高速公路線形設計研究

崔龍飛

（南陽通途公路勘察設計有限公司，河南南陽473000）

1 引言

隨著國內(nèi)高速公路的不斷發(fā)展， 其安全問題越來越突出。 導致高速公路出現(xiàn)事故的因素之一是線形設計不合理。高速公路的線形是高速公路設計時的骨架，對其整體走向和形態(tài)都有重要影響[1]。 線形設計是否科學合理對高速公路的建設質量有重要影響， 其不僅對高速公路服務質量有影響，也對行車安全有重要影響。 因此，針對高速公路線形開展進一步的研究，對降低高速公路事故率，提高高速公路安全性有重要意義。

2 高速公路線形設計基本理論

2.1 基本概念

線形設計是高速公路設計的核心內(nèi)容之一，涉及平曲線、豎曲線、橫斷面等多個方面，具體包括直線段、曲線段、彎道、坡道等要素，以及它們之間的組合和過渡方式。 線形設計的基本目標是保證車輛行駛安全、舒適度和通行效率[2]。

2.2 基本原則

線形設計應遵循一系列基本原則， 以確保設計的合理性和有效性，主要有以下幾方面內(nèi)容。

1）安全性原則：安全是高速公路線形設計的首要目標。 進行設計時，應充分考慮駕駛者的視覺和心理特點，通過合理設置平曲線、豎曲線和橫斷面，提供清晰的方向指引，避免急轉彎、陡坡等危險路段的出現(xiàn)。 同時，應注重與交通工程、交通安全設施的配合，以提高道路的安全性能。

2）舒適性原則：高速公路線形設計應充分考慮駕駛的舒適性。 在設計中，應注重線形的連續(xù)性和協(xié)調性，減少不必要的起伏和振動，降低車輛的能耗和磨損，提高行駛的舒適度。同時，應注重景觀設計和環(huán)保要求，減少道路對環(huán)境的破壞和污染。

3）連續(xù)性原則：線形的連續(xù)性是保證車輛順暢行駛的重要因素。 在高速公路線形設計中，應保持線形的連續(xù)性和一致性，避免線形突變和斷點的出現(xiàn)。 同時，應注重與周圍環(huán)境的協(xié)調，使道路與地形、地物相融合，提高行駛的流暢性和連續(xù)性。

4）經(jīng)濟性原則：經(jīng)濟性是高速公路線形設計的重要考慮因素之一。 在滿足安全、舒適和通行效率的前提下，應合理利用資源和資金，降低道路建設和維護的成本。 同時，應注重設計的合理性和科學性，避免不必要的浪費和重復建設。

2.3 影響因素

線形設計受到多種因素的影響，包括地形、地質、環(huán)境、氣象等自然因素，以及交通量、車輛類型、道路等級等社會經(jīng)濟因素。 在實際設計中，應充分考慮這些因素，進行科學、合理的設計，以滿足使用要求和安全性能。 同時，線形設計還需考慮施工難度、工程造價等因素，力求實現(xiàn)經(jīng)濟、合理的設計。

1）地形條件。 地形是線形設計的基礎，不同的地形需求不同的線形設計。 平原地區(qū)由于地勢平坦，視野開闊，適宜進行大半徑的曲線設計，并且直線段較長，設計時可以考慮設置較高的時速限制，提高道路通行效率；山區(qū)或丘陵地帶由于地形起伏較大，存在較多的障礙物，需要繞行或采取特殊的線形設計，設計時需充分考慮爬坡車道、隧道、橋梁等結構物的設置，以及陡峭縱坡的控制。

2）交通條件。包括交通量、車輛類型和道路等級等。其中，交通量的大小直接決定了道路的通行能力和線形設計等級，在線形設計時，需滿足不同交通量的行車需求，如設置合適的車道數(shù)、 交叉口設計等； 不同類型和大小的車輛對道路的寬度、坡度、轉彎半徑等要求不同，在線形設計時，需要考慮大型車和小型車混合行駛的情況，提供適應各類車輛的線形設計；不同等級的道路具有不同的設計標準和要求， 高速公路通常要求全封閉、全立交，具有較高的標準和安全性能要求。

3 平面線形設計

高速公路平面線形設計是高速公路設計中的重要環(huán)節(jié)，它直接影響著道路的安全性、舒適性和通行效率。 需全面考慮地形、地質條件，確保線形與地形相適應，減少大填大挖，保證道路的穩(wěn)定性，同時，需合理運用平曲線、豎曲線等線形要素，確保車輛行駛軌跡的連續(xù)性和協(xié)調性，避免急彎、陡坡等不利情況[3]。 JTG D20—2017《公路路線設計規(guī)范》已對高速公路平面設計做出相關技術要求，但在具體設計時，還需注意以下內(nèi)容。

1）平曲線和直線的組合應合理，確保地形條件和線位盡可能相協(xié)調。 對于部分特殊地區(qū)，為避免占用農(nóng)田，減小里程，可根據(jù)實際情況采取一定距離的長直線線型；但一般情況下，應控制直線長度小于20 倍設計速度。 平曲線設計時，可通過合理搭配組合平曲線和直線的方式避開重要區(qū)域， 以貫徹環(huán)保節(jié)約理念。

2）若現(xiàn)場條件允許，平曲線的圓曲線半徑應盡可能采用較大值；若現(xiàn)場地形條件受限，應設置2%～4%的路面超高；若遇到條件惡劣地區(qū)，應謹慎采用圓曲線最小半徑一般值，并協(xié)調好前后線形的關系，確保平縱面線形組合合理可靠[4]。

3）應盡可能以緩和曲線形式設計回旋線，且在確定緩和曲線長度時綜合考慮超高漸變的影響， 假定A 與B 分別表示緩和曲線的長和與之相連接的圓曲線半徑， 則A 與B 的關系應該滿足B/3＜A＜B，確保各項指標具備一定的協(xié)調性。 若在設計時需采用S 形曲線， 則與圓曲線相連的兩段緩和曲線長度應盡可能保持一致， 若受限于現(xiàn)場條件難以確保兩者相等時，需滿足規(guī)范建議的比例要求。

4）對于位于隧道洞內(nèi)外3 s 行程長度范圍內(nèi)的路線，在平面線形設計時所采用的圓曲線或直線應盡可能保持一致；若受限于現(xiàn)場條件而難以保持一致， 則所用豎曲線和平曲線半徑應盡可能大， 并以較緩坡度進行過渡， 以確保視距滿足要求，并輔以相應安全措施。

此外，對高速公路行車安全而言，平曲線偏角也是重要影響因素之一。從相關研究可知，平曲線偏角宜設計為15°～25°。在20°的平曲線偏角下，前方路線可清晰地在駕駛員視距范圍內(nèi)，此時行車安全系數(shù)較高。 若在較大的平曲線角下，駕駛員的視野受限，部分視野脫離清晰視野范圍，此時駕駛員視野受限，事故率較高，設計時需設置線形誘導設施。 平曲線偏角應結合現(xiàn)場條件考慮，不可過大或過小。 一般宜采用20°以下的偏角，并且偏較小時應驗算平曲線長度。

4 縱斷面設計

設計高速公路縱斷面時， 需先考慮地形與地質條件，再考慮土石方和路基填挖方量等， 并兼顧橋隧等其他設施的工程量，使縱斷面設計連續(xù)且均勻。 在具體設計時，應注意以下內(nèi)容。

1）一般情況下，縱斷面坡度應小于或等于4%，且需綜合考慮地形條件合理設計坡長及坡率，盡可能減小工程規(guī)模。

2）對于連續(xù)上下坡段，應盡可能避免使用最大坡度值，若所設計縱坡坡長達到限制長度， 應相應設置2.5%以內(nèi)的坡度，且長度大于規(guī)范推薦最小坡長。 對于連續(xù)下坡段，還需避免出現(xiàn)坡底連接小半徑平曲線的線形組合[5]。

3）進行高速公路橋梁設計時，應盡可能采用較緩的坡度。其中，小橋涵有較好的縱坡適應性，中橋等則應控制縱坡小于4%，若現(xiàn)場條件允許，建議將縱坡坡度限值確定為3.5%；應盡可能避免在凹曲線上設置橋梁。

4）對于隧道而言，其出入端口3 s 行程內(nèi)的縱面線形應盡可能保持一致，若在隧道洞口處設有豎曲線，則所設計的豎曲線半徑應盡可能使用較大值，以起到增加視距長度的效果。 隧道內(nèi)縱坡適宜采用單向坡，當隧道長度較長時，應設計為人字坡以便于排水和通風。

其中， 連續(xù)長大縱坡的設計對高速公路行車安全影響較大。 對于長大縱坡上坡段，一般僅需將爬坡車道設置在容許低速超出運行速度的路段， 以避免重型車低速行駛影響道路服務質量即可。 但對于長大縱坡下坡段，因行駛車輛制動較為頻繁，容易出現(xiàn)制動器高溫失靈影響行車安全的情況。 因此，在設計時需尤為注意以下幾點：

1）線形設計時嚴格把關坡長及縱坡度，將長大縱坡段運營安全作為重要因素考慮；

2）避免最大縱坡值連續(xù)且集中出現(xiàn)，避免車輛在短期內(nèi)多次使用車輛制動器；應盡量控制路段平均縱坡接近縱坡值，以利于車輛通過檔位對速度進行控制；

3）若路線設計時出現(xiàn)長直線，或從大平面曲線劇烈過渡到小平面曲線的路段，若駕駛員前期未對行駛速度加以控制，將導致線形指標減小時駕駛員需通過緊急制動控制車速。 因此，為避免出現(xiàn)此現(xiàn)象，在線形設計時應確保各項指標盡可能均衡。

5 平縱面線形組合

合理的平縱面組合能夠確保線形流暢、視線連續(xù)，為駕駛者提供清晰的行車指引， 同時減少不必要的工程量和建設成本。 因此，重視并優(yōu)化平縱面組合設計對于提升高速公路的整體質量和效益至關重要。

平、豎曲線的布置需保持相對應，且豎曲線應比平曲線短（即“平包豎”），圓曲線應比豎曲線短（產(chǎn)生“豎包圓”的效果）[6]。若圓曲線及豎曲線半徑分別在2 000 m 和15 000 m 以下，則應嚴格控制好平縱組合， 若平曲線及豎曲線半徑分別在6 000 m 和25 000 m 以上，考慮到有較好的視覺效果，可相應放松平、豎曲線的對應關系。 此外，在具體設計時，還需重視以下兩點內(nèi)容：一是技術指標均衡：平縱面線形組合應保持技術指標大小均衡，避免出現(xiàn)線形扭曲、突變或隔斷等不良現(xiàn)象。同時，應合理選擇合成坡度，以滿足路面排水和行車安全的需求；二是線形流暢性。 在平縱面線形組合設計中，應避免出現(xiàn)急轉彎、斷背曲線等不良組合，保持線形的連續(xù)性和流暢性。同時，應避免長直線與陡坡或半徑小且長度短的豎曲線組合，以及短平曲線與短豎曲線組合等不良情況。

6 結語

高速公路線形設計是高速公路建設中的重要環(huán)節(jié)， 它直接關系到道路的安全性、舒適性和經(jīng)濟性。 通過科學合理的線形設計，可以充分利用地形、降低工程造價、提高道路通行效率，同時為駕駛員提供安全、舒適、美觀的行車環(huán)境。 在高速公路線形設計中， 需要綜合考慮多種因素， 包括道路的使用功能、地形地質條件。 本文從高速公路平曲線、豎曲線和平縱線形組合設計出發(fā)，詳細探討了高速公路線形設計要點，有利于實現(xiàn)線形的連續(xù)性、流暢性和協(xié)調性。