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

隨著國內高速公路的不斷發展， 其安全問題越來越突出。 導致高速公路出現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。 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，應注重線形的連續性和協調性，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保要求，減少道路對環境的破壞和污染。

3）連續性原則：線形的連續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，應保持線形的連續性和一致性，避免線形突變和斷點的出現。 同時，應注重與周圍環境的協調，使道路與地形、地物相融合，提高行駛的流暢性和連續性。

4）經濟性原則：經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，力求實現經濟、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、 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節，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性和協調性，避免急彎、陡坡等不利情況[3]。 JTG D20—2017《公路路線設計規范》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調。 對于部分特殊地區，為避免占用農田，減小里程，可根據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域， 以貫徹環保節約理念。

2）若現場條件允許，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，應謹慎采用圓曲線最小半徑一般值，并協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， 若受限于現場條件難以確保兩者相等時，需滿足規范建議的比例要求。

4）對于位于隧道洞內外3 s 行程長度范圍內的路線，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，此時行車安全系數較高。 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，使縱斷面設計連續且均勻。 在具體設計時，應注意以下內容。

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，盡可能減小工程規模。

2）對于連續上下坡段，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%以內的坡度，且長度大于規范推薦最小坡長。 對于連續下坡段，還需避免出現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且集中出現，避免車輛在短期內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，為避免出現此現象，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，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，避免出現線形扭曲、突變或隔斷等不良現象。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，應避免出現急轉彎、斷背曲線等不良組合，保持線形的連續性和流暢性。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節， 它直接關系到道路的安全性、舒適性和經濟性。 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，詳細探討了高速公路線形設計要點，有利于實現線形的連續性、流暢性和協調性。