高速公路线形设计研究

崔龙飞

（南阳通途公路勘察设计有限公司，河南南阳473000）

1 引言

随着国内高速公路的不断发展， 其安全问题越来越突出。 导致高速公路出现事故的因素之一是线形设计不合理。高速公路的线形是高速公路设计时的骨架，对其整体走向和形态都有重要影响[1]。 线形设计是否科学合理对高速公路的建设质量有重要影响， 其不仅对高速公路服务质量有影响，也对行车安全有重要影响。 因此，针对高速公路线形开展进一步的研究，对降低高速公路事故率，提高高速公路安全性有重要意义。

2 高速公路线形设计基本理论

2.1 基本概念

线形设计是高速公路设计的核心内容之一，涉及平曲线、竖曲线、横断面等多个方面，具体包括直线段、曲线段、弯道、坡道等要素，以及它们之间的组合和过渡方式。 线形设计的基本目标是保证车辆行驶安全、舒适度和通行效率[2]。

2.2 基本原则

线形设计应遵循一系列基本原则， 以确保设计的合理性和有效性，主要有以下几方面内容。

1）安全性原则：安全是高速公路线形设计的首要目标。 进行设计时，应充分考虑驾驶者的视觉和心理特点，通过合理设置平曲线、竖曲线和横断面，提供清晰的方向指引，避免急转弯、陡坡等危险路段的出现。 同时，应注重与交通工程、交通安全设施的配合，以提高道路的安全性能。

2）舒适性原则：高速公路线形设计应充分考虑驾驶的舒适性。 在设计中，应注重线形的连续性和协调性，减少不必要的起伏和振动，降低车辆的能耗和磨损，提高行驶的舒适度。同时，应注重景观设计和环保要求，减少道路对环境的破坏和污染。

3）连续性原则：线形的连续性是保证车辆顺畅行驶的重要因素。 在高速公路线形设计中，应保持线形的连续性和一致性，避免线形突变和断点的出现。 同时，应注重与周围环境的协调，使道路与地形、地物相融合，提高行驶的流畅性和连续性。

4）经济性原则：经济性是高速公路线形设计的重要考虑因素之一。 在满足安全、舒适和通行效率的前提下，应合理利用资源和资金，降低道路建设和维护的成本。 同时，应注重设计的合理性和科学性，避免不必要的浪费和重复建设。

2.3 影响因素

线形设计受到多种因素的影响，包括地形、地质、环境、气象等自然因素，以及交通量、车辆类型、道路等级等社会经济因素。 在实际设计中，应充分考虑这些因素，进行科学、合理的设计，以满足使用要求和安全性能。 同时，线形设计还需考虑施工难度、工程造价等因素，力求实现经济、合理的设计。

1）地形条件。 地形是线形设计的基础，不同的地形需求不同的线形设计。 平原地区由于地势平坦，视野开阔，适宜进行大半径的曲线设计，并且直线段较长，设计时可以考虑设置较高的时速限制，提高道路通行效率；山区或丘陵地带由于地形起伏较大，存在较多的障碍物，需要绕行或采取特殊的线形设计，设计时需充分考虑爬坡车道、隧道、桥梁等结构物的设置，以及陡峭纵坡的控制。

2）交通条件。包括交通量、车辆类型和道路等级等。其中，交通量的大小直接决定了道路的通行能力和线形设计等级，在线形设计时，需满足不同交通量的行车需求，如设置合适的车道数、 交叉口设计等； 不同类型和大小的车辆对道路的宽度、坡度、转弯半径等要求不同，在线形设计时，需要考虑大型车和小型车混合行驶的情况，提供适应各类车辆的线形设计；不同等级的道路具有不同的设计标准和要求， 高速公路通常要求全封闭、全立交，具有较高的标准和安全性能要求。

3 平面线形设计

高速公路平面线形设计是高速公路设计中的重要环节，它直接影响着道路的安全性、舒适性和通行效率。 需全面考虑地形、地质条件，确保线形与地形相适应，减少大填大挖，保证道路的稳定性，同时，需合理运用平曲线、竖曲线等线形要素，确保车辆行驶轨迹的连续性和协调性，避免急弯、陡坡等不利情况[3]。 JTG D20—2017《公路路线设计规范》已对高速公路平面设计做出相关技术要求，但在具体设计时，还需注意以下内容。

1）平曲线和直线的组合应合理，确保地形条件和线位尽可能相协调。 对于部分特殊地区，为避免占用农田，减小里程，可根据实际情况采取一定距离的长直线线型；但一般情况下，应控制直线长度小于20 倍设计速度。 平曲线设计时，可通过合理搭配组合平曲线和直线的方式避开重要区域， 以贯彻环保节约理念。

2）若现场条件允许，平曲线的圆曲线半径应尽可能采用较大值；若现场地形条件受限，应设置2%～4%的路面超高；若遇到条件恶劣地区，应谨慎采用圆曲线最小半径一般值，并协调好前后线形的关系，确保平纵面线形组合合理可靠[4]。

3）应尽可能以缓和曲线形式设计回旋线，且在确定缓和曲线长度时综合考虑超高渐变的影响， 假定A 与B 分别表示缓和曲线的长和与之相连接的圆曲线半径， 则A 与B 的关系应该满足B/3＜A＜B，确保各项指标具备一定的协调性。 若在设计时需采用S 形曲线， 则与圆曲线相连的两段缓和曲线长度应尽可能保持一致， 若受限于现场条件难以确保两者相等时，需满足规范建议的比例要求。

4）对于位于隧道洞内外3 s 行程长度范围内的路线，在平面线形设计时所采用的圆曲线或直线应尽可能保持一致；若受限于现场条件而难以保持一致， 则所用竖曲线和平曲线半径应尽可能大， 并以较缓坡度进行过渡， 以确保视距满足要求，并辅以相应安全措施。

此外，对高速公路行车安全而言，平曲线偏角也是重要影响因素之一。从相关研究可知，平曲线偏角宜设计为15°～25°。在20°的平曲线偏角下，前方路线可清晰地在驾驶员视距范围内，此时行车安全系数较高。 若在较大的平曲线角下，驾驶员的视野受限，部分视野脱离清晰视野范围，此时驾驶员视野受限，事故率较高，设计时需设置线形诱导设施。 平曲线偏角应结合现场条件考虑，不可过大或过小。 一般宜采用20°以下的偏角，并且偏较小时应验算平曲线长度。

4 纵断面设计

设计高速公路纵断面时， 需先考虑地形与地质条件，再考虑土石方和路基填挖方量等， 并兼顾桥隧等其他设施的工程量，使纵断面设计连续且均匀。 在具体设计时，应注意以下内容。

1）一般情况下，纵断面坡度应小于或等于4%，且需综合考虑地形条件合理设计坡长及坡率，尽可能减小工程规模。

2）对于连续上下坡段，应尽可能避免使用最大坡度值，若所设计纵坡坡长达到限制长度， 应相应设置2.5%以内的坡度，且长度大于规范推荐最小坡长。 对于连续下坡段，还需避免出现坡底连接小半径平曲线的线形组合[5]。

3）进行高速公路桥梁设计时，应尽可能采用较缓的坡度。其中，小桥涵有较好的纵坡适应性，中桥等则应控制纵坡小于4%，若现场条件允许，建议将纵坡坡度限值确定为3.5%；应尽可能避免在凹曲线上设置桥梁。

4）对于隧道而言，其出入端口3 s 行程内的纵面线形应尽可能保持一致，若在隧道洞口处设有竖曲线，则所设计的竖曲线半径应尽可能使用较大值，以起到增加视距长度的效果。 隧道内纵坡适宜采用单向坡，当隧道长度较长时，应设计为人字坡以便于排水和通风。

其中， 连续长大纵坡的设计对高速公路行车安全影响较大。 对于长大纵坡上坡段，一般仅需将爬坡车道设置在容许低速超出运行速度的路段， 以避免重型车低速行驶影响道路服务质量即可。 但对于长大纵坡下坡段，因行驶车辆制动较为频繁，容易出现制动器高温失灵影响行车安全的情况。 因此，在设计时需尤为注意以下几点：

1）线形设计时严格把关坡长及纵坡度，将长大纵坡段运营安全作为重要因素考虑；

2）避免最大纵坡值连续且集中出现，避免车辆在短期内多次使用车辆制动器；应尽量控制路段平均纵坡接近纵坡值，以利于车辆通过档位对速度进行控制；

3）若路线设计时出现长直线，或从大平面曲线剧烈过渡到小平面曲线的路段，若驾驶员前期未对行驶速度加以控制，将导致线形指标减小时驾驶员需通过紧急制动控制车速。 因此，为避免出现此现象，在线形设计时应确保各项指标尽可能均衡。

5 平纵面线形组合

合理的平纵面组合能够确保线形流畅、视线连续，为驾驶者提供清晰的行车指引， 同时减少不必要的工程量和建设成本。 因此，重视并优化平纵面组合设计对于提升高速公路的整体质量和效益至关重要。

平、竖曲线的布置需保持相对应，且竖曲线应比平曲线短（即“平包竖”），圆曲线应比竖曲线短（产生“竖包圆”的效果）[6]。若圆曲线及竖曲线半径分别在2 000 m 和15 000 m 以下，则应严格控制好平纵组合， 若平曲线及竖曲线半径分别在6 000 m 和25 000 m 以上，考虑到有较好的视觉效果，可相应放松平、竖曲线的对应关系。 此外，在具体设计时，还需重视以下两点内容：一是技术指标均衡：平纵面线形组合应保持技术指标大小均衡，避免出现线形扭曲、突变或隔断等不良现象。同时，应合理选择合成坡度，以满足路面排水和行车安全的需求；二是线形流畅性。 在平纵面线形组合设计中，应避免出现急转弯、断背曲线等不良组合，保持线形的连续性和流畅性。同时，应避免长直线与陡坡或半径小且长度短的竖曲线组合，以及短平曲线与短竖曲线组合等不良情况。

6 结语

高速公路线形设计是高速公路建设中的重要环节， 它直接关系到道路的安全性、舒适性和经济性。 通过科学合理的线形设计，可以充分利用地形、降低工程造价、提高道路通行效率，同时为驾驶员提供安全、舒适、美观的行车环境。 在高速公路线形设计中， 需要综合考虑多种因素， 包括道路的使用功能、地形地质条件。 本文从高速公路平曲线、竖曲线和平纵线形组合设计出发，详细探讨了高速公路线形设计要点，有利于实现线形的连续性、流畅性和协调性。