中德高速公路几何设计技术要点分析

孙建诚　王超　蒋浩鹏　耿珺

摘要 德国是最早修建高速公路的国家，同时也是世界运行效率最高最安全的高速公路之一，研究德国高速公路设计具有重要的参考意义。介绍了德国高速公路设计等级体系和其基本特征，分析了我国高速公路设计和德国高速公路平面、纵断面、横断面的几何设计要点。利用了德国高速公路设计指标体系分析了京港澳高速某段的線形要素。研究表明德国高速公路横断面设计与我国基本一致，平面和纵断面线形指标相较我国规范总体上更为宽松，但德国规范对平面直线长度和最小纵坡要求更高。

关 键 词 几何设计;德国;规范;高速公路;线形

中图分类号 U412.33     文献标志码 A

Technical analysis of geometric design of expressway between China and Germany

SUN Jiancheng1， WANG Chao1， JIANG Haopeng1， GENG Jun2

（1. School of civil and transportation engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China; 2. College of Construction Engineering， Jilin University， Changchun 130026， Jilin， China）

Abstract Germany is the first country to build highways， and also one of  countries that has the most efficient and safest highways in the world . Therefore， it is of great importance to learn from German highway design. This paper introduces design hierarchy and basic characteristics of German expressway， and then analyzes the geometric design points of plane， longitudinal section and cross section of expressways both in China and Germany. The alignment of a section of Beijing-Hongkong-Macao expressway are also analyzed by using German expressway design index system. The research shows that the cross-section design of German expressways is basically the same as that in China and the alignment index of plane and longitudinal section are generally more relaxed than those of our country， but it requires a higher straight length and minimum longitudinal slope according to German standard .

Key words geometric design; Germany; standard; expressway; alignment

0 引言

德国高速公路有着久远的历史，1932年德国科隆与波恩之间30 km的高速公路建成通车，标志着历史上第一条现代意义高速公路的诞生。至2016年德国共拥有12 993 km高速公路，是世界第四大高速公路系统。德国高速设计建设与管理水平世界一流，德国境内大约有三分之二的高速公路没有永久限速，德国因此成为世界上唯一的拥有不限速度高速公路的国家。此外高速公路运输占德国全部交通量的三分之一，但德国只有6%事故在高速公路发生（2016年），高速公路事故率远低于世界其它国家[1]。德国高速公路不仅拥有不限速的路段，也是世界上最安全的高速公路之一。借鉴德国高速公路设计管理标准对我国高速公路发展具有重要参考意义。

我国学者裴玉龙教授研究世界各国高速公路设计与运营提出了超高速公路发展的必要性与技术等级指标问题[2]。王佐、王志军等研究了中法高速公路设计的技术要点，对法国公路设计体系进行了详细分析[3-5]。田引安分析了中国及澳大利亚关于公路几何设计的异同，探讨了中澳高速公路设计理念与方法[6]。万国朝与林正清分析了上个世纪联邦德国公路设计规范要点并阐述了其设计理念[7-8]。彭彦忠和谭红霞分别论述了美国公路几何设计体系并分析中美公路设计的方法的异同[9-10]。本文将概述现行的德国高速公路几何设计体系和技术要点，并通过对京港澳高速某段的线形分析，同时与我国高速公路几何设计进行对比分析，为我国公路设计与研究人员提供参考。

1 设计等级和基本特征

德国道路和交通研究协会（Forschungsgesell- schaft für Straßen und Verkehrswesen，缩写FGSV）是一个成立于1924年非营利性的科技协会，该协会主要负责起草和发布道路规划设计、建设、运营和交通工程相关的技术标准和规范。目前FGSV采用的高速公路设计规范称为高速公路设计指南（Richtlinien für die Anlage von Autobahnen，缩写RAA），该指南是指导德国高速公路设计的行业标准[11]。

RAA高速公路设计原则基于综合路网设计指南（Richtlinien für integrierte Netzgestaltung，缩写RIN）定义的道路类别。综合路网设计指南依据路网连接水平将高速公路道路类别分为：1）AS0大陆高速公路;2）ASⅠ次大陆高速公路;3）ASⅡ跨區域高速公路。RAA根据道路类别、高速公路与城市建筑区域的关系、高速公路的管辖权将高速公路分为4个设计等级，见表1。

根据德国道路交通法规蓝色高速公路标志仅适用于联邦高速，其它非联邦的高速高速公路如州、县、市级高速公路使用黄色机动车车道标志。非联邦高速公路因为线形和交叉口形式等设计要素标准的降低被称为准高速公路。

对AS0/ASⅠ的联邦高速公路被称为长途高速公路，设计等级EKA1A;属于ASⅡ的联邦高速公路被称为跨区域高速公路，设计等级EKA1B;非联邦高速公路被称为准高速公路，设计等级EKA2;属于ASⅡ并穿越大量城市建筑区域的高速公路被称为城市高速公路，设计等级EKA3。

RAA指出各设计等级线形指标和其它设计要素的确定依据在潮湿状态下的安全稳定行驶的推荐速度。由于德国规范的各设计等级的线形指标依据推荐速度进行计算，德国规范的推荐速度等同于我国规范的设计速度。对长途高速公路EKA1A，理论推荐速度130 km/h;跨区域高速公路EKA1B，理论推荐速度120 km/h;准高速公路EKA2，理论推荐速度100 km/h;城市高速公路EKA3，理论推荐速度80 km/h。

RAA指出对EKA1A、EKA1B和EKA2等级的高速公路实际最大允许速度在原则上是没有限制的，对EKA3受城市环境影响对最高行驶速度有所限制。通常城市高速公路的几何形状接近EKA3的极限值，则限速为80 km/h，如果道路几何形状基于更高的设计值，则最高限速原则上不超过100 km/h。实际高速公路的限速情况根据交通量、天气等多种因素确定。RAA对应的设计等级和特征见表2。

2 平面设计

德国高速公路设计指南RAA指出高速公路的平面线形由直线、圆曲线、回旋线3种要素组成。平面线形要素与我国《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）和《公路路线设计规范》（JTG D20-2006）规定的线形要素基本一致[12-13]。

2.1 直线

为了避免直线过长造成的驾驶疲劳和超速问题，RAA规定各设计等级高速公路直线最大长度2 000 m，同时仅规定同向圆曲线间直线最小长度400 m。我国规范中对直线的最大长度没有明确要求，仅提出要有所限制，对同向圆曲线间的直线最小长度要求是6倍的设计速度行程，对反向圆曲线间的直线最小长度要求是2倍的设计速度行程。德国规范对直线的长度要求更为明确和严格。

2.2 圆曲线

德国规范RAA中圆曲线半径的计算公式为

[R=V2127maxfR∙n+q] ， （1）

式中：[R]为圆曲线半径，m;[V]为推荐速度，km/h;[max fR]为最大横向力系数;[n]为横向力利用系数;[q]为横坡度。该公式与我国规范中圆曲线半径计算公式基本相同。

根据RAA给出圆曲线半径计算公式，在各种约束条件下RAA规定了各设计等级下的圆曲线最小半径和圆曲线最小长度，见表3。同时RAA指出高速公路不限制最大允许速度即不设最高限速时，圆曲线最小半径应为1 300 m，圆曲线最小长度应为500 m。

我国规范中对高速公路圆曲线最小半径的要求，见表4。

从表2表3对比可以看出，德国规范圆曲线最小半径均大于我国规范规定的圆曲线最小半径极限值，但远小于我国规范圆曲线最小半径一般值。由于我国实际公路线形设计中，基本采用设计指标的一般值，因此我国规范对圆曲线半径指标要求相对较高，同时我国规范对圆曲线长度要求包含在对平曲线总长度和对缓和曲线长度的要求中，这与德国规范有所不同。

2.3 回旋线

德国规范中过渡曲线的设置与我国相同，均采用回旋线的形式。在直线与圆曲线之间设置回旋线和圆曲线之间设置回旋线，RAA回旋线基本公式

A=R∙L ，  （2）

式中：A为回旋线参数，m;R为回旋线某点的曲率半径，m;L为回旋线某点到原点的曲线长，m。

RAA规定所有的平曲线均应设置回旋线，仅在圆曲线转角小于9°时，可以不设置回旋线，此时圆曲线最小长度应为300 m。德国规范对回旋线的省略与我国规范有很大的不同，我国规范规定在圆曲线半径大于不设超高的圆曲线半径时可以不设置回旋线，此时圆曲线上横向力系数很小，行驶舒适性和稳定性能得到保证。对比德国规范，我国规范对回旋线的设计更加灵活。根据RAA回旋线计算公式得出的回旋线最小参数，见表5。

根据RAA给出的回旋线最小参数和圆曲线最小半径，利用式（2）可以计算对应的回旋线计算最小长度，结果见表5（RAA并未给出，作者自行计算，方便比较）。我国规范对高速公路回旋线最小长度的要求为设计速度120、100、80 km/h回旋线最小长度分别对应100、85、70 m。对比得出我国规范对回旋线长度的要求均大于德国规范计算的最小长度，对回旋线长度指标要求更高，并且我国规范对平曲线总长度有要求，而德国规范未明确对平曲线总长度要求。

3 纵断面设计

3.1 纵坡

RAA指出的纵坡的设计基于适应地形、减少环境影响、行车安全和造价的考虑。最大纵坡规定为对设计等级EKA1A、EKA1B、EKA2和EKA3最大纵坡分别取4.0%、4.5%、4.5%、6.0%坡度值。

我国规范中对高速公路最大纵坡的规定是在设计速度是120、100、80 km/h时，最大纵坡分别对应3%，4%，5%坡度值，同时我国规范指出特殊地形情况下，经过技术论证最大纵坡可以适当增加1%。可以看出我国规范与德国规范对最大纵坡的要求基本一致，我国规范对最大纵坡的一般要求更严格。

RAA对最小纵坡的要求规定对超高过渡段最小纵坡要求1%，极限情况下不能小于0.7%，对桥梁上最小纵坡0.7%。我国规范对基于排水要求最小纵坡规定为0.3%，德国规范对最小纵坡的要求更高。

3.2 竖曲线

RAA中竖曲线同样分为凸型竖曲线和凹型竖曲线。竖曲线的设计采用二次抛物线，与我国《公路路线设计规范》一致。RAA对竖曲线最小直径的考虑因素包含了视距、停车距离等的综合要求，各等级竖曲线最小直径，见表6。

我国《公路路线设计规范》中通过对竖曲线的计算分析，对竖曲线的最小半径进行了要求。竖曲线设计参数分为极限值和一般值。我国规范要求的竖曲线最小半径，见表7。

德国规范最竖曲线最小直径的要求可以转化为最小半径，计算最小半径见表6。对比可以看出，德国规范要求的竖曲线最小直径转化为最小半径后均小于我国规范的竖曲线最小半径极限值，远小于我国规范规定的竖曲线最小半径一般值，可以看出我国规范对竖曲线最小半径的要求很严格。

4 横断面设计

高速公路横断面的形式和尺寸由安全要求、交通流量、施工、养护以及改建情况等因素决定。RAA指出高速公路标准横断面结构包括行车道、中央分隔带、路缘带、硬路肩和土路肩。对EKA1A标准横断面RQ43.5见图1。

4.1 行车道

RAA对行车道宽度要求为3.25～3.75 m。考虑到左侧的车道很少有重型车行驶，德国规范把行车道划分为重型车辆行车道和轻型车辆行车道。RAA对EKA1类重型车辆行车道宽度要求为3.75 m，轻型车辆行车道宽度应为3.5 m;对EKA2所有的行车道宽度均为3.5 m;对EKA3最右侧重型车辆行车道宽度为3.5 m，轻型车辆行车道宽度为3.25 m。而我国规范对高速公路行车道的宽度要求均为3.75 m，只有在内侧车道没有重型车使用时可以放宽至3.5 m。可出看出我国规范对行车道宽度要求更严格，标准更高。

4.2 中央分隔带

RAA指出对EKA1类和EKA2中央分隔带宽度为4.0 m，对EKA3中央分隔带宽度要求为2.5 m。我国《公路路线设计规范》对设计速度120、100、80 km/h中央分隔带宽度一般值要求为3.0 m、2.0 m、2.0 m。德国规范对中央分隔带的宽度要求更高，路线两侧行车道之间安全空间更大。

4.3 路缘带

RAA规定各设计等级路緣带宽度均为0.5 m，仅EKA1类靠近中央分隔带的路缘带宽度为0.75 m。与我国规范不同的是，RAA规定的路缘带分为两种，分别是靠近中央分隔带的左侧路缘带和靠近行车道外侧的右侧路缘带。每个横断面均包含这两种类型的路缘带，参考图1。我国规范仅对左侧路缘带宽度有要求，对应设计速度120、100、80 km/h，左侧路缘带宽度一般值要求为0.75 m、0.75 m、0.5 m。对比德国规范，我国对左侧路缘带的要求要稍高一些，而德国规范对左右侧路缘带宽度均有要求。

4.4 路肩

RAA对路肩的要求与我国规范一致包括硬路肩和土路肩。对EKA1类和EKA2硬路肩宽度要求为2.5 m，对EKA3硬路肩宽度为2.0 m，对各设计等级的高速公路土路肩宽度要求均为1.5 m。但我国规范中硬路肩宽度从结构上包含德国规范RAA指出的右侧路缘带和硬路肩宽度，高速公路硬路肩要求对设计速度120、100、80 km/h，硬路肩宽度一般值分别取3.5 m或3.0 m、3.0 m、2.5 m，对高速公路各设计速度的土路肩宽度要求均为0.75 m。综合考虑德国规范的右侧路缘带与硬路肩宽度，可以发现我国规范对硬路肩宽度的要求与德国规范基本一致，而德国规范对土路肩宽度的要求较高。

5 已建高速公路线形分析

对已建高速公路京港澳高速某段，利用德国高速公路设计指标下分析其线形要素。以京港澳高速河北段K88+635～K127+880段为例进行分析，该路段全长39.2 km，经过改扩建后高速公路主线采用双向八车道设计，设计速度120 km/h。

5.1 平面线形

京港澳高速K88+635～K127+880段平面线形上，该路段包含9个平曲线，最小半径5 500 m。圆曲线最小半径远远超过德国规范对EKA1B（720 m）和EKA1A（900 m）的要求，即圆曲线半径远大于德国规范对理论推荐速度120 km/h和130 km/h对圆曲线半径的要求。

圆曲线最小长度1 084.210 m，亦远超过德国规范对EKA1B（75 m）和EKA1A（75 m）的要求。

由于该路段设计上国家标准圆曲线半径大于不设超高最小半径，故没有设计缓和曲线，这一点和德国规范对仅在圆曲线转角小于9°时不设缓和曲线的规定不同。

5.2 纵断面线形

京港澳高速K88+635～K128+410段纵断面线形上，包含73个竖曲线，凸型竖曲线最小半径23 000 m，凹型竖曲线最小半径25 000 m。竖曲线最小半径远小于德国规范对EKA1B（凸型5 000 m凹型2 850 m）和EKA1A（凸型6 500 m凹型4 400 m）的要求，即竖曲线半径远大于德国规范对理论推荐速度120 km/h和130 km/h对圆曲线半径的要求。

该路段最大纵坡1.51%，最小纵坡0.28%，在最大纵坡上远小于德国规范EKA1B（4.5%）、EKA1A（4.0%）的要求，而最小纵坡大于德国规范对最小纵坡0.7%的要求。

5.3 横断面指标

京港澳高速K88 + 635 ～ K128 + 410段横断面上，全路段横断面设计为3 m中央分隔带 + 2 × 0.75 m左侧路缘带 + 8 × 3.75 m行车道 + 2 × 3.0 m硬路肩 + 2 × 0.75 m土路肩。满足德国规范路面宽度对EKA1类的轻型车辆3.5 m和重型车辆3.75 m要求。

其中左侧路缘带和行车道外侧路缘带分别为0.75 m和0.5 m，亦与德国规范EKA1类左侧路缘带0.75 m和行车道外侧路缘带0.5 m的要求一致。

德国规范定义的硬路肩不包含行车道外侧路缘带，因此该路段的按照德国标准分析硬路肩宽度2.5 m，与德国规范EKA1类硬路肩宽度2.5 m要求一致。土路肩宽度0.75 m，远小于对德国规范对各类类型公路土路肩1.5 m的要求。中央分隔带宽度3 m，小于德国规范对EKA1类中央分隔带宽度4.0 m的要求。

综上所述，横断面指标上我国与德国高速公路基本一致，仅中央分隔带宽度和土路肩宽度略小于德国。

6 结论

总体上看，德国规范RAA对高速公路等级的划分依据更加丰富科学，不仅考虑了设计速度，同时参考了路网作用和高速公路管辖权。在平面线形上，德国规范对直线的要求明确，对圆曲线半径和回旋線长度要求较为宽松。纵断面设计上德国规范对最大纵坡要求比我国规范最大纵坡要求普遍偏低，对排水设计需要的最小纵坡则更高，而我国规范对竖曲线半径要求极为严格，远高于德国规范规定的竖曲线最小半径。横断面结构上中德规范基本一致，德国规范对中央分隔带宽度和土路肩宽度要求更高一些，而我国规范对行车道宽度要求更严格。综合分析德国高速公路设计规范RAA特点，德国高速公路几何设计在平面、纵断面和横断面指标上相较我国规范总体上更为宽松，对设计指标的选取更加灵活，线形操作空间更大。

参考文献：

[1]    孙瑜，程建川. 德国公路设计标准中的新理念[J]. 中外公路，2007，27（1）：1-4.

[2]    何永明，裴玉龙. 超高速公路发展可行性论证与必要性研究[J]. 公路，2016，61（1）：158-162.

[3]    王佐，李宏斌，陈波. 欧洲高速公路几何设计规范的技术要点[J]. 公路，2008，53（9）：50-53.

[4]    王佐，王书伏. 基于欧洲（法国）标准之几何设计指标的运用[J]. 中外公路，2009，29（4）：268-275.

[5]    王志军. 法国公路路线设计规范与中国规范的比较[J]. 中外公路，2014，34（2）：9-11.

[6]    田引安. 中国与澳大利亚公路几何设计主要技术指标对比分析[J]. 铁道标准设计，2015（2）：43-49.

[7]    万国朝，林正清. 德意志联邦共和国的公路线形设计规范[J]. 国外公路，1988，8（6）：2-11.

[8]    林正清，万国朝. 联邦德国的公路立体线形设计规范[J]. 国外公路，1989，9（1）：18-22，56.

[9]    彭彦忠. 中美两国公路设计理念上的差异[J]. 中外公路，2007，27（3）：7-10.

[10]  谭红霞. 谈美中两国道路几何设计的差异[J]. 工程建设与设计，2003（11）：40-41.

[11]  FGSV202-2008，Richtlinien für die Anlage von Autobahnen[S].

[12]  JTG D20-2006，公路路线设计规范[S].

[13]  JTG B01-2014，公路工程技术标准[S].

[责任编辑 杨 屹]