè)置合適的最小縱坡以利于路面橫向排水，通常會(huì)采用0.5%的最小縱坡，但是在路基堅(jiān)固，路拱設(shè)計(jì)要求精確的高級(jí)道路上，也可采用0.3%的最小縱坡。

3.2 坡長(zhǎng)

AASHTO規(guī)定的坡長(zhǎng)是指相鄰豎曲線間直線段長(zhǎng)度，當(dāng)豎曲線為坡長(zhǎng)的一部分時(shí)，必須采用近似的當(dāng)量直線段長(zhǎng)度。對(duì)于Ⅱ、Ⅳ類(lèi)型豎曲線，當(dāng)其坡度差較小時(shí)，坡長(zhǎng)可以取豎曲線交點(diǎn)之間的長(zhǎng)度（VPI）;對(duì)于Ⅰ、Ⅲ類(lèi)型豎曲線，考慮將豎曲線長(zhǎng)度的1/4左右作為坡長(zhǎng)的一部分（見(jiàn)圖1、圖2）。

AASHTO對(duì)最小坡長(zhǎng)未做明確規(guī)定，對(duì)最大坡長(zhǎng)的規(guī)定與設(shè)計(jì)速度無(wú)關(guān)，是以載重汽車(chē)速度低于平均速度的速度折減量為依據(jù)確定的。速度折減量的推薦值為15km/h。

3.3 豎曲線

AASHTO規(guī)范中豎曲線是用坡度變化率的倒數(shù)K值控制的，計(jì)算公式如下：

式中：為縱坡度變化1%所需的長(zhǎng)度，m;

為豎曲線半徑，m;

為豎曲線長(zhǎng)度，m;

為縱坡度代數(shù)差，%。

AASHTO關(guān)于凸形豎曲線的設(shè)計(jì)控制是以滿足停車(chē)視距要求確定的，關(guān)于凹形豎曲線的設(shè)計(jì)控制是綜合考慮車(chē)頭燈視距、駕乘人員的舒適性、排水要求和路容要求等4個(gè)因素確定的（見(jiàn)表4）。

凸形豎曲線最小長(zhǎng)度：

凹型豎曲線最小長(zhǎng)度：

公式（4）（5）中，為停車(chē)視距，m。

3.4 技術(shù)要點(diǎn)

（1）一般應(yīng)盡量采用平緩的縱坡，僅在地形限制情況下可采用最大縱坡和最大坡長(zhǎng)。

（2）應(yīng)避免“慣性飛車(chē)”型、“暗凹”型或“斷背”型的縱斷面。

（3）連續(xù)長(zhǎng)、大下坡中宜將最陡的縱坡放在底部，坡頂?shù)目v坡宜放緩，或者用短的緩坡段將連續(xù)的縱坡斷開(kāi)，以代替均勻的、可能略小于容許最大縱坡的連續(xù)縱坡。

4? 結(jié)語(yǔ)

美國(guó)AASHTO規(guī)范與中國(guó)規(guī)范在公路幾何設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)理論是一致的，只是側(cè)重點(diǎn)和表現(xiàn)形式略有不同。由于中美經(jīng)濟(jì)、文化、地域等的差異，在幾何線形對(duì)行車(chē)安全影響方面的理解差異較大，導(dǎo)致部分設(shè)計(jì)理念差異較大，比如緩和曲線的使用。AASHTO規(guī)范較為靈活，其更側(cè)重對(duì)設(shè)計(jì)的引導(dǎo)，而非強(qiáng)制性限制，其相關(guān)條文規(guī)定多為介紹性規(guī)定，不是很具體詳盡，如平曲線長(zhǎng)度、平面線形組合、相鄰圓曲線的最小間距（同向和反向）、坡長(zhǎng)限制等，讓設(shè)計(jì)人員在具體設(shè)計(jì)指標(biāo)的把握上稍顯困難，但給設(shè)計(jì)人員提供了充分的靈活設(shè)計(jì)空間。對(duì)于具體實(shí)施的項(xiàng)目，業(yè)主要求里會(huì)規(guī)定各項(xiàng)指標(biāo)值，這些指標(biāo)值是對(duì)規(guī)范規(guī)定的進(jìn)一步細(xì)化，充分體現(xiàn)其靈活性。因此，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的掌握、指標(biāo)的靈活運(yùn)用，在美國(guó)AASHTO幾何設(shè)計(jì)中得到了真正的體現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡海宗.中美兩國(guó)高速公路平面幾何設(shè)計(jì)對(duì)比分析[J].交通科技，2017（6）：98-100.

[2] 趙春廣.淺談美國(guó)規(guī)范幾何設(shè)計(jì)在工程實(shí)踐中的運(yùn)用[J].低碳世界，2017（25）：124-126.

[3] 丁敏.中美兩國(guó)公路設(shè)計(jì)理念上的差異[J].交通世界，2012（8）：202-203.