南部非洲與中國(guó)在路線(xiàn)幾何設(shè)計(jì)規(guī)范上的對(duì)比研究

張 鵬，施孟成

(中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100010)

1 研究背景

依托馬普托大橋南連接線(xiàn)項(xiàng)目對(duì)南部非洲規(guī)范[1]與中國(guó)規(guī)范[2]路線(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比研究。該項(xiàng)目位于莫桑比克首都馬普托以南地區(qū)，路線(xiàn)全長(zhǎng)約173 m，是莫桑比克N1國(guó)道的重要組成部分。項(xiàng)目采用南部非洲規(guī)范干線(xiàn)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，雙車(chē)道路基寬度11.5 ，設(shè)計(jì)速度100 m/h。主要對(duì)比研究路線(xiàn)平縱技術(shù)指標(biāo)，包括直線(xiàn)、圓曲線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)、超高、坡度和坡長(zhǎng)等[3]。

2 平面指標(biāo)

2.1 直線(xiàn)

兩種規(guī)范都認(rèn)為單調(diào)的長(zhǎng)直線(xiàn)會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題，均不建議采用長(zhǎng)直線(xiàn)。當(dāng)設(shè)計(jì)速度較高時(shí)(≥120 m/h)，南部非洲規(guī)范建議直線(xiàn)最大長(zhǎng)度為12 m，但需在中分帶設(shè)置防眩設(shè)施；設(shè)計(jì)速度較低時(shí)，為保證駕駛者以設(shè)計(jì)速度運(yùn)行，直線(xiàn)的最大長(zhǎng)度需控制在20×V(V為設(shè)計(jì)速度，km/h)。中國(guó)規(guī)范針未明確直線(xiàn)的最大長(zhǎng)度取值，僅規(guī)定長(zhǎng)直線(xiàn)的使用應(yīng)結(jié)合具體情況采用相應(yīng)的技術(shù)措施。

南部非洲規(guī)范規(guī)定的直線(xiàn)最小長(zhǎng)度主要由兩相鄰圓曲線(xiàn)間超高漸變長(zhǎng)度決定，具體取值需計(jì)算確定，但兩曲線(xiàn)間直線(xiàn)的最小長(zhǎng)度一般≥200 m；中國(guó)規(guī)范規(guī)定同向曲線(xiàn)間直線(xiàn)的最小長(zhǎng)度(m)為設(shè)計(jì)速度(km/h)的6倍，而反向曲線(xiàn)間直線(xiàn)的最小長(zhǎng)度(m)為設(shè)計(jì)速度(km/h)的2倍。

2.2 平曲線(xiàn)

(1)圓曲線(xiàn)最小半徑

兩種規(guī)范規(guī)定的圓曲線(xiàn)最小半徑的設(shè)計(jì)原理相同，均通過(guò)超高和橫向側(cè)摩阻力系數(shù)計(jì)算確定，南部非洲規(guī)范圓曲線(xiàn)極限最小半徑的設(shè)計(jì)值稍小于中國(guó)規(guī)范的極限最小值。南部非洲規(guī)范最大超高取值范圍為6%～10%，中國(guó)規(guī)范為4%～10%，不同超高計(jì)算確定的圓曲線(xiàn)最小半徑見(jiàn)表1。中國(guó)規(guī)范規(guī)定了圓曲線(xiàn)最小半徑的一般值，該值為正常設(shè)計(jì)采用值，并規(guī)定了圓曲線(xiàn)半徑最大值一般不超過(guò)10 000 m，而南部非洲規(guī)范均無(wú)相關(guān)值。

表1 南部非洲規(guī)范與中國(guó)規(guī)定圓曲線(xiàn)最小半徑

(2)平曲線(xiàn)長(zhǎng)度

兩種規(guī)范均規(guī)定了平曲線(xiàn)的最小長(zhǎng)度和最大長(zhǎng)度。南部非洲規(guī)范規(guī)定的平曲線(xiàn)最小長(zhǎng)度僅針對(duì)曲線(xiàn)偏角較小的情況，規(guī)定的平曲線(xiàn)最小長(zhǎng)度一般值為300 m。若條件限制，最小長(zhǎng)度可減小到150 m，當(dāng)圓曲線(xiàn)偏角<5°時(shí)，偏角每減小1°，曲線(xiàn)長(zhǎng)度需增加30 m。中國(guó)規(guī)范規(guī)定的平曲線(xiàn)的最小長(zhǎng)度較南部非洲規(guī)范詳細(xì)，中國(guó)規(guī)范規(guī)定了一般情況及轉(zhuǎn)角<7°時(shí)的不同設(shè)計(jì)速度的平曲線(xiàn)最小長(zhǎng)度的一般值和極限值，如表2。

表2 中國(guó)規(guī)范規(guī)定的平曲線(xiàn)最小長(zhǎng)度

南部非洲規(guī)范規(guī)定的平曲線(xiàn)最大長(zhǎng)度不要超過(guò)1 000 m，建議不要超過(guò)800 m。南部非洲規(guī)定的平曲線(xiàn)最大長(zhǎng)度較中國(guó)規(guī)范規(guī)定的平曲線(xiàn)長(zhǎng)度為短，中國(guó)規(guī)范對(duì)平曲線(xiàn)的最大長(zhǎng)度沒(méi)有限制。

2.3 緩和曲線(xiàn)與超高設(shè)計(jì)

(1)緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度

兩種規(guī)范均采用回旋線(xiàn)作為緩和曲線(xiàn)，中國(guó)規(guī)范認(rèn)為緩和曲線(xiàn)是平曲線(xiàn)的重要組成部分，并規(guī)定了不同設(shè)計(jì)速度的不設(shè)緩和曲線(xiàn)的圓曲線(xiàn)最小半徑；但南部非洲規(guī)范認(rèn)為緩和曲線(xiàn)并非平線(xiàn)路線(xiàn)的重要組成部分，僅當(dāng)圓曲線(xiàn)的超高大于最大設(shè)計(jì)超高的60%時(shí)才推薦設(shè)置緩和曲線(xiàn)，南部非洲規(guī)范規(guī)定緩和曲線(xiàn)的長(zhǎng)度計(jì)算公式如下

L=0.0702V3/(R×C)

(1)

式中：L為緩和曲線(xiàn)的長(zhǎng)度，m；V為設(shè)計(jì)速度，km/h；R為曲線(xiàn)半徑，m；C為離心加速度變化率，m/s3。

規(guī)范根據(jù)不同的C值規(guī)定了緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度的上限值和下限值，C值為反映離心加速度變化率的值，一般取值范圍為1～3，不同設(shè)計(jì)速度和不同C值對(duì)應(yīng)的緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度如圖1。

圖1 南部非洲規(guī)范規(guī)定的緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度取值

中國(guó)規(guī)范緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度取值按照以下三種情況取最大值，分別是：(1)離心漸變率適中；(2)滿(mǎn)足超高漸變率適中的超高要求；(3)滿(mǎn)足3 s行程的要求。而南部非洲規(guī)范緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度僅需要滿(mǎn)足超高漸變率適中即可。中國(guó)規(guī)范計(jì)算的緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度較南部非洲規(guī)范的緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)。

(2)超高

兩種規(guī)范的超高計(jì)算公式相同，超高計(jì)算公式為

e+f=V2/127R

(2)

式中：e為超高；f為側(cè)摩阻力系數(shù)；V為設(shè)計(jì)速度，km/h；R為曲線(xiàn)半徑，m。

與中國(guó)規(guī)范相比，南部非洲規(guī)范更加注重超高設(shè)置原理性，該公式表示離心力通過(guò)超高e和側(cè)摩阻力系數(shù)f共同克服；中國(guó)規(guī)范將f值用u值代替，即橫向力系數(shù)，該系數(shù)反映了行車(chē)舒適度，根據(jù)不同的行車(chē)舒適度分為不同的等級(jí)。

南部非洲規(guī)范的側(cè)摩阻力系數(shù)f與行車(chē)速度相關(guān)，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)速度，其取值范圍為0.115～0.165；中國(guó)規(guī)范μ值的采用關(guān)系到行車(chē)的安全、經(jīng)濟(jì)與舒適，并指出μ的舒適界限為0.11～0.16，隨行車(chē)速度而變化。由此可見(jiàn)南部非洲規(guī)范的f值和中國(guó)規(guī)范的μ值殊途同歸，在數(shù)值上基本相等。

(3)超高漸變

南部非洲規(guī)范和中國(guó)規(guī)范對(duì)超高漸變的規(guī)定相差較大，中國(guó)規(guī)范規(guī)定超高漸變均需在緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度范圍內(nèi)完成。南部非洲規(guī)范要求的超高漸變分兩種情況，分別是不設(shè)緩和曲線(xiàn)的超高漸變和設(shè)置緩和曲線(xiàn)的超高漸變。南部非洲規(guī)范將超高漸變段分為兩部分，分別為曲線(xiàn)外側(cè)正常路拱漸變到單側(cè)路拱為平坡(0%)部分，即路拱超高段；和單側(cè)路拱為平坡(0%)漸變到全超高部分，即全超高段。當(dāng)不設(shè)緩和曲線(xiàn)時(shí)，超高由直線(xiàn)和部分圓曲線(xiàn)共同承擔(dān)，其中路拱超高段和2/3的全超高段位于直線(xiàn)上，1/3段的全超高段由圓曲線(xiàn)承擔(dān)；當(dāng)設(shè)置緩和曲線(xiàn)時(shí)，路拱超高段全部位于直線(xiàn)段上，全超高段全部位于緩和曲線(xiàn)段上。

3 豎向設(shè)計(jì)

3.1 豎曲線(xiàn)最小半徑

南部非洲規(guī)范規(guī)定豎曲線(xiàn)可以是圓形或者拋物線(xiàn)形，通常更傾向于后者，并采用K值反映豎曲線(xiàn)半徑大小值，K值是個(gè)無(wú)單位的量，與曲率有關(guān)，采用K值后，豎曲線(xiàn)的長(zhǎng)度可以方便地表示為：

L=AK

(3)

式中：A為前后縱坡的坡差(不含%號(hào))；K為與曲率有關(guān)的值，K值乘以100相當(dāng)于圓曲線(xiàn)半徑。

兩種規(guī)范對(duì)應(yīng)的凸曲線(xiàn)和凹曲線(xiàn)的最小半徑如表3。

表3 規(guī)范規(guī)定的豎曲線(xiàn)最小半徑

南部非洲規(guī)范豎曲線(xiàn)半徑最小值較中國(guó)規(guī)范的豎曲線(xiàn)半徑極限最小值稍大，但比中國(guó)規(guī)范針對(duì)豎曲線(xiàn)半徑一般值小。此外，南部非洲規(guī)范不建議豎曲線(xiàn)直接相接，曲線(xiàn)間需要敷設(shè)直線(xiàn)，最小直線(xiàn)段長(zhǎng)度為60～100 m。

3.2 最大縱坡和臨界坡長(zhǎng)

兩種規(guī)范針對(duì)不同的設(shè)計(jì)速度規(guī)定了不同的最大縱坡，見(jiàn)表4。

表4 兩種規(guī)范規(guī)定的最大縱坡坡度

兩種規(guī)范針對(duì)不同的設(shè)計(jì)速度規(guī)定了不同的最大縱坡。南部非洲規(guī)范針對(duì)不同的地形條件規(guī)定了不同的縱坡值，對(duì)最大縱坡值的取值較寬松；中國(guó)規(guī)范的最大縱坡值與南部非洲規(guī)范平原區(qū)的最大縱坡值相當(dāng)，但南部非洲規(guī)范要求大縱坡的坡長(zhǎng)大于臨界坡長(zhǎng)時(shí)，需增設(shè)爬坡車(chē)道來(lái)滿(mǎn)足大貨車(chē)的爬坡。南部非洲規(guī)范總體認(rèn)為高速公路上的最大坡度應(yīng)在3%～4%的范圍內(nèi)，而不考慮地形。而低等級(jí)道路的坡度高達(dá)20%，但同時(shí)指出，在坡度超過(guò)12%的情況下，施工將變得非常困難，所以南部非洲規(guī)范規(guī)定12%的縱坡為適用于低等級(jí)道路的絕對(duì)最大坡度。此外，中國(guó)規(guī)范針對(duì)設(shè)計(jì)速度≤80 km/h位于海拔3 000～5 000m地區(qū)的縱坡需要進(jìn)行折減，最大縱坡折減1%～3%不等。

兩種規(guī)范均規(guī)定了最小縱坡，其中中國(guó)規(guī)范要求公路的最小縱坡宜≥0.3%，但是允許出現(xiàn)0坡的情況，但是需要對(duì)排水不暢或者長(zhǎng)路塹范圍內(nèi)的0坡路段需進(jìn)行邊溝的拉坡設(shè)計(jì)；南部非洲規(guī)范認(rèn)為，最小縱坡可以是水平的，即0%。但這僅適用于農(nóng)村道路，在農(nóng)村道路上，雨水將通過(guò)路拱從路面上移除，并允許溢出路肩邊緣。如果在有路緣石的道路上使用0坡，必須采用邊溝拉坡設(shè)計(jì)。此外，考慮到路緣石和邊溝的建造精度限制，建議最小縱坡為0.5%。當(dāng)縱坡<0.5%時(shí)，針對(duì)坡長(zhǎng)>500 m的路段，應(yīng)考慮將路拱橫坡增加到2.5%或3.0%。

南部非洲規(guī)范規(guī)定的臨界坡長(zhǎng)與中國(guó)規(guī)范規(guī)定的最大坡長(zhǎng)的概念不一致，其長(zhǎng)度定義為兩邊坡點(diǎn)之間直線(xiàn)段長(zhǎng)度與前后兩豎曲線(xiàn)大約各1/4的長(zhǎng)度之和，其長(zhǎng)度與中國(guó)規(guī)范相比大約小一個(gè)豎曲線(xiàn)的切線(xiàn)值T值。南部非洲規(guī)范臨界坡長(zhǎng)的定義較科學(xué)，但設(shè)計(jì)使用不便，南部非洲規(guī)范沒(méi)有規(guī)定不同的設(shè)計(jì)速度和不同縱坡的最大坡長(zhǎng)，南部非洲規(guī)范的臨界坡長(zhǎng)具體取值見(jiàn)表5。

表5 南部非洲規(guī)范規(guī)定的臨界坡長(zhǎng)長(zhǎng)度

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)南部非洲規(guī)范指標(biāo)最小值多依據(jù)原理公式計(jì)算確定的極限值，而中國(guó)規(guī)范在極限值的基礎(chǔ)上多采用一般值。

(2)南部非洲規(guī)范對(duì)直線(xiàn)的研究較全面，不僅對(duì)直線(xiàn)長(zhǎng)度有規(guī)定，對(duì)直線(xiàn)的偏角也有相關(guān)規(guī)定。

(3)南部非洲規(guī)范不設(shè)緩和曲線(xiàn)的圓曲線(xiàn)最小半徑比中國(guó)規(guī)范小很多，緩和曲線(xiàn)設(shè)置的主要目的是作為超高漸變段，由于路拱超高段在直線(xiàn)上進(jìn)行，從而避免緩和曲線(xiàn)出現(xiàn)反超高的情況，設(shè)置較合理。

(4)南部非洲規(guī)范要求的停車(chē)視距較中國(guó)規(guī)范要求高，主要因?yàn)槠洳捎昧私y(tǒng)一減速率計(jì)算剎車(chē)制動(dòng)距離，而中國(guó)規(guī)范則依據(jù)不同的路面縱向摩阻系數(shù)計(jì)算得到，較南部非洲規(guī)范更科學(xué)。

(5)南部非洲規(guī)范縱段針對(duì)不同的地形條件取值，山區(qū)縱坡較中國(guó)規(guī)范偏大，臨界坡長(zhǎng)的定義較中國(guó)規(guī)范更為科學(xué)合理。