軌道交通與城市道路共線設(shè)計(jì)要點(diǎn)探究

李振華

（長沙市公共工程建設(shè)中心，湖南 長沙 410008）

0 引言

伴隨著城市規(guī)模的快速擴(kuò)張， 城市交通壓力逐漸擴(kuò)大， 很多城市在規(guī)劃時(shí)為了緩解巨大的交通壓力， 嘗試對(duì)城市內(nèi)軌道交通與道路交通進(jìn)行共線設(shè)計(jì)，提升城市交通效率。 軌道交通與道路交通共線設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜的問題， 相關(guān)工作人員需要深入了解共線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)， 并結(jié)合城市實(shí)際情況以及車輛行駛的特點(diǎn)， 制定切實(shí)可行的共線設(shè)計(jì)方案。

1 共線設(shè)計(jì)難點(diǎn)

與傳統(tǒng)的“平鋪式”道路設(shè)計(jì)方式相比，共線設(shè)計(jì)更為合理， 不僅能夠減少對(duì)于城市空間的占用，還可以減少對(duì)于土地的分割，保障土地的完整性，其施工難度以及施工成本也顯著降低，是一種十分科學(xué)、 經(jīng)濟(jì)的城市道路設(shè)計(jì)方案。 實(shí)際工作中，影響道路設(shè)計(jì)的因素眾多，在多種外部因素的綜合作用下， 軌道交通與道路交通共線設(shè)計(jì)面臨著諸多難題。

（1）軌道交通與城市道路交通屬于不同的交通系統(tǒng)，因此這兩種交通系統(tǒng)在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)造物建設(shè)、 產(chǎn)權(quán)歸屬以及運(yùn)維等方面均存在顯著差異，如果方案協(xié)調(diào)出現(xiàn)問題，會(huì)干擾彼此的正常運(yùn)行[1]。

（2）共線設(shè)計(jì)對(duì)于選址的要求很高，一旦出現(xiàn)共線走廊選址不合理問題，需要花費(fèi)大量的時(shí)間與資金進(jìn)行拆遷工作，導(dǎo)致施工成本飆升。

（3）軌道交通與城市道路交通共線工程施工跨度大，施工步驟眾多，如果施工時(shí)序協(xié)調(diào)不合理，很容易出現(xiàn)工期延誤問題。

（4）城市地形地貌變化以及地線關(guān)系分布十分復(fù)雜，共線路段可能包含大量的涵洞、管線、地下設(shè)施，導(dǎo)致施工難度大幅度提高，如果對(duì)施工難度預(yù)估不足，會(huì)導(dǎo)致工程量頻繁變更。

2 平面指標(biāo)與線型匹配

2.1 直線

（1）最大直線長度

如果直線道路設(shè)計(jì)得過長，會(huì)使駕駛員產(chǎn)生視覺疲勞，特別是在夜間行車過程中很容易受到對(duì)面車道車輛遠(yuǎn)光燈的影響，威脅行車安全。 因此在進(jìn)行共線設(shè)計(jì)時(shí)， 相關(guān)工作人員要依照J(rèn)TG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)最大直線長度進(jìn)行靈活調(diào)整[2]。 而在軌道交通系統(tǒng)中，由于車輛行駛過程中不會(huì)出現(xiàn)頻繁變換軌道、超車等操作，因此只需要考慮車輛行駛條件，對(duì)于直線最大值沒有限制（表1）。

表1 共線設(shè)計(jì)最大直線長度對(duì)比

（2）最小直線長度

道路設(shè)計(jì)中，將具有相同轉(zhuǎn)向的相鄰曲線叫做通向曲線，反之叫做反向曲線（圖1）。 相鄰曲線之間需要設(shè)計(jì)一段直線， 確保車輛能夠平穩(wěn)駛過彎道， 而反向曲線與同向曲線之間設(shè)計(jì)的直線的距離，被稱為最小直線長度。

圖1 夾直線示意

對(duì)于城市道路系統(tǒng)而言，影響同向曲線與反向曲線之間的夾直線長度的因素不同。前者主要考慮道路線型的連續(xù)性以及駕駛員是否會(huì)產(chǎn)生視覺錯(cuò)覺，如果夾直線過短，在視覺上容易造成“斷背曲線”問題，進(jìn)而導(dǎo)致司機(jī)誤操作。后者主要考慮道路加寬或者超高情況下， 是否會(huì)對(duì)駕駛員帶來不便，其夾直線長度設(shè)計(jì)應(yīng)大于設(shè)計(jì)速度的2 倍。

對(duì)于軌道交通系統(tǒng)而言， 由于其運(yùn)動(dòng)路徑固定，因此只需要考慮線路運(yùn)維成本、車身搖晃程度等因素，對(duì)于夾直線最小長度并沒有硬性要求。 需要注意的是，當(dāng)列車駛?cè)敕聪蚯€路段，列車駛?cè)牒笠欢吻€，車輪對(duì)于軌道的壓力會(huì)加強(qiáng)，使得車輛橫向加速度變大，為了提升列車舒適性，要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)延長夾直線長度，避免車輪在直緩點(diǎn)與緩直點(diǎn)出現(xiàn)振動(dòng)疊加現(xiàn)象。

2.2 圓曲線

在設(shè)計(jì)道路系統(tǒng)圓曲線過程中， 要根據(jù)車輛橫向穩(wěn)定性確定最小圓的半徑，確保車輛進(jìn)入圓曲線路段之后，不會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑甚至傾覆問題（圖2）。

圖2 曲線平面車輛受力示意

根據(jù)曲線平面車輛受力原理，計(jì)算車輛行駛過程中橫向力系數(shù)，見式（1）：

式中：R 表示圓曲線的半徑，μ 表示橫向力系數(shù)，V表示車輛行駛速度，in表示車輛超高值。 設(shè)計(jì)車輛時(shí)，為了確保車輛行駛的安全性，會(huì)將車輛的重心設(shè)計(jì)在較低的位置，在沒有超載的情況下，車輛不會(huì)在發(fā)生側(cè)滑的情況下傾覆。 因此，只要確保車輛的橫向力系數(shù)不高于車輛橫向摩阻系數(shù)，就能夠確保車輛的橫向穩(wěn)定性。

軌道交通系統(tǒng)在設(shè)計(jì)圓曲線時(shí)，決定最大半徑數(shù)值的主要因素是施工、維護(hù)成本，圓曲線半徑與曲率之間存在反比例關(guān)系， 當(dāng)圓曲線半徑增加時(shí)，建設(shè)以及維修線路的成本也就隨之提高，而正矢值決定著圓曲線軌道的建設(shè)、運(yùn)維成本[3]。

公式（2）中，變量f 為圓曲線的正矢值，l 為圓曲線弦長，R 為半徑。R 的數(shù)值越大，f 數(shù)值越小。因此設(shè)計(jì)人員需要對(duì)R 進(jìn)行嚴(yán)格控制， 確保其數(shù)值不會(huì)超過12 000 m（表2）。

表2 共線圓曲線最大半徑

3 縱斷面指標(biāo)與線型匹配

3.1 縱坡

軌道交通與道路交通共線設(shè)計(jì)中，其縱坡設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要綜合考慮車輛動(dòng)力、駕駛安全、設(shè)備維護(hù)成本等多種因素。 對(duì)于道路交通系統(tǒng)而言，其縱坡的最大坡設(shè)計(jì)，需要考慮車輛驅(qū)動(dòng)力以及道路通行能力。 其中車輛驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式見式（3）：

公式（3）中，變量P 代表車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率，V 代表車輛行駛速度，μT則表示傳統(tǒng)系統(tǒng)的機(jī)械效率。 需要注意的是，如果公路位于高海拔地區(qū)，需要考慮當(dāng)?shù)氐臏囟?、空氣密度等因素?duì)機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)的影響，當(dāng)機(jī)動(dòng)車驅(qū)動(dòng)力降低，其爬坡能力也相應(yīng)減弱，需要對(duì)坡度進(jìn)行靈活調(diào)整。

3.2 最小縱坡理論及匹配度分析

道路交通系統(tǒng)中， 設(shè)計(jì)人員在計(jì)算最小坡度時(shí)，需要考慮排水問題。 如果共線道路橫向排水不暢，則需要嚴(yán)格規(guī)定共線道路的坡度最小值。 特別是共線道路中的低填方、長路塹等區(qū)域，很容易出現(xiàn)排水不暢問題。 為了避免路面出現(xiàn)積水，保持路面的平整性，需要對(duì)縱坡角度進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保該數(shù)值處于0.3%～0.5%。

軌道交通系統(tǒng)中， 如果共線區(qū)域處于高架橋段，則在設(shè)計(jì)路線時(shí)可以不考慮最小縱坡因素，采用平坡設(shè)計(jì)。 如果共線區(qū)域處于隧道區(qū)域，則要根據(jù)該區(qū)域地下水系發(fā)育情況，對(duì)縱坡的坡度進(jìn)行嚴(yán)格控制，確?？v坡大于0.3%，而針對(duì)路塹部位，縱坡的坡度要大于0.2%， 確?？v坡排水能力滿足安全需求[4]。

軌道交通系統(tǒng)與道路交通系統(tǒng)共線設(shè)計(jì)，如果二者均處于橋梁部分， 或者共線走廊位于干旱區(qū)域，則不必考慮最小縱坡限制。 如果共線區(qū)域?yàn)槁穳q或者低填方路段， 或者該區(qū)域地下水系較為發(fā)達(dá)，則需要確?？v坡的坡度高于0.3%，如果因?yàn)榈匦我蛩責(zé)o法滿足最小坡度要求，則要在該路段設(shè)計(jì)額外排水裝置，確保共線路段排水能力滿足需求。

4 共線平縱組合設(shè)計(jì)

4.1 道路交通系統(tǒng)

大多數(shù)共線設(shè)計(jì)中的公路設(shè)計(jì)速度大于60 km/h，為了確保車輛行駛安全，需要對(duì)平面、縱斷面組合問題給予高度重視。設(shè)計(jì)道路時(shí)需要考慮平縱結(jié)合對(duì)于駕駛員視野的干預(yù)與引導(dǎo)，確保駕駛員具有連續(xù)的視野， 在此基礎(chǔ)上要保證共線路段具有良好的排水能力，并要注意道路兩側(cè)景觀的組合，防止駕駛員出現(xiàn)視覺疲勞現(xiàn)象。 以“平包豎”為設(shè)計(jì)原則，對(duì)平曲線與豎曲線進(jìn)行合理布置，確保共線路段平穩(wěn)、順暢。

4.2 軌道交通系統(tǒng)

對(duì)于共線走廊中的軌道交通系統(tǒng)而言，其豎曲線軌道頂面的高程并不固定，同時(shí)緩和曲面外的高程高于順坡率，因此當(dāng)二者疊加時(shí)，提高了軌道高程精度控制難度。 針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)人員需要堅(jiān)持“緩和曲線與豎曲線不重合”的設(shè)計(jì)原則，將兩種不同的曲線錯(cuò)開布置。 實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)共線區(qū)域的具體情況，采用“豎曲線+直線”“圓曲線+直線”“緩和曲線+直線+豎曲線”等組合，豐富平縱組合方式，在確保列車安全的基礎(chǔ)上降低線路維護(hù)成本。

5 結(jié)語

軌道交通系統(tǒng)與道路交通系統(tǒng)共線設(shè)計(jì)，是優(yōu)化城市交通體系， 提升城市空間利用率的有效措施。 隨著城市規(guī)模的逐步擴(kuò)大，共線設(shè)計(jì)所面臨的外部情況變得更加復(fù)雜，為了確保軌道交通與道路交通共線走廊能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用，相關(guān)工作人員需要對(duì)共線設(shè)計(jì)中的縱斷面指標(biāo)與線型匹配，以及平面指標(biāo)與線型匹配等問題進(jìn)行深入研究，提升共線設(shè)計(jì)水平。