谈城市道路的纵断设计

薛俊宽 中铁十二局集团有限公司勘测设计分公司

1 概述

随着近年来城市的快速发展，老城区在努力改建，新城区域在飞速外扩建设，这一切都离不开城市道路这个载体，而在道路工程设计中，纵断设计是城市道路设计中最重要的一部分。在城市总体规划或控制性规划中，市政道路的平面线形、横断面宽度甚至路面形式都已经确定，可进行调整的余地有限，但是道路纵断设计却是千变万化，可以设计出许多不同方案，如何使道路竖向设计更科学、更合理、也更符合实际情况，这就是本文研究的问题，下面我从几个方面来谈谈纵断设计。

2 一般规定

2.1 设计高程

城市道路设计高程是指道路中心线上的路面高程，对于有中央分隔带的道路，则以中央分隔带外侧边缘的路面高程为设计高程。

2.2 基本原则

纵断设计必须符合GJJ 37—2012《城市道路设计规范》中的有关规定和标准。

纵断设计应参照城市竖向规划控制高程，并适应地块开发（临街建筑），保障沿线范围内的地面水可以顺畅排除。

纵断设计还应对沿线地形、地下管线、地质、水文、气候、绿化和环保等因素综合考虑，根据具体情况加以处理，以保证道路的稳定和顺畅。

2.3 纵坡

当纵断面上两条坡度不同的相邻纵坡线相交时，就出现了变坡点。汽车在坡点上行驶时不舒适的，甚至是危险的，固在变坡点处必须将前后相邻坡线用舒缓的曲线连接起来以利于行车。这条连接相邻坡线的曲线叫做竖曲线。我国竖曲线习惯采用圆形曲线，竖曲线开口朝下成为凸型竖曲线，开口朝上称为凹形竖曲线，见图1。

图1 竖曲线示意图

2.3.1 最大纵坡

根据汽车的动力性能、拖挂汽车与非机动车行驶的需要及行车速度、行车安全以及考虑工程经济、社会经济等因素，具体取值参照《城市道路路线设计规范》表7.2.1。

新建道路不应大于最大纵坡的一般值，对于改建道路、地形受限或特殊情况，最大纵坡可适当放宽到极限值。

非机动车道最大纵坡不宜大于2.5%，困难时不应大于3.5%。

2.3.2 最小纵坡

为确保路面排水迅速，规范规定城市道路最小纵坡应大于或等于0.3%，当困难或特殊情况纵坡小于0.3%时，在排水设计时将雨水口间距加密以利排水。

2.4 坡长限制

城市道路的车流日愈增大，为保证车辆在上坡路段交通不会受到明显的妨碍，大型车的行驶速度不致于降低到设计车速的50%，需对不同纵坡的坡长加以限制，纵坡长度限制见《城市道路路线设计规范》表7.3.1和表7.3.2。

道路最大纵坡及坡长不应轻易采用，但针对山西省地形地貌特点，个别城市地势变化较大，为争取高度、缩短路线长度或考虑到工程经济巨大等不得已时可采用。

道路连续上下坡时，应在不大于表7.3.2 规定的纵坡长度之间设置缓和段纵坡，坡度不大于3%，长度不小于最小坡长。

3 竖曲线

3.1 竖曲线要素

城市道路设计中的竖曲线可分为圆形曲线、二次抛物线和三次抛物线。通常在设计中习惯采用圆形曲线，圆形曲线的组成各要素如图2所示，各要素可按以下公式计算。

式中：

R——竖曲线的半径，m；

i1、i2——相邻纵坡度，上坡为正，下坡为负；

ω——相邻纵坡的代数差；

T——竖曲线切线长度，m；

L——竖曲线的长度，m；

E——竖曲线的外距，m；

图2 竖曲线的要素

设计时，按折线计算出的纵断面设计高程为未计竖曲线之设计高程；设置竖曲线后，竖曲线内所在路段的设计高程在未计竖曲线之设计高程的基础上加以修正，此改正值为y，即：

在凸型竖曲线内：

在凹形竖曲线内：

3.2 竖曲线上最低（高）点

竖曲线上最低（高）点的位置对城市道路设计具有相当大的作用。例如在道路排水设计中，对于凸型竖曲线，以最高点为中心对称布设雨水口最理想，而对凹形竖曲线在最低点处多布设雨水口，排水效果是最好的。在桥梁尤其是立交桥布位时，合理确定最高点或最低点的位置，可以缩短桥梁的长度，且可以降低桥顶高程，从而降低工程造价。

3.3 竖曲线半径

竖曲线设计时，应当合理选择半径，与平曲线的半径一样，其半径越大越好。在增加工程量不大的情况下，应尽量选取较大的半径值，尤其是凹形竖曲线，应避免选用竖曲线最小半径。

夜间行车时，汽车在小半径竖曲线行驶时，视距无法保证。具体表现为在小半径的凸型竖曲线上，汽车前照明大灯的灯光高出远处路面，难以照射到高度较低的路面障碍物；而在小半径的凹形竖曲线上，前照明大灯在路面上的照距较短，影响视距。

竖曲线极限最小半径值的确定是由车辆缓和冲击和确保视距而计算的。一般而言，对于凸型竖曲线，当设计车速＞40km/h 时，竖曲线最小半径由视距要求来控制；当设计车速≤40km/h 时，竖曲线最小半径由缓冲要求来控制。对于凹形竖曲线，竖曲线最小半径由离心力因素来控制。

根据工程实例，当纵坡值较小，特别是改建项目中纵坡小于等于0.3%，竖曲线半径采用一般值时，在竖曲线段的纵坡变化过小，易造成路面积水产生不利影响，故可以采用规范规定的竖曲线最小极限半径。

4 平纵组合

城市道路的线形，综合而言是立体的，由平面与纵断面两种线形组合起来的立体线形而映入驾驶员的眼帘。对于一条道路线形单从平面上看，设计指标比较高，也符合规范；单从纵断面看也不存在什么问题。如果平曲线型要素与竖曲线要素配合不当，也不会得到良好的线形，无法适应驾驶员的运动视觉和心理效应的要求，必将降低道路的安全性、舒适性及通行能力，严重时还有可能增加交通事故。因此，平面线形与竖曲线组合设计中应注意以下基本要求。

4.1 竖曲线与平曲线应相互重合

竖曲线与平曲线应相互重合，且平曲线稍长于竖曲线，这种组合是比较完美的组合。竖曲线的起点、终点分别放在平曲线的两个缓和曲线内，形成所谓的“平包竖”。

4.2 竖曲线与平曲线大小应均衡

竖曲线和平曲线，其中一方多大过小，不仅浪费工程费用，也会造成行车的不舒适。在道路设计过程中，如果能做到遵守“平曲线以竖曲线为先导”的原则，则大致保持了两种线形的均衡。根据国外的工程设计经验，在平曲线半径小于1000m的情况下，一般竖曲线的曲率半径为平曲线半径的10～20倍，即可取得均衡。

4.3 选择适当合成坡度的线性组合

城市道路中合成坡度的最大值规定为8%，最小值宜在0.5%左右。

纵坡过大的路段，又遇上小半径的平曲线，易导致车辆在冬季结冰期危险系数增大，引发安全事故。反之，合成坡度过小，路面积水严重，汽车受到溅水干扰，会阻碍行车速度，特别是市区立交桥的合成坡度过小时，还会对桥下的行车造成不利影响，甚至危及安全。

4.4 避免在不适当的位置插入急转平曲线

城市道路设计中避免在凸型竖曲线的顶部和凹形竖曲线的底部插入急转弯的平曲线，前者是在没有视觉诱导而必须急转方向，后者是在超出汽车行驶速度的地方需急转方向操作，两者都是易引发危险的设计。

5 结语

城市道路是城市的重要组成部分，经过上述分析，可见纵断面设计对城市道路的重要性。因此，在城市道路工程领域发展中，纵断面设计要结合各方面综合因素（规划、现状、水文、地质、管网等）进行考虑，做到科学设计、经济合理、运行高效，为现代城市发展提供积极、可持续发展的基石。