高速公路路线线形设计探讨

王添荣

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山西省东有太行山脉，西有吕梁山脉，内有汾河、沁河、桑干河、漳河、滹沱河等众多河流，号称表里山河。山西省修建高速公路通常需要克服较大高差，穿越山岭区，才能连接如串珠般分布在河谷平原和盆地中的城镇。优秀的公路设计是公路工程的灵魂，是实现公路预定功能、改善区域路网的前提条件。路线设计是公路设计的核心内容，由于区域自然条件、人文因素的复杂多变，路线设计并没有一成不变的固定模式或方法可遵循，只有坚持基本设计原则、灵活运用各项技术指标才能设计出安全、环保、经济、舒适的路线方案。路线线形设计就是要在选定的走廊带与主要控制点的基础上，进行布局和总体设计，合理运用技术指标[1]；在控制工程规模的前提下，优化线形组合，做到线形连续、顺捷、指标均衡，适应地形地质条件，与区域自然景观协调。

1 高速公路平面线形设计

《公路路线设计规范》对高速公路平面设计，提出了直线长度、圆曲线半径、平曲线长度、回旋线设置条件及长度、超高过渡、视距检查等技术要求。具体设计过程中，对高速公路平面线形设计还应注意以下内容：

a）合理运用直线和平曲线，线位尽量协调地形条件。在荒漠地带、规整农田、城市规划边界，为缩短里程或避让农田城镇时，可以采用实际需要的长直线；但在其他普通地区，直线长度通常不超过20v（v为设计速度，单位：km/h）。路线设计宜以曲线线形设计为主，合理运用直线和平曲线穿越或避让重要地物，才能落实安全、环保、节约的设计理念。

b）限制因素较小时，圆曲线半径应尽量取较大值；线形受地形地物限制时，也应尽量使用超高为2%～4%的圆曲线半径；地形特别困难的地区，可以谨慎地使用规范中圆曲线最小半径的一般值，并注意前后线形之间的协调和过渡，仔细核查线形的平纵面组合。

c）平面线形中的回旋线采用缓和曲线，缓和曲线长度至少要满足超高渐变的需要，缓和曲线参数A与相连圆曲线半径R要满足R/3

d）隧道洞口内外，不小于3 s行程的路线长度范围内，平面线形要保持一致（直线或圆曲线）；条件受限不能满足时，应该采用较大的平曲线和竖曲线半径，采用较缓纵坡，满足视距要求，并采取必要的安全措施。

e）设置服务区、停车区、互通立交的路段，曲线半径应大于规范要求的主线圆曲线半径要求。

2 平曲线视距分析

视距是公路线形设计的主要控制指标，根据公路的交通运行方式和公路横断面组成的不同，视距可分为停车视距、超车视距和会车视距等。高速公路为对向分离式断面，且单方向至少两车道，所以按停车视距控制线形指标。《公路路线设计规范》对不同设计速度下，以视线较差的小型汽车目高1.2 m，前方路面物高0.1 m为计算模型，给出了表1的停车视距。

表1 高速公路停车视距

式中：h为横净距，m；Rs为视点轨迹线半径，m；S为视距，m ；。

高速公路车道右侧设置硬路肩和土路肩，路基外侧通常不对停车视距造成影响，设计时要注意检查路基、桥梁段中央分隔带停车视距。即以中央分隔带护栏或防撞墙为障碍物，根据公路设计速度下的停车视距、车道及路缘带宽度、中央分隔带波形护栏或防撞护栏位置及构造尺寸，计算出设计线形下内侧车道的横净距h，以此横净距按式（2）（符号意义同前）[3]计算满足中分带视距要求的平曲线最小半径R，计算结果如表2所示。

表2 中央分隔带视距要求圆曲线半径

当护栏视距不足时，只能改造中央分隔带构造，或者向外偏移车道以增加横净距，但这两种方法对车辆行驶轨迹的连续性有影响，存在安全风险。所以平面设计时圆曲线半径应尽量大于表2中数值。

可能造成公路停车视距不足的因素有：平曲线暗弯（曲线内侧存在边坡或其他障碍物的弯道）、纵断面的凸形竖曲线、下穿分离立交道路的凹形竖曲线等。其中，凸形和凹形竖曲线的视距问题，规范中规定竖曲线最小半径时已经做了考虑，采用大于规范规定的最小竖曲线半径就可以满足竖曲线上的停车视距要求。所以，线形设计时的视距检查，主要针对平面线形。

如图1所示，在车辆视点轨迹线上，以视距S为弧长可以做一系列割线（1-1'，2-2'等），由这些割线构成的包络线即为视距曲线，视点轨迹线到视距曲线的距离即为横净距h。对于高速公路平面线形，通常圆曲线长度大于视距长度，则圆曲线段横净距可按式（1）计算[2]，在横净距范围内，不得有阻碍视线的障碍物。

图1 弯道内侧通视区示意图

3 高速公路纵断面设计

《公路路线设计规范》对高速公路纵断面设计，提出了高程、坡度、坡长、合成坡度、竖曲线的指标要求，对桥梁隧道位置的纵坡、混合交通的纵坡、长大下坡和连续上坡路段做出了特别要求。具体纵断面设计时，一般先考虑地形起伏、地质和水文等情况，其次考虑路基填挖高度和土石方平衡，最后统筹兼顾桥梁、隧道和互通服务区设置的要求，结合平面线形设计路线纵断面，做到纵断面均匀连续，与周围环境协调。设计时应注意以下几点：

a）路线纵断面设计要满足设计水位要求。路线与其他管线交叉位置，是纵断面设计的高程控制点，当与轨道交通、其他公路、电力线、油气输送管线交叉时要预留净空高度、安全距离。

b）一般纵坡坡度不宜大于4%，也不宜小于0.3%.纵断面设计要合理采用坡率和坡长，要充分利用地形地势，以控制工程规模。

c）当遇到连续上坡、下坡路段时，不宜轻易采用最大坡度值，当纵坡坡长达到限制要求长度时，应设置坡度小于等于2.5%的缓坡段，缓坡段长度要大于规范最小坡长。连续下坡路段，还要避免坡底接小半径平曲线的危险组合。

d）桥梁应采用较缓纵坡，小桥涵对纵坡适应性较好，中桥及以上的桥梁纵坡应控制在4%以内，有条件时最好以3.5%为纵坡坡度限值；桥梁宜避免位于凹曲线上，连续刚构桥宜在跨中设置凸形竖曲线。特殊结构的桥梁往往是路线控制因素，此时纵断面设计应充分满足特殊结构受力、安全、排水、景观等需要。

e）隧道端口前后3 s行程内应保持相同的纵面线形，洞口如果设置竖曲线，宜尽量放大竖曲线半径，增长视距长度。隧道内纵坡以单向坡为宜，对长隧道、特长隧道宜设置人字坡，利于洞内排水和隧道通风。

f）服务区、停车区、互通立交等设施路段，纵坡应大于规范要求的主线段纵坡、竖曲线半径的要求。对预留的远期项目交叉位置，应提高指标，竖曲线宜采用满足视觉要求的较大竖曲线半径，便于后期项目的接入。

4 平纵面线形组合设计

路线是一个立体线形，平纵面设计要注意二者组合关系。高速公路设计速度高，线形设计考虑的因素要更周全。路线平纵组合得当，线形就视觉良好、与地形协调。平曲线与竖曲线宜一一对应，且平曲线应长于竖曲线，即“平包竖”，竖曲线宜大于圆曲线，即“竖包圆”。当圆曲线半径小于2 000 m，竖曲线半径小于15 000 m时，应严格按照平纵组合设计；当平曲线半径大于6 000 m、竖曲线半径大于25 000 m时，由于视觉效果较好，可以放松对平曲线、竖曲线对应关系的要求。

公路作为一个三维工程体，应当审核设计公路的立体视觉效果，在驾驶员视距可见范围内，不宜见到多次的平面反向和纵坡起伏；当前后坡差较大时，一般平曲线明弯道与凹形竖曲线搭配，暗弯道与凸形竖曲线搭配，这样的线形组合视觉平顺舒适、效果悦目。

最后，路线平纵设计，要兼顾设置互通立交、桥梁、隧道等各专业的基本要求，有条件时尽量配合相关专业满足其特殊要求。

高速公路路线设计要以《公路路线设计规范》为依据，满足规范要求的技术指标。规范中指标用词为“必须”“严禁”的，要严格遵守；用词为“应”“不得”的，一般情况也不得突破；对用词为“宜”“可”的，可以适当放松要求，次要的路线技术指标运用可参考表3。

表3 次要路线技术指标运用要点

5 连续长大纵坡设计

山西省已运营的高速公路中存在26段长大纵坡路段，全省长大纵坡路段里程累计长达620.6 km。山西省高速公路设置避险车道数量已超过50处。《公路路线设计规范》按照坡度坡长组合，给出了长大下坡的界定条件，见表4。

表4 长大下坡路段坡度、坡长限定表

在长大纵坡的上坡方向，通常只需要在运行速度低于容许低速的路段设置爬坡车道，以降低重型车低速行驶对道路服务水平的影响。而在长大纵坡下坡方向，由于车辆频繁使用制动器，会导致制动器高温失灵造成交通事故，安全隐患很大。车辆制动器的使用频率与车重、坡度坡长、行驶速度、司机驾驶习惯都有紧密的关系，在路线设计时，要充分考虑以上因素，并特别注意以下几点：

a）严格控制路段的纵坡度和坡长，在线形设计时，将长大纵坡段运营安全因素作为重要的比选条件，综合论证。

b）避免集中采用最大纵坡值，防止车辆制动器短时间内使用频率增大；纵坡值应尽量接近路段平均纵坡，使得车辆可以通过挡位控制速度。

c）线形中直线过长，或平面半径由大到小变化剧烈时，前期不控制车速的车辆，在线形指标降低的位置，通常需要紧急制动。为避免这种情况，线形设计时要注意指标均衡。

d）长大纵坡路段要特别注意运行速度检验，对项目的安全性进行事先评估，采取主动预防。预防措施除了优化线形设计外，还要增加路段地形预报，加强线形诱导，采用加强护栏和设置避险车道等被动防护措施。此外，通过计算运行速度，对上坡、下坡方向设置不同的圆曲线超高值，也是很有实际用途的安全设计方案。

6 设计线形运行速度安全性评价

我国现行规范对线形设计采用的是设计速度理论。实际车辆在行驶中，会随着线形指标的高低而波动，车辆运行速度并不是一个定值。运行速度理论在我国经过十多年的研究及应用，现已被规范引入，主要对二级及以上等级的公路进行交通安全评价和设计检验。运行速度协调性是评价线形一致性的指标，采用相邻路段运行速度差值，以及同一路段运行速度与设计速度的差值进行评价[4]。

对运行速度与设计速度差值大于20 km/h的路段，要调整线形方案，综合考虑工程量增加、实施难度等因素，提出调整平纵横指标、优化线形组合的方案，使运行速度与设计速度相一致。对相邻路段运行速度差值大于20 km/h的区段，应明确造成突变的关键指标，有针对性地修改平面、纵面参数，使相邻路段达到运行速度协调，其运行速度差值以不大于10 km/h为宜。

随着速度应用模型和方法的优化，运行速度仿真模拟对设计的安全检验也会逐步成熟，对确保行车安全起到更关键作用。

7 结语

路线方案是公路工程的关键，对控制工程造价、确保投资效益、减少工程隐患具有十分重要的作用。路线设计人员必须贯彻各级交通运输主管部门设计理念，综合考虑多方因素，合理应用技术指标，才能在不断的比选优化中得出安全环保、经济实用的路线设计方案。本文中的路线技术指标计算成果和线形设计经验总结，可供公路路线设计人员参考。