交通部“新理念”在京承高速公路线形设计中的应用

1、交通部“新理念”在京承高速公路线形设计中的应用总第190期交通部新理念在京承高速公路线形设计中的应用25交通部新理念在京承高速公路线形设计中的应用裴大伟刘峰(1.北京国道通公路设计研究院;2.北京市首都公路发展集团有限公司)摘要本文结合交通运输部公路设计新理念,从道路平面线形设计,纵面线形设计,平纵线形组合设计,线形与桥梁,线形与沿线设施,线形与景观的协调等几个方面,论述了京承高速公路工程的路线线形设计.关键词高速公路平面线形纵面线形平纵线形组合景观设计京承高速公路起点为北京市四环路,终点为北京市与河北界司马台长城,全长131km,是交通运输部规划的国家高速公路网大庆广州线的一部分.根据北京市

2、交通委和路政局的建设计划安排,京承高速全线分三期建设,用8年时问建成:一期北京市四环路望和桥顺义区高丽营(六环路)段,全长2tkm,为平原区高速公路,设计速度80120km/h,双向6车道加连续停车带,于2002年10月建成通车;二期顺义区高丽营(六环路)密云县沙峪沟段全长47.3km,为平原区高速公路,设计速度120km/h,双向6车道加连续停车带,于2006年lo月建成通车;三期密云县沙峪沟北京市与河北界司马台长城段,全长62.7km,为山区高速公路,设计速度80100km/h,双向4车道加连续停车带,2007年7月开工建设,2009年9月建成通车.下面就已经建成通车的京承高速公路一期,二

3、期路线线形设计作一简要介绍.1总体设计原则(1)满足jtgb0l一2003公路工程技术标准及jtgd202006公路路线设计规范等相关法规,标准,规范的规定.(2)京承高速路线走向根据高速公路的功能,使用任务及其在路网中的位置作用,做好本项目与综合运输体系,农田与水利建设,城镇规划的协调匹配关系,合理确定公路的路线走向.(3)根据地形,地物条件,结合沿线工程地质,水文,生态环境,自然景观等选定路线线位,力求少拆迁,少占地,少伐移树木,最大限度地减少对道路沿线生态环境的影响,保护和改善生态环境.(4)线形设计综合考虑公路的平面,纵断面,横断面三者的关系,平纵指标做到平面顺适,纵面均衡,横面合理,

4、平纵配合合理,指标运用均衡,避免突变.(5)路线设计要连续,美观,且与沿线的景观,地形相协调.在视觉上能诱导驾乘者视线,使驾乘者获得赏心悦目的感觉.2主要线形技术指标2.1平面线形京承高速一,二期道路全长68.3kin,全线共设计了21个交点,平均每3.25km设置一个交点.京承高速一,二期采用的主要技术指标见表1.2.2纵面线形京承高速一,二期共设计了97个变坡点,平均每km设置1.42个变坡点,最大纵坡3.0%,最小纵坡0.10%.京承高速一,二期采用的主要技术指标见表2.26北京公路2009年第6期表1平面线形主要技术指标项目单位规范要求值采用值说明路线长度km68.3o京承一一朔交点个

5、数个2l平曲线累计长度km28.27平曲线长占总长比例%4l_39曲线比例较高平曲线最大半径1oooo7000平曲线最小半径1oo014o0最大偏角67.5o13l最小偏角小于7.设较长平曲线6.4231l采用609m长平曲线平曲线最大长度2364.33平曲线最小长度6()0965.27回旋线最大长度790回旋线最小长度100l9o圆曲线最大超高值%83超高渐变率l/2501/3281/262绕中央隔离带边缘旋转直线最大长度不宜过长lo451.27沿潮河河堤(直线)布线停车视距21o2l0表2纵面线形主要技术指标项目单位规范要求值采用值说明路线长度km68.3o京承一,二期路基设计洪水频率1/

6、1001/100百年一遇变坡点个97变坡点(3%三纵坡坡度至2%)个7变坡点(2%>纵坡坡度-1%)个42变坡点(1%>纵坡坡度>0)个48平均每公里变坡点个数个1.42最大纵坡%3.o3.0跨城市铁路采用一次最大纵坡快速降坡最小纵坡%不宜小于0.30o.10下穿六环路受净空限制,城市段等与地形匹配最大纵坡长度2l703%纵坡对应最大坡长900433.123%纵坡对应纵坡长度最小纵坡长度3oo303.79最大20h0ooo凸珏!蜂曲线半释最小l7o0ol7000最大12o0oo凹型竖曲线半径最小6ooo80o0竖曲线最小长度100126.64最大合成坡度%lo3.63具体设计

7、理念3.1根据道路的使用性质和功能,本项目分为城市快速路和高速公路两个标准,提高道路的合理使用率四环路五环路段4.3km长道路两侧建有大片住宅小区,属北京市朝阳区范围,因此根据规划道路性质定义为城市快速路,设计速度80km/h;五环路以外从用地上分属顺义,昌平,怀柔,密云4个郊区区县,规划道路性质定义为高速公路,设计速度120km/h.采用五环路互通立交北侧主收费站完成总第190期交通部新理念在京承高速公路线形设计中的应用27设计速度从80km/h向120km/h的过渡.3.2根据道路所处地段的交通组成,分析交通特点,因地制宜的分段采用分离式和整体式断面四环路五环路以北来广营段5.8kin,由

8、于有现状城市铁路13号线(城市铁路占地宽约30m)与本项目平行,因此路基设计采用分离式断面(图1),在城市铁路13号线两侧布置京承高速公路上下行线,路基宽217m;其余62.5kin均采用整体式断面,路基宽度35m.利用来广营高架桥完成分离式横断面向整体式横断面的转换.图13.3平面线形的选择,指标的掌握及应用一期和二期共设计了21个交点,平均每3.25kin设置一个交点,平曲线最小半径1400m.3.3.1路线平面线形的选择路线平面线形是直线,圆曲线和回旋线三种基本线形要素的组合.直线具有最直接,方向最明确,易于布设等特点.然而,直线线形缺乏灵活性,难以适应地形,地物,不易与周围景观相协调,

9、因而在应用上自然受到限制.而且,直线过长,易使驾驶者感到疲劳犯困,尾随车辆不易估计车速,易造成车速过快,并使驾驶者目测车距容易产生误差而引发事故.曲线线形舒顺流畅,平纵线形配合优美,能较好地适应地形,地物变化,具有柔和的几何形态,驾乘人员处于动态之中.在以曲线为主的道路上行驶,驾驶者必须经常移动注意点来进行驾驶操作,同时,车辆在沿着弯道行驶时,展现在驾驶者前面的是经常变化着的自然景色,显得更加有趣和多样化.京承高速公路处在平原微丘区,部分地区有规划整齐的农田水利网和道路网,在这些地区,适当地采用直线,避免对原有的和规划的农田水利网及道路网进行不必要的切割和破坏,以免影响其使用功能,同时又大量采

10、用曲线.在京承高速公路一期和二期中,曲线段占总里程的41.39%.3.3.2平面线形指标的掌握及应用(1)直线在路线平面线形设计中,我们十分重视直线的设计.直线的设计,就是指两平曲线间的直线设计,具体分为长直线设计和平曲线间最小直线长度设计.长直线长直线主要出现在平原微丘区的线形设计中.在这类地区,一般都有规划整齐的农田水利网和道路网,采用一些适当长度的直线是可行的.但要避免过长的直线,以减少枯燥感,单调感和不安全因素.北京地区村镇密集,经济发达,公路网(现状和规划)密布,立交,通道,跨河桥密集,导致纵面变化频繁,过长的直线使得平纵难以配合,一条长直线内可能会包含几个竖曲线,所以更希望直线长度

11、不宜过长.我国的现行规范对此未做明确的规定,但要求对直线的最大长度应有所限制.本项目除一个直线外,其余直线长度均未超过2400m.京承高速二期平行潮河段直线长达10451.27m,原因是潮河本身就很直顺,潮河两岸又有各50m的绿化隔离带,隔离带外还是北京市密云县的成片规划用地,因此路线只能选在潮河绿化隔离带和密云县的成片规划用地之间,平行潮河布设.此段纵断面上设置了13个变坡点,因此采取增设交通标志,立体绿化等技术措施,来改善视觉环境,诱导视线,使长直线没有单调感.此段自通车至今未发生过交通事故,实践证28北京公路2009年第6期明采取合理的纵面设计,或通过交通设施,绿化,景观等措施,采用长直

12、线在某些特殊地形下也具有可行性.平曲线间最小直线长度两平曲线问的直线长度不宜过短.jtgd202006(公路路线设计规范规定对于设计速度大于或等于60km/h的公路,同向曲线之间最小直线长度(以m计)以不小于设计速度(km/h)的6倍为宜,反向曲线之间最小直线长度(以m计)以不小于设计速度(km/h)的2倍为宜.互相通视的同向或反向平曲线,如果其间直线长度过短,容易把直线和两个平曲线看成是反向弯道,使整个线形缺乏连续性.在两同向曲线之间插入较短的直线是不适宜的,由于车辆驶离一个弯道而进入另一个弯道的过程中,驾驶员要使方向盘做反向扭转,这一过程需要一定的时间维持直线方向运行,因此两同向曲线之间要

13、求有较长的直线.我们设计时根据路线透视图和实践检验,将最小直线长度控制在8倍左右设计速度,获得了满意的效果.对于实在布设不开的路段,采用卵形曲线,即把一对同向曲线用回旋线直接连接起来而不设直线.在两反向曲线之间插入较短的直线也是不适宜的,当两反向曲线平曲线半径较小时,行车转向则缺乏连续性和稳定性,也显得线形不舒畅.一般而言,反向曲线之间最小直线长度应用起来较为容易,甚至可以把一对反向曲线用s型回旋线直接连接起来而不设直线.在有条件的情况下,反向曲线之间最小直线长度(以m计)我们一般控制在设计时速的4倍左右.根据路线透视图和实践检验,效果很好.(2)圆曲线汽车在圆曲线上行驶时,受离心力作用行车条

14、件变坏,圆曲线半径越小,发生事故的概率越大.所以在线形设计时,只要地形条件许可,都应尽量选用较合理的圆曲线半径,不过度用小值也不盲目追求大值.平曲线半径的合理选用,与设计速度,地形地物,经济能力,技术能力,相邻曲线间的均衡协调,曲线间直线长度等诸多因素有关.在平原微丘区,尽可能采用合理的较大圆曲线半径,最好能选用大于不设超高的平曲线半径,这样路面排水则可通过路拱横坡得以解决.北京地区村镇密集,公路网(现状和规划)密布,立交,通道,跨河桥密集,导致纵面变化频繁,京承高速受实际地形,地物等限制,平曲线半径实际采用大于不设超高的平曲线半径比例并不是很大,只能合理选用平曲线半径,使曲线线形舒顺流畅,平

15、纵线形配合优美,并努力适应地表,地物变化.至于排水难点,通过加密急流槽和利用纵坡可以解决.规范没有对圆曲线最大长度作出明确规定.根据以往经验,车辆在长大曲线上行驶,尽管曲线本身较直线柔和,但驾驶者在同一曲率半径上行驶时,方向盘几乎与在直线上行驶一样无需做大的调整,如果半径达到70009000m,则视线集中的300600m范围内视觉效果近乎于直线,因此,在沿线景观缺少变化的情况下,同样易使驾驶者感到疲劳,枯燥.就曲线间线形协调,连续而言,建议:圆曲线长度一般应取最小长度的58倍,即10002400m(对应设计速度80120km/h)为宜,最大圆曲线长度最好不要超过3000m.平面线形设计时还应注

16、意小偏角大半径曲线的设计.由于偏角小,就必须采用大的平曲线半径,但是平曲线半径过大曲率相应就小,近于直线而又非直线,容易使驾驶者将曲率看成比实际的大,造成驾驶困难或判断失误而发生事故.jtgd202006(公路路线设计规范规定的小偏角的界限为7.,从设计和使用上看,在可能的情况下,最好控制在10.以上.(3)回旋线回旋线是线形设计要素之一.高速公路总第190期交通部新理念在京承高速公路线形设计中的应用的直线同小于不设超高的最小半径圆曲线连接处,两曲线径相连接处均应设置回旋线.两同向圆曲线径相衔接或插入的直线长度不足时,可用回旋线将两同向圆曲线连接组合为卵形曲线.卵形曲线的回旋线参数a应在r/2

17、r(r:为小圆曲线半径),两圆曲线半径之比以r/r.以0.20.8为宜,两圆曲线的间距以d/r以0.0030.03为宜.两反向圆曲线径相衔接或插入的直线长度不足时,可用回旋线将两反向圆曲线连接组合为s形曲线.s形曲线的回旋线参数a和a:宜相等,如不相等,a./a宜小于1.5;两圆曲线半径之比以r./r2(r为小圆曲线半径)为宜.回旋线一圆曲线一回旋线的长度以大致接近为宜,两个回旋线的参数值亦可以根据地形条件设计成非对称的曲线,但a/a应小于2.在确定回旋线长度时,首先应考虑的是离心加速度变化率,以及使驾驶员感觉舒适,线形视觉良好所需的长度,其次才是超高缓和渐变段所需的长度.为在视觉上获得美观,

18、圆滑的线形,回旋线长度应随圆曲线半径的增大而增长.只有当采用较长的回旋线但限于交点间距不足时,才可采取减小圆曲线半径解决.在线形设计中,圆曲线的半径是首要的,如果圆曲线半径过小,既使回旋线再长,其对行车的舒适性和安全性也是不利的.如果回旋线太长,就会使驾驶员感到后一段曲线曲率增加得很快驾驶不舒顺.因此回旋线参数a应采用r/3一r,这已经通过路线透视图和实践得到验证.对于较长的回旋线,应充分考虑到纵面的变坡点可能位于其中.另外,还有回旋线的设置,特别是反向回旋线,应尽量避开人工构造物,以免造成构造物设计难度增加,构造物曲折及排水不畅.3.4纵面线形的选择,指标的掌握及应用京承高速一,二期纵面线形

19、共设计了97个变坡点,平均每km设置1.42个变坡点,最大纵坡3.0%,最小纵坡0.10%.3.4.1路线纵面线形的选择纵面线形设计本着平顺,圆滑,视觉连续,与地形相适应,综合考虑地质,水文,气候等因素,并与周围环境相协调的原则,尽量采用较小的纵坡,尤其是路线交叉前后的纵坡更应平缓,避免采用最大纵坡值,尽量采用合理的竖曲线半径.3.4.2纵面线形指标的掌握及应用(1)道路纵坡道路纵坡设计本着均匀,平缓的原则,合理布设各段纵坡,尽量少用最大纵坡.首先按设计速度确定道路最大纵坡.当设计速度为120km/h,规范规定最大纵坡为3%.本项目在跨铁路环线(要求净空7.9m)时,为快速降坡并减少占地和填方

20、,采用3%的最大纵坡,其余路段纵坡均小于2.55%.关于道路最小纵坡,规范规定不宜小于0.3%.本项目在城市快速路段(四环路一五环路段)部分纵坡采用0.1%0.3%,主要是受道路周边建成区的限制,同时为与城市铁路l3号线相协调.该段道路排水通过道路横坡(路肩设平缘石,利用2%的道路横向排水)汇人护砌边沟排走,并加大边沟排水纵坡,很好地解决了道路纵坡偏小的问题,实践证明切实可行.(2)坡长在可能的条件下,坡长尽量采用规范规定最小坡长的1.53倍.本项目共设置了98段纵坡,其中有78段纵坡坡长在规范规定最小坡长的1.53倍以内.坡长过小增加变坡次数,使车辆行驶颠簸频繁,影响行车平顺性.如相邻坡段坡

21、度相差较大,汽车运行需要变换排挡时,则坡长更不宜太短.因此设计需根据具体情况确定合理坡长.(3)竖曲线设置竖曲线的目的是为了缓和行车时车辆的颠簸与振动,因此为了增加驾乘者行车安全性和舒适性,尽量采用较大的竖曲线半北京公路2009年第6期径,最好用到规范规定的凸型,凹型竖曲线最小半径的1.5倍以上.本项目共设置了97处竖曲线,其中有67处竖曲线半径满足规范规定的凸型,凹型竖曲线最小半径的1.5倍以上.对于凹型竖曲线,如果半径较小,两个同向凹型竖曲线间存在直线坡段时,在视觉上会产生断背的感觉.对于反向竖曲线,竖曲线半径较小时,汽车从凹(凸)型竖曲线驶向凸(凹)型竖曲线,当离心力加速度的变化值大于0

22、.5m/s时,应在反向竖曲线间设置直坡段.3.5线形组合设计高速公路线形设计,还要特别注意平面与纵面线形的组合关系.受立交,通道等的影响,高速公路纵面线形起伏较大,因此在平面设计时,就要为纵面线形设计考虑,为平,纵线形的组合设计打好基础.要避免把平曲线的变化点设在地形变化处的顶部或底部,以及大型人工构造物(如立交跨线桥,大跨河桥)区间,因为立交跨线桥,大跨河桥等大型人工构造物的最大设计高程,一般是纵面设计顶点,所以线形设计时应考虑充分.高速公路路线的平,纵面组合设计,应充分考虑驾驶者在视觉上和心理上的要求.竖曲线与平曲线一一对应,两者重合,竖曲线完全包在平曲线之内,是平,纵最好的组合.对于长而

23、缓的平曲线,应当采用平顺而流畅的纵坡,且平,竖曲线都应采用较大的半径.特别是凹形竖曲线处,两者的半径更应该大些.要避免在凸形竖曲线的顶部和凹形竖曲线的底部设置小半径平曲线.对于凸形竖曲线,这种组合失去了引导视线的作用,使驾驶者感到茫然;对于凹型竖曲线,只要线形要素较大,行车可能不危险,但线形会显得扭曲,不顺适美观.同理,也不能把竖曲线的顶部或底部设置在反向平曲线的拐点处或回旋线段内,以免造成路面排水不畅.一个长的平曲线内设有几个竖曲线,或一个长的竖曲线内含有几个平曲线,这样的线形组合看起来很别扭.特别是当坡差较大时尤为明显,容易使驾驶员把公路看成是被分割成了几段似的,这样的组合应避免.确有困难

24、时,一般一个长的平曲线内设置竖曲线的数目不应超过3个,使驾驶者在任何地段所看到的纵坡变化不超过3个为宜.本项目均按此目标控制设计.竖曲线半径应与所对应的平曲线半径相协调,良好的立体线形是靠平,竖曲线的均衡与配合来获得的,平曲线半径较大时,竖曲线半径也应相应增大,平曲线较长时,竖曲线长度也应相应加长.对平,纵配合难以判别优劣时,可通过透视图来检验.目前,许多公路专用三维动态透视软件都可以很直观地看出来平,纵线形配合的效果.透视图检验只是一种手段,关键还是应明确判断标准,使驾驶员最终能获得一个理想的视觉环境.3.6路线设计与桥梁的协调配合桥梁线形与路线相协调,且连续顺畅;右侧硬路肩路桥同宽,桥梁防撞护栏和道路波形护栏过渡顺畅,美观,使驾乘者视野开阔,视线诱导很好(图2).图23.7路线设计与沿线设施的协调配合路线设计充分考虑了与沿线设施的配合,满足收费站,服务区,交通标志,标线等的设置,主收费站,服务区前后线形连续流畅,视线良好,标志,标线设计准确,充分体现路线设计意图(图3).3.8路线设计与景观的协调配合路线的美观与否,还依靠与沿线的景观,总第190期交通部新理念在京承高速公路线形设计中的应用31图3地形等的协调和路线本身的平,纵面的配合.应充分利用现有地形,自然风景,尽量少改变周围地貌,地形,建筑物,森林等景观,也可以通过在