高速公路超高过渡段的设计探讨

2020-05-28魏同军

工程技术研究 2020年6期

魏同军

（东营市公路勘察设计院有限公司，山东东营 257091）

近些年，我国的高速公路路网密度稳步上升，人们对于安全高效的交通出行需求也越来越高。车辆在行驶过程中经过弯道时，驾乘人员会有一种被甩出的不稳定感，这是由于车辆在圆曲线或缓和曲线上运行时会产生离心力，车速越快，这种离心力越大，不稳定感也就越强烈，轻则影响行车舒适性，重则可能威胁行车安全。横断面超高的设置可以较好地解决这个问题，而从双向路拱横坡的正常横断面形式至完全单向横坡的全超高横断面形式之间的路段，其横断面形式不能是突变的，因此需要在一定长度路段内进行超高的过渡，超高过渡段的设计直接关系到道路质量与行车体验，文章对此展开分析。

1 超高过渡段的重要性

在道路工程中，微小的路面横坡往往容易被忽视，但却是不可缺失、发挥重要功能的一种细部设计。在直线路段上，一般设置双向路拱横坡，其主要目的在于为雨天路表积水提供一个自然排出的斜坡；在圆曲线弯道路段上，一般设置单向全超高横坡，其主要目的在于部分抵消或完全消除车辆在弯道路段行驶时所产生的离心力，使车辆受力平衡；而缓和曲线弯道路段往往是设置超高过渡段的路段，这是由于在缓和曲线上曲率是变化的，即使车辆匀速驶过缓和曲线段弯道，其产生的离心力也不是常数，为了与离心力数值相匹配，缓和曲线上超高也是需要逐步变化的。只有根据实际地形条件，合理设计超高过渡段的形式、超高以及长度并与平面线形相匹配，才能使横断面由正常双向路拱横坡顺适过渡到单向全超高横坡，为车辆创造安全、流畅、舒适的行车环境。

2 超高过渡段的设计要点

2.1 超高过渡形式的选用

（1）绕中央分隔带中线旋转。在超高过渡前半段，内侧行车道维持不变，外侧行车道先绕中央分隔带边线旋转至负的路拱横坡值，即与内侧行车道横坡相同后，两侧行车道再作为一个整体绕中分带中线旋转至超高值。最终中央分隔带为倾斜状态，如图1（a）所示。

（2）绕中央分隔带边线旋转。保持中央分隔带水平状态不变，两侧行车道各自绕中央分隔带边线旋转，形成彼此独立的单向超高断面，如图1（b）所示。

（3）绕各自行车道中线旋转。两侧行车道相互独立，以各自中线为旋转轴进行超高渐变。最终中央分隔带两边缘高程不一，成为倾斜断面，如图1（c）所示。

图1 高速公路超高过渡形式

根据高速公路的设计车道数与中央分隔带宽度来选用超高过渡形式。当中分带宽度较窄（≤4.5m）时可采用绕中央分隔带中线旋转的形式，较窄的中分带便于施工中整体断面的旋转；通常情况下，无论车道数与中分带宽度情况如何，都可采用绕中央分隔带边线旋转的形式，其施工操作简单、限制小；当高速公路整体横断面较宽时（双向车道数大于4 条）可采用绕各自行车道中线旋转的形式，此时两侧行车道的边缘高程变化量不至于太大[1]。

2.2 超高值的计算

圆曲线超高值即超高过渡段终点的超高值，其选取主要根据行驶速度、圆曲线半径以及横向力系数来确定，由汽车在圆曲线上行驶时力的平衡方程式计算而得。

表1 横向力系数μ 值及圆曲线半径R 值

横向力系数μ 与弯道半径R 呈密切的负相关性。当μ 值过大时，车辆不能够连续稳定地行驶，驾乘人员会有倾覆、被甩出等不稳定的危险感。行驶速度v 是驾驶员实际中采用的行车速度，根据以往工程经验与实际调查，公路上车辆的平均行驶速度为设计速度的70%～90%，对于高速公路可以取低值[2]。采用运行速度计算超高值可以更贴近实际需求，避免过度超高。当按式（1）计算的超高值ih小于路拱横坡iG时，取ih=iG；当计算的超高值ih大于规定的最大超高imax时，取ih=imax，即保证超高既不过小而效果甚微，也不过大反而带来向弯道内侧的倾覆感。

2.3 超高过渡段长度的确定

在超高过渡形式与超高数值选定后，根据公路横断面宽度与适当的超高渐变率即可计算高速公路的最小超高过渡段长度，如式（2）所示，最后需要将计算结果与当前线形中的缓和曲线段进行对比协调，最终确定超高过渡段长度。

式中：LC为最小超高过渡段长度，m；B′为旋转轴至行车道（或路缘带）外侧边缘的宽度，m（当绕内边线旋转时B′=B，当绕中线旋转时B′=B/2，B为行车道宽度）；△i为超高坡度与路拱横坡度的代数差，%（当绕内边线旋转时△i=ih，当绕中线旋转时△i=ih+iG，ih为超高值，iG为路拱横坡度）；p 为超高渐变率，即旋转轴线与行车道（或路缘带）外边线之间的相对坡度，超高渐变率的最大值如表2 所示。

表2 最大超高渐变率

在进行超高过渡段设计时，在确定的超高过渡形式下，根据该高速公路的设计速度与横断面设计（行车道宽度、双向路拱横坡度），由式（2）可计算得在此设计条件下的最小超高过渡段长度。为了便于施工测量，计算结果取5m 整倍数的近似值，并且最短长度为10m。

式（2）的意义在于，在合适的超高渐变率下，保证一定长度的超高渐变段以使横断面横坡形式平滑地转变，从而使整个道路三维线形合理顺适，其设计出发点是确保车辆顺畅行驶。但是这并不意味着超高渐变段越长越好，表面上看更长的超高渐变段或是更小的超高渐变率能够使车辆在行驶过程中更加平稳顺适，但随之而来的是横坡小于1.5%甚至接近0 的路段长度明显增加，这将导致该路段雨天排水不畅，滞留的雨水无法通过横坡排至边沟，车辆在这样的环境下进行高速转弯是很危险的[3]。故需要注意的是，公路排水要求中最小坡率为0.3%，则公路横断面由正常双向横坡转变至平面坡的超高渐变率必须大于0.3%，即1/330。

因此，在进行高速公路超高过渡段设计时，要根据工程实际情况选择合适的超高过渡段长度LC，并且要协调其与缓和曲线段长度LS的关系，一般有以下三种情况[4]：

（1）超高过渡段等于缓和曲线段。在公路路线设计规范中，一般在规定缓和曲线长度时，已经将超高过渡段需要的最短长度作为其中一个限制条件，因此在常规情况下，各线形指标均符合规范要求、处于良好范围内，可以取超高过渡段长度LC与缓和曲线段长度LS相等，即LC=LS。

（2）超高过渡段大于缓和曲线段。在实际工程中，在地形有所限制的路段，缓和曲线的长度可能较短，如果此时计算的LC＞LS，应该尽量调整道路平面线形，适当减小圆曲线长度，使缓和曲线段能够完全覆盖超高渐变段，即LC≥LS；倘若在地形较为极端的条件下，线形调整余地很小，此时可从缓和曲线段之前的直线段开始进行超高过渡，将超高过渡段起点前移，即超高过渡段包含部分直线段与完整缓和曲线段。

（3）超高过渡段小于缓和曲线段。在选定的超高渐变率下，计算得超高过渡段长度可能较小，若直接采用此设计方案，此时缓和曲线断段虽可以完全覆盖超高渐变段但有富余的部分，该部分横断面采用的仍是正常的双向路拱横坡，使得道路的平面线形与横断面不够匹配。因此，在这种情况下，只要超高渐变率p≥1/330，能够满足基本的雨天排水需求，仍然取LC=LS。本质上是适当降低超高渐变率，换取更长的超高过渡段长度使之完全匹配缓和曲线段，从而使道路线形与横断面整体上相适配。