李振華
(長(zhǎng)沙市公共工程建設(shè)中心,湖南 長(zhǎng)沙 410008)
伴隨著城市規(guī)模的快速擴(kuò)張, 城市交通壓力逐漸擴(kuò)大, 很多城市在規(guī)劃時(shí)為了緩解巨大的交通壓力, 嘗試對(duì)城市內(nèi)軌道交通與道路交通進(jìn)行共線設(shè)計(jì),提升城市交通效率。 軌道交通與道路交通共線設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜的問題, 相關(guān)工作人員需要深入了解共線設(shè)計(jì)的難點(diǎn), 并結(jié)合城市實(shí)際情況以及車輛行駛的特點(diǎn), 制定切實(shí)可行的共線設(shè)計(jì)方案。
與傳統(tǒng)的“平鋪式”道路設(shè)計(jì)方式相比,共線設(shè)計(jì)更為合理, 不僅能夠減少對(duì)于城市空間的占用,還可以減少對(duì)于土地的分割,保障土地的完整性,其施工難度以及施工成本也顯著降低,是一種十分科學(xué)、 經(jīng)濟(jì)的城市道路設(shè)計(jì)方案。 實(shí)際工作中,影響道路設(shè)計(jì)的因素眾多,在多種外部因素的綜合作用下, 軌道交通與道路交通共線設(shè)計(jì)面臨著諸多難題。
(1)軌道交通與城市道路交通屬于不同的交通系統(tǒng),因此這兩種交通系統(tǒng)在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)造物建設(shè)、 產(chǎn)權(quán)歸屬以及運(yùn)維等方面均存在顯著差異,如果方案協(xié)調(diào)出現(xiàn)問題,會(huì)干擾彼此的正常運(yùn)行[1]。
(2)共線設(shè)計(jì)對(duì)于選址的要求很高,一旦出現(xiàn)共線走廊選址不合理問題,需要花費(fèi)大量的時(shí)間與資金進(jìn)行拆遷工作,導(dǎo)致施工成本飆升。
(3)軌道交通與城市道路交通共線工程施工跨度大,施工步驟眾多,如果施工時(shí)序協(xié)調(diào)不合理,很容易出現(xiàn)工期延誤問題。
(4)城市地形地貌變化以及地線關(guān)系分布十分復(fù)雜,共線路段可能包含大量的涵洞、管線、地下設(shè)施,導(dǎo)致施工難度大幅度提高,如果對(duì)施工難度預(yù)估不足,會(huì)導(dǎo)致工程量頻繁變更。
(1)最大直線長(zhǎng)度
如果直線道路設(shè)計(jì)得過長(zhǎng),會(huì)使駕駛員產(chǎn)生視覺疲勞,特別是在夜間行車過程中很容易受到對(duì)面車道車輛遠(yuǎn)光燈的影響,威脅行車安全。 因此在進(jìn)行共線設(shè)計(jì)時(shí), 相關(guān)工作人員要依照J(rèn)TG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》,根據(jù)實(shí)際情況對(duì)最大直線長(zhǎng)度進(jìn)行靈活調(diào)整[2]。 而在軌道交通系統(tǒng)中,由于車輛行駛過程中不會(huì)出現(xiàn)頻繁變換軌道、超車等操作,因此只需要考慮車輛行駛條件,對(duì)于直線最大值沒有限制(表1)。
表1 共線設(shè)計(jì)最大直線長(zhǎng)度對(duì)比
(2)最小直線長(zhǎng)度
道路設(shè)計(jì)中,將具有相同轉(zhuǎn)向的相鄰曲線叫做通向曲線,反之叫做反向曲線(圖1)。 相鄰曲線之間需要設(shè)計(jì)一段直線, 確保車輛能夠平穩(wěn)駛過彎道, 而反向曲線與同向曲線之間設(shè)計(jì)的直線的距離,被稱為最小直線長(zhǎng)度。
圖1 夾直線示意
對(duì)于城市道路系統(tǒng)而言,影響同向曲線與反向曲線之間的夾直線長(zhǎng)度的因素不同。前者主要考慮道路線型的連續(xù)性以及駕駛員是否會(huì)產(chǎn)生視覺錯(cuò)覺,如果夾直線過短,在視覺上容易造成“斷背曲線”問題,進(jìn)而導(dǎo)致司機(jī)誤操作。后者主要考慮道路加寬或者超高情況下, 是否會(huì)對(duì)駕駛員帶來不便,其夾直線長(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)大于設(shè)計(jì)速度的2 倍。
對(duì)于軌道交通系統(tǒng)而言, 由于其運(yùn)動(dòng)路徑固定,因此只需要考慮線路運(yùn)維成本、車身搖晃程度等因素,對(duì)于夾直線最小長(zhǎng)度并沒有硬性要求。 需要注意的是,當(dāng)列車駛?cè)敕聪蚯€路段,列車駛?cè)牒笠欢吻€,車輪對(duì)于軌道的壓力會(huì)加強(qiáng),使得車輛橫向加速度變大,為了提升列車舒適性,要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)延長(zhǎng)夾直線長(zhǎng)度,避免車輪在直緩點(diǎn)與緩直點(diǎn)出現(xiàn)振動(dòng)疊加現(xiàn)象。
在設(shè)計(jì)道路系統(tǒng)圓曲線過程中, 要根據(jù)車輛橫向穩(wěn)定性確定最小圓的半徑,確保車輛進(jìn)入圓曲線路段之后,不會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑甚至傾覆問題(圖2)。
圖2 曲線平面車輛受力示意
根據(jù)曲線平面車輛受力原理,計(jì)算車輛行駛過程中橫向力系數(shù),見式(1):
式中:R 表示圓曲線的半徑,μ 表示橫向力系數(shù),V表示車輛行駛速度,in表示車輛超高值。 設(shè)計(jì)車輛時(shí),為了確保車輛行駛的安全性,會(huì)將車輛的重心設(shè)計(jì)在較低的位置,在沒有超載的情況下,車輛不會(huì)在發(fā)生側(cè)滑的情況下傾覆。 因此,只要確保車輛的橫向力系數(shù)不高于車輛橫向摩阻系數(shù),就能夠確保車輛的橫向穩(wěn)定性。
軌道交通系統(tǒng)在設(shè)計(jì)圓曲線時(shí),決定最大半徑數(shù)值的主要因素是施工、維護(hù)成本,圓曲線半徑與曲率之間存在反比例關(guān)系, 當(dāng)圓曲線半徑增加時(shí),建設(shè)以及維修線路的成本也就隨之提高,而正矢值決定著圓曲線軌道的建設(shè)、運(yùn)維成本[3]。
公式(2)中,變量f 為圓曲線的正矢值,l 為圓曲線弦長(zhǎng),R 為半徑。R 的數(shù)值越大,f 數(shù)值越小。因此設(shè)計(jì)人員需要對(duì)R 進(jìn)行嚴(yán)格控制, 確保其數(shù)值不會(huì)超過12 000 m(表2)。
表2 共線圓曲線最大半徑
軌道交通與道路交通共線設(shè)計(jì)中,其縱坡設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,需要綜合考慮車輛動(dòng)力、駕駛安全、設(shè)備維護(hù)成本等多種因素。 對(duì)于道路交通系統(tǒng)而言,其縱坡的最大坡設(shè)計(jì),需要考慮車輛驅(qū)動(dòng)力以及道路通行能力。 其中車輛驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式見式(3):
公式(3)中,變量P 代表車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率,V 代表車輛行駛速度,μT則表示傳統(tǒng)系統(tǒng)的機(jī)械效率。 需要注意的是,如果公路位于高海拔地區(qū),需要考慮當(dāng)?shù)氐臏囟?、空氣密度等因素?duì)機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)的影響,當(dāng)機(jī)動(dòng)車驅(qū)動(dòng)力降低,其爬坡能力也相應(yīng)減弱,需要對(duì)坡度進(jìn)行靈活調(diào)整。
道路交通系統(tǒng)中, 設(shè)計(jì)人員在計(jì)算最小坡度時(shí),需要考慮排水問題。 如果共線道路橫向排水不暢,則需要嚴(yán)格規(guī)定共線道路的坡度最小值。 特別是共線道路中的低填方、長(zhǎng)路塹等區(qū)域,很容易出現(xiàn)排水不暢問題。 為了避免路面出現(xiàn)積水,保持路面的平整性,需要對(duì)縱坡角度進(jìn)行嚴(yán)格控制,確保該數(shù)值處于0.3%~0.5%。
軌道交通系統(tǒng)中, 如果共線區(qū)域處于高架橋段,則在設(shè)計(jì)路線時(shí)可以不考慮最小縱坡因素,采用平坡設(shè)計(jì)。 如果共線區(qū)域處于隧道區(qū)域,則要根據(jù)該區(qū)域地下水系發(fā)育情況,對(duì)縱坡的坡度進(jìn)行嚴(yán)格控制,確??v坡大于0.3%,而針對(duì)路塹部位,縱坡的坡度要大于0.2%, 確??v坡排水能力滿足安全需求[4]。
軌道交通系統(tǒng)與道路交通系統(tǒng)共線設(shè)計(jì),如果二者均處于橋梁部分, 或者共線走廊位于干旱區(qū)域,則不必考慮最小縱坡限制。 如果共線區(qū)域?yàn)槁穳q或者低填方路段, 或者該區(qū)域地下水系較為發(fā)達(dá),則需要確??v坡的坡度高于0.3%,如果因?yàn)榈匦我蛩責(zé)o法滿足最小坡度要求,則要在該路段設(shè)計(jì)額外排水裝置,確保共線路段排水能力滿足需求。
大多數(shù)共線設(shè)計(jì)中的公路設(shè)計(jì)速度大于60 km/h,為了確保車輛行駛安全,需要對(duì)平面、縱斷面組合問題給予高度重視。設(shè)計(jì)道路時(shí)需要考慮平縱結(jié)合對(duì)于駕駛員視野的干預(yù)與引導(dǎo),確保駕駛員具有連續(xù)的視野, 在此基礎(chǔ)上要保證共線路段具有良好的排水能力,并要注意道路兩側(cè)景觀的組合,防止駕駛員出現(xiàn)視覺疲勞現(xiàn)象。 以“平包豎”為設(shè)計(jì)原則,對(duì)平曲線與豎曲線進(jìn)行合理布置,確保共線路段平穩(wěn)、順暢。
對(duì)于共線走廊中的軌道交通系統(tǒng)而言,其豎曲線軌道頂面的高程并不固定,同時(shí)緩和曲面外的高程高于順坡率,因此當(dāng)二者疊加時(shí),提高了軌道高程精度控制難度。 針對(duì)這一問題,設(shè)計(jì)人員需要堅(jiān)持“緩和曲線與豎曲線不重合”的設(shè)計(jì)原則,將兩種不同的曲線錯(cuò)開布置。 實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,可以根據(jù)共線區(qū)域的具體情況,采用“豎曲線+直線”“圓曲線+直線”“緩和曲線+直線+豎曲線”等組合,豐富平縱組合方式,在確保列車安全的基礎(chǔ)上降低線路維護(hù)成本。
軌道交通系統(tǒng)與道路交通系統(tǒng)共線設(shè)計(jì),是優(yōu)化城市交通體系, 提升城市空間利用率的有效措施。 隨著城市規(guī)模的逐步擴(kuò)大,共線設(shè)計(jì)所面臨的外部情況變得更加復(fù)雜,為了確保軌道交通與道路交通共線走廊能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用,相關(guān)工作人員需要對(duì)共線設(shè)計(jì)中的縱斷面指標(biāo)與線型匹配,以及平面指標(biāo)與線型匹配等問題進(jìn)行深入研究,提升共線設(shè)計(jì)水平。