公路路线超高设计的关键问题分析

2013-06-10李霞

交通运输研究 2013年5期

李霞

（衡水市公路勘测设计所，河北衡水 053000）

0 引言

公路曲线路段是车辆事故频发的危险路段，因为当车辆在曲线路段行驶时由于离心力的作用而失去横向稳定性导致车辆事故。曲线路段的超高设计就成为公路路线安全设计的关键问题，必须引起设计者和工程实施者的特别重视。实际工程中，由于路段的差异性使超高设计变得越发复杂，设计时应考虑区域结构、项目性质、车量组成等多种因素才能确保行车的安全性。

1 超高设计的条件分析

公路路线的超高设计是在曲线路段断面上设计为外侧高于内侧的单向横坡，这种设计可以抵消消车辆在曲线路段上行驶时所产生的离心力。超高的单向横坡由车辆速度、曲线路段半径、路面类型等因素相关，其关系可表达为以下公式：

式中：i——曲线路段超高值；

v——车辆行驶速度；

R——曲线路段半径；

u——横向力系数。

由公式（1）可以轻易得出横向力系数与超高值之间的关系。当圆曲线半径的数值大到与设计速度成一定比例时，将横向力系数u降低到最小值的情况下，可以保证车辆不受离心力作用，能够保持稳定，此时可考虑不设置曲线超高。横向力系数可以理解为当车辆在曲线路段行驶时，车辆与路面产生的横向摩擦阻力，受轮胎材料、充气压力、路面条件等因素影响。当横向力系数u＜0.10时，车辆在曲线路段行驶时，人体几乎感觉不到曲线影响，车辆平稳运行；当横向力系数0.10≤u＜0.15时，虽然可以感觉到曲线的存在，行驶却依然感觉平稳；当0.15≤u＜0.35时，车辆行驶于曲线路段时，不平稳性感觉强烈，曲线存在感明显；当0.35≤u＜0.4时，车辆转弯感到明显不平稳；当u≥0.40时，车辆转弯时非常不稳定，甚至有倾覆的危险。横向力系数的存在，对车辆的平稳行驶有着极为不利的影响，设计曲线路段的超高时应尽量减小横向力系数。由公式（1）可知，横向力系数减小，设计超高就必然要增大。

2 公路路线超高设计关键问题分析

公路路线设计要从实际出发，以安全行驶为前提，从舒适和经济的角度出发，严格遵从规范要求。实际的工程建设中，地形地貌、路线路况，甚至空气温湿度都会对车辆行驶造成一定的影响。路线的超高设计，应综合考虑各种因素合理选用超高值。

2.1 最大超高值选用

通常在设计曲线路段的超高值都会根据公式（1）的推算，而最大超高值多采用8%。我国的公路行驶车辆多为货车，正如我们所知，货车的超载现象已普遍存在，这样车辆的行驶速度就相对较低。调查显示，货车在曲线路段行驶速度小于设计速度时，由于向心力的作用，当超高横坡度超过6%时发生车辆向内侧翻车的概率很高。因此，对于气候条件恶劣，易出现雨雪、雾和冰冻灾害且大中型货车通行率较高的路段，最大超高值应尽量控制为6%。此外，设计速度高或验算的运行速度高的路段宜采用最大超高值10%，而常年积雪冰冻地区最大超高值只能采用6%。

2.1.1 平原地区公路超高值的确定

平原地区交通密集、地势平坦，距离城市较近，与城市道路有相互交口。超高设计时要考虑其纵面平缓、路网交口多的特性，除了要考虑前面提到的诸多因素外，还应当对超高路段与被交口路段的衔接进行分析。平原地区公路的超高值如果按照常规超高计算来设计的话，不但有碍美观，还会对道路间的彼此衔接造成麻烦。在计算超高值时，在条件允许的情况下，可以减少1%左右的超高值，并对超高路段进行行车安全性评价。实践证明，在经济发达、地势平坦、路网密集的平原地区，适当减小超高值对于保证车辆形式的平稳性是有利的。

2.1.2 山区公路超高值的确定

山区路段的地形相对较为复杂，通常曲线半径较小，纵面的起伏程度较大，车辆行驶时的速度也起伏不定，如果单纯考虑设计速度计算的超高必然无法满足行车的舒适性要求，车辆的安全性也受到影响。山路的复杂性决定了不同路段要考虑的因素也不尽相同。对连续的低指标山路，通行车辆中多由货车组成，可以采取减小超高值的方式来保证车辆的横向稳定型。对纵坡值＞3%的下坡路段在出现曲线环绕时，就要结合纵坡带来的不利因素。此种情况下，计算超高值时需要增加同等条件下平稳路段超高值加纵坡值的比例。需要注意的是，无论采取何种方式，都要严格执行相关公路路线设计规范的要求。

2.2 超高过渡段的设计分析

路基横断面从直线路段的正常双向路拱横坡逐渐变到单向横坡的路段，称作超高过渡段。在进行超高过渡段设计时，除了需要分析车辆行驶时的离心力要求外，还应充分考虑路面排水，以及对构造物的影响、便于设计与施工等因素。

超高过渡过程通常有两个阶段组成。

第一阶段为双坡阶段。当硬路肩与行车道横坡没有保持一致时，一般要先抬外侧硬路肩横坡到与外侧行车道一致，之后把弯道外侧行车道与硬路肩坡一起提高到与弯道内侧行车道一致。此时若是回旋线过长，则无法满足道路排水最小坡率0.3%的要求，造成外侧的行车道路面无法正常排水。所以在此阶段超高渐变率应不小于1/330。弯道外侧土路肩仍保持正常横坡，不参与超高过程。

第二阶段为旋转阶段。先将外侧行车道、外侧硬路肩、内侧行车道一起旋转至与内侧硬路肩相同的横坡，再将两侧行车道、硬路肩一起旋转至与内侧土路肩相同的横坡，最后两侧行车道、硬路肩与内侧土路肩一起旋转直至全超高断面。若回旋线过长，超高起始点宜设置在曲率等于不设超高最小半径值处，双坡阶段采用不小于1/330的渐变率，全超高断面宜设置在缓圆或圆缓点处。

2.3 缓和曲线长度问题

缓和曲线作为道路平面线形要素之一，指的是直线与圆曲线之间或者圆曲线之间的曲率连续变化的曲线。在缓和曲线设计中，道路平面线形视觉质量的高低很大程度上是由缓和曲线的长度决定的。如果缓和曲线缓和段的取值过短，曲率渐渐变化的效果就会不明显，而且缓和段和其它剩余圆曲线的衔接也会不自然不协调，这样行车的视觉效果就会不理想；反之，如果缓和曲线缓和段取值过长，线形组合效果同样会不理想，弯道超高和加宽设计等方面也存在很多问题。汽车行驶过程中进行转向操作时，行驶轨迹会发生变化，设置缓和曲线曲率的变化可以契合这种行驶轨迹的变化，进而就可以缓和行车方向的骤然变化，缓和离心力的突然产生，促进加速度的不断变化，就可以有效避免侧向冲击，同时作为超高变化的过渡段使用。缓和曲线的设置长度是受多方面因素制约的，具体包括离心力对乘客感受的刺激和影响、路面超高横坡过度的需求及线形平顺的美感等。一般来说，平面缓和曲线最适宜的长度比例为1∶1∶1，也就是说回旋线、圆曲线、回旋线三者的比例是1∶1∶1，这种情况的线形是最为连续协调的。