高速公路设计

岳颖

摘要：本文笔者根据实际工程，详细分析了高速公路的设计问题。

关键词：高速公路；设计

中图分类号：U412.36+6 文献标识码：A

1原始资料

本设计的主要任务是安景路（安庆段）高速公路的设计，主要内容包括：路线方案的拟订和比选、道路平面线形设计、纵断面设计、横断面设计、道路排水设计、路面铺装层及厚度计算、概预算编制和专题设计等。本设计的主要地形为平原微丘，所以设计中要满足平原微丘区的一级公路的各项技术标准。且搞好排水系统的设计，同时搞好道路的绿化工程。

2 方案的比选

2.1方案一

该路线平面短捷顺畅，与地面线组合得当，做到了最小限度的占用树木和池塘，有少数拆迁，迁除报废建筑，填挖量小，施工时受行车干扰不大，全新路段，易于掌握标准，尽量绕过了密集房屋地带和池塘，但需要砍伐杉木

图2-1 方案一示意图

Fig2-1 The diagram of the first scheme

2.2方案二

优点：该路线与地面线配合得当，线型简单，占用树木较少，全线几处地面起伏相比较大，经过丘陵，填挖量相比较大，沿线拆迁可用房屋较多，砍伐杉木较多，，还需拆除密集房屋和池塘，比较复杂，造价较高，直线长度过长，易使驾驶员感到单调、疲倦、难以目测车间距离。

2.3方案三

线型较好，填挖量小，但需要拆除混凝土小楼，经过密集房屋地带，距离小校较近，对学校造成影响

3道路的平面设计

道路是一条三维的实体。它是由路基、路面、桥梁、涵洞、隧道和沿线设施所组成的线形结构物。一般所说的路线是指道路中线的空间位置而路线在水平面上的投影称作路线的平面。本标段结合当地的地形条件，按照道路设计规范做出以下的设计。

3.1平面的线形要素

平面的线形要素包括：直线、圆曲线和缓和曲线。

3.2直线

汽车在直线上行驶受力简单，方向明确，驾驶操作简易，给人以短捷、直达的良好印象，且在测设中也比较简单，但过长的直线，易使驾驶员感到单调、疲倦、难以目测车间距离，于是产生尽快驶出直线的急噪情绪，这样很容易导致交通事故的发生，所以，不宜采用过长的直线。考虑到线形的连续和驾驶的方便，相邻两曲线之间应有一定的直线长度。平面线形设计中直线的最小长度规定如下：同向曲线间的直线最小长度不小于6v；异向曲线间的直线最小长度不小于2v。

3.3圆曲线

圆曲线的几何要素

图3-1 圆曲线要素示意图

3.4缓和曲线

在直线与圆曲线之间或半径相差教大的两个转向相同的圆曲线之间宜设置缓和曲线。根据规定，除了四级路可不设缓和曲线外，其余各级公路都应设置缓和曲线。本标段分别在三个平曲线上设置了缓和曲线。

曲率连续变化，便于车辆遵循；离心加速度逐渐变化，旅客感觉舒适；超高横坡度逐渐变化，行车更加稳定；与圆曲线配合得当，增加线形美观。平曲线的几何要素如下：

3.5平面线形设计的注意事项

本标段在布设平面线形时，应选用较高指标，仅一处采用极限半径。由于该标段是平原微丘地区的高速公路，易产生小的转角，曲率大，曲线短，则易使驾驶员看成比实际曲率小的错觉。所以在小的转角处设置了大的曲线；直线的选用得当，做到了与地形及景观相配合。平面线形直捷、连续、顺适，并与地形地物相适应，与周围环境相协调；满足行使力学上的要求，也满足视觉和心理上的对高速公路的要求；保持了平面线形的均衡与连贯。

本标段没有在长直线的尽头设置接以小半径曲线；也没有连续急弯的线形；并且平曲线有足够的长度。本设计采用设计车速100 Km/h，根据道路等级为高速公路，由《公路工程技术标准》[1]中查得下列指标：

圆曲线一般最小半径700m；

缓和曲线最小长度为85m；

平曲线最小长度为170m；

3.6平面图的绘制

采用标准绘图纸透图，比例尺为1：2000，对带状路线两侧200m内的等高线进行绘制。

4道路纵断面设计

纵断面设计的主要任务就是根据汽车的动力特性、道路、等级、当地的自然地理条件以及工程的经济性等，研究起伏空间线几何构成的大小及长度，以便达到行车安全迅速，运输经济合理及乘客感觉舒适的目的。

4.1纵坡设计

4.1.1纵坡设计的要求

纵坡的设计必须满足标准的规定；为保证车辆能以一定的速度安全顺适地行使，纵坡应具有一定的平顺性，起伏不易过大和过于频繁；纵坡设计应对沿线地形、地下管线、地质水文、气候和排水等综合考虑；一般情况下纵坡设计应考虑填挖平衡；实地调查基础上，充分考虑通道、农田水利等方面要求；纵坡应和缓，避免产生突变；充分考虑通道、农田水利等方面的要求。

4.1.2设置竖曲线

根据技术标准、平纵组合均衡等确定竖曲线半径，计算竖曲线要素。综合考虑，本设计设置一个凹形竖曲线，半径为10km。

4.2纵坡及坡长的技术标准

最大纵坡是指在纵坡设计时各级道路允许采用的最大坡度值。它是道路纵断面设计的重要控制指标。根据规定，高速公路的最大纵坡为4%。本设计纵坡值设计为-0.813%和

0.570%。

最小纵坡是为了使道路行车快速、安全和通畅。保证排水而确定的。设置不小于0.3%的最小纵坡。一般情况下以不小于0.5%为宜。最短坡长的限制，主要是从汽车行驶平顺性的要求考虑的。如果坡长过短，使变坡点增多，汽车行驶在连续起伏地段产生的增重与减重的变化频繁，导致乘客感觉不舒服，车速越高越突出。根据规定，汽车专用高速公路的最短坡长为：250m。

最大纵坡是指控制汽车在坡道上行驶，当车速下降到最低容许速度时所行驶的距离。本设计没有涉及到最大纵坡的要求。

4.3竖曲线的设计

4.3.1道路平、纵线形组合设计

1）应在视觉上能自然地引导驾驶员的视线，并保持视觉的连续性。

2）注意保持平、纵线形的技术指标大小应均衡。

3）选择组合得当的合成坡度，以利于路面排水和行车安全。

4）注意与道路周围环境的配合。

图4-1 平曲线与竖曲线的组合

Fig4-1 The articulation of the horizontal curve and vertical curve

4.3.2平曲线与竖曲线的组合

本标段设置的竖曲线与平曲线相互重合，且平曲线应稍长于竖曲线，且平曲线与竖曲线大小应保持均衡。

竖曲线的起终点分别在平曲线的两个缓和线内，满足了所谓的“平包竖”。

4.3.3直线与纵断面的组合

只要路线有起有伏，就不要采用长直线，最好使平面路线随纵坡的变化略加转折，并把平、竖曲线合理的组合。平面的长直线与纵面的直坡线配合，对双车道道路超车方便，在平坦地区与地形相适应，但行车单调乏味，易疲劳。直线上一次变坡是很好的平纵组合，从美学观点讲以包括一个凸形竖曲线为好，而包括一个凹形竖曲线次之；本设计满足以上的要求。

4.3.4竖曲线要素

竖曲线的最小半径

汽车行使在凹形竖曲线上，存在视距问题，对地形起伏较大地区的道路，在夜间行车时，若竖曲线半径过小，前灯照射距离近，影响行车速度和安全；在道速公路及城市道路上有许多跨线桥、门式交通标志及广告宣传牌等，如果它们正好处在凹形竖曲线上方，也会影响驾驶员的视线。根据规定，本设计竖曲线的最小半径和最小长度如下：

计算行车速度在100m/h时：

凹形竖曲线：R=10000mL=45m

4.4纵断面的设计

本设计地形主要以平原微丘为主，根据道路等级沿线的地形及其他因素外，合理地确定了一条竖曲线。变坡点桩号为K5+600.000，高程为27 m，道路起点高程为40m，终点高程为36m。

4.5纵断面图的绘制

用AUTO－CAD技术绘制纵断面图，采用直角坐标系，路线的里程为横坐标，高程为纵坐标，横向1：2000，纵向1：200。

5横断面设计

道路的横断面，是指中线上各点的法向切面，它是由横断面设计线和地面线所构成的，其中横断面设计线包括行车道、路肩、分隔带、边沟边坡、截水沟、护坡道以及取土坑、弃土堆、环境保护等设施。

5.1道路横断面组成和尺寸的确定

公路横断面的组成和各部分的尺寸要根据设计交通量、交通组成、设计车速、地形条件等因素确定。这些设施的位置和尺寸均应在横断面设计中有所体现。对于路基横断面形式和尺寸，在确定路线平面位置时就已有所考虑。在纵断面设计中，根据路线标准和地形条件对路基的合理高度进行了分析和计算。因此，施工图设计阶段的横断面设计是在总结上述工作的基础上把它具体化，并绘制横断面设计图纸，作为计算土石方数量和日后施工的依据。

5.1.1路幅及行车道宽的确定

本设计路段为平原微丘（K4+000.000～K7+180.114），交通量为20000辆/昼夜，根据规定，并结合实际情况取道路等级为高速公路，双向四车道。根据规范可以查得平原微丘地区高速公路车道宽度为3.75m，所以行车道宽为15m。

5.1.2加宽值的确定

对于半径大于250m的圆曲线，由于其加宽值甚小，道路可不加宽。

5.1.3路肩的确定

路肩的断面尺寸

本设计中参照我国的有关规定，选择右侧硬路肩宽度为3m，土路肩0.75m，土路肩的坡度为3%。

5.1.4分隔带的设置

四条和四条以上车道的公路应设置中间带,中间带由两条左侧路缘带和中央分隔带组成。

中间带的宽度是根据行车带以外的侧向余宽，防止驶入对向行车带的护栏、种植、防眩网、交叉公路的桥墩等所需的设置宽度而定的。

规定要求，中央分隔带宽度2.00m，左侧路缘带宽度为0.75m，所以中间带总宽度为3.50m。路幅横断面图如图5-1所示：

图5-1 路幅横断面图

Fig5-1 The transverse section general view of the range of road

5.2路拱及超高

5.2.1路拱

路拱对排水有利但对行车不利，路拱坡度所产生的水平分力增加了行车的不平稳，同时，给乘客以不舒适的感觉。本设计为沥青混凝土路面，根据规定：路面类型为沥青混凝土路面时路拱横坡度取1.0%～2.0%，本标段经过综合考虑取2.0%，以利于横向排水和行车舒适度。

5.2.2曲线超高

为抵消车辆在曲线路段上行驶时所产生的离心力，将路面作成外侧高于内侧的单向横坡的形式，这就是曲线上的超高，合理地设置超高，可以全部或部分抵消离心力，提高汽车行驶在曲线上的稳定性与舒适性。

1)超高的过度方法

有中间带的超高过渡方式一共有三种，即绕中间带的中心线旋转，绕中央分隔带边缘旋转和绕各自行车道中线旋转。本设计只考虑有中间分隔带的超高过渡，采用绕中央分隔带中线旋转的方式。

2)超高值的计算

本设计采用绕中央分割带中线旋转的过渡方式

5.3道路建筑限界与道路用地

5.3.1道路建筑界限

道路建筑界限，又称净空，是为了保证道路上各种车辆、人群的正常通行与安全，在一定的高度和宽度范围内不允许有任何障碍物侵入的空间界限。

1）净高

我国规定：汽车专用公路的净空高度为5.0m。

2）净宽

净宽是指在规定净高范围内应保证的宽度，它包括行车带宽度和路肩宽度。

5.3.2道路用地

建公路路堤两侧排水沟外缘（五排水沟时为路堤或横坡度坡脚）以外，或路堑坡顶截水沟外缘（无截水沟为坡顶）以外不少于1 m的土地为公路用地范围。

道树应种植在排水沟或截水沟外侧的公路用地范围内。有条件或根据环境保护要求种植多行林带的路段，应根据具体情况确定公路用地范围。

该标段沿线设施及路用房屋、料场等，应在节约用地的原则下，尽量利于荒山或荒坡地，并根据实际需要确定用地范围。

6 路面及排水设计

6.1 路面设计的任务

要作好路面的设计，首先必须要明确路面设计的任务。路面设计的任务在于提供经济的路面结构，使它在预定的设计期内能按照要求的可靠度承受行车荷载和环境因素的作用。同时，这种路面结构所需的材料，施工技术和资金，能符合当地所能提供的条件和经验

6.1.2路面的类型和结构层次

本标段路面设计的主要内容包括以下两点：

1）路面类型与结构方案设计

①路面类型

路面按照面层所用材料的不同，可分为沥青混凝土路面、水泥混凝土路面、块料路面和粒料路面。本标段采用沥青混凝土路面。

②结构层次

路面结构可分为面层、基层、垫层。

面层是直接承受行车荷载作用和大气降水与温度变化影响的路面结构层次，应具有足够的结构强度、良好的温度稳定性、耐磨、抗滑、平整和不透水。面层由一层或数层组成，其顶面可加铺磨耗层，其底面有时增设联接层。

基层主要起承重作用，应具有足够的强度。基层有时设两层，分别称为上基层和底基层。

在路基土质较差，水温状况不良时，宜在基层之下设置垫层，起排水、隔水、防冻、防污或扩散荷载压力等作用。

2）路面建筑材料设计

一般来说，路面设计应达到下列要求：

①应满足公路等级在设计年限内允许通过预测交通量要求的路面整体刚度，即路面应具有一定的承载力和抗疲劳能力。

②公路是暴露在大自然的带状工程结构物，长期经受日晒、雨雪、酷热、严寒、冻融等的考验，因此，路面设计应使路面在变化多样的条件下，保持一定的稳定性，这就是路面应具有耐久性。

③在标段年限里，经过一定的维修养护，应使路面具有与公路等级相适应的服务水平。

6.2沥青路面的类型选择

根据该标段的具体情况，路面铺装选择密实类沥青路面，和路拌法比较适合。

6.3 根据沥青路面的技术特性分类

沥青面层可分为沥青混凝土，热拌沥青碎石，乳化沥青碎石混合料，沥青贯入式，沥青表面处治五种类型。

该标段选择了沥青混凝土和沥青贯入式两种混合铺装。