基于功能定位的公路市政化改造橫斷面設計研究

楊永紅,王杰聰,顧明恩,賀志勇

(1.華南理工大學土木與交通學院 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.長沙理工大學 公路工程教育部重點實驗室 湖南 長沙 410114；3.廣州市交通設計研究院有限公司 廣東 廣州 511430)

自2014年國務院頒布《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020年)》以來，中國城鎮(zhèn)化進程不斷推進，城市道路范圍從城區(qū)持續(xù)向外擴展，城郊公路面臨著從服務“點對點”的公路交通轉變?yōu)榉铡包c對面”甚至“面對面”的城市交通的現(xiàn)狀需求，舊路交通組成復雜且各種交通形式混行嚴重，大幅降低了道路的通暢程度和安全系數(shù)[1]，公路城市化改造已成為促進民生福利和城鎮(zhèn)化有序推進的基本需求。公路與城市道路在功能定位、技術指標等方面都存在著一系列差異，這些差異集中體現(xiàn)在橫斷面設計上，因此橫斷面的改造設計是公路市政化的重點和難點。

公路市政化路段作為公路與城市道路的融合段，為滿足行人通行及市政設施走廊的要求，橫斷面需按照城市道路的要求進行調整，增強其城市服務功能。舊路橫斷面需加入非機動車車道、人行道和過街設施等[2]，因沒有統(tǒng)一的設計標準，各設計、建設和管理單位在公路改造過程中處于兩難的境地。

表1 公路與城市道路的橫斷面差異Table 1 Cross section differences between highways and urban roads項目公路城市道路非機動車道無有人行道無有側、邊綠化帶無有公交停靠站無有人行過街設施無有邊坡有無路肩有保護性路肩照明設施部分有有交叉口數(shù)量較少密集排水邊溝排水管道排水景觀行車瀏覽行車瀏覽、駐足觀看

橫斷面設計主要包括斷面布置形式和組分尺寸確定兩個工作。影響道路橫斷面布置形式的因素很多，如交通量、道路技術等級、功能定位、車輛類型與組成、設計速度、城市用地布局、地形條件等[3]。此外，橫斷面布置還涉及到道路設施和交通規(guī)劃等各項工作。李偉強[4]以廣州市日益增多的公路市政化改造工程為出發(fā)點，分析了公路與市政道路在道路設施功能和應用技術的差異，并提出了市政化改造工程在橫斷面等關鍵節(jié)點的設計方案。許富強[5]等分析了公路與市政道路在各組成部分尺寸上的差異，基于行人、非機動車和機動車交通量上的相對關系提出了五種公路橫斷面改造方案。 道路橫斷面的設計指標選取直接關系著橫斷面功能的實現(xiàn)質量好壞，關于橫斷面各組成部分的寬度確定引起了研究人員的重視。吳金保[6]分析了城市道路常用的單幅路、雙福路、三幅路和四幅路這四種橫斷面形式的組成和適用情況，并以車輛行駛橫向安全距離為基礎研究了當前規(guī)范中機動車道寬度取值的合理性。楊春風[7]等研究了城郊高速公路在城市化改造過程中的橫斷面設計，從中分帶、機動車道數(shù)和車道寬度等方面對改造指標進行了論述。

然而上述研究未從功能定位的角度出發(fā)對公路市政化改造橫斷面設計進行系統(tǒng)性研究，忽略了實際工程項目的應用困境。本文以公路市政化改造工程的設計原則和決策因素為基礎，提出了適用于不同功能分類和道路分級的橫斷面布置形式，并結合調研的車輛寬度和修正后的波良可夫模型對機動車道寬度取值進行了計算和推薦。

1 公路市政化改造橫斷面設計原則

公路市政化改造路段和其他公路及市政道路一樣，需要滿足安全可靠、以人為本、綠色環(huán)保、舒適和諧等基本要求。針對公路市政化改造工程的特殊性，提出在橫斷面設計時應著重考慮的4個設計原則。

a.功能性原則。橫斷面設計需要具體分析現(xiàn)狀公路和市政道路之間的功能差異，市政化改造工程就是實現(xiàn)公路市政功能的過程。設計時應當結合區(qū)域交通出行需求，通過補全人行道、非機動車道和側綠化帶等市政設施以實現(xiàn)功能性原則。

b.經(jīng)濟性原則。公路市政化改造的過程中，應當對現(xiàn)狀公路的橫斷面情況進行綜合評估，盡量將現(xiàn)狀橫斷面作為新橫斷面的組成部分，充分利用舊路，在舊路原有的基礎上進行小范圍的改造和拓寬，需分析論證按照新路橫斷面進行設計規(guī)劃的經(jīng)濟性。

c.協(xié)調性原則。公路市政化改造路段作為公路與市政道路的協(xié)調過渡段和連接段，橫斷面設計時既要做好與現(xiàn)狀公路和市政道路的過渡漸變設計，也要注意做好與周邊環(huán)境和城市景觀之間的協(xié)調設計。

d.前瞻性原則。公路市政化改造路段具有公路和市政道路的二元屬性，在進行橫斷面設計時既要滿足近期公路屬性主導下的交通組成和需求，更要考慮遠期完全作為市政道路的功能和設施要求，即近期設計應預留遠期改造空間。資金或工期緊張的項目可分為近期和遠期橫斷面進行分階段設計。

2 公路市政化改造橫斷面決策因素

橫斷面設計的決策涉及到城市規(guī)劃、用地規(guī)劃寬度、地下管線、經(jīng)濟和交通需求等各方面因素。

公路市政化改造橫斷面首先應對區(qū)域的城市規(guī)劃進行詳細分析，同時結合近遠期交通量以及城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢來綜合考慮橫斷面布置形式。用地規(guī)劃寬度反映到橫斷面設計上即為道路紅線寬度，這是橫斷面寬度的上限，橫斷面布置也必須是在道路紅線寬度內進行車道和設施帶的設計。

地下管線是影響市政化公路橫斷面布置形式的又一大因素。考慮到不同管線之間的間距，即使地下管線可布置在路側帶下面，寬度也往往不夠。一般來說，單幅路的各個部分下面可埋設各種類型的管線；雙、三幅路的機動車道下可埋設排水管線；四幅路的機動車道下則不宜埋設任何管線。

綜合以上各類影響因素，橫斷面決策最終會歸結到道路等級和相應的設計速度選擇。根據(jù)功能定位不同，道路的設計速度也呈階梯式變化，據(jù)此城市道路分級為快速路(KS)、主干路(ZG)、次干路(CG)和支路(ZL)，而公路分級為高速公路(G)、一級公路(I)、二級公路(II)、三級公路(III)和四級公路(IV)。公路市政化改造工程包涵了城市道路和公路的雙重性質，即在滿足現(xiàn)狀公路的通行要求下，也要考慮到城市道路的交通組成和功能定位，因此確定公路市政化改造工程的道路分級和設計速度要同時兼顧二者的需求。公路市政化改造路段同時具有公路和城市道路的特點，但相比同等級公路，路網(wǎng)密度更高，交叉口間距減小，人非干擾增加，設計速度可適當下降，因此建議取消高速公路120 km/h的設計速度?？紤]到未來公路完全改造為城市道路的遠景需求，加入50、20 km/h的設計速度，見表2。

表2 公路市政化改造道路分級和設計速度Table 2 Road classification and design speed of highway municipal reconstruction不同道路等級的設計速度/(km·h-1)G-KSI-KSI-ZGII-ZGII-CGIII-CGIII-ZLIV-ZL100801008060605060504050403040304030203020注:表中代號,如II-CG,II指二級公路,CG指次干路,表示二級公路改造為具有城市次干路功能,以此類推。

3 基于道路功能的改造橫斷面布置形式

道路功能類別主要從路網(wǎng)規(guī)劃、交通流特征、區(qū)域城鎮(zhèn)化水平這幾大因素進行確定[8]，據(jù)此將公路市政化改造路段分為市政功能為主和公路功能為主兩種。

3.1 市政功能為主的改造橫斷面形式

現(xiàn)狀公路如果在路網(wǎng)規(guī)劃中規(guī)劃性質調整為城市道路，交通流可達性特征顯著增強，區(qū)域沿線用地的城鎮(zhèn)化水平高，則該路段改造時應以市政功能為主，橫斷面布置形式以城市道路單、雙、三、四幅路為主。

根據(jù)《公路路線設計規(guī)范》(JTG D20-2017)的橫斷面章節(jié)，出于行車速度和安全行駛的考慮，高速公路和一級公路的一般路基斷面形式往往設置了中央分隔帶，而二、三、四級公路往往采用車道線的形式分隔對向車道。分析《城市道路路線設計規(guī)范》(CJJ 193-2012)中的相關章節(jié)發(fā)現(xiàn)，城市道路橫斷面形式中的雙幅路和四幅路設置了中央分隔帶而單幅路和三幅路則沒有相關設計。從改造難易程度和工程經(jīng)濟性的角度出發(fā)，保留中央分隔帶不動或者拓寬的常規(guī)做法是高速公路和一級公路的市政化改造橫斷面形式宜采用雙幅路和四幅路，二、三、四級公路的市政化改造橫斷面形式宜采用單幅路和三幅路。另一種處理方式則是將原有舊路作為市政化公路的一幅，例如青峰大道的市政化改造項目就是在原有路基的一側進行拓寬，需要考慮道路紅線等實際情況靈活處理。市政功能為主的改造橫斷面形式及適用情況如表3所示。

表3 市政功能為主的改造橫斷面布置形式Table 3 Reconstruction cross-section layout based on municipal functions布置形式推薦斷面示意圖單幅路適用情況:單幅路通過道路中央的單黃線或雙黃線分隔對向車道,適用于交通量不大的二級、三級和四級公路改造為次干路、支路。II-CG、III-CG、III-ZL、IV-ZL雙幅路適用情況:雙幅路通過中央分隔帶分隔對向車道,行車更加安全,適用于高速、一級公路改造為快速路,以及機動車交通量不大、非機動車較少的一級公路改造為主干路。G-KS、I-KS、I-ZG三幅路適用情況:三幅路通過兩邊的側分帶分隔行車速度不同的輔道與主路,將道路橫斷面劃分為三塊板,適用于機動車和非機動車交通量較大的二級、三級公路改造為主干路或次干路和需設置輔路的公路改造為主干路以及紅線寬度較寬的公路改造為次干路。II-ZGII-CG、III-CG四幅路適用情況:四幅路通過中央分隔帶和兩側帶將道路橫斷面劃分為四塊獨立板,不僅行車安全和通行能力得到提高,分隔帶的綠化設計也使得道路更加美觀環(huán)保。適用于機動車及非機動車交通量較大、需設置輔路的高速、一級公路改造為快速路或主干路。G-KS、I-KS、I-ZG

以花都大道(機場北進場路口至紅棉大道段)擴建改造工程為例，舊路等級為一級公路，近期采用一級公路結合城市主干道標準設計，遠期為城市快速路。道路紅線寬度60 m，改造橫斷面采用四幅路斷面形式，并預留遠期改造空間,見圖1。

3.2 公路功能為主的改造橫斷面形式

城郊公路若其路網(wǎng)規(guī)劃性質沒有變化或者大部分路段仍為公路，交通流通過性功能顯著，區(qū)域沿線用地性質以非城市化用地為主，則該路段改造時應著重考慮公路連通不同城鎮(zhèn)節(jié)點之間的交通功能，橫斷面布置形式宜在現(xiàn)狀公路路基上進行拼接拓寬。結合地方道路的布置，可選用路基式、高架式、路塹式和隧道式橫斷面形式。本文重點闡述路堤式橫斷面，限于本文篇幅，其他斷面形式不再贅述。

3.2.1路堤式橫斷面

路堤式橫斷面在公路建設中十分常見，此類公路橫斷面改造為具有城市道路功能時，如果道路紅線寬度足夠，可以將原有路堤作為道路主路，在路堤一側或兩側修建輔路和其他市政設施，主路和輔路之間通過上下匝道相聯(lián)系，深圳市鹽壩高速公路市政化改造項目即采用了這種設計方案，在主路兩側增加了7.5 m的輔道和4.5 m的路側帶，改造示意圖如圖2所示。這種改造形式可以極大程度地保證改造施工期間現(xiàn)狀公路的交通通行，改造難度較小，但須做好現(xiàn)狀邊坡的支護以避免施工開挖等對舊路路基的擾動。

3.2.2加寬硬路肩式橫斷面

隨著共享單車和外賣經(jīng)濟的迅速發(fā)展，自行車和電動車交通量日益增多，非機動車已成為道路橫斷面設計中不能忽視的因素。由于非機動車與機動車的運行速度相差較大，機非混行的交通組織形式容易造成道路通行能力下降甚至引發(fā)交通事故，因此橫斷面布置時宜把機動車道和非機動車道相分隔。同理，非機動車道和人行道出于安全考慮也應該分隔開，道路紅線受限路段不得不采取人非共板的布置形式時需設置樹穴、綠化帶、分隔柱等物理分隔設施，也可采用不同鋪裝類型、平緣石及畫標線等柔性措施。

研究建議在道路規(guī)劃紅線受限地區(qū)或城郊地區(qū)進行公路市政化改造工程，道路斷面的布置可以將硬路肩適當加寬作為混合交通流行駛或作為未來交通量增長后的新增行車道，同時應該設置隔離設施與機動車道分隔。

圖2 路堤式橫斷面圖

圖3 加寬硬路肩的斷面改造形式

4 機動車道寬度研究

機動車道寬度是道路橫斷面寬度的最大組成部分，直接關系到道路改造擴建工程的工程量、用地拆遷和造價投資問題。機動車道寬度由車輛寬度和車輛橫向擺動寬度組成，公路市政化改造路段由于交通組成復雜等特殊性，需要對車道寬度取值進行安全性、合理性和經(jīng)濟性研究。

4.1 車輛寬度選取

城郊公路的車輛組成包括公路車輛和城市道路車輛，從設計車型上看，公路和城市道路均包含了小客車、大型客車和鉸接客車，車輛寬度基本一致，而公路多出了載重汽車和鉸接列車兩種車型。從兼顧城郊公路的過境公路屬性出發(fā)，提出市政化公路的設計車型應以公路為準，對應寬度如表4所示。

現(xiàn)行規(guī)范取小車1.8 m、大車2.5 m來分別計算小客車專用道和大型車或混行車道寬度。考慮車輛寬度和貨物在行駛過程中的擺動，《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》(GB 1589-2016)將貨車、(半)掛車、汽車列車的寬度限值統(tǒng)一調整為2 550 mm，故取2.55 m作為大車計算寬度。

表4 公路市政化改造設計車型寬度對應表Table 4 Correspondence table of highway vehicle design不同車型的總寬/m小客車大型客車鉸接客車載重汽車鉸接列車1.82.552.52.52.55

隨著對轎車家用和空間的需求，越來越多的家庭選擇購買運動型多用途汽車,即SUV(Suburban Utility Vehicle)。這類城郊實用汽車的保有量日益增長，車道寬度也需要考慮到其寬度值。綜合保有量、品牌及口碑等相關因素，調研了22款SUV的車輛寬度。

分析可知,市面上主流的SUV寬度值在1 800～1 950 mm之間，從安全角度出發(fā)取大值，故取1.95 m作為小車計算寬度。

表5 市面上主流SUV車輛寬度Table 5 The mainstream SUV vehicle width in the market型號車輛寬度/m型號車輛寬度/m哈弗H61 860寶駿5101 740本田CR-V1 855榮威RX51 855大眾途觀L1 839別克昂科威1 839長安CS751 850傳祺GS81 910日產(chǎn)奇駿1 820奧迪Q5L1 893吉利博越1 831奔馳GLC1 898豐田漢蘭達1 925寶馬X31 891三菱歐藍德1 810馬自達CX-41 855福特銳界1 925比亞迪唐1 940雷克薩斯UX1 840現(xiàn)代途勝1 850觀致51 869奇瑞瑞虎81 860

4.2 橫向擺動安全寬度計算

現(xiàn)行規(guī)范中應用波良可夫模型對橫向擺動安全距離進行計算。基本原理是駕駛員操作方向盤時的微小擺動會引起車輛與道路的微小偏角，隨著車速提高，引起的車輛橫向擺動也越大，基本模型如下。

{x0=0.7+0.02(v1+v2)0.75

d0=0.7+0.02v0.75

c0=0.4+0.02v0.75

(1)

式中:x0為對向行車橫向安全間距，m；d0為同向行車橫向安全間距，m；c0為車輛與中分帶或路緣帶的橫向安全間距，m；v為行車速度，v1、v2為對向車輛車速，km/h。

隨著現(xiàn)代道路工程和汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的行駛穩(wěn)定性大幅度提升，模型參數(shù)和擬合程度顯然已經(jīng)不能滿足要求。通過調研發(fā)現(xiàn)，當行車速度趨近于零時，最小橫向安全間距與原式不同[9、10]，修正后的計算模型如式(2)：

{x0=0.67+0.057 6(v1+v2)0.398 2

d=0.42+0.057v0.398 2

c=0.3+0.005 3v

(2)

式中各參數(shù)代號與式(1)一致。

城郊公路市政化改造后將同時具有公路和城市道路的特點，但相比同等級公路，路網(wǎng)密度更高，交叉口間距減小，人為干擾增加，小車超速行為較公路通行時少，行車速度一般與設計速度差別不大。大車由于性能和載重的影響行車速度會比小車速度低5～15 km/h，道路設計速度越高時速度差越明顯。故取道路設計速度作為小車計算速度，大車計算速度在此基礎上相應減少?，F(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定高速公路、一級公路以及城市快速路必須設置中間分隔設施，故設計速度60 km/h及以上時不存在對向行車橫向安全距離x，最終得到橫向擺動安全寬度計算結果如表6所示。

表6 不同運行速度下的橫向擺動安全寬度Table 6 Safe width of lateral swing at different running speeds橫向間距不同運行速度(km/h)的橫向擺動安全寬度/m100(85)80(70)60(55)50(45)403020x———1.03(1.02)1.000.960.92d0.78(0.76)0.75(0.73)0.71(0.70)0.69(0.68)0.670.640.61c0.83(0.75)0.72(0.67)0.62(0.59)0.57(0.54)0.510.460.41注: 表中括號內為大車計算行車速度和橫向擺動安全寬度,括號外為小車計算行車速度和橫向擺動安全寬度。

4.3 基于位置和車型的行車道寬度計算

按照車道位置將車道分為內側車道(左側靠近中分帶或雙黃線)、中間車道(兩側均為行車道，單向雙車道以上才存在)、外側車道(右側靠近路側帶)。

有中央分隔帶的內側車道：w1=l+c+d/2;

無中央分隔帶的內側車道：w2=l+x/2+d/2;

中間車道：w3=l+d;

外側車道：w4=l+d/2+c。

式中l(wèi)取值根據(jù)不同車型代入，計算小客車專用道寬度時代入小車計算寬度1.95 m，計算大型車或混行車道寬度時代入大車計算寬度2.55 m，得到表7所示的分車型行車道寬度計算表。

為規(guī)范和方便設計人員選用，綜合考慮行車安全和交通流特性，結合城郊公路市政化改造路段的特殊性，提出了不同設計速度、不同車道位置，不同車輛類型情況下的行車道寬度推薦取值，見表8。

表7 不同設計速度下的行車道寬度Table 7 Lane width at different design speeds行車道寬度不同設計速度(km·h-1)的行車道寬值/m100806050403020W1/W43.17(3.68) 3.05(3.59) 2.93(3.49) 2.86(3.43) 2.80(3.40) 2.73(3.33) 2.66(3.26) W2———2.81(3.40) 2.79(3.39) 2.75(3.35) 2.72(3.32) W32.73(3.31) 2.70(3.28) 2.66(3.25) 2.64(3.23) 2.62(3.22) 2.59(3.19) 2.56(3.16) 注:表中括號內為混行車道或大車專用道寬度,括號外為小客車專用道寬度。

表8 一條機動車道最小寬度Table 8 Minimum width of a motorway 車道類型不同設計速度(km·h-1)下的機動車道最小寬度/m100、 8060、 5040、 30、 20大型車或混行車道3.753.53.5小客車專用車道3.2532.8中間車道3.53.253.25

4.4 縮減機動車道寬度的可行性分析

對比現(xiàn)行公路和城市道路設計規(guī)范，本文推薦的機動車道寬度值在一定程度上進行了縮減，尤其體現(xiàn)在小客車專用道寬度以及中間車道寬度的專門規(guī)定上?？s減機動車道寬度是否可行需要分析其對交通的影響，主要是通行能力、通行速度和交通安全性。

我國機動車道寬度比很多發(fā)達國家例如美國、日本、荷蘭等的規(guī)定都要大[11]，過寬的機動車道不僅會加劇車輛跨線搶道行為，同時行人過街時間延長，不利于交通安全，而且機動車道達到一定寬度后，通行能力的增加并不明顯，投資效益比反而顯著下降。研究表明，3.5 m寬車道相對于3.75 m寬車道的通行能力差異很小，對于小客車專用道，2.8 m寬車道的通行能力仍然可以達到1 750輛/小時/車道[12]。同濟大學相關研究指出，隨著車道寬度增加，車流通行速度呈上升趨勢，而在3.2～3.5 m范圍內，車道寬度已經(jīng)不是影響通行速度的主要因素[13]。在我國北京、上海、武漢、青島等城市已有縮減機動車道寬度的成功實踐，寬度調整后車輛運行狀況良好，節(jié)約了大量建設用地和資金投入。本文基于車輛橫向擺動間距計算行車道寬度，通過計算數(shù)值的富余取整充分考慮了交通安全性。合理的車道寬度可以規(guī)范駕駛行為，使車輛各行其道，能有效地將車速限制在規(guī)定范圍內，一定程度上減少了事故的發(fā)生和嚴重程度。

綜上所述，本文提出的行車道寬度推薦值切實可行，合理地縮減了過寬的車道寬度，極大緩解了城郊公路改擴建紅線壓力和工程造價，節(jié)約下來的建設寬度可以用于拓寬綠化帶、非機動車道或人行道，增強改造公路的市政化服務功能。

5 結語

我國目前存在城郊公路改造為市政道路的現(xiàn)狀需求，然而公路市政化改造工程的開展因其公路和市政道路的“二元”性質而受到制約。本文據(jù)此重點研究了公路市政化改造工程的橫斷面布置方案和機動車道寬度取值，可以為公路市政化改造工程提供設計參考，降低工程造價并實現(xiàn)更好的改造效果。

a.對比了公路和市政道路在橫斷面設計上的區(qū)別，根據(jù)公路市政化改造工程的特殊性和橫斷面基本設計理念，提出了針對改造工程的橫斷面設計原則。

b.從改造橫斷面的決策過程出發(fā)，分析了城市路網(wǎng)規(guī)劃、道路紅線寬度和地下管線等因素對橫斷面設計的影響，提出了公路市政化改造道路分級和相應的設計速度，并以相應簡化代號直觀表示。

c.基于路網(wǎng)規(guī)劃、交通流特征、區(qū)域城鎮(zhèn)化水平將城郊公路改造路段分為了市政功能為主和公路功能為主兩種，針對兩種分類情況并結合實際工程項目提出了適用的橫斷面布置形式和示意圖說明。

d.調研和選取了公路市政化改造路段小型車及大型車的計算寬度，基于修正后的波良可夫模型計算了不同速度下車輛的橫向擺動安全寬度，最后根據(jù)車道位置和車型分類給出了一條機動車道最小寬度的取值推薦表。