山區(qū)高速公路線形設(shè)計(jì)的探討

山區(qū)高速公路線形設(shè)計(jì)的探討

道路的線性是道路的骨架，其設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)是長(zhǎng)期限制和影響道路的安全、舒適和經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)。山嶺區(qū)高等級(jí)公路受地形、地質(zhì)、海拔、水文、氣象等諸多因素的制約,線形設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)外,還要滿足視覺心理學(xué)、環(huán)境保護(hù)學(xué)以及與地形條件相適應(yīng)、與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)等方面的要求。1最優(yōu)的幾何線形設(shè)計(jì)公路線形設(shè)計(jì)應(yīng)使汽車能夠迅速、安全、舒適地行駛,這不僅要求采用與計(jì)算行車速度相應(yīng)的線形指標(biāo),同時(shí)還必須保證線形的連續(xù)、均衡與協(xié)調(diào)。連續(xù)是指線形設(shè)計(jì)應(yīng)保證汽車以某一速度行駛時(shí)能逐漸順暢地從一個(gè)圓曲線過渡到另一個(gè)圓曲線,從一個(gè)縱坡過渡到另一個(gè)縱坡。不同指標(biāo)之間應(yīng)有較長(zhǎng)的過渡段,使汽車以某一速度運(yùn)行時(shí)能從容地進(jìn)行方向轉(zhuǎn)換和換檔操作。這個(gè)過渡段在平面線形設(shè)計(jì)上就是設(shè)置足夠長(zhǎng)的緩和曲線,在縱面線形上就是采用較大的豎曲線半徑和設(shè)置較長(zhǎng)的豎曲線。線形設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮駕駛員在視覺和心理方面的要求,應(yīng)使駕駛員在行駛中視線連續(xù),并能預(yù)知前進(jìn)方向的變化,自然地誘導(dǎo)視線。均衡是指不同路段和相鄰路段之間的技術(shù)指標(biāo)不要相差太大,要組合適當(dāng),例如長(zhǎng)直線盡頭不要設(shè)小半徑曲線,大半徑與小半徑曲線之間的比例不應(yīng)太大,縱面變化不要忽陡忽緩。頻繁變更設(shè)計(jì)指標(biāo),將難以保持線形各要素的均衡,會(huì)導(dǎo)致駕駛操作的變化幅度過大,給駕駛者帶來心理上的不安,影響汽車的高速安全行駛。協(xié)調(diào)是指線形的平縱組合應(yīng)得當(dāng),不要平面指標(biāo)很高,而縱面指標(biāo)很低,或縱面指標(biāo)很高,而平面指標(biāo)很低。各種線形要素之間及與其他設(shè)施之間應(yīng)相互協(xié)調(diào)。直線、圓曲線、緩和曲線之間應(yīng)協(xié)調(diào);平曲線與豎曲線之間應(yīng)組合得當(dāng);平面線形與縱面線形之間應(yīng)協(xié)調(diào)組合;路線與構(gòu)造物及沿線設(shè)施間應(yīng)協(xié)調(diào)。公路線形與自然景觀之間也應(yīng)相互協(xié)調(diào),山區(qū)公路線形設(shè)計(jì)采用與自然地形相協(xié)調(diào)的幾何線形,順應(yīng)地形變化,既能融合周圍景觀,避免或減少對(duì)地形的劇烈切割,也能減少工程數(shù)量,降低工程造價(jià)、保護(hù)環(huán)境。山區(qū)公路大都是平、縱、橫三個(gè)方向控制的立體線形,也只有使用勻順的曲線和低緩的縱坡更能吻合彎曲不平的山區(qū)地形和周圍景觀,使之組成三面協(xié)調(diào)、流暢的線形及優(yōu)美的三維空間外觀,才能引導(dǎo)駕駛員有良好的視覺反應(yīng)和舒適、安全地行車。2高山區(qū)高架道路指數(shù)控制2.1限最小半徑的使用我國(guó)現(xiàn)行“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定了公路圓曲線極限最小半徑、一般最小半徑和不設(shè)超高的最小半徑。極限最小半徑只能基本保證車輛的安全和舒適,但不是對(duì)安全有充分把握和有一定富余的設(shè)計(jì)值。平面設(shè)計(jì)中如過多地使用極限最小半徑,必然降低路線的使用質(zhì)量,一般在不得已時(shí)使用。理想的最小半徑是以設(shè)計(jì)速度或以接近設(shè)計(jì)速度行駛時(shí)能提供更安全和舒適的行駛條件,并在一般地形情況下不會(huì)過多地增加工程費(fèi)用的半徑。“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的“一般最小半徑”是基于上述考慮制定的,應(yīng)盡量采用大于或等于一般最小半徑值。不設(shè)超高的圓曲線最小半徑是指曲線半徑較大,離心力較小,靠輪胎與路面間的摩擦阻力就足以保證汽車安全、穩(wěn)定行駛所采用的最小半徑。這時(shí)路面就可以不設(shè)超高。此外,為使駕駛員在視覺上能保持線形連續(xù)性,在心理上有舒適感和安全感,并與沿線的環(huán)境、景觀相協(xié)調(diào),前后兩曲線半徑比控制在3～5倍比較合適,最低不小于2倍。2.2關(guān)于汽車回轉(zhuǎn)曲線回旋曲線是緩和曲線的常用形式,回旋曲線參數(shù)A表明回旋曲線曲率變化的緩急程度。實(shí)際工作中,回旋曲線的計(jì)算是從確定參數(shù)開始的。回旋曲線參數(shù)A的選用,從運(yùn)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)心理學(xué)和視覺等方面考慮,一般應(yīng)符合以下幾點(diǎn):(1)根據(jù)汽車在回旋曲線上能否緩和行駛來確定:式中:V是汽車行駛速度,km/h;P為離心加速度變化率,建議高速公路采用0.35(推薦值)及0.5(絕對(duì)最小值)。(2)根據(jù)回旋曲線上行駛時(shí)間確定:式中:t為汽車在回旋曲線上行駛必要的最小時(shí)間,s。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)取t=3,結(jié)果為。(3)根據(jù)視覺條件確定。經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,使用回旋曲線作為緩和曲線時(shí),回旋曲線參數(shù)A和連接的圓曲線半徑R間保持R/3≤A≤R的關(guān)系,便可得到視覺上協(xié)調(diào)而又順暢的線形。設(shè)計(jì)時(shí),一般當(dāng)R<100m時(shí),取A≥R;R≈100m時(shí),取A=R;100m<R<3000m時(shí),取A≥R/3;R>3000m時(shí),取A<R/3。2.3舒適與曲線緩山嶺區(qū)高等級(jí)公路主要控制曲線間最小直線長(zhǎng)度,以保證行駛安全舒適及曲線線形的緩和變化。我國(guó)規(guī)范規(guī)定同向曲線間最小直線長(zhǎng)度以不小于行車速度的6倍為宜;反向曲線間最小直線長(zhǎng)度以不小于行車速度的2倍為宜。2.4平曲線偏角的規(guī)定平曲線過短會(huì)造成轉(zhuǎn)向操作困難,引發(fā)交通事故。當(dāng)偏角較小時(shí),即使圓曲線半徑足夠大,其長(zhǎng)度仍然很小。因此,我國(guó)規(guī)范規(guī)定,平曲線的偏角一般應(yīng)不小于7°,而且還規(guī)定了各種車速下平曲線的最小長(zhǎng)度。這一指標(biāo)是按照設(shè)計(jì)車速6s的行程確定的,也就是緩和曲線最小長(zhǎng)度的2倍。按照規(guī)定,平曲線中的圓曲線長(zhǎng)度至少不小于設(shè)計(jì)車速2s的行程。所以,平曲線最小長(zhǎng)度以設(shè)計(jì)車速的9s行程為宜,這樣才能保證駕駛?cè)藛T在操縱方向盤上不感到困難。2.5山區(qū)公路的定期維護(hù)山嶺區(qū)高等級(jí)公路的縱面線形要嚴(yán)格控制線位,避免大填大挖;嚴(yán)格避免長(zhǎng)直線、大縱坡與小半徑的組合。實(shí)踐證明,這是山區(qū)公路定線之大忌,也是山區(qū)公路交通事故高發(fā)的主要地段。要充分考慮汽車的動(dòng)力性能,盡量少用7%的極限縱坡,合理控制坡長(zhǎng),合理確定變坡點(diǎn),合理設(shè)置豎曲線。縱坡設(shè)計(jì)要結(jié)合地形,既不要出現(xiàn)連續(xù)的縱面起伏,也不要因追求縱面指標(biāo)而導(dǎo)致填挖量過大。2.6豎曲線均衡問題使平曲線與豎曲線重合,最好是平曲線與豎曲線一一對(duì)應(yīng),而且平曲線要比豎曲線長(zhǎng),即所謂“平”包“豎”,其立體線形連續(xù)而順暢。平曲線和豎曲線大小要保持均衡。平、豎曲線重疊,其中一方大而緩,另一方也要大,均衡可以達(dá)到線形優(yōu)美順暢、視覺良好、行車舒適的效果。平、豎曲線均衡的定量指標(biāo)并沒有統(tǒng)一的規(guī)定,一般情況下當(dāng)平曲線半徑不大于1000m時(shí),其豎曲線的半徑為平曲線半徑的10～20倍,便可達(dá)到均衡。凸形豎曲線的頂部或凹形豎曲線的底部,應(yīng)避免與反向平曲線的拐點(diǎn)重合。前者線形失去誘導(dǎo)作用,易導(dǎo)致駕駛失誤;后者雖無視線誘導(dǎo)問題,但在拐點(diǎn)前后線形呈扭曲現(xiàn)象,視覺上有缺陷,同時(shí)與縱、橫排水不利,應(yīng)該避免。應(yīng)避免在凸形豎曲線的頂部和凹形豎曲線的底部插入急轉(zhuǎn)彎的平曲線。前者因沒有視覺誘導(dǎo)而必須急轉(zhuǎn)方向盤;后者易使駕駛員對(duì)縱坡的判斷失誤,導(dǎo)致超速行駛。兩者對(duì)行駛安全均不利。事故調(diào)查分析表明,回旋曲線與小半徑的豎曲線相重合時(shí)事故率最高,特別是凸形豎曲線更為不利,易造成駕駛員緊張而引起事故,應(yīng)避免這種組合。3社會(huì)主義道路線形的“曲線定線法”傳統(tǒng)的定線方法是根據(jù)地形條件,先設(shè)置一系列直線,然后用圓曲線和緩和曲線將直線連接起來,這種方法被稱為“直線定線法”。在山區(qū)地形條件下,采用“直線定線法”難以實(shí)現(xiàn)線形的連續(xù)與均衡設(shè)計(jì),且不易與地形、地物、景觀相協(xié)調(diào),容易造成大挖大填。采用“曲線定線法”,即先確定適合地形的圓曲線,準(zhǔn)確地控制地形、地物,在不受限制的地方用直線和緩和曲線將圓曲線連接起來,形成以曲線為主的隨地形、地勢(shì)而曲折舒順的連續(xù)線形。這比硬拉直線造成大挖大填的線形優(yōu)越得多,它不僅能靈活地與公路所經(jīng)地帶的地形、地物、景觀相協(xié)調(diào),而且能減少工程量,降低造價(jià),同時(shí)盡量減少對(duì)環(huán)境的破壞。國(guó)道205線南平至青州段采用“曲線定線法”的具體做法是:(1)沿著可行性研究階段所確定的路線走廊,測(cè)繪1:2000帶狀地形圖。(2)在大比例尺地形圖上沿各主要控制點(diǎn)粗略地確定線位。(3)利用圓曲線板、回旋曲線尺和直尺在地形圖上布設(shè)路線的平面線位,確定路線的幾何參數(shù)R、A,并在地形圖上粗略地讀取曲線主點(diǎn)的坐標(biāo)。(4)利用以上數(shù)據(jù),計(jì)算精確的幾何線位。(5)將計(jì)算得到的線位繪在地形圖上,檢驗(yàn)其是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求(包括平、縱面立體線形)。(6)調(diào)整R、A值和曲線主點(diǎn)坐標(biāo),重新計(jì)算,直至滿意為止。(7)對(duì)受限較嚴(yán)的重點(diǎn)地段采用現(xiàn)場(chǎng)放線的方法進(jìn)行實(shí)地核對(duì)檢查和調(diào)整,特別是對(duì)地面橫坡較陡地段以及其它可能出現(xiàn)高填深挖處的橫斷面要進(jìn)行重點(diǎn)核對(duì),找出最佳橫斷面位置,由此再修正平面或縱斷面設(shè)計(jì)線形。與初步設(shè)計(jì)階段采用“直線定線法”確定的路線方案相比較,采用“曲線定線法”確定的路線方案,路線總長(zhǎng)縮短了1.43km,全線彎道總數(shù)減少了9個(gè),平均每公里土石方數(shù)量減少了18.35%,平均每公里造價(jià)減少了12.78%。實(shí)踐證明,在山區(qū)地形條件下,“曲線定線法”由于使用曲線彎尺直接確定中線的位置,能夠直觀迅速地看出路線滿足控制點(diǎn)的情況;又因曲線比較柔順,便于靈活方便地調(diào)整路線,容易滿足地形條件,比強(qiáng)拉直接更能減少土石方工程數(shù)量。“直線定線法”由于所穿交點(diǎn)的位置并不在道路的中線上,設(shè)計(jì)者難以掌握具體線位,只能估計(jì),遠(yuǎn)不及曲線法直觀方便,一目了然。以曲線為主的連續(xù)線形與長(zhǎng)直線—短曲線所組成的線形相比,前者更能形成自然、連續(xù)、流暢、優(yōu)美的線形;整個(gè)曲線長(zhǎng)而均衡,容易與縱斷面線形配合,形成優(yōu)美的立體線形,起到良好的引導(dǎo)視線的作用。而平面上的長(zhǎng)直線與縱斷面上的長(zhǎng)勻坡線的組合線形,視覺上是僵硬和呆板的?！扒€定線法”的設(shè)計(jì)計(jì)算和放線要比“直線定線法”復(fù)雜,但由于本項(xiàng)目勘測(cè)設(shè)計(jì)采用全站儀極坐標(biāo)法放線,并且開發(fā)了一套用于計(jì)算的程序,所以計(jì)算與放線