多车道高速公路路拱形式及超高设计方法分析

计月华，曹建建

(苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

随着我国经济社会的发展，早期修建的部分四车道高速公路服务水平明显下降，需要进行改扩建。目前，大部分高速公路由四车道或六车道扩建为八车道，但在部分经济发达地区，八车道也很难适应快速增长的交通需求，如沪武高速公路太仓至常州段扩建工程，其中太仓北枢纽至董浜枢纽路段六改十，其余路段涉及四改八和六改八的问题。本文以该工程为依托，所论述的多车道，着重集中在八车道和十车道，对于十车道的研究和实践，目前国内研究较少，可参考的仅有深圳水官高速公路、辽宁沈山高速公路等少数项目[1-2]。由于十车道横断面宽度更大，路面排水和行车安全问题更加突出，因此需对其路拱及超高进行充分研究分析。

1 多车道高速公路路拱形式

通常，多车道高速公路一般路段的路拱横坡形式分为单幅双向路拱、单幅折线型路拱和单幅单向路拱，并合理增设其他路面排水设施。

1.1 单幅双向路拱

单幅双向路拱是指将路面做成由两侧行车道中心线或行车道分界线向两侧倾斜的拱形。设置双向路拱使道路两侧的路面水以一定的坡度由道路中间向中央分隔带和路侧两个方向排水，见图1。双路拱减小了汇水面积和坡面汇流长度，对排水有利。

图1 单幅双向路拱排水

这种路拱单幅的外侧两车道上的路面水横向漫流至右侧硬路肩后排出路面；中间带两侧设置纵向缝隙式排水沟，并隔一定间距设置集水井和横向排水管，内侧两车道上(十车道时为内侧三个)的路面水流至缝隙式排水沟，再汇至集水井通过横向排水管集中排出路面范围。

这种路拱形式能很好地适应多车道特性，改善路面排水。对于双路拱，存在变换车道安全性问题，车辆超车时需两次变换车道，由超车道驶回行车道时离心力方向和水平力方向一致，导致横向力系数增大不利于行车安全，根据相关文献，国内高速公路横坡值一般为1.5%～2.0%[3-4]，在正常行驶条件下是能够保证车辆稳定性的。

对于多车道高速公路双路拱的应用，《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)规定，高速公路整体式路基宜采用双路拱，笔者认为应分情况予以分析。对于新建高速公路，采用双路拱能够有效地改善排水，但施工较复杂；对于改扩建高速公路单侧加宽路段，采用双路拱能够充分利用既有工程，减少路基和桥梁两侧拼接，且能解决新老路基和桥梁之间的不均匀沉降，目前已得到一定应用，如安徽芜合高速公路四改八改扩建[3]；对于改扩建高速公路两侧加宽路段，由于既有道路为单向坡，改成双路拱后需铣刨既有道路进行调坡，桥梁等构造物路段实施困难，既有工程利用率低，浪费较大，且增加的中分带横向排水管需开挖或采用顶管等施工方案，不建议采用。

1.2 单幅折线形路拱

单幅折线型路拱是指将道路做成中央分隔带高、两侧低，在道路一侧设置不同横坡的路拱形式，见图2，在变坡点处可设置纵向缝隙式排水沟。

图2 单幅折线型路拱排水示意

这种路拱单幅的内侧两车道(十车道时为内侧三个车道)的路面水横向漫流至二三车道(十车道时为三四车道)交界处的变坡点，设纵向缝隙式排水沟时，经集水井通过横向排水管，将大部分路面水排出路面范围；未设纵向缝隙式排水沟时，同外侧两个车道的路面水一起沿较大的路拱横坡漫流至右侧硬路肩，并排出路面范围。

这种路拱形式在一定程度上改善了路面排水，但改善排水效果比设置单幅双向路拱形式差。折线型路拱在变坡点处有尖峰凸出，施工时虽通过压路机碾压但路面平顺性仍然略差。

多车道高速公路折线型路拱应用较少，规范也未有涉及。对于新建及改扩建高速公路单侧加宽路段，折线型路拱增大了外侧车道和右侧硬路肩横坡值，未见有工程采用。对于改扩建高速公路两侧加宽路段，广西柳南高速公路四改八改扩建工程中有一定应用。由于项目区雨量充沛，纵坡小于0.3%路段，既有路面横坡值维持2.0%不变，拼宽部分横坡值加大至2.5%，横坡按线性渐变。根据美国各州与运输工作者协会(AASHTO)2001年版《公路与城市道路几何设计》，当横坡值不大于2.0%时，对车辆行驶几乎没有什么影响，但是横坡值陡于2.0%时就有明显影响，需考虑车辆的操控性，增加了侧滑的可能[5]。另根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)，横坡值大于2.0%时，横向力系数、不设超高的圆曲线最小半径等指标均有较大变化，改扩建项目利用既有工程涉及突破规范指标的问题。目前，广西柳南高速公路正在施工，作为应用折线型路拱的尝试，由于拼宽部分增加的横坡值有限，对于改善排水效果、路面平顺性、车辆行驶安全性等方面需要通车后进一步验证。

1.3 单幅单向路拱

单幅单向路拱是指将道路做成中央分隔带高、两侧低、在道路一侧设置相同横坡的路拱形式。这种路拱路面水沿路拱横坡漫流至右侧硬路肩，并排出路面范围。单向路拱施工方便，行车舒适性较高，为我国大多数高速公路采用的形式。

八车道、十车道高速公路与四车道、六车道高速公路相比，横向宽度增加较多，特别是十车道高速公路，公路坡面汇流历时将有一定增加，容易导致右侧硬路肩和行车道路面潮湿，甚至积水，因此需进行针对性分析。

对于八车道高速公路，虽然规范规定宜采用双路拱形式，但大多数新建高速公路仍沿用单向路拱的方案，改扩建工程中除涉及加宽方式选择、纵坡较小排水受限的特殊路段外，一般也采用单向路拱。对于十车道高速公路，若设置左侧硬路肩，十车道路基横断面宽度将超过50 m，采用单向路拱时，应根据路面类型和当地自然条件等因素进行排水计算确定具体横坡值。笔者在沪武高速公路太仓至常州段扩建工程[6]中，针对十车道高速公路基于排水计算对路拱形式和横坡值进行了分析，得到以下结论：十车道高速公路可采用单幅单向路拱形式，虽然公路坡面汇流历时较八车道有一定增加，但增加有限，总体能够满足要求；采用单幅单向路拱2.0%横坡值时，在一般情况下，十车道高速公路设计积水宽度小于硬路肩宽度，能够满足规范要求。

此外，排水路面不形成明显的径流，对路面摩擦系数保持和运营安全的作用明显，但多应用于四车道、六车道高速公路[7]。根据实际观测，六车道外侧车道在降雨量大时存在路面涌水现象。目前国内在广西某八车道高速公路改扩建中设置了排水路面试验段，通过增加排水路面层数和厚度解决外侧车道路面涌水问题，但重载交通条件下外侧车道的路面承载情况尚需进一步观测和试验。因此排水路面在八车道、十车道高速公路上的应用尚缺少必要的支撑。

2 多车道高速公路超高设计方法

超高是为抵消车辆在曲线路段上行驶时所产生的离心力，将路面做成外侧高于内侧的单向横坡形式。合理的设置超高可以全部或部分抵消离心力，提高汽车行驶在曲线上的稳定性和舒适性。超高横坡度在圆曲线上是与圆曲线相适应的全超高，在缓和曲线上应是逐渐变化的[8]。多车道高速公路因增加了车道数，横向宽度增加，若按一般高速公路进行超高过渡，则横坡较小(+0.3%～-0.3%之间)的路段长度会很长，对排水不利。

根据《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)，当路拱横坡度发生变化时，必须设置超高过渡段，超高过渡宜在回旋线全长范围内进行，超高值、超高渐变率按规范计算和取值。超高过渡方式，对于有中间带的公路均可采用绕中央分隔带边缘旋转的方式，车道数大于4条的可采用分别绕行车道中线旋转的方式。本文重点讨论多车道高速公路绕中央分隔带边缘和分别绕行车道中线旋转的超高方式。

2.1 绕中央分隔带边缘旋转

多车道高速公路宜增设路拱线，改善路面排水，根据增设路拱线的条数不同，可将绕中央分隔带边缘旋转的超高过渡方式分为以下三种形式：

(1) 不设路拱线

和非多车道高速公路一样，在超高过渡过程中，道路一侧的路面横坡全部始终保持相同的横坡值，从前一曲线圆缓点处超高值逐渐过渡到后一曲线缓圆点处超高值。

这种形式比较简单，易于设计施工，但是车道宽度过大后，对排水不利，适用于降雨量不大的地区，降雨量大的地区需采取其他措施改善路面排水。

(2) 设一条路拱线

如图3所示，对于十车道高速公路，在道路一侧设一条路拱线，新建和既有道路为六车道的改扩建高速公路可将路拱线设置在三车道、四车道分界线；既有道路为四车道的改扩建高速公路可将路拱线设置在二车道、三车道分界线，具体位置根据实际需要确定。超高过程分为以下几个阶段：①～②阶段，五个车道从前一曲线圆缓点处超高值开始绕旋转轴旋转至一定超高值-i；②～③阶段，四车道、五车道保持不变，一车道、二车道、三车道绕旋转轴继续旋转至i；③～④阶段，四车道、五车道绕路拱线旋转至横坡值为i；④～⑤阶段，五个车道一起绕旋转轴旋转至后一曲线缓圆点处超高值。八车道高速公路情况类似，一般可将路拱线设置在二车道、三车道分界线。

图3 设一条路拱线超高过渡示意

这种形式比较简单，减小了汇水面积和坡面汇流长度，改善路面排水，超高形式能较好地适应多车道高速公路特性，多车道新建高速公路设置单幅双向路拱时，这种超高形式的优势比较明显。结合不设路拱线形式，对于降雨量较大的地区，十车道高速公路可采用该种形式。

(3) 设两条路拱线

如图4所示，对于十车道高速公路，在道路一侧设两条路拱线，路拱线位置宜根据实际需要确定，一般可设置在二车道、三车道和四车道、五车道分界线处，超高过程分为以下五个阶段：①～②阶段，五个车道绕旋转轴旋转至-i；②～③阶段，三车道、四车道、五车道保持不变，一车道、二车道绕旋转轴旋转至i；③～④阶段，一车道、二车道、五车道保持不变，三车道、四车道绕路拱线一旋转至i；④～⑤阶段，一车道、二车道、三车道、四车道保持不变，五车道绕路拱线二旋转至i；⑤～⑥阶段，五个车道一起绕旋转轴旋转至后一曲线缓圆点处超高值。八车道高速公路情况类似，可将路拱线设置在二车道、三车道和三车道、四车道分界线处。

图4 设两条路拱线超高过渡

这种形式能较好地改善路面排水，但是形式比较复杂，设计和施工难度较大，较难应用，一般情况下不采用。

2.2 分别绕行车道中线旋转

在道路的两幅，分别绕各自行车道中心线进行超高旋转过渡，从前一曲线圆缓点处超高值逐渐过渡到后一曲线缓圆点处超高值。

这种形式比较简单，改善路面排水，道路一侧抬高值较小，减小了工程量，但是在超高过渡段和超高段路容不好，适用于分离式路基或中间带较宽的情况。

3 结语

本文针对多车道高速公路路拱形式及超高设计方法进行了分析，得出的主要结论为：对于双向路拱、折线型路拱和单向路拱应根据项目情况灵活应用，对于十车道高速公路一般情况下可采用单向路拱；同时本文分析了多车道高速公路超高设计方法，对于绕中央分隔带边缘旋转，可根据降雨情况考虑不设路拱线或设一条路拱线的形式。总而言之，在缺少规范标准和相关研究还不充分的情况下，对多车道高速公路进行深入研究将具有非常重要的意义。