高速公路路線線形設計探討

王添榮

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山西省東有太行山脈，西有呂梁山脈，內有汾河、沁河、桑干河、漳河、滹沱河等眾多河流，號稱表里山河。山西省修建高速公路通常需要克服較大高差，穿越山嶺區，才能連接如串珠般分布在河谷平原和盆地中的城鎮。優秀的公路設計是公路工程的靈魂，是實現公路預定功能、改善區域路網的前提條件。路線設計是公路設計的核心內容，由于區域自然條件、人文因素的復雜多變，路線設計并沒有一成不變的固定模式或方法可遵循，只有堅持基本設計原則、靈活運用各項技術指標才能設計出安全、環保、經濟、舒適的路線方案。路線線形設計就是要在選定的走廊帶與主要控制點的基礎上，進行布局和總體設計，合理運用技術指標[1]；在控制工程規模的前提下，優化線形組合，做到線形連續、順捷、指標均衡，適應地形地質條件，與區域自然景觀協調。

1 高速公路平面線形設計

《公路路線設計規范》對高速公路平面設計，提出了直線長度、圓曲線半徑、平曲線長度、回旋線設置條件及長度、超高過渡、視距檢查等技術要求。具體設計過程中，對高速公路平面線形設計還應注意以下內容：

a）合理運用直線和平曲線，線位盡量協調地形條件。在荒漠地帶、規整農田、城市規劃邊界，為縮短里程或避讓農田城鎮時，可以采用實際需要的長直線；但在其他普通地區，直線長度通常不超過20v（v為設計速度，單位：km/h）。路線設計宜以曲線線形設計為主，合理運用直線和平曲線穿越或避讓重要地物，才能落實安全、環保、節約的設計理念。

b）限制因素較小時，圓曲線半徑應盡量取較大值；線形受地形地物限制時，也應盡量使用超高為2%～4%的圓曲線半徑；地形特別困難的地區，可以謹慎地使用規范中圓曲線最小半徑的一般值，并注意前后線形之間的協調和過渡，仔細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，緩和曲線長度至少要滿足超高漸變的需要，緩和曲線參數A與相連圓曲線半徑R要滿足R/3

d）隧道洞口內外，不小于3 s行程的路線長度范圍內，平面線形要保持一致（直線或圓曲線）；條件受限不能滿足時，應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）設置服務區、停車區、互通立交的路段，曲線半徑應大于規范要求的主線圓曲線半徑要求。

2 平曲線視距分析

視距是公路線形設計的主要控制指標，根據公路的交通運行方式和公路橫斷面組成的不同，視距可分為停車視距、超車視距和會車視距等。高速公路為對向分離式斷面，且單方向至少兩車道，所以按停車視距控制線形指標?！豆仿肪€設計規范》對不同設計速度下，以視線較差的小型汽車目高1.2 m，前方路面物高0.1 m為計算模型，給出了表1的停車視距。

表1 高速公路停車視距

式中：h為橫凈距，m；Rs為視點軌跡線半徑，m；S為視距，m ；。

高速公路車道右側設置硬路肩和土路肩，路基外側通常不對停車視距造成影響，設計時要注意檢查路基、橋梁段中央分隔帶停車視距。即以中央分隔帶護欄或防撞墻為障礙物，根據公路設計速度下的停車視距、車道及路緣帶寬度、中央分隔帶波形護欄或防撞護欄位置及構造尺寸，計算出設計線形下內側車道的橫凈距h，以此橫凈距按式（2）（符號意義同前）[3]計算滿足中分帶視距要求的平曲線最小半徑R，計算結果如表2所示。

表2 中央分隔帶視距要求圓曲線半徑

當護欄視距不足時，只能改造中央分隔帶構造，或者向外偏移車道以增加橫凈距，但這兩種方法對車輛行駛軌跡的連續性有影響，存在安全風險。所以平面設計時圓曲線半徑應盡量大于表2中數值。

可能造成公路停車視距不足的因素有：平曲線暗彎（曲線內側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題，規范中規定豎曲線最小半徑時已經做了考慮，采用大于規范規定的最小豎曲線半徑就可以滿足豎曲線上的停車視距要求。所以，線形設計時的視距檢查，主要針對平面線形。

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

圖1 彎道內側通視區示意圖

3 高速公路縱斷面設計

《公路路線設計規范》對高速公路縱斷面設計，提出了高程、坡度、坡長、合成坡度、豎曲線的指標要求，對橋梁隧道位置的縱坡、混合交通的縱坡、長大下坡和連續上坡路段做出了特別要求。具體縱斷面設計時，一般先考慮地形起伏、地質和水文等情況，其次考慮路基填挖高度和土石方平衡，最后統籌兼顧橋梁、隧道和互通服務區設置的要求，結合平面線形設計路線縱斷面，做到縱斷面均勻連續，與周圍環境協調。設計時應注意以下幾點：

a）路線縱斷面設計要滿足設計水位要求。路線與其他管線交叉位置，是縱斷面設計的高程控制點，當與軌道交通、其他公路、電力線、油氣輸送管線交叉時要預留凈空高度、安全距離。

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

c）當遇到連續上坡、下坡路段時，不宜輕易采用最大坡度值，當縱坡坡長達到限制要求長度時，應設置坡度小于等于2.5%的緩坡段，緩坡段長度要大于規范最小坡長。連續下坡路段，還要避免坡底接小半徑平曲線的危險組合。

d）橋梁應采用較緩縱坡，小橋涵對縱坡適應性較好，中橋及以上的橋梁縱坡應控制在4%以內，有條件時最好以3.5%為縱坡坡度限值；橋梁宜避免位于凹曲線上，連續剛構橋宜在跨中設置凸形豎曲線。特殊結構的橋梁往往是路線控制因素，此時縱斷面設計應充分滿足特殊結構受力、安全、排水、景觀等需要。

e）隧道端口前后3 s行程內應保持相同的縱面線形，洞口如果設置豎曲線，宜盡量放大豎曲線半徑，增長視距長度。隧道內縱坡以單向坡為宜，對長隧道、特長隧道宜設置人字坡，利于洞內排水和隧道通風。

f）服務區、停車區、互通立交等設施路段，縱坡應大于規范要求的主線段縱坡、豎曲線半徑的要求。對預留的遠期項目交叉位置，應提高指標，豎曲線宜采用滿足視覺要求的較大豎曲線半徑，便于后期項目的接入。

4 平縱面線形組合設計

路線是一個立體線形，平縱面設計要注意二者組合關系。高速公路設計速度高，線形設計考慮的因素要更周全。路線平縱組合得當，線形就視覺良好、與地形協調。平曲線與豎曲線宜一一對應，且平曲線應長于豎曲線，即“平包豎”，豎曲線宜大于圓曲線，即“豎包圓”。當圓曲線半徑小于2 000 m，豎曲線半徑小于15 000 m時，應嚴格按照平縱組合設計；當平曲線半徑大于6 000 m、豎曲線半徑大于25 000 m時，由于視覺效果較好，可以放松對平曲線、豎曲線對應關系的要求。

公路作為一個三維工程體，應當審核設計公路的立體視覺效果，在駕駛員視距可見范圍內，不宜見到多次的平面反向和縱坡起伏；當前后坡差較大時，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平順舒適、效果悅目。

最后，路線平縱設計，要兼顧設置互通立交、橋梁、隧道等各專業的基本要求，有條件時盡量配合相關專業滿足其特殊要求。

高速公路路線設計要以《公路路線設計規范》為依據，滿足規范要求的技術指標。規范中指標用詞為“必須”“嚴禁”的，要嚴格遵守；用詞為“應”“不得”的，一般情況也不得突破；對用詞為“宜”“可”的，可以適當放松要求，次要的路線技術指標運用可參考表3。

表3 次要路線技術指標運用要點

5 連續長大縱坡設計

山西省已運營的高速公路中存在26段長大縱坡路段，全省長大縱坡路段里程累計長達620.6 km。山西省高速公路設置避險車道數量已超過50處?！豆仿肪€設計規范》按照坡度坡長組合，給出了長大下坡的界定條件，見表4。

表4 長大下坡路段坡度、坡長限定表

在長大縱坡的上坡方向，通常只需要在運行速度低于容許低速的路段設置爬坡車道，以降低重型車低速行駛對道路服務水平的影響。而在長大縱坡下坡方向，由于車輛頻繁使用制動器，會導致制動器高溫失靈造成交通事故，安全隱患很大。車輛制動器的使用頻率與車重、坡度坡長、行駛速度、司機駕駛習慣都有緊密的關系，在路線設計時，要充分考慮以上因素，并特別注意以下幾點：

a）嚴格控制路段的縱坡度和坡長，在線形設計時，將長大縱坡段運營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，防止車輛制動器短時間內使用頻率增大；縱坡值應盡量接近路段平均縱坡，使得車輛可以通過擋位控制速度。

c）線形中直線過長，或平面半徑由大到小變化劇烈時，前期不控制車速的車輛，在線形指標降低的位置，通常需要緊急制動。為避免這種情況，線形設計時要注意指標均衡。

d）長大縱坡路段要特別注意運行速度檢驗，對項目的安全性進行事先評估，采取主動預防。預防措施除了優化線形設計外，還要增加路段地形預報，加強線形誘導，采用加強護欄和設置避險車道等被動防護措施。此外，通過計算運行速度，對上坡、下坡方向設置不同的圓曲線超高值，也是很有實際用途的安全設計方案。

6 設計線形運行速度安全性評價

我國現行規范對線形設計采用的是設計速度理論。實際車輛在行駛中，會隨著線形指標的高低而波動，車輛運行速度并不是一個定值。運行速度理論在我國經過十多年的研究及應用，現已被規范引入，主要對二級及以上等級的公路進行交通安全評價和設計檢驗。運行速度協調性是評價線形一致性的指標，采用相鄰路段運行速度差值，以及同一路段運行速度與設計速度的差值進行評價[4]。

對運行速度與設計速度差值大于20 km/h的路段，要調整線形方案，綜合考慮工程量增加、實施難度等因素，提出調整平縱橫指標、優化線形組合的方案，使運行速度與設計速度相一致。對相鄰路段運行速度差值大于20 km/h的區段，應明確造成突變的關鍵指標，有針對性地修改平面、縱面參數，使相鄰路段達到運行速度協調，其運行速度差值以不大于10 km/h為宜。

隨著速度應用模型和方法的優化，運行速度仿真模擬對設計的安全檢驗也會逐步成熟，對確保行車安全起到更關鍵作用。

7 結語

路線方案是公路工程的關鍵，對控制工程造價、確保投資效益、減少工程隱患具有十分重要的作用。路線設計人員必須貫徹各級交通運輸主管部門設計理念，綜合考慮多方因素，合理應用技術指標，才能在不斷的比選優化中得出安全環保、經濟實用的路線設計方案。本文中的路線技術指標計算成果和線形設計經驗總結，可供公路路線設計人員參考。