談城市道路的縱斷設計

薛俊寬 中鐵十二局集團有限公司勘測設計分公司

1 概述

隨著近年來城市的快速發展，老城區在努力改建，新城區域在飛速外擴建設，這一切都離不開城市道路這個載體，而在道路工程設計中，縱斷設計是城市道路設計中最重要的一部分。在城市總體規劃或控制性規劃中，市政道路的平面線形、橫斷面寬度甚至路面形式都已經確定，可進行調整的余地有限，但是道路縱斷設計卻是千變萬化，可以設計出許多不同方案，如何使道路豎向設計更科學、更合理、也更符合實際情況，這就是本文研究的問題，下面我從幾個方面來談談縱斷設計。

2 一般規定

2.1 設計高程

城市道路設計高程是指道路中心線上的路面高程，對于有中央分隔帶的道路，則以中央分隔帶外側邊緣的路面高程為設計高程。

2.2 基本原則

縱斷設計必須符合GJJ 37—2012《城市道路設計規范》中的有關規定和標準。

縱斷設計應參照城市豎向規劃控制高程，并適應地塊開發（臨街建筑），保障沿線范圍內的地面水可以順暢排除。

縱斷設計還應對沿線地形、地下管線、地質、水文、氣候、綠化和環保等因素綜合考慮，根據具體情況加以處理，以保證道路的穩定和順暢。

2.3 縱坡

當縱斷面上兩條坡度不同的相鄰縱坡線相交時，就出現了變坡點。汽車在坡點上行駛時不舒適的，甚至是危險的，固在變坡點處必須將前后相鄰坡線用舒緩的曲線連接起來以利于行車。這條連接相鄰坡線的曲線叫做豎曲線。我國豎曲線習慣采用圓形曲線，豎曲線開口朝下成為凸型豎曲線，開口朝上稱為凹形豎曲線，見圖1。

圖1 豎曲線示意圖

2.3.1 最大縱坡

根據汽車的動力性能、拖掛汽車與非機動車行駛的需要及行車速度、行車安全以及考慮工程經濟、社會經濟等因素，具體取值參照《城市道路路線設計規范》表7.2.1。

新建道路不應大于最大縱坡的一般值，對于改建道路、地形受限或特殊情況，最大縱坡可適當放寬到極限值。

非機動車道最大縱坡不宜大于2.5%，困難時不應大于3.5%。

2.3.2 最小縱坡

為確保路面排水迅速，規范規定城市道路最小縱坡應大于或等于0.3%，當困難或特殊情況縱坡小于0.3%時，在排水設計時將雨水口間距加密以利排水。

2.4 坡長限制

城市道路的車流日愈增大，為保證車輛在上坡路段交通不會受到明顯的妨礙，大型車的行駛速度不致于降低到設計車速的50%，需對不同縱坡的坡長加以限制，縱坡長度限制見《城市道路路線設計規范》表7.3.1和表7.3.2。

道路最大縱坡及坡長不應輕易采用，但針對山西省地形地貌特點，個別城市地勢變化較大，為爭取高度、縮短路線長度或考慮到工程經濟巨大等不得已時可采用。

道路連續上下坡時，應在不大于表7.3.2 規定的縱坡長度之間設置緩和段縱坡，坡度不大于3%，長度不小于最小坡長。

3 豎曲線

3.1 豎曲線要素

城市道路設計中的豎曲線可分為圓形曲線、二次拋物線和三次拋物線。通常在設計中習慣采用圓形曲線，圓形曲線的組成各要素如圖2所示，各要素可按以下公式計算。

式中：

R——豎曲線的半徑，m；

i1、i2——相鄰縱坡度，上坡為正，下坡為負；

ω——相鄰縱坡的代數差；

T——豎曲線切線長度，m；

L——豎曲線的長度，m；

E——豎曲線的外距，m；

圖2 豎曲線的要素

設計時，按折線計算出的縱斷面設計高程為未計豎曲線之設計高程；設置豎曲線后，豎曲線內所在路段的設計高程在未計豎曲線之設計高程的基礎上加以修正，此改正值為y，即：

在凸型豎曲線內：

在凹形豎曲線內：

3.2 豎曲線上最低（高）點

豎曲線上最低（高）點的位置對城市道路設計具有相當大的作用。例如在道路排水設計中，對于凸型豎曲線，以最高點為中心對稱布設雨水口最理想，而對凹形豎曲線在最低點處多布設雨水口，排水效果是最好的。在橋梁尤其是立交橋布位時，合理確定最高點或最低點的位置，可以縮短橋梁的長度，且可以降低橋頂高程，從而降低工程造價。

3.3 豎曲線半徑

豎曲線設計時，應當合理選擇半徑，與平曲線的半徑一樣，其半徑越大越好。在增加工程量不大的情況下，應盡量選取較大的半徑值，尤其是凹形豎曲線，應避免選用豎曲線最小半徑。

夜間行車時，汽車在小半徑豎曲線行駛時，視距無法保證。具體表現為在小半徑的凸型豎曲線上，汽車前照明大燈的燈光高出遠處路面，難以照射到高度較低的路面障礙物；而在小半徑的凹形豎曲線上，前照明大燈在路面上的照距較短，影響視距。

豎曲線極限最小半徑值的確定是由車輛緩和沖擊和確保視距而計算的。一般而言，對于凸型豎曲線，當設計車速＞40km/h 時，豎曲線最小半徑由視距要求來控制；當設計車速≤40km/h 時，豎曲線最小半徑由緩沖要求來控制。對于凹形豎曲線，豎曲線最小半徑由離心力因素來控制。

根據工程實例，當縱坡值較小，特別是改建項目中縱坡小于等于0.3%，豎曲線半徑采用一般值時，在豎曲線段的縱坡變化過小，易造成路面積水產生不利影響，故可以采用規范規定的豎曲線最小極限半徑。

4 平縱組合

城市道路的線形，綜合而言是立體的，由平面與縱斷面兩種線形組合起來的立體線形而映入駕駛員的眼簾。對于一條道路線形單從平面上看，設計指標比較高，也符合規范；單從縱斷面看也不存在什么問題。如果平曲線型要素與豎曲線要素配合不當，也不會得到良好的線形，無法適應駕駛員的運動視覺和心理效應的要求，必將降低道路的安全性、舒適性及通行能力，嚴重時還有可能增加交通事故。因此，平面線形與豎曲線組合設計中應注意以下基本要求。

4.1 豎曲線與平曲線應相互重合

豎曲線與平曲線應相互重合，且平曲線稍長于豎曲線，這種組合是比較完美的組合。豎曲線的起點、終點分別放在平曲線的兩個緩和曲線內，形成所謂的“平包豎”。

4.2 豎曲線與平曲線大小應均衡

豎曲線和平曲線，其中一方多大過小，不僅浪費工程費用，也會造成行車的不舒適。在道路設計過程中，如果能做到遵守“平曲線以豎曲線為先導”的原則，則大致保持了兩種線形的均衡。根據國外的工程設計經驗，在平曲線半徑小于1000m的情況下，一般豎曲線的曲率半徑為平曲線半徑的10～20倍，即可取得均衡。

4.3 選擇適當合成坡度的線性組合

城市道路中合成坡度的最大值規定為8%，最小值宜在0.5%左右。

縱坡過大的路段，又遇上小半徑的平曲線，易導致車輛在冬季結冰期危險系數增大，引發安全事故。反之，合成坡度過小，路面積水嚴重，汽車受到濺水干擾，會阻礙行車速度，特別是市區立交橋的合成坡度過小時，還會對橋下的行車造成不利影響，甚至危及安全。

4.4 避免在不適當的位置插入急轉平曲線

城市道路設計中避免在凸型豎曲線的頂部和凹形豎曲線的底部插入急轉彎的平曲線，前者是在沒有視覺誘導而必須急轉方向，后者是在超出汽車行駛速度的地方需急轉方向操作，兩者都是易引發危險的設計。

5 結語

城市道路是城市的重要組成部分，經過上述分析，可見縱斷面設計對城市道路的重要性。因此，在城市道路工程領域發展中，縱斷面設計要結合各方面綜合因素（規劃、現狀、水文、地質、管網等）進行考慮，做到科學設計、經濟合理、運行高效，為現代城市發展提供積極、可持續發展的基石。