李起偉，安冠宇

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

“標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際合作、互聯(lián)互通的通用語(yǔ)言，是全球治理體系和經(jīng)貿(mào)合作發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)?！粠б宦贰鼐€各國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系各異，有的尚未建立標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通形成制約?；ヂ?lián)互通、標(biāo)準(zhǔn)先行，加強(qiáng)沿線各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)互通，形成無空白、無交叉、無沖突的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將為‘一帶一路’沿線國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通、安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障”。南部非洲作為絲綢之路的歷史和自然延伸，是“一帶一路”建設(shè)的重要方向。在發(fā)揮中國(guó)優(yōu)勢(shì)、加快中國(guó)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“走出去”的基礎(chǔ)上，積極與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，掌握國(guó)外的設(shè)計(jì)理念和方法，設(shè)計(jì)出符合當(dāng)?shù)厍闆r的高質(zhì)量人文生態(tài)公路，助力“一帶一路”建設(shè)，意義重大。

為了加強(qiáng)與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，該文以適用于南共體的2001年版南部非洲幾何設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)，圍繞公路的平面線形設(shè)計(jì)，論述直線、圓曲線、超高和圓曲線加寬的設(shè)計(jì)條件及要求，以期為從事公路幾何設(shè)計(jì)的人員提供參考和借鑒。

1 直線

1.1 直線長(zhǎng)度

直線是平面線形的基本要素之一。一方面，長(zhǎng)直線易使駕駛者感到單調(diào)和厭倦，并導(dǎo)致出現(xiàn)超速行駛狀態(tài)，進(jìn)而降低行車安全度；另一方面，短直線將使相鄰曲線間沒有足夠長(zhǎng)的距離進(jìn)行超高過渡。更為重要的是，直線的長(zhǎng)度與行車安全密切相關(guān)(直線包括曲率為0的直線和大于在120 km/h的設(shè)計(jì)速度下不設(shè)超高圓曲線半徑的圓曲線)。隨著直線長(zhǎng)度的增加，車輛碰撞事故率先下降再增加，以近似對(duì)稱拋物線的方式變化。最低事故率出現(xiàn)在直線長(zhǎng)度約等于12 km時(shí)的位置。當(dāng)直線長(zhǎng)度達(dá)到20 km時(shí)，事故率大致等于直線終點(diǎn)處曲線的曲率值。因此，推薦12 km作為直線最大長(zhǎng)度。當(dāng)交通量調(diào)查和預(yù)測(cè)夜間行駛車輛較多時(shí)，直線長(zhǎng)度宜小于12 km。

直線最小長(zhǎng)度應(yīng)滿足相鄰圓曲線間設(shè)置超高的需要。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，直線最小長(zhǎng)度可取值200 m。

1.2 直線方位

在日出和日落時(shí)分，東西走向的直線線形會(huì)導(dǎo)致駕駛者出現(xiàn)眩目現(xiàn)象，因此應(yīng)控制東西走向的直線長(zhǎng)度，限制有效眩目的距離。

直線方位和縱坡的組合導(dǎo)致眩目現(xiàn)象在一天的不同時(shí)刻出現(xiàn)。其中，正西向北偏5°的直線和6%的縱坡組合，會(huì)使太陽(yáng)在下午16：00左右徑直照射在道路中心線上，所造成的眩目現(xiàn)象最為嚴(yán)重。

具體公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，應(yīng)評(píng)估直線方位，找出潛在的可能發(fā)生眩目現(xiàn)象的位置，通過改變直線方位及縱坡大小，降低眩目的危險(xiǎn)。因條件限制，不能通過改變直線方位及縱坡大小消除眩目現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)增設(shè)必要的提醒和警示標(biāo)志。

2 圓曲線

2.1 圓曲線最小半徑

圓曲線最小半徑是給定設(shè)計(jì)速度下采用的極限值，由最大超高值和最大允許橫向力系數(shù)確定，具體見表1。

表1 圓曲線最小半徑

2.2 圓曲線最小長(zhǎng)度

對(duì)于小轉(zhuǎn)角路線，可設(shè)置足夠長(zhǎng)度的曲線，避免路容出現(xiàn)扭折，其長(zhǎng)度不小于300 m。當(dāng)條件受限時(shí)，曲線最小長(zhǎng)度可減少到150 m。當(dāng)路線轉(zhuǎn)角小于5°時(shí)，路線轉(zhuǎn)角每減少1°，曲線最小長(zhǎng)度應(yīng)在150 m的基礎(chǔ)上相應(yīng)地增加30 m。

2.3 圓曲線最大長(zhǎng)度

長(zhǎng)曲線，特別是半徑接近于最小值的長(zhǎng)曲線，會(huì)使車輛實(shí)際行駛速度與設(shè)計(jì)速度之差大于20 km/h，易導(dǎo)致追尾。長(zhǎng)曲線引起的另外一個(gè)主要問題是限制了超車的機(jī)會(huì)。因此，不管對(duì)兩車道公路，還是多車道公路，圓曲線最大長(zhǎng)度的極限值不應(yīng)大于1 000 m，一般值不大于800 m。

3 緩和曲線

當(dāng)圓曲線超高大于等于最大超高值的60%時(shí)，宜設(shè)置緩和曲線。緩和曲線推薦使用回旋線，其長(zhǎng)度宜等于從外側(cè)車道路拱橫坡度值為0的位置到全超高斷面位置所需要的超高過渡長(zhǎng)度。回旋線的長(zhǎng)度計(jì)算公式參見式(1)：

L=0.070 2V3/(R×C)

(1)

式中：L為回旋線長(zhǎng)度(m)；V為設(shè)計(jì)速度(km/h)；R為回旋線終點(diǎn)的半徑(m)；C為向心加速度增長(zhǎng)率(m/s3)。

向心加速度增長(zhǎng)率C的取值范圍為1.0～3.0 m/s3。當(dāng)C值分別取1.0、3.0 m/s3時(shí)，計(jì)算得到回旋線長(zhǎng)度的最大值、最小值。

4 超高

4.1 超高計(jì)算公式

根據(jù)力學(xué)定律，汽車在曲線上行駛時(shí)有以下公式：

e+f=V2/127R

(2)

式中：e為超高；f為橫向力系數(shù)；V為設(shè)計(jì)速度(km/h)；R為曲線半徑(m)。

根據(jù)最大超高值和最大橫向力系數(shù)，可以確定給定速度下圓曲線最小半徑。

對(duì)于一般地區(qū)公路，圓曲線部分的最大超高可采用10%；對(duì)于泥結(jié)碎石路面公路，因其易在最大超高值為10%時(shí)受到?jīng)_刷，應(yīng)選用較低的最大超高。

4.2 最大橫向力系數(shù)

在公路設(shè)計(jì)中最大橫向力系數(shù)應(yīng)按式(3)計(jì)算：

fmax=0.19-V/1 600

(3)

式中：fmax為最大橫向力系數(shù)；V為設(shè)計(jì)速度(km/h)。

4.3 超高分布

推薦的超高分布，是由超高抵消在平均運(yùn)行速度下產(chǎn)生的所有離心力，由橫向力系數(shù)抵消在較高速度下產(chǎn)生的額外的離心力。圖1為在最大超高值為10%時(shí)超高率和圓曲線半徑的關(guān)系。

圖1 最大超高值10%時(shí)不同設(shè)計(jì)速度和

4.4 超高曲線過渡段長(zhǎng)度

超高從外側(cè)車道路拱橫坡度值為0過渡到到全超高斷面所需要的過渡長(zhǎng)度，稱為曲線過渡段長(zhǎng)度。從正常路拱橫坡度過渡到外側(cè)車道路拱橫坡度值為0的距離，稱為直線過渡段長(zhǎng)度。從當(dāng)前設(shè)計(jì)實(shí)踐的角度來講，控制超高曲線過渡段長(zhǎng)度的主要因素是道路外觀。路面旋轉(zhuǎn)角速度過大，使路面邊緣產(chǎn)生看起來有些曲折似的缺欠。

4.4.1 超高漸變率

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，宜采用表2中列出的超高漸變率計(jì)算超高曲線過渡段長(zhǎng)度。

4.4.2 超高曲線過渡段長(zhǎng)度的計(jì)算方法

超高曲線過渡段長(zhǎng)度的計(jì)算方法為全超高斷面的車道邊緣與旋轉(zhuǎn)軸之間的高差除以超高漸變率，計(jì)算公式見式(4)：

Lr=ewl/s

(4)

式中：Lr為超高曲線過渡段長(zhǎng)度(m)；w為車道寬度(m)；e為超高值(%)；s為超高漸變率(%)；l為車道系數(shù)(m)，見表3。

表2 超高漸變率

表3 車道系數(shù)

注：非分開式公路是標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為整體式，且無中間帶的公路；分開式公路是準(zhǔn)橫斷面為整體式且有中間帶或?yàn)榉蛛x式的公路。

直線過渡段長(zhǎng)度的計(jì)算方法與曲線過渡段相同，正常路拱橫坡度可取值2%。

4.4.3 超高曲線過渡段最小長(zhǎng)度

兩車道道路的超高曲線過渡段最小長(zhǎng)度，是按表2中列出的超高漸變率增加50%后，經(jīng)代入公式(4)計(jì)算，整理得出的結(jié)果(表4)。雖然超高曲線過渡段最大長(zhǎng)度沒有限制，但是太長(zhǎng)的超高曲線過渡段可能導(dǎo)致超高曲線過渡段起點(diǎn)附近排水不暢，在公路設(shè)計(jì)時(shí)需予以考慮。

表4 兩車道道路的超高曲線過渡段最小長(zhǎng)度

4.4.4 超高方式

當(dāng)設(shè)置緩和曲線時(shí)，超高曲線過渡段與緩和曲線重合，超高直線過渡段設(shè)置在直線上。

當(dāng)不設(shè)置緩和曲線時(shí)，直線和圓曲線上必須同時(shí)包含超高曲線過渡段。全超高斷面布設(shè)在直圓點(diǎn)(或圓直點(diǎn))，或者直圓點(diǎn)(或圓直點(diǎn))不設(shè)置超高，兩者皆不可取。習(xí)慣做法是將2/3的超高曲線過渡段設(shè)置在直線上，將1/3的超高曲線過渡段設(shè)置在圓曲線上。這種做法符合車輛的實(shí)際行駛軌跡(圖2)。

圖2 超高方式圖

5 圓曲線加寬

車輛在小半徑的圓曲線上行駛時(shí)，后輪的輪跡在前輪的內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致車輛占據(jù)更大的空間，且駕駛者難以保持車輛在車道的中心位置，為了給車輛提供合理的空間，需要在圓曲線路段進(jìn)行加寬。圓曲線加寬方法引用AASHTO的規(guī)定，見式(5)：

WC=N(U+C)+(N-1)FA+Z

(5)

式中:WC為曲線上行車道的總寬度(m)；N為車道數(shù)；U為設(shè)計(jì)車輛的輪跡寬度(m)；C為橫向凈距；FA為內(nèi)側(cè)車道上車輛的前懸寬度(m)；Z為附加寬度。

從結(jié)構(gòu)角度來說，圓曲線加寬影響路容美觀，而且造價(jià)高，設(shè)計(jì)中采用過小的加寬值將得不償失。因此圓曲線加寬值不宜小于0.6 m。如果計(jì)算得到的加寬值小于0.6 m，則忽略圓曲線加寬。根據(jù)式(5)計(jì)算后整理得到的行車道總寬度見圖3。

6 結(jié)論

相對(duì)于中國(guó)公路路線設(shè)計(jì)理論和方法，南部非洲幾何設(shè)計(jì)規(guī)范的平面線形設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

(1) 在公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)評(píng)估直線線形的走向，減小眩目現(xiàn)象對(duì)駕駛者的影響。

(2) 圓曲線最大長(zhǎng)度的極限值不應(yīng)大于1 000 m，一般值不大于800 m。

(3) 當(dāng)圓曲線超高小于等于最大超高值的60%時(shí)，宜設(shè)置緩和曲線。

(4) 當(dāng)設(shè)置緩和曲線時(shí)，超高曲線過渡段與緩和曲線重合，超高直線過渡段設(shè)置在直線上；當(dāng)不設(shè)置緩和曲線時(shí)，習(xí)慣做法是將2/3的超高曲線過渡段設(shè)置在直線上，將1/3的超高曲線過渡段設(shè)置在圓曲線上。