高速公路超高過渡段的設計探討

魏同軍

（東營市公路勘察設計院有限公司，山東 東營 257091）

近些年，我國的高速公路路網密度穩步上升，人們對于安全高效的交通出行需求也越來越高。車輛在行駛過程中經過彎道時，駕乘人員會有一種被甩出的不穩定感，這是由于車輛在圓曲線或緩和曲線上運行時會產生離心力，車速越快，這種離心力越大，不穩定感也就越強烈，輕則影響行車舒適性，重則可能威脅行車安全。橫斷面超高的設置可以較好地解決這個問題，而從雙向路拱橫坡的正常橫斷面形式至完全單向橫坡的全超高橫斷面形式之間的路段，其橫斷面形式不能是突變的，因此需要在一定長度路段內進行超高的過渡，超高過渡段的設計直接關系到道路質量與行車體驗，文章對此展開分析。

1 超高過渡段的重要性

在道路工程中，微小的路面橫坡往往容易被忽視，但卻是不可缺失、發揮重要功能的一種細部設計。在直線路段上，一般設置雙向路拱橫坡，其主要目的在于為雨天路表積水提供一個自然排出的斜坡；在圓曲線彎道路段上，一般設置單向全超高橫坡，其主要目的在于部分抵消或完全消除車輛在彎道路段行駛時所產生的離心力，使車輛受力平衡；而緩和曲線彎道路段往往是設置超高過渡段的路段，這是由于在緩和曲線上曲率是變化的，即使車輛勻速駛過緩和曲線段彎道，其產生的離心力也不是常數，為了與離心力數值相匹配，緩和曲線上超高也是需要逐步變化的。只有根據實際地形條件，合理設計超高過渡段的形式、超高以及長度并與平面線形相匹配，才能使橫斷面由正常雙向路拱橫坡順適過渡到單向全超高橫坡，為車輛創造安全、流暢、舒適的行車環境。

2 超高過渡段的設計要點

2.1 超高過渡形式的選用

（1）繞中央分隔帶中線旋轉。在超高過渡前半段，內側行車道維持不變，外側行車道先繞中央分隔帶邊線旋轉至負的路拱橫坡值，即與內側行車道橫坡相同后，兩側行車道再作為一個整體繞中分帶中線旋轉至超高值。最終中央分隔帶為傾斜狀態，如圖1（a）所示。

（2）繞中央分隔帶邊線旋轉。保持中央分隔帶水平狀態不變，兩側行車道各自繞中央分隔帶邊線旋轉，形成彼此獨立的單向超高斷面，如圖1（b）所示。

（3）繞各自行車道中線旋轉。兩側行車道相互獨立，以各自中線為旋轉軸進行超高漸變。最終中央分隔帶兩邊緣高程不一，成為傾斜斷面，如圖1（c）所示。

圖1 高速公路超高過渡形式

根據高速公路的設計車道數與中央分隔帶寬度來選用超高過渡形式。當中分帶寬度較窄（≤4.5m）時可采用繞中央分隔帶中線旋轉的形式，較窄的中分帶便于施工中整體斷面的旋轉；通常情況下，無論車道數與中分帶寬度情況如何，都可采用繞中央分隔帶邊線旋轉的形式，其施工操作簡單、限制小；當高速公路整體橫斷面較寬時（雙向車道數大于4 條）可采用繞各自行車道中線旋轉的形式，此時兩側行車道的邊緣高程變化量不至于太大[1]。

2.2 超高值的計算

圓曲線超高值即超高過渡段終點的超高值，其選取主要根據行駛速度、圓曲線半徑以及橫向力系數來確定，由汽車在圓曲線上行駛時力的平衡方程式計算而得。

表1 橫向力系數μ 值及圓曲線半徑R 值

橫向力系數μ 與彎道半徑R 呈密切的負相關性。當μ 值過大時，車輛不能夠連續穩定地行駛，駕乘人員會有傾覆、被甩出等不穩定的危險感。行駛速度v 是駕駛員實際中采用的行車速度，根據以往工程經驗與實際調查，公路上車輛的平均行駛速度為設計速度的70%～90%，對于高速公路可以取低值[2]。采用運行速度計算超高值可以更貼近實際需求，避免過度超高。當按式（1）計算的超高值ih小于路拱橫坡iG時，取ih=iG；當計算的超高值ih大于規定的最大超高imax時，取ih=imax，即保證超高既不過小而效果甚微，也不過大反而帶來向彎道內側的傾覆感。

2.3 超高過渡段長度的確定

在超高過渡形式與超高數值選定后，根據公路橫斷面寬度與適當的超高漸變率即可計算高速公路的最小超高過渡段長度，如式（2）所示，最后需要將計算結果與當前線形中的緩和曲線段進行對比協調，最終確定超高過渡段長度。

式中：LC為最小超高過渡段長度，m；B′為旋轉軸至行車道（或路緣帶）外側邊緣的寬度，m（當繞內邊線旋轉時B′=B，當繞中線旋轉時B′=B/2，B為行車道寬度）；△i為超高坡度與路拱橫坡度的代數差，%（當繞內邊線旋轉時△i=ih，當繞中線旋轉時△i=ih+iG，ih為超高值，iG為路拱橫坡度）；p 為超高漸變率，即旋轉軸線與行車道（或路緣帶）外邊線之間的相對坡度，超高漸變率的最大值如表2 所示。

表2 最大超高漸變率

在進行超高過渡段設計時，在確定的超高過渡形式下，根據該高速公路的設計速度與橫斷面設計（行車道寬度、雙向路拱橫坡度），由式（2）可計算得在此設計條件下的最小超高過渡段長度。為了便于施工測量，計算結果取5m 整倍數的近似值，并且最短長度為10m。

式（2）的意義在于，在合適的超高漸變率下，保證一定長度的超高漸變段以使橫斷面橫坡形式平滑地轉變，從而使整個道路三維線形合理順適，其設計出發點是確保車輛順暢行駛。但是這并不意味著超高漸變段越長越好，表面上看更長的超高漸變段或是更小的超高漸變率能夠使車輛在行駛過程中更加平穩順適，但隨之而來的是橫坡小于1.5%甚至接近0 的路段長度明顯增加，這將導致該路段雨天排水不暢，滯留的雨水無法通過橫坡排至邊溝，車輛在這樣的環境下進行高速轉彎是很危險的[3]。故需要注意的是，公路排水要求中最小坡率為0.3%，則公路橫斷面由正常雙向橫坡轉變至平面坡的超高漸變率必須大于0.3%，即1/330。

因此，在進行高速公路超高過渡段設計時，要根據工程實際情況選擇合適的超高過渡段長度LC，并且要協調其與緩和曲線段長度LS的關系，一般有以下三種情況[4]：

（1）超高過渡段等于緩和曲線段。在公路路線設計規范中，一般在規定緩和曲線長度時，已經將超高過渡段需要的最短長度作為其中一個限制條件，因此在常規情況下，各線形指標均符合規范要求、處于良好范圍內，可以取超高過渡段長度LC與緩和曲線段長度LS相等，即LC=LS。

（2）超高過渡段大于緩和曲線段。在實際工程中，在地形有所限制的路段，緩和曲線的長度可能較短，如果此時計算的LC＞LS，應該盡量調整道路平面線形，適當減小圓曲線長度，使緩和曲線段能夠完全覆蓋超高漸變段，即LC≥LS；倘若在地形較為極端的條件下，線形調整余地很小，此時可從緩和曲線段之前的直線段開始進行超高過渡，將超高過渡段起點前移，即超高過渡段包含部分直線段與完整緩和曲線段。

（3）超高過渡段小于緩和曲線段。在選定的超高漸變率下，計算得超高過渡段長度可能較小，若直接采用此設計方案，此時緩和曲線斷段雖可以完全覆蓋超高漸變段但有富余的部分，該部分橫斷面采用的仍是正常的雙向路拱橫坡，使得道路的平面線形與橫斷面不夠匹配。因此，在這種情況下，只要超高漸變率p≥1/330，能夠滿足基本的雨天排水需求，仍然取LC=LS。本質上是適當降低超高漸變率，換取更長的超高過渡段長度使之完全匹配緩和曲線段，從而使道路線形與橫斷面整體上相適配。

3 結束語

高速公路超高過渡段的設計是高速公路設計中重要的一環，同時也是較為細節的設計，從過渡形式到超高數值、超高段長度的選取計算都需要設計人員結合實際工程需求，仔細考量超高過渡段與整體線形的匹配程度，根據不同的線形情況靈活設計超高過渡段的長度與位置。