軌道交通與城市道路共線設計要點探究

李振華

（長沙市公共工程建設中心，湖南 長沙 410008）

0 引言

伴隨著城市規(guī)模的快速擴張， 城市交通壓力逐漸擴大， 很多城市在規(guī)劃時為了緩解巨大的交通壓力， 嘗試對城市內軌道交通與道路交通進行共線設計，提升城市交通效率。 軌道交通與道路交通共線設計是一個非常復雜的問題， 相關工作人員需要深入了解共線設計的難點， 并結合城市實際情況以及車輛行駛的特點， 制定切實可行的共線設計方案。

1 共線設計難點

與傳統(tǒng)的“平鋪式”道路設計方式相比，共線設計更為合理， 不僅能夠減少對于城市空間的占用，還可以減少對于土地的分割，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、 經濟的城市道路設計方案。 實際工作中，影響道路設計的因素眾多，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計面臨著諸多難題。

（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)在設計標準、構造物建設、 產權歸屬以及運維等方面均存在顯著差異，如果方案協(xié)調出現(xiàn)問題，會干擾彼此的正常運行[1]。

（2）共線設計對于選址的要求很高，一旦出現(xiàn)共線走廊選址不合理問題，需要花費大量的時間與資金進行拆遷工作，導致施工成本飆升。

（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，如果施工時序協(xié)調不合理，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系分布十分復雜，共線路段可能包含大量的涵洞、管線、地下設施，導致施工難度大幅度提高，如果對施工難度預估不足，會導致工程量頻繁變更。

2 平面指標與線型匹配

2.1 直線

（1）最大直線長度

如果直線道路設計得過長，會使駕駛員產生視覺疲勞，特別是在夜間行車過程中很容易受到對面車道車輛遠光燈的影響，威脅行車安全。 因此在進行共線設計時， 相關工作人員要依照JTG D20—2017《公路路線設計規(guī)范》，根據(jù)實際情況對最大直線長度進行靈活調整[2]。 而在軌道交通系統(tǒng)中，由于車輛行駛過程中不會出現(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，對于直線最大值沒有限制（表1）。

表1 共線設計最大直線長度對比

（2）最小直線長度

道路設計中，將具有相同轉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計一段直線， 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計的直線的距離，被稱為最小直線長度。

圖1 夾直線示意

對于城市道路系統(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產生視覺錯覺，如果夾直線過短，在視覺上容易造成“斷背曲線”問題，進而導致司機誤操作。后者主要考慮道路加寬或者超高情況下， 是否會對駕駛員帶來不便，其夾直線長度設計應大于設計速度的2 倍。

對于軌道交通系統(tǒng)而言， 由于其運動路徑固定，因此只需要考慮線路運維成本、車身搖晃程度等因素，對于夾直線最小長度并沒有硬性要求。 需要注意的是，當列車駛入反向曲線路段，列車駛入后一段曲線，車輪對于軌道的壓力會加強，使得車輛橫向加速度變大，為了提升列車舒適性，要根據(jù)實際情況適當延長夾直線長度，避免車輪在直緩點與緩直點出現(xiàn)振動疊加現(xiàn)象。

2.2 圓曲線

在設計道路系統(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，確保車輛進入圓曲線路段之后，不會出現(xiàn)側滑甚至傾覆問題（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。 設計車輛時，為了確保車輛行駛的安全性，會將車輛的重心設計在較低的位置，在沒有超載的情況下，車輛不會在發(fā)生側滑的情況下傾覆。 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)在設計圓曲線時，決定最大半徑數(shù)值的主要因素是施工、維護成本，圓曲線半徑與曲率之間存在反比例關系， 當圓曲線半徑增加時，建設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、運維成本[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。因此設計人員需要對R 進行嚴格控制， 確保其數(shù)值不會超過12 000 m（表2）。

表2 共線圓曲線最大半徑

3 縱斷面指標與線型匹配

3.1 縱坡

軌道交通與道路交通共線設計中，其縱坡設計較為復雜，需要綜合考慮車輛動力、駕駛安全、設備維護成本等多種因素。 對于道路交通系統(tǒng)而言，其縱坡的最大坡設計，需要考慮車輛驅動力以及道路通行能力。 其中車輛驅動力的計算公式見式（3）：

公式（3）中，變量P 代表車輛發(fā)動機的實際功率，V 代表車輛行駛速度，μT則表示傳統(tǒng)系統(tǒng)的機械效率。 需要注意的是，如果公路位于高海拔地區(qū)，需要考慮當?shù)氐臏囟取⒖諝饷芏鹊纫蛩貙C動車運行狀態(tài)的影響，當機動車驅動力降低，其爬坡能力也相應減弱，需要對坡度進行靈活調整。

3.2 最小縱坡理論及匹配度分析

道路交通系統(tǒng)中， 設計人員在計算最小坡度時，需要考慮排水問題。 如果共線道路橫向排水不暢，則需要嚴格規(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，需要對縱坡角度進行嚴格控制，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，則在設計路線時可以不考慮最小縱坡因素，采用平坡設計。 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，對縱坡的坡度進行嚴格控制，確?？v坡大于0.3%，而針對路塹部位，縱坡的坡度要大于0.2%， 確保縱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)共線設計，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)域為路塹或者低填方路段， 或者該區(qū)域地下水系較為發(fā)達，則需要確保縱坡的坡度高于0.3%，如果因為地形因素無法滿足最小坡度要求，則要在該路段設計額外排水裝置，確保共線路段排水能力滿足需求。

4 共線平縱組合設計

4.1 道路交通系統(tǒng)

大多數(shù)共線設計中的公路設計速度大于60 km/h，為了確保車輛行駛安全，需要對平面、縱斷面組合問題給予高度重視。設計道路時需要考慮平縱結合對于駕駛員視野的干預與引導，確保駕駛員具有連續(xù)的視野， 在此基礎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”為設計原則，對平曲線與豎曲線進行合理布置，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，同時緩和曲面外的高程高于順坡率，因此當二者疊加時，提高了軌道高程精度控制難度。 針對這一問題，設計人員需要堅持“緩和曲線與豎曲線不重合”的設計原則，將兩種不同的曲線錯開布置。 實際設計過程中，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上降低線路維護成本。

5 結語

軌道交通系統(tǒng)與道路交通系統(tǒng)共線設計，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)模的逐步擴大，共線設計所面臨的外部情況變得更加復雜，為了確保軌道交通與道路交通共線走廊能夠發(fā)揮出應有的作用，相關工作人員需要對共線設計中的縱斷面指標與線型匹配，以及平面指標與線型匹配等問題進行深入研究，提升共線設計水平。