高等級公路線形設計問題的探討

楊繼禹

(黑龍江省龍建路橋第二工程有限公司)

進行線形設計時,不應受線性要素各種最小值的約束,而應根據設計條件、地形條件等盡可能地采用較高的技術指標,還必須把平、縱面組合起來從立體線形的好壞加以充分的研究。在實際工作中,基本上是依據著《公路工程技術指標》和《公路路線設計規范》進行設計的。因為它是吸取了國外修建高速公路的先進經驗并與我國的具體情況相結合而確定的。將標準、規范中的具體要求與實際情況相結合,做到因地制宜、不生搬硬套是設計人員需要關注的問題。

1 公路線形設計的重要性

(1)應從行駛力學上保證汽車行駛安全、舒適,從營運費用等方面保證經濟性。

(2)從駕駛員的視覺心里方面來看應是良好的,應具有三維空間的外觀,看起來舒順、連續和可以預知,而且不應出現急劇的起伏或者扭曲的線形。

(3)應與公路周圍的環境及景觀協調融洽。

(4)應與地形、地物、土地利用規劃等自然條件及社會條件相適應,施工方便,維修費用、養護費、管理費用經濟合理等。

(5)注意線形要素與其他設施間的相互平衡協調,如直線、圓曲線、緩和曲線組合協調;縱坡線與豎曲線間的組合協調;平面線形與縱面線形的組合協調;路線與公路構造物、沿線設施間的協調等。

2 路線平面線形設計

2.1 直線

直線是兩點間最簡捷的路線。過去在設計中往往偏重于設置較長的直線。特別是設計山區公路時,爭取有較長的直線,往往是工作的重點。但是直線的幾何形態靈活性差,有僵硬而不易協調的缺點,所以難以適應地形的變化。而且過長的直線易使駕駛員產生倦怠;注意力不集中,甚至感覺遲鈍,反應緩慢,難以準確目測車間間距,增加夜間車炫目的危險,還會導致超高速行駛狀態,這些均易造成事故。

國外在修建高速公路時,早期的高速公路多以直線為主,長直線采用的比較多。通過行車運營和經驗總結,認識到直線不容易與地形、地物配合,對駕駛員有生理和心理上的不良影響。而曲線能較好地與地形配合,可減少工程和建設費用;同時,曲線能較好地與風景協調,使景觀優美;曲線方向富于變化,使駕駛員駕車高速行駛時,注意力集中,因此,在高速公路平面線形上,就采用了曲線為主體的設計原則。另外有人認為兩點之間曲線總是比直線長,如采用曲線過多無形中將路線距離增長了,曲線比直線長,這是毫無疑問的,但也不是人們所想像的長得多,經過計算,一條路線完全用曲線與完全用直線比較,路線距離增長是有限的,而且主要與偏角大小有關,與平曲線半徑大小關系數較小。

從以上國內外的經驗中可以看到,現代高速公路的平面線形均強調了以曲線為主的線形設計,而對直線特別是長直線均持否定態度。在《公路路線設計規范》中,對直線的長度也給予了限制。直線的長度一般不宜超過設計車速的 20倍。并要求在長直線兩側地形過于空曠時,以栽植不同樹種,設置風格各異建筑物等方式,減輕景觀單調的感覺。同時,在強調線形設計曲線為主的情況下,要從客觀條件出發、實事求是,不能生搬硬套,一味地追求以曲線為主,增加不必要的工程量和工程投資。綜上所述,在高速公路和一級公路的平面線形設計上,要以曲線設計為主,力求線形與地形、地物的協調配合,保持線形的連續暢通,美觀協調。同時又要結合地形,實事求是,從實際出發做出符合當地客觀條件的設計。

2.2 圓曲線和緩和曲線

(1)一般情況下采用極限最小半徑的 4～8倍或超高為2%～4%的圓曲線半徑為宜。

(2)由于自然條件受限制時,應盡量采用大于或接近一般最小半徑的圓半徑。

(3)只有在自然條件特殊困難不得已時,方可采用極限最小半徑,以滿足汽車運動學上的安全要求,但必須在一定路段設法使曲線半徑逐漸變小或者在進行布置上,使駕駛人員能事先意識到前面有急轉彎。

(4)圓曲線半徑過大以致使駕駛員感到與直線并無區別時,也無實際意義,因為最大半徑一般不宜超過 10000m。

選用半徑時,為適應地形應盡可能采用大半徑曲線,并考慮研究前后線形要素間的相互關系,考慮線形所有指標的均衡。同時要特別注意斟酌平曲線同縱坡的關系,勿使小半徑曲線與陡坡重合。為了使汽車從直線段或從大圓曲線到小圓曲線平順地行駛,為了曲率的緩和、路面橫坡變化的緩和等,必須設置緩和曲線。汽車按等速行駛,轉向盤等速轉動所產生的軌跡與回旋曲線基本是一致的,所以公路上用回旋曲線作為緩和曲線,其優越性為:①容易適應自然地形,并且增加了線形設計的自由度;②增加線形美觀,線形變得平順,適合駕駛員視覺心理上要求,有利于安全舒適運行,增加乘車人舒適感。因此,在線形設計中應把回旋曲線作為主要線形要素加以運用。

由于回旋曲線型的緩和曲線能適應各種地形、地物條件,選定路線時,對圓曲線或直線都不能適應的地形、地物情況下,可考慮采用回旋曲線的緩和曲線以達到目的。有些國家在高等級公路設計中,為了視覺和適應地形、地物等的需要,采用的回旋曲線與圓曲線長度之比為 1∶1,即在平曲線長度中,圓曲線和回旋曲線各占一半。但是,在國內有些公路設計上,采用較長的回旋曲線時,不是為了適應地形、地物或視覺的需要,而是單純的消除圓曲線間的直線。還有的由于采用較長的回旋曲線,而且又限于轉點間的距離不足,不得不采取減少曲線的半徑來適應,這些做法都是本末倒置的。因為平面線形標準中主曲線半徑的大小是首要的,如果主曲線半徑太小,《公路工程設計標準》規定的緩和曲線最小長度和超高緩和率所需的緩和曲線長度,在任何情況下都必須滿足。如視覺誘導需要,又不過分增加工程量,可采用按視覺條件要求的緩和曲線長度,地形、地物等特殊需要時,可根據實際情況采用比較長的緩和曲線。

在設計高等級公路時,也遇到如何設置緩和曲線及圓曲線的關系問題,開始也只是按照《規范》的要求,設置最小緩和曲線長度,經過學習國內外的經驗,逐步提高了對緩和曲線作用和應用的認識,采用了結合地形設計緩和曲線,運用回旋曲線形進行線形設計。在實際工作中要充分發揮這一線形的特點,并和實地情況密切結合起來,設計中要反復選擇、比較、精心設計,以達到切合實際的設計效果。

3 平面和縱斷面組合設計

高速公路的線形應具有連貫性和駕駛員視覺上的安全感及舒適感。因此,路線線形設計不但要注意與周圍的地形景觀相協調,同時要考慮平面線形、縱斷面線形及橫斷面構造三方協調,切實做好平面和縱面相結合的設計。線形組合設計總的要求是在滿足汽車運動學和力學要求的前提下,研究如何滿足視覺和心理方面的連續、舒適與周圍環境的協調和良好的排水條件。基本原則是能在視覺上自然地誘導駕駛員的視線,并保持視覺的連續性。在視覺上能自然地誘導駕駛員視線是組合平、縱線形最根本的要求。

平、縱組合設計是否協調,形成的道路景觀是否連續順暢,有無路面扭曲現象,在設計階段均可采用透視圖的方法檢驗。通過繪制道路透視圖,可以發現設計上存在的問題,對平、縱線形進行調整,以達到良好的景觀效果。若在施工后再發現問題,要想糾正就為時已晚。現在國內設計單位道路透視圖已從簡單 PC-1500計算機繪制的簡單透視圖,發展為微型計算機繪制全景透視圖和三維動態透視圖,這樣對保證高等級公路的線形設計達到美觀協調,景觀舒展順暢起到了重要的作用。

平面線形與縱斷面線形的組合設計,是線形設計的最后階段。由于公路標準不同,線形組合設計的必要性也不一樣,在各級公路中,設計上很注意平、縱的配合問題。基本上按以上平、縱組合設計的要求和方法去做設計,使設計的公路在景觀協調,線形順暢方面達到良好的效果。但是,在有些道路的設計上,只注重了平、縱組合設計,使得工程量增加的較多。對于設計車速較低而且有混合交通的道路,道路景觀問題較之高速公路等設計車速較高的公路,對駕駛人員的影響要小得多。因為在這些道路上橫向、縱向干擾較多,分散了駕駛員的注意力,景觀對他們的影響較少。因此,在客觀條件允許的情況,做到平、縱組合的完美協調是可取的,片面強度平、縱配合,而增加工程量過大,則是不提倡的。在平、縱組合設計上,應該做到從客觀實際出發,實事求是。

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