國內外地下道路設計規范比較研究*

劉醫碩，王強勛，郭建濤，李晶閣，劉 超

(中建工程產業技術研究院有限公司，北京 101300)

0 引言

當前我國城市地下空間開發利用以中淺層的地鐵和綜合管廊為主[1]，地下道路建設仍處于起步階段，主要集中在上海、深圳、廣州等一些沿海城市，其特點是規模小且覆土較淺，而日本東京2013年已開通的地下道路品川線埋深達40m，美國波士頓中央大道地下道路埋深達36m，西雅圖金郡地下道路埋深達66m。隨著我國中淺層地下空間開發利用日趨飽和，地下道路作為深層地下交通的主要形式，將成為城市交通地下化、深層化發展的必然趨勢。

目前大部分發達國家城市化建設基本完成，現有基礎設施相對完善，地下道路相關技術規范相對成熟，國外較具有代表性的技術規范有美國的《公路與城市道路幾何設計政策》(簡稱“綠皮書”)和日本的《道路構造令》。我國于2015年發布的CJJ 221—2015 《城市地下道路工程設計規范》，是國內唯一的地下道路工程設計規范。本文從規范架構與技術指標兩方面比較國內外地下道路設計規范的差異性，通過對比分析發現我國規范存在的問題與不足，為城市地下道路規范的補充與完善提供有益借鑒。

1 國內外地下道路設計規范架構比較

如前所述，本文選取中、日、美3國在地下道路工程領域具有代表性的技術規范作為研究對象，從法律與政策、設計理念、技術內容等方面進行對比，各國規范主要架構內容如表1所示。

表1 中、日、美地下道路規范架構對比

從發布機構來看，美國和日本的規范都屬于國家級的技術標準。我國規范是由住房和城鄉建設部發布的行業標準，專門服務于城市地下道路建設，主要針對機動車專用道路，也包含部分等級功能較低、長度較短的非機動車道。美國和日本的規范適用范圍則更廣，在國外的標準體系中，并沒有專門針對地下道路的技術規范，地下道路的建設主要依據公路和城市道路的相關技術規范，美、日兩國的規范包含了公路、城市道路及街道建設的相關技術要求，具有較強通用性。

在法律與政策層面，美國和日本分別以聯邦法規和省部政令的形式對相關技術規范進行授權，充分保障了規范的實施力度。以美國為例，技術法規是立法的重要組成部分，各州可自行制定相關法規。雖然州規范主要以聯邦政府頒布的設計指南為依據，但不適用的部分可根據實際情況進行調整，也可進行補充和完善，使其成為本州的技術標準。如果發生沖突，必須有充分的理由和專項研究支撐，否則一旦項目不符合聯邦技術法規，將無法獲得政府資助[2]。這種制度既保護了聯邦技術法規的權威性，又照顧了各州的實際情況。

在設計理念上，美國規范為設計師的靈活設計提供制度保障。美國聯邦公路管理局出版了《公路靈活性設計》作為“綠皮書”的補充說明，其中明確提到“可以在州定標準范圍內靈活應用設計指標，當工程建設對環境影響巨大時，可選擇超標設計。”這樣的規定既能消除設計師的后顧之憂，又激發了設計師的創新性。與“綠皮書”的理念類似，日本的《道路構造令》也很注重道路設計的靈活性。在道路規劃設計時，充分考慮道路使用者的要求，根據道路特征、區域工況和制約條件，靈活設計適合該地區道路功能的道路構造。《道路構造令》規定可根據不同地區的情況，考慮一定的適用范圍，并提供了最小值、標準值和特例值，在特殊情況下，如考慮大型隧道、橋梁及特定交通等情況，可采用特例值進行設計[3]。與國外相比，我國規范缺乏技術上的創新性和使用上的靈活性。在規范執行過程中，過分強調其法律地位而忽視其在技術上的局限性，規范中很少提及使用者可能遇到的不足之處，也不鼓勵使用者在一些特殊問題上進行創新或超標設計。相反，設計人員只要墨守成規，嚴格按規范設計，即使出了問題，也不用負法律責任，無形中免去了設計人員應承擔的法律責任，同時可能導致工程設計無法達到最佳效果。

在技術層面，由于我國規范服務對象僅為地下道路，因此其針對性更強，主要體現在3方面：①針對地下道路的交通組成、行車環境、建筑構造等特點制定了專門的技術標準；②提出了車道寬度、凈空高度、停車帶寬度等客車專用地下道路設計標準；③提出了地下道路行車視距技術指標。國外標準則恰恰相反，美、日兩國選擇將所有道路的技術標準合并到一部規范，包含了公路、城市道路和街道在內所有道路的相關設計要求，充分體現了其注重標準通用性的特點。

2 地下道路設計規范主要技術指標比較

設計速度、橫斷面、平面線形及縱斷面線形為城市地下道路設計中的4個主要指標，本研究以這4個指標為主線，逐一比較國內外地下道路設計規范的差異性。

2.1 設計速度

國內外基本采用了相同的取值方法來確定地下道路設計速度，即根據道路分類確定設計速度，盡可能減少不同路段間的運行速度級差，保證相鄰路段間的速度協調性，同時設定一個具體的速度上限。我國規范在規定設計速度時，對地下道路進行了更詳細的分類，包括快速路、主干路、次干路、支路、地下聯絡通道及匝道等，針對不同道路類型給出了取值范圍，并規定除短距離地下道路外，設計速度應≤80km/h。美國“綠皮書”雖未針對道路類型進行詳細分類，但給出了不同情況下設計速度的彈性范圍，并規定城市地下道路行車速度≤55mi/h (約88.5km/h)，在設計理念上更具靈活性。《道路構造令》也是根據道路功能劃分確定設計速度，同時針對一些特殊情況，給出了設計速度的彈性范圍，并將地下道路的設計速度限制在80km/h范圍內。

地下道路設計速度不宜過高，否則將直接影響地下道路工程的經濟合理性和結構安全性，也會大幅度增加工程建設和運營成本。根據調研，目前國內外已運營的城市地下道路設計速度大部分在80km/h以內。在未來一段時間，采用80km/h的設計速度基本能滿足城市交通對地下道路的需求。

2.2 平面線形

2.2.1直線

對于道路曲線間最大直線長度，國內外規范都未做出具體規定，但普遍認為過長的直線會導致駕駛人放松警惕，從而引發交通事故。設計時一般根據道路類型、地質條件、周邊環境等進行綜合判斷，采用大半徑曲線代替長直線。鑒于有相關調研結果顯示事故死亡率與直線長度直接相關，≥4km的直線長度可導致百萬車公里事故率>1.5%[4]，因此建議我國規范針對地下道路最大直線段長度做出具體限定。

對于城市地下道路曲線間最小直線長度，我國規范規定：當設計速度≥60km/h時，同向圓曲線間最小長度不小于設計速度的6倍，反向圓曲線間最小直線長度不小于設計速度的2倍。“綠皮書”和《道路構造令》未針對地下道路提出最小直線要求，但都強調了曲線間直線長度對行車安全的重要作用。

2.2.2圓曲線半徑

圓曲線半徑取決于橫向力系數、超高和設計速度。中、日、美3國對超高和設計速度的規定相差不大，各國圓曲線半徑的差異性主要取決于橫向力系數。

我國規范考慮了橫向力系數對舒適度的影響，認為橫向力系數取值達到0.2時，駕駛人已能感受到曲線的存在，駕駛舒適度受到影響，所以限定城市道路最小半徑橫向力系數取0.06～0.16，未對地下道路做特殊說明。“綠皮書”認為最大橫向力系數應能確保橫向加速度可使駕駛人感到不適，從而自發降低車速，由于駕駛人在低速行駛時對舒適性的感知度更低，所以最大橫向力系數取值隨著設計速度的減小而增大。“綠皮書”規定設計速度120～200km/h 對應的橫向力系數為0.08～0.35，未針對城市道路做出特別說明。《道路構造令》結合了日本本土的氣候特點，規定城市(地下)道路最小半徑橫向力系數取0.1～0.15。

綜上可看出，我國規范中的橫向力系數取值更加保守，隨著駕駛人素質的提高和車輛性能的提升，建議可適當提高橫向力系數，尤其是在車速不高的路段，駕駛人容忍能力強，有足夠的反應時間，橫向力系數取值沒必要過于保守。

2.2.3緩和曲線

對于緩和曲線，我國規范綜合考慮了乘車舒適度、離心加速度變化率、超高漸變率和駕駛人操作反應時間，其中離心加速度變化率極值取0.6m/s3，操作反應時間極值取3s，計算結果取5m的整數倍得到緩和曲線的最小長度。美、日兩國規范關于緩和曲線的規定主要是針對公路，未對城市地下道路做具體說明。與我國規范略有差別，“綠皮書”在計算緩和曲線長度時增加了對直線與圓曲線偏移值的考量，并規定離心加速度變化率取1.2m/s3，直線與圓曲線間偏移值取0.2m，反應時間取2s。《道路構造令》中設置緩和曲線的規定主要是為了實現曲率漸變、超高漸變及加寬漸變，規定離心加速度變化率取0.5～0.75m/s3，操作反應時間為3～5s。

對于緩和曲線的省略，我國規范強調曲率過渡的重要性，省略緩和曲線必須滿足直線與圓曲線的偏移值<0.2m。“綠皮書”則認為緩和曲線可改善線形，但在線形設計中不是必要元素，也未針對城市地下道路做特殊說明。《道路構造令》規定城市低速道路條件受限時，可不設緩和曲線。

綜上可知，對于緩和曲線的確定，我國規范專門針對城市(地下)道路做了具體說明，更加有針對性；對于緩和曲線的省略，我國規范則較為保守，這樣做雖更加安全可靠，但也可能導致建設成本增加，建議綜合參考日本、美國規范的設計理念，降低緩和曲線省略的門檻。

2.3 縱斷面線形

2.3.1最大縱坡

我國城市地下道路最大縱坡的計算方法與公路基本一致，主要依據汽車行駛的驅動平衡方程理論。地下道路縱坡宜平緩，我國規范規定設計速度>40km/h 時，最大縱坡應≤5%，但經技術論證，除快速路等級外可增加1%；當設計速度<40km/h時，最大縱坡可突破5%，與地面道路要求基本一致[5]。《道路構造令》中的計算方法與我國一致，只是設計參量的選取有所不同。我國規范選用的是功率、自重比為1.09W/N的東風EQ-140車型，日本選用的是功率、自重比為0.76W/N的載重汽車。“綠皮書”中未給出最大縱坡的計算方法，只是針對客車、貨車和休閑汽車3種車型進行了爬坡性能研究，最終給出了不同類型道路的最大縱坡建議值。經過分析篩選，3國城市地下道路最大縱坡比較參考表2[6]。

表2 中、日、美城市(地下)道路最大縱坡對比 %

由表2可看出，我國規范取值整體偏保守。當設計速度較高時，美國最大縱坡取值與我國接近，比日本保守；當設計速度較低時，日本最大縱坡取值比中、美大很多，我國取值最為保守。

2.3.2最大坡長

我國城市地下道路縱坡坡長是根據汽車加、減速行程圖求得，根據不同設計速度、不同坡度規定坡長限制值。當設計速度<40km/h時，由于車速低，爬坡能力強，坡長可不受限制。《道路構造令》的設計方法與我國基本相同。不同于前兩者，“綠皮書”僅考慮了起、終點速度的差值，即按相同速度差值進行減速所需要的坡長相等。按美、日規范的設計方法，計算得到的最大坡長與我國規范規定的機動車道最大坡長對比如表3所示[6]。

由表3可看出，當設計車速較大時，中、日、美最大坡長取值較接近；當設計車速較小時，我國規范與“綠皮書”取值接近，相對于《道路構造令》較保守。

表3 中、日、美機動車道最大坡長對比

2.3.3豎曲線

關于豎曲線，我國城市地下道路規范與《道路構造令》規定基本一致，與“綠皮書”規定略有差別，主要是由于中、美停車視距的不同，基本可忽略。

2.4 橫斷面

2.4.1車道寬度

“綠皮書”認為，車道過寬不僅不能提高通行能力，而且會增加投資成本，所以對車道寬度進行了限制，規定車道寬度一般為2.7～3.6m，并提出了4種車道寬度的適用條件。日本由于土地資源緊張，對土地的規劃利用非常謹慎。狹窄是日本城市道路的突出特點，《道路構造令》規定的內、外側行車道寬度均不包括路緣帶寬度，主干路寬度僅有3.5m和3.25m 2種規格。中、日、美3國車道寬度對比如表4所示。

表4 中、日、美城市(地下)車道寬度對比 m

由表4可看出，我國車道寬度取值相對保守，可能存在浪費問題。近年來，我國也有學者如滕生強等[7]、李朝陽等[8]提出了小于規范值的推薦值，從側面驗證了這一問題。我國城市道路機動車道寬度取值主要是通過波良可夫經驗公式計算得出[9]，但波良可夫模型中相關參數所體現的汽車性能相對落后，隨著汽車性能的不斷提升，應對相應計算模型進行調整和修正，我國城市機動車道寬度的取值還可進一步縮小。與此同時，我國現行規范只提出車道寬度的最小值，而實際上車道過寬不合理，因此應在規范中明確車道寬度的最大值。

2.4.2平曲線加寬

中、日、美關于平曲線加寬的設計理念基本一致，認為加寬值主要取決于車速、設計車型、車道寬度、車道數、曲線半徑等因素。對于個別因素，3國之間存在一定差異。對于設計車型，中、日分別提供了3種和2種不同軸距的設計車型，而 “綠皮書”則提供了十幾種之多；對于設計值，“綠皮書”與《道路構造令》均可進行驗證，而我國規范則由于公式不嚴謹、取值范圍不清晰等原因無法進行計算驗證[6]。對于較大半徑時的加寬，“綠皮書”給出建議值，同時建議省略以降低成本，中、日規范則規定直接省略。可看出，“綠皮書”側重提出更寬泛的指導性建議，而中、日規范則更強調應用性。

我國城市地下(上)道路平曲線加寬的計算公式是由公路平曲線計算公式簡化而來，無法對其進行驗證，建議進一步明確加寬值的計算方法，同時給出準確的取值條件，以提高設計的科學性。此外，建議更新規范使用的設計車型，提高規范適用性。

3 地下道路技術指標體系

地下道路設計需根據道路功能定位，確定合理設計速度及橫斷面形式，然后根據設計速度數值，選取合理平面線形指標和縱斷面設計指標進行道路的平縱橫設計，最終完善相關附屬設施的設計。基于前文分析，提出我國城市地下道路技術指標體系，如圖1所示。

圖1 我國城市地下道路技術指標體系

4 結語

本文從規范架構與技術指標兩方面比較了國內外地下道路設計規范的差異性，得到如下結論。

1)在法律層面，美國和日本分別以聯邦法規和省部政令的形式對相關技術規范進行授權，并輔以地方性的政策進行補充，充分保障了規范的實施力度和靈活性，值得我國借鑒。

2)在設計理念上，美國和日本的技術規范都體現了較強的開放性和變通性。相比之下，我國規范明顯缺乏技術上的創新性和使用上的靈活性，建議參考“綠皮書”的理念，從設計方法和規范應用制度兩方面進行補充與完善，以提高技術規范的靈活性。

3)在技術層面，通過對比國內外地下道路的主要技術指標，給出以下建議：①在平面線形設計中，對于直線長度，建議我國規范針對地下道路最大直線段長度做出具體限定；對于橫向力系數的選取，建議通過調研與論證，給出更詳細的橫向力系數取值條件，并根據實際情況提高橫向力系數的取值范圍；對于緩和曲線的省略，建議我國規范綜合參考日本、美國規范的設計理念，降低緩和曲線省略的門檻。②在縱斷面線形設計中，我國最大縱坡取值比美、日保守，但最大坡長取值卻和美、日接近，考慮到曾有設計人員利用規范漏洞故意設計小坡度+超長坡長的縱坡，建議我國規范適當提高最大縱坡的取值。③在橫斷面參數設計中，對于車道寬度選取，建議根據當前小客車性能的提升情況，對相應計算模型的參數進行修正，進一步降低車道寬度取值，并明確車道寬度的最大值；對于平曲線加寬的確定，建議進一步明確加寬值的計算方法，同時給出準確的取值條件，以提高設計的科學性；此外，建議更新規范使用的設計車型，以提高規范的適用性。