高速公路路線線形設(shè)計(jì)探討

王添榮

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山西省東有太行山脈，西有呂梁山脈，內(nèi)有汾河、沁河、桑干河、漳河、滹沱河等眾多河流，號(hào)稱表里山河。山西省修建高速公路通常需要克服較大高差，穿越山嶺區(qū)，才能連接如串珠般分布在河谷平原和盆地中的城鎮(zhèn)。優(yōu)秀的公路設(shè)計(jì)是公路工程的靈魂，是實(shí)現(xiàn)公路預(yù)定功能、改善區(qū)域路網(wǎng)的前提條件。路線設(shè)計(jì)是公路設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，由于區(qū)域自然條件、人文因素的復(fù)雜多變，路線設(shè)計(jì)并沒(méi)有一成不變的固定模式或方法可遵循，只有堅(jiān)持基本設(shè)計(jì)原則、靈活運(yùn)用各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)才能設(shè)計(jì)出安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、舒適的路線方案。路線線形設(shè)計(jì)就是要在選定的走廊帶與主要控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行布局和總體設(shè)計(jì)，合理運(yùn)用技術(shù)指標(biāo)[1]；在控制工程規(guī)模的前提下，優(yōu)化線形組合，做到線形連續(xù)、順捷、指標(biāo)均衡，適應(yīng)地形地質(zhì)條件，與區(qū)域自然景觀協(xié)調(diào)。

1 高速公路平面線形設(shè)計(jì)

《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)高速公路平面設(shè)計(jì)，提出了直線長(zhǎng)度、圓曲線半徑、平曲線長(zhǎng)度、回旋線設(shè)置條件及長(zhǎng)度、超高過(guò)渡、視距檢查等技術(shù)要求。具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)高速公路平面線形設(shè)計(jì)還應(yīng)注意以下內(nèi)容：

a）合理運(yùn)用直線和平曲線，線位盡量協(xié)調(diào)地形條件。在荒漠地帶、規(guī)整農(nóng)田、城市規(guī)劃邊界，為縮短里程或避讓農(nóng)田城鎮(zhèn)時(shí)，可以采用實(shí)際需要的長(zhǎng)直線；但在其他普通地區(qū)，直線長(zhǎng)度通常不超過(guò)20v（v為設(shè)計(jì)速度，單位：km/h）。路線設(shè)計(jì)宜以曲線線形設(shè)計(jì)為主，合理運(yùn)用直線和平曲線穿越或避讓重要地物，才能落實(shí)安全、環(huán)保、節(jié)約的設(shè)計(jì)理念。

b）限制因素較小時(shí)，圓曲線半徑應(yīng)盡量取較大值；線形受地形地物限制時(shí)，也應(yīng)盡量使用超高為2%～4%的圓曲線半徑；地形特別困難的地區(qū)，可以謹(jǐn)慎地使用規(guī)范中圓曲線最小半徑的一般值，并注意前后線形之間的協(xié)調(diào)和過(guò)渡，仔細(xì)核查線形的平縱面組合。

c）平面線形中的回旋線采用緩和曲線，緩和曲線長(zhǎng)度至少要滿足超高漸變的需要，緩和曲線參數(shù)A與相連圓曲線半徑R要滿足R/3

d）隧道洞口內(nèi)外，不小于3 s行程的路線長(zhǎng)度范圍內(nèi)，平面線形要保持一致（直線或圓曲線）；條件受限不能滿足時(shí)，應(yīng)該采用較大的平曲線和豎曲線半徑，采用較緩縱坡，滿足視距要求，并采取必要的安全措施。

e）設(shè)置服務(wù)區(qū)、停車(chē)區(qū)、互通立交的路段，曲線半徑應(yīng)大于規(guī)范要求的主線圓曲線半徑要求。

2 平曲線視距分析

視距是公路線形設(shè)計(jì)的主要控制指標(biāo)，根據(jù)公路的交通運(yùn)行方式和公路橫斷面組成的不同，視距可分為停車(chē)視距、超車(chē)視距和會(huì)車(chē)視距等。高速公路為對(duì)向分離式斷面，且單方向至少兩車(chē)道，所以按停車(chē)視距控制線形指標(biāo)。《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)不同設(shè)計(jì)速度下，以視線較差的小型汽車(chē)目高1.2 m，前方路面物高0.1 m為計(jì)算模型，給出了表1的停車(chē)視距。

表1 高速公路停車(chē)視距

式中：h為橫凈距，m；Rs為視點(diǎn)軌跡線半徑，m；S為視距，m ；。

高速公路車(chē)道右側(cè)設(shè)置硬路肩和土路肩，路基外側(cè)通常不對(duì)停車(chē)視距造成影響，設(shè)計(jì)時(shí)要注意檢查路基、橋梁段中央分隔帶停車(chē)視距。即以中央分隔帶護(hù)欄或防撞墻為障礙物，根據(jù)公路設(shè)計(jì)速度下的停車(chē)視距、車(chē)道及路緣帶寬度、中央分隔帶波形護(hù)欄或防撞護(hù)欄位置及構(gòu)造尺寸，計(jì)算出設(shè)計(jì)線形下內(nèi)側(cè)車(chē)道的橫凈距h，以此橫凈距按式（2）（符號(hào)意義同前）[3]計(jì)算滿足中分帶視距要求的平曲線最小半徑R，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 中央分隔帶視距要求圓曲線半徑

當(dāng)護(hù)欄視距不足時(shí)，只能改造中央分隔帶構(gòu)造，或者向外偏移車(chē)道以增加橫凈距，但這兩種方法對(duì)車(chē)輛行駛軌跡的連續(xù)性有影響，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。所以平面設(shè)計(jì)時(shí)圓曲線半徑應(yīng)盡量大于表2中數(shù)值。

可能造成公路停車(chē)視距不足的因素有：平曲線暗彎（曲線內(nèi)側(cè)存在邊坡或其他障礙物的彎道）、縱斷面的凸形豎曲線、下穿分離立交道路的凹形豎曲線等。其中，凸形和凹形豎曲線的視距問(wèn)題，規(guī)范中規(guī)定豎曲線最小半徑時(shí)已經(jīng)做了考慮，采用大于規(guī)范規(guī)定的最小豎曲線半徑就可以滿足豎曲線上的停車(chē)視距要求。所以，線形設(shè)計(jì)時(shí)的視距檢查，主要針對(duì)平面線形。

如圖1所示，在車(chē)輛視點(diǎn)軌跡線上，以視距S為弧長(zhǎng)可以做一系列割線（1-1'，2-2'等），由這些割線構(gòu)成的包絡(luò)線即為視距曲線，視點(diǎn)軌跡線到視距曲線的距離即為橫凈距h。對(duì)于高速公路平面線形，通常圓曲線長(zhǎng)度大于視距長(zhǎng)度，則圓曲線段橫凈距可按式（1）計(jì)算[2]，在橫凈距范圍內(nèi)，不得有阻礙視線的障礙物。

圖1 彎道內(nèi)側(cè)通視區(qū)示意圖

3 高速公路縱斷面設(shè)計(jì)

《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)高速公路縱斷面設(shè)計(jì)，提出了高程、坡度、坡長(zhǎng)、合成坡度、豎曲線的指標(biāo)要求，對(duì)橋梁隧道位置的縱坡、混合交通的縱坡、長(zhǎng)大下坡和連續(xù)上坡路段做出了特別要求。具體縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，一般先考慮地形起伏、地質(zhì)和水文等情況，其次考慮路基填挖高度和土石方平衡，最后統(tǒng)籌兼顧橋梁、隧道和互通服務(wù)區(qū)設(shè)置的要求，結(jié)合平面線形設(shè)計(jì)路線縱斷面，做到縱斷面均勻連續(xù)，與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

a）路線縱斷面設(shè)計(jì)要滿足設(shè)計(jì)水位要求。路線與其他管線交叉位置，是縱斷面設(shè)計(jì)的高程控制點(diǎn)，當(dāng)與軌道交通、其他公路、電力線、油氣輸送管線交叉時(shí)要預(yù)留凈空高度、安全距離。

b）一般縱坡坡度不宜大于4%，也不宜小于0.3%.縱斷面設(shè)計(jì)要合理采用坡率和坡長(zhǎng)，要充分利用地形地勢(shì)，以控制工程規(guī)模。

c）當(dāng)遇到連續(xù)上坡、下坡路段時(shí)，不宜輕易采用最大坡度值，當(dāng)縱坡坡長(zhǎng)達(dá)到限制要求長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)設(shè)置坡度小于等于2.5%的緩坡段，緩坡段長(zhǎng)度要大于規(guī)范最小坡長(zhǎng)。連續(xù)下坡路段，還要避免坡底接小半徑平曲線的危險(xiǎn)組合。

d）橋梁應(yīng)采用較緩縱坡，小橋涵對(duì)縱坡適應(yīng)性較好，中橋及以上的橋梁縱坡應(yīng)控制在4%以內(nèi)，有條件時(shí)最好以3.5%為縱坡坡度限值；橋梁宜避免位于凹曲線上，連續(xù)剛構(gòu)橋宜在跨中設(shè)置凸形豎曲線。特殊結(jié)構(gòu)的橋梁往往是路線控制因素，此時(shí)縱斷面設(shè)計(jì)應(yīng)充分滿足特殊結(jié)構(gòu)受力、安全、排水、景觀等需要。

e）隧道端口前后3 s行程內(nèi)應(yīng)保持相同的縱面線形，洞口如果設(shè)置豎曲線，宜盡量放大豎曲線半徑，增長(zhǎng)視距長(zhǎng)度。隧道內(nèi)縱坡以單向坡為宜，對(duì)長(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道宜設(shè)置人字坡，利于洞內(nèi)排水和隧道通風(fēng)。

f）服務(wù)區(qū)、停車(chē)區(qū)、互通立交等設(shè)施路段，縱坡應(yīng)大于規(guī)范要求的主線段縱坡、豎曲線半徑的要求。對(duì)預(yù)留的遠(yuǎn)期項(xiàng)目交叉位置，應(yīng)提高指標(biāo)，豎曲線宜采用滿足視覺(jué)要求的較大豎曲線半徑，便于后期項(xiàng)目的接入。

4 平縱面線形組合設(shè)計(jì)

路線是一個(gè)立體線形，平縱面設(shè)計(jì)要注意二者組合關(guān)系。高速公路設(shè)計(jì)速度高，線形設(shè)計(jì)考慮的因素要更周全。路線平縱組合得當(dāng)，線形就視覺(jué)良好、與地形協(xié)調(diào)。平曲線與豎曲線宜一一對(duì)應(yīng)，且平曲線應(yīng)長(zhǎng)于豎曲線，即“平包豎”，豎曲線宜大于圓曲線，即“豎包圓”。當(dāng)圓曲線半徑小于2 000 m，豎曲線半徑小于15 000 m時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照平縱組合設(shè)計(jì)；當(dāng)平曲線半徑大于6 000 m、豎曲線半徑大于25 000 m時(shí)，由于視覺(jué)效果較好，可以放松對(duì)平曲線、豎曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系的要求。

公路作為一個(gè)三維工程體，應(yīng)當(dāng)審核設(shè)計(jì)公路的立體視覺(jué)效果，在駕駛員視距可見(jiàn)范圍內(nèi)，不宜見(jiàn)到多次的平面反向和縱坡起伏；當(dāng)前后坡差較大時(shí)，一般平曲線明彎道與凹形豎曲線搭配，暗彎道與凸形豎曲線搭配，這樣的線形組合視覺(jué)平順舒適、效果悅目。

最后，路線平縱設(shè)計(jì)，要兼顧設(shè)置互通立交、橋梁、隧道等各專(zhuān)業(yè)的基本要求，有條件時(shí)盡量配合相關(guān)專(zhuān)業(yè)滿足其特殊要求。

高速公路路線設(shè)計(jì)要以《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》為依據(jù)，滿足規(guī)范要求的技術(shù)指標(biāo)。規(guī)范中指標(biāo)用詞為“必須”“嚴(yán)禁”的，要嚴(yán)格遵守；用詞為“應(yīng)”“不得”的，一般情況也不得突破；對(duì)用詞為“宜”“可”的，可以適當(dāng)放松要求，次要的路線技術(shù)指標(biāo)運(yùn)用可參考表3。

表3 次要路線技術(shù)指標(biāo)運(yùn)用要點(diǎn)

5 連續(xù)長(zhǎng)大縱坡設(shè)計(jì)

山西省已運(yùn)營(yíng)的高速公路中存在26段長(zhǎng)大縱坡路段，全省長(zhǎng)大縱坡路段里程累計(jì)長(zhǎng)達(dá)620.6 km。山西省高速公路設(shè)置避險(xiǎn)車(chē)道數(shù)量已超過(guò)50處?！豆仿肪€設(shè)計(jì)規(guī)范》按照坡度坡長(zhǎng)組合，給出了長(zhǎng)大下坡的界定條件，見(jiàn)表4。

表4 長(zhǎng)大下坡路段坡度、坡長(zhǎng)限定表

在長(zhǎng)大縱坡的上坡方向，通常只需要在運(yùn)行速度低于容許低速的路段設(shè)置爬坡車(chē)道，以降低重型車(chē)低速行駛對(duì)道路服務(wù)水平的影響。而在長(zhǎng)大縱坡下坡方向，由于車(chē)輛頻繁使用制動(dòng)器，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器高溫失靈造成交通事故，安全隱患很大。車(chē)輛制動(dòng)器的使用頻率與車(chē)重、坡度坡長(zhǎng)、行駛速度、司機(jī)駕駛習(xí)慣都有緊密的關(guān)系，在路線設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮以上因素，并特別注意以下幾點(diǎn)：

a）嚴(yán)格控制路段的縱坡度和坡長(zhǎng)，在線形設(shè)計(jì)時(shí)，將長(zhǎng)大縱坡段運(yùn)營(yíng)安全因素作為重要的比選條件，綜合論證。

b）避免集中采用最大縱坡值，防止車(chē)輛制動(dòng)器短時(shí)間內(nèi)使用頻率增大；縱坡值應(yīng)盡量接近路段平均縱坡，使得車(chē)輛可以通過(guò)擋位控制速度。

c）線形中直線過(guò)長(zhǎng)，或平面半徑由大到小變化劇烈時(shí)，前期不控制車(chē)速的車(chē)輛，在線形指標(biāo)降低的位置，通常需要緊急制動(dòng)。為避免這種情況，線形設(shè)計(jì)時(shí)要注意指標(biāo)均衡。

d）長(zhǎng)大縱坡路段要特別注意運(yùn)行速度檢驗(yàn)，對(duì)項(xiàng)目的安全性進(jìn)行事先評(píng)估，采取主動(dòng)預(yù)防。預(yù)防措施除了優(yōu)化線形設(shè)計(jì)外，還要增加路段地形預(yù)報(bào)，加強(qiáng)線形誘導(dǎo)，采用加強(qiáng)護(hù)欄和設(shè)置避險(xiǎn)車(chē)道等被動(dòng)防護(hù)措施。此外，通過(guò)計(jì)算運(yùn)行速度，對(duì)上坡、下坡方向設(shè)置不同的圓曲線超高值，也是很有實(shí)際用途的安全設(shè)計(jì)方案。

6 設(shè)計(jì)線形運(yùn)行速度安全性評(píng)價(jià)

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)線形設(shè)計(jì)采用的是設(shè)計(jì)速度理論。實(shí)際車(chē)輛在行駛中，會(huì)隨著線形指標(biāo)的高低而波動(dòng)，車(chē)輛運(yùn)行速度并不是一個(gè)定值。運(yùn)行速度理論在我國(guó)經(jīng)過(guò)十多年的研究及應(yīng)用，現(xiàn)已被規(guī)范引入，主要對(duì)二級(jí)及以上等級(jí)的公路進(jìn)行交通安全評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)檢驗(yàn)。運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性是評(píng)價(jià)線形一致性的指標(biāo)，采用相鄰路段運(yùn)行速度差值，以及同一路段運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度的差值進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。

對(duì)運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度差值大于20 km/h的路段，要調(diào)整線形方案，綜合考慮工程量增加、實(shí)施難度等因素，提出調(diào)整平縱橫指標(biāo)、優(yōu)化線形組合的方案，使運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度相一致。對(duì)相鄰路段運(yùn)行速度差值大于20 km/h的區(qū)段，應(yīng)明確造成突變的關(guān)鍵指標(biāo)，有針對(duì)性地修改平面、縱面參數(shù)，使相鄰路段達(dá)到運(yùn)行速度協(xié)調(diào)，其運(yùn)行速度差值以不大于10 km/h為宜。

隨著速度應(yīng)用模型和方法的優(yōu)化，運(yùn)行速度仿真模擬對(duì)設(shè)計(jì)的安全檢驗(yàn)也會(huì)逐步成熟，對(duì)確保行車(chē)安全起到更關(guān)鍵作用。

7 結(jié)語(yǔ)

路線方案是公路工程的關(guān)鍵，對(duì)控制工程造價(jià)、確保投資效益、減少工程隱患具有十分重要的作用。路線設(shè)計(jì)人員必須貫徹各級(jí)交通運(yùn)輸主管部門(mén)設(shè)計(jì)理念，綜合考慮多方因素，合理應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)，才能在不斷的比選優(yōu)化中得出安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的路線設(shè)計(jì)方案。本文中的路線技術(shù)指標(biāo)計(jì)算成果和線形設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可供公路路線設(shè)計(jì)人員參考。