高等级公路线形设计问题的探讨

杨继禹

(黑龙江省龙建路桥第二工程有限公司)

进行线形设计时,不应受线性要素各种最小值的约束,而应根据设计条件、地形条件等尽可能地采用较高的技术指标,还必须把平、纵面组合起来从立体线形的好坏加以充分的研究。在实际工作中,基本上是依据着《公路工程技术指标》和《公路路线设计规范》进行设计的。因为它是吸取了国外修建高速公路的先进经验并与我国的具体情况相结合而确定的。将标准、规范中的具体要求与实际情况相结合,做到因地制宜、不生搬硬套是设计人员需要关注的问题。

1 公路线形设计的重要性

(1)应从行驶力学上保证汽车行驶安全、舒适,从营运费用等方面保证经济性。

(2)从驾驶员的视觉心里方面来看应是良好的,应具有三维空间的外观,看起来舒顺、连续和可以预知,而且不应出现急剧的起伏或者扭曲的线形。

(3)应与公路周围的环境及景观协调融洽。

(4)应与地形、地物、土地利用规划等自然条件及社会条件相适应,施工方便,维修费用、养护费、管理费用经济合理等。

(5)注意线形要素与其他设施间的相互平衡协调,如直线、圆曲线、缓和曲线组合协调;纵坡线与竖曲线间的组合协调;平面线形与纵面线形的组合协调;路线与公路构造物、沿线设施间的协调等。

2 路线平面线形设计

2.1 直线

直线是两点间最简捷的路线。过去在设计中往往偏重于设置较长的直线。特别是设计山区公路时,争取有较长的直线,往往是工作的重点。但是直线的几何形态灵活性差,有僵硬而不易协调的缺点,所以难以适应地形的变化。而且过长的直线易使驾驶员产生倦怠;注意力不集中,甚至感觉迟钝,反应缓慢,难以准确目测车间间距,增加夜间车炫目的危险,还会导致超高速行驶状态,这些均易造成事故。

国外在修建高速公路时,早期的高速公路多以直线为主,长直线采用的比较多。通过行车运营和经验总结,认识到直线不容易与地形、地物配合,对驾驶员有生理和心理上的不良影响。而曲线能较好地与地形配合,可减少工程和建设费用;同时,曲线能较好地与风景协调,使景观优美;曲线方向富于变化,使驾驶员驾车高速行驶时,注意力集中,因此,在高速公路平面线形上,就采用了曲线为主体的设计原则。另外有人认为两点之间曲线总是比直线长,如采用曲线过多无形中将路线距离增长了,曲线比直线长,这是毫无疑问的,但也不是人们所想像的长得多,经过计算,一条路线完全用曲线与完全用直线比较,路线距离增长是有限的,而且主要与偏角大小有关,与平曲线半径大小关系数较小。

从以上国内外的经验中可以看到,现代高速公路的平面线形均强调了以曲线为主的线形设计,而对直线特别是长直线均持否定态度。在《公路路线设计规范》中,对直线的长度也给予了限制。直线的长度一般不宜超过设计车速的 20倍。并要求在长直线两侧地形过于空旷时,以栽植不同树种,设置风格各异建筑物等方式,减轻景观单调的感觉。同时,在强调线形设计曲线为主的情况下,要从客观条件出发、实事求是,不能生搬硬套,一味地追求以曲线为主,增加不必要的工程量和工程投资。综上所述,在高速公路和一级公路的平面线形设计上,要以曲线设计为主,力求线形与地形、地物的协调配合,保持线形的连续畅通,美观协调。同时又要结合地形,实事求是,从实际出发做出符合当地客观条件的设计。

2.2 圆曲线和缓和曲线

(1)一般情况下采用极限最小半径的 4～8倍或超高为2%～4%的圆曲线半径为宜。

(2)由于自然条件受限制时,应尽量采用大于或接近一般最小半径的圆半径。

(3)只有在自然条件特殊困难不得已时,方可采用极限最小半径,以满足汽车运动学上的安全要求,但必须在一定路段设法使曲线半径逐渐变小或者在进行布置上,使驾驶人员能事先意识到前面有急转弯。

(4)圆曲线半径过大以致使驾驶员感到与直线并无区别时,也无实际意义,因为最大半径一般不宜超过 10000m。

选用半径时,为适应地形应尽可能采用大半径曲线,并考虑研究前后线形要素间的相互关系,考虑线形所有指标的均衡。同时要特别注意斟酌平曲线同纵坡的关系,勿使小半径曲线与陡坡重合。为了使汽车从直线段或从大圆曲线到小圆曲线平顺地行驶,为了曲率的缓和、路面横坡变化的缓和等,必须设置缓和曲线。汽车按等速行驶,转向盘等速转动所产生的轨迹与回旋曲线基本是一致的,所以公路上用回旋曲线作为缓和曲线,其优越性为:①容易适应自然地形,并且增加了线形设计的自由度;②增加线形美观,线形变得平顺,适合驾驶员视觉心理上要求,有利于安全舒适运行,增加乘车人舒适感。因此,在线形设计中应把回旋曲线作为主要线形要素加以运用。

由于回旋曲线型的缓和曲线能适应各种地形、地物条件,选定路线时,对圆曲线或直线都不能适应的地形、地物情况下,可考虑采用回旋曲线的缓和曲线以达到目的。有些国家在高等级公路设计中,为了视觉和适应地形、地物等的需要,采用的回旋曲线与圆曲线长度之比为 1∶1,即在平曲线长度中,圆曲线和回旋曲线各占一半。但是,在国内有些公路设计上,采用较长的回旋曲线时,不是为了适应地形、地物或视觉的需要,而是单纯的消除圆曲线间的直线。还有的由于采用较长的回旋曲线,而且又限于转点间的距离不足,不得不采取减少曲线的半径来适应,这些做法都是本末倒置的。因为平面线形标准中主曲线半径的大小是首要的,如果主曲线半径太小,《公路工程设计标准》规定的缓和曲线最小长度和超高缓和率所需的缓和曲线长度,在任何情况下都必须满足。如视觉诱导需要,又不过分增加工程量,可采用按视觉条件要求的缓和曲线长度,地形、地物等特殊需要时,可根据实际情况采用比较长的缓和曲线。

在设计高等级公路时,也遇到如何设置缓和曲线及圆曲线的关系问题,开始也只是按照《规范》的要求,设置最小缓和曲线长度,经过学习国内外的经验,逐步提高了对缓和曲线作用和应用的认识,采用了结合地形设计缓和曲线,运用回旋曲线形进行线形设计。在实际工作中要充分发挥这一线形的特点,并和实地情况密切结合起来,设计中要反复选择、比较、精心设计,以达到切合实际的设计效果。

3 平面和纵断面组合设计

高速公路的线形应具有连贯性和驾驶员视觉上的安全感及舒适感。因此,路线线形设计不但要注意与周围的地形景观相协调,同时要考虑平面线形、纵断面线形及横断面构造三方协调,切实做好平面和纵面相结合的设计。线形组合设计总的要求是在满足汽车运动学和力学要求的前提下,研究如何满足视觉和心理方面的连续、舒适与周围环境的协调和良好的排水条件。基本原则是能在视觉上自然地诱导驾驶员的视线,并保持视觉的连续性。在视觉上能自然地诱导驾驶员视线是组合平、纵线形最根本的要求。

平、纵组合设计是否协调,形成的道路景观是否连续顺畅,有无路面扭曲现象,在设计阶段均可采用透视图的方法检验。通过绘制道路透视图,可以发现设计上存在的问题,对平、纵线形进行调整,以达到良好的景观效果。若在施工后再发现问题,要想纠正就为时已晚。现在国内设计单位道路透视图已从简单 PC-1500计算机绘制的简单透视图,发展为微型计算机绘制全景透视图和三维动态透视图,这样对保证高等级公路的线形设计达到美观协调,景观舒展顺畅起到了重要的作用。

平面线形与纵断面线形的组合设计,是线形设计的最后阶段。由于公路标准不同,线形组合设计的必要性也不一样,在各级公路中,设计上很注意平、纵的配合问题。基本上按以上平、纵组合设计的要求和方法去做设计,使设计的公路在景观协调,线形顺畅方面达到良好的效果。但是,在有些道路的设计上,只注重了平、纵组合设计,使得工程量增加的较多。对于设计车速较低而且有混合交通的道路,道路景观问题较之高速公路等设计车速较高的公路,对驾驶人员的影响要小得多。因为在这些道路上横向、纵向干扰较多,分散了驾驶员的注意力,景观对他们的影响较少。因此,在客观条件允许的情况,做到平、纵组合的完美协调是可取的,片面强度平、纵配合,而增加工程量过大,则是不提倡的。在平、纵组合设计上,应该做到从客观实际出发,实事求是。

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