轨道交通与城市道路共线设计要点探究

李振华

（长沙市公共工程建设中心，湖南 长沙 410008）

0 引言

伴随着城市规模的快速扩张， 城市交通压力逐渐扩大， 很多城市在规划时为了缓解巨大的交通压力， 尝试对城市内轨道交通与道路交通进行共线设计，提升城市交通效率。 轨道交通与道路交通共线设计是一个非常复杂的问题， 相关工作人员需要深入了解共线设计的难点， 并结合城市实际情况以及车辆行驶的特点， 制定切实可行的共线设计方案。

1 共线设计难点

与传统的“平铺式”道路设计方式相比，共线设计更为合理， 不仅能够减少对于城市空间的占用，还可以减少对于土地的分割，保障土地的完整性，其施工难度以及施工成本也显著降低，是一种十分科学、 经济的城市道路设计方案。 实际工作中，影响道路设计的因素众多，在多种外部因素的综合作用下， 轨道交通与道路交通共线设计面临着诸多难题。

（1）轨道交通与城市道路交通属于不同的交通系统，因此这两种交通系统在设计标准、构造物建设、 产权归属以及运维等方面均存在显著差异，如果方案协调出现问题，会干扰彼此的正常运行[1]。

（2）共线设计对于选址的要求很高，一旦出现共线走廊选址不合理问题，需要花费大量的时间与资金进行拆迁工作，导致施工成本飙升。

（3）轨道交通与城市道路交通共线工程施工跨度大，施工步骤众多，如果施工时序协调不合理，很容易出现工期延误问题。

（4）城市地形地貌变化以及地线关系分布十分复杂，共线路段可能包含大量的涵洞、管线、地下设施，导致施工难度大幅度提高，如果对施工难度预估不足，会导致工程量频繁变更。

2 平面指标与线型匹配

2.1 直线

（1）最大直线长度

如果直线道路设计得过长，会使驾驶员产生视觉疲劳，特别是在夜间行车过程中很容易受到对面车道车辆远光灯的影响，威胁行车安全。 因此在进行共线设计时， 相关工作人员要依照JTG D20—2017《公路路线设计规范》，根据实际情况对最大直线长度进行灵活调整[2]。 而在轨道交通系统中，由于车辆行驶过程中不会出现频繁变换轨道、超车等操作，因此只需要考虑车辆行驶条件，对于直线最大值没有限制（表1）。

表1 共线设计最大直线长度对比

（2）最小直线长度

道路设计中，将具有相同转向的相邻曲线叫做通向曲线，反之叫做反向曲线（图1）。 相邻曲线之间需要设计一段直线， 确保车辆能够平稳驶过弯道， 而反向曲线与同向曲线之间设计的直线的距离，被称为最小直线长度。

图1 夹直线示意

对于城市道路系统而言，影响同向曲线与反向曲线之间的夹直线长度的因素不同。前者主要考虑道路线型的连续性以及驾驶员是否会产生视觉错觉，如果夹直线过短，在视觉上容易造成“断背曲线”问题，进而导致司机误操作。后者主要考虑道路加宽或者超高情况下， 是否会对驾驶员带来不便，其夹直线长度设计应大于设计速度的2 倍。

对于轨道交通系统而言， 由于其运动路径固定，因此只需要考虑线路运维成本、车身摇晃程度等因素，对于夹直线最小长度并没有硬性要求。 需要注意的是，当列车驶入反向曲线路段，列车驶入后一段曲线，车轮对于轨道的压力会加强，使得车辆横向加速度变大，为了提升列车舒适性，要根据实际情况适当延长夹直线长度，避免车轮在直缓点与缓直点出现振动叠加现象。

2.2 圆曲线

在设计道路系统圆曲线过程中， 要根据车辆横向稳定性确定最小圆的半径，确保车辆进入圆曲线路段之后，不会出现侧滑甚至倾覆问题（图2）。

图2 曲线平面车辆受力示意

根据曲线平面车辆受力原理，计算车辆行驶过程中横向力系数，见式（1）：

式中：R 表示圆曲线的半径，μ 表示横向力系数，V表示车辆行驶速度，in表示车辆超高值。 设计车辆时，为了确保车辆行驶的安全性，会将车辆的重心设计在较低的位置，在没有超载的情况下，车辆不会在发生侧滑的情况下倾覆。 因此，只要确保车辆的横向力系数不高于车辆横向摩阻系数，就能够确保车辆的横向稳定性。

轨道交通系统在设计圆曲线时，决定最大半径数值的主要因素是施工、维护成本，圆曲线半径与曲率之间存在反比例关系， 当圆曲线半径增加时，建设以及维修线路的成本也就随之提高，而正矢值决定着圆曲线轨道的建设、运维成本[3]。

公式（2）中，变量f 为圆曲线的正矢值，l 为圆曲线弦长，R 为半径。R 的数值越大，f 数值越小。因此设计人员需要对R 进行严格控制， 确保其数值不会超过12 000 m（表2）。

表2 共线圆曲线最大半径

3 纵断面指标与线型匹配

3.1 纵坡

轨道交通与道路交通共线设计中，其纵坡设计较为复杂，需要综合考虑车辆动力、驾驶安全、设备维护成本等多种因素。 对于道路交通系统而言，其纵坡的最大坡设计，需要考虑车辆驱动力以及道路通行能力。 其中车辆驱动力的计算公式见式（3）：

公式（3）中，变量P 代表车辆发动机的实际功率，V 代表车辆行驶速度，μT则表示传统系统的机械效率。 需要注意的是，如果公路位于高海拔地区，需要考虑当地的温度、空气密度等因素对机动车运行状态的影响，当机动车驱动力降低，其爬坡能力也相应减弱，需要对坡度进行灵活调整。

3.2 最小纵坡理论及匹配度分析

道路交通系统中， 设计人员在计算最小坡度时，需要考虑排水问题。 如果共线道路横向排水不畅，则需要严格规定共线道路的坡度最小值。 特别是共线道路中的低填方、长路堑等区域，很容易出现排水不畅问题。 为了避免路面出现积水，保持路面的平整性，需要对纵坡角度进行严格控制，确保该数值处于0.3%～0.5%。

轨道交通系统中， 如果共线区域处于高架桥段，则在设计路线时可以不考虑最小纵坡因素，采用平坡设计。 如果共线区域处于隧道区域，则要根据该区域地下水系发育情况，对纵坡的坡度进行严格控制，确保纵坡大于0.3%，而针对路堑部位，纵坡的坡度要大于0.2%， 确保纵坡排水能力满足安全需求[4]。

轨道交通系统与道路交通系统共线设计，如果二者均处于桥梁部分， 或者共线走廊位于干旱区域，则不必考虑最小纵坡限制。 如果共线区域为路堑或者低填方路段， 或者该区域地下水系较为发达，则需要确保纵坡的坡度高于0.3%，如果因为地形因素无法满足最小坡度要求，则要在该路段设计额外排水装置，确保共线路段排水能力满足需求。

4 共线平纵组合设计

4.1 道路交通系统

大多数共线设计中的公路设计速度大于60 km/h，为了确保车辆行驶安全，需要对平面、纵断面组合问题给予高度重视。设计道路时需要考虑平纵结合对于驾驶员视野的干预与引导，确保驾驶员具有连续的视野， 在此基础上要保证共线路段具有良好的排水能力，并要注意道路两侧景观的组合，防止驾驶员出现视觉疲劳现象。 以“平包竖”为设计原则，对平曲线与竖曲线进行合理布置，确保共线路段平稳、顺畅。

4.2 轨道交通系统

对于共线走廊中的轨道交通系统而言，其竖曲线轨道顶面的高程并不固定，同时缓和曲面外的高程高于顺坡率，因此当二者叠加时，提高了轨道高程精度控制难度。 针对这一问题，设计人员需要坚持“缓和曲线与竖曲线不重合”的设计原则，将两种不同的曲线错开布置。 实际设计过程中，可以根据共线区域的具体情况，采用“竖曲线+直线”“圆曲线+直线”“缓和曲线+直线+竖曲线”等组合，丰富平纵组合方式，在确保列车安全的基础上降低线路维护成本。

5 结语

轨道交通系统与道路交通系统共线设计，是优化城市交通体系， 提升城市空间利用率的有效措施。 随着城市规模的逐步扩大，共线设计所面临的外部情况变得更加复杂，为了确保轨道交通与道路交通共线走廊能够发挥出应有的作用，相关工作人员需要对共线设计中的纵断面指标与线型匹配，以及平面指标与线型匹配等问题进行深入研究，提升共线设计水平。