道路勘测设计之五线形设计（PPT55页）

1、道路勘测设计线形设计主讲教师：张碧琴长 安 大 学本章摘要平面线形设计要点线形要素组合设计纵断面线形设计要点、一般原则纵断面设计的高程控制条件平纵线形组合设计原则和设计方法线形设计检验与评价的方法第一节 平面线形设计一、平面线形设计一般原则 1.平面线形应直捷、连续、顺适，并与地形、地物相适应，与周围环境相协调。 与地形相适应，宜直则直，宜曲则曲，不片面追求直曲。 直线、圆曲线、缓和曲线的选用与合理组合取决于地形地物等具体条件，片面强调路线要以直线为主或以曲线为主，或人为规定二者的比例都是错误的。 2. 保持平面线形的均衡与连贯。 长直线的尽头避免接小半径曲线 若由于地形所限小半径曲线难免时，

2、中间应插入中等曲率的过渡性曲线，并使纵坡不要过大。 高低标准之间要有过渡同一等级道路上大、小指标间的均衡过渡。长直线与小半径曲线之间。相邻的大小半径曲线之间。同一条道路上采用不同计算行车速度设计的路段之间的 过渡。 在标准变更的相互衔接处前、后一定长度范围内主要技术指标应逐渐过渡，避免产生突变，设计速度高的一端应采用较低的平、纵技术指标，反之则应采用较高的平、纵技术指标，以使平、纵线形技术指标较为均衡。 3.回头曲线的设置。 回头曲线是在山区越岭线的特别困难地段，以延长展线方式克服高差而采用的一种特殊曲线类型。 只有三、四级公路在自然展线无法争取到需要的距离以克服高差，或因地形、地质条件所限而

3、不能采取自然展线时，方可采用回头曲线。 高差较大的山城道路也需要采用回头曲线。项 目公 路 等 级三四回头曲线设计速度（km/h）35302520主曲线最小半径（m）40302015缓和曲线最小长度（m）35302520超高横坡度（%）6666双车道路面加宽值（m）2.52.52.53最大纵坡（%）3.53.544.5 回头曲线极限指标 4.平曲线应有足够的长度。(1)平曲线的最小长度 平曲线一般由前后缓和曲线和中间圆曲线共三段曲线组成，每段曲线至少需要3s的时间。 基本型曲线：9s行程； 凸型曲线：6s的行程。 设计速度(km/h)1201008060403020一般值（m）10008507

4、00500350250200最小值（m）200170140100705040(2)小偏角的平曲线长度 小偏角曲线的问题：设置了较大的半径也容易把曲线长看成比实际的要短，造成急转弯的错觉。 7属于小偏角弯道 。为保证小偏角曲线有足够的长度，采用 7的曲线外矢距E与=7时曲线的E相等时的曲线长为最小平曲线长。 小偏角曲线的长度应大于下表规定，表中的为公路转角值（度），当2时，按=2计。设计速度(km/h)1201008060403020平曲线最小长度(m)一般值1400/ 1200/ 1000/ 700/ 500/ 350/ 250/ 低限值200170140100705040 1.基本型 基本型

5、：当按直线回旋线（A1）圆曲线回旋线（ A2 ）直线的顺序组合而成线形。 当A1=A2时，叫对称基本型；当A1A2时，叫非对称基本型， A1 : A2应不大于2.0。 要求：基本型设计时，为使线形协调，A值的选择最好使回旋线、圆曲线、回旋线的长度之比为1：1：1或大致接近为宜。 2.S型 S型为两个反向圆曲线用两段反向回旋线连接的组合形式。 要求：(1)S型相邻两个回旋线参数A1与A2宜相等。达不到时，A1与A2 之比应小于2.0，有条件时以小于1.5为宜。二、平面线形要素的组合类型 (2)S型的两个反向回旋线以径相连接为宜。当受地形或其它 条件限制而不得不插入短直线或两圆曲线的回旋线相互 重

6、合时，其短直线的长度应符合下式规定： L（A1A2）/40(3)两圆曲线半径之比也不宜过大，以R1/R21/2为宜( R1、 R2分别为大小圆半径， A1、A2分别为大小圆的缓和曲线 参数）。 3.卵型 卵型：两同向的平曲线，按直线缓和曲线 （A1）圆曲线（R1）缓和曲线（AF）圆曲线（R2）缓和曲线（ A2）直线的顺序组合而成的线形。 卵型要求：大圆能完全包住小圆而且不是同心圆。卵型曲线用一个回旋线连接两个圆曲线，其公用缓和曲线的参数AF最好在R2 /2A R2范围内（ R2为小圆半径）；圆曲线半径之比以满足R2/R1 =0.20.8为宜；两圆曲线的间距，以D/R2=0.0030.03为宜，

7、（D为两圆曲线间的最小间距）。 4.凸型 凸型：两段同向缓和曲线之间不插入圆曲线而径相衔接的组合形式（圆曲线长度为零）。 要求：凸型的回旋线的参数及其连接点的曲率半径，应分别符合容许最小回旋线参数和圆曲线一般最小半径的规定。连接点附近最小0.3V的长度范围内，应保持以连接点的曲率半径确定的横坡度。适用条件：只有在路线严格受地形、地物限制处方可采用凸型。 5. 复合型 复合型:将两个以上的同向回旋线在曲率相等处相互连接的线形。 要求：复合型的相邻两个回旋线参数之比以小于1:1.5为宜。 适用条件：除互通式立体交叉线形外，复合型仅在受地形或其它特殊原因限制时使用。 6. C型 C型：两同向回旋线在

8、曲率为零处径相连接（即连接处曲率为0，半径为）的组合线形。 适用条件：只有在特殊地形条件下方向采用。 一、纵断面线形设计主要内容和基本要求主要内容：根据道路等级、沿线自然条件和构造物控制高程等，确定路线合适的高程、各坡段的纵坡和坡长，并设计竖曲线。基本要求：纵坡均匀平顺、起伏缓和、坡长和竖曲线长短适当、平面与纵断面组合设计协调，以及填挖经济、平衡。第二节 纵断面线形设计二、纵断面线形的设计要点 1.纵坡极限值的运用。根据汽车动力特性和考虑经济等因素制定的极限值，设计时不可轻易采用，应留有余地。 2.最短坡长。坡长不宜过短，以不小于设计速度9s的行程为宜。 3.竖曲线半径的选用。竖曲线应选用较大

9、半径为宜，当受限制时可采用一般最小值，特殊困难方可用极限最小值。 4.相邻竖曲线的衔接。相邻两个同向凹形或凸形竖曲线，避免出现断背曲线。 5.各种地形条件下的纵坡设计。在各种地形可能条件下纵坡应均匀平缓，避免起伏过大。三、纵断面线形设计的一般原则 1应满足纵坡及竖曲线的各项规定，相关高程控制点和构造物设计对纵断面的要求。竖曲线的各项规定包括：最大纵坡、最小纵坡、坡长限制、最小坡长、竖曲线最小半径及竖曲线最小长度等 2设计出平顺、连续的纵断面线形。原则：应根据设计速度，在适应地形及环境的原则下，对纵坡大小、长短及前后坡段协调的情况，竖曲线半径及其与平面线形的组合等进行综合研究，反复调整。 3平面

10、上直线路段不宜在短距离内出现凹凸起伏频繁的纵断面线形。原因：其凸起部分易遮挡视线，凹下部分易形成盲区，导致视线中断，使线形失去连续性，影响行车安全。 4在连续上、下坡路段时应符合平均纵坡的规定，并采用运行速度对通行能力与行车安全进行检验。 5长下坡的直坡段端部不应设计小半径的凹型竖曲线或平曲线。 原则：当相邻坡段的坡差很小时，应设置较大半径的竖曲线，以保证竖曲线的最小长度要求。 要避免使用凸形竖曲线半径小、长度短的纵断面线形，汽车在这种线形上行驶时，只有到坡顶时方能看见前方的路面，易使驾驶员产生茫然，不利于行车安全。 6纵断面设计应考虑路面排水的要求。 注意： 一是纵坡不宜过小或采用平坡，特别

11、在横向排水不畅的路段；二是在设计前坡为下坡（上坡），后坡为上坡（下坡）的竖曲线时（分别称为全凹竖曲线和全凸竖曲线），不宜采用过大半径竖曲线，避免竖曲线的底部（顶部）小于最小纵坡的路段长度过大。 由于，纵坡小于最小纵坡的长度与竖曲线半径成正比。因此在满足线形设计要求的前提下，不应追求过大竖曲线半径，以减少纵断面上排水不畅的路段长度。 7在回头曲线路段，路线纵坡的特殊规定。 原则：应先定出回头曲线部分的纵坡，再从两端接坡。在回头曲线的主曲线内不宜设竖曲线。 8应争取纵向填挖平衡，尽量移挖作填，以节省土石方数量，降低工程造价。四、纵断面线形设计中的高程控制条件（一）路基对纵断面的控制 1洪水位和地下

12、水位对路基填土高度的要求 （1）沿河及受水浸淹的路线，路基设计高程一般应高出根据规定洪水频率计算水位0.5m以上。在寒冷地区还应考虑冰塞壅水对水位增高的影响。 （2）要求路基保持干燥或中湿状态，路槽底距地下水或地表积水的高度要大于或等于干燥、中湿状态所对应的路基临界高度。H1为干燥和中湿状态的分界标准； H2为中湿和潮湿状态的分界标准； H3为潮湿和过湿状态的分界标准。措施：如满足干燥或中湿的路基填土临界高度有困难，亦可采取降低水位、设置毛细水隔断层等。 2特殊地区和不良地质地区路基对路线纵断面的控制 （1）软土和泥沼地区路基 软土地区修筑路基，由于其地下水位一般较高，应尽量避免路堑。 泥沼地

13、区应尽量避免修筑路堑。路堤应具有一定高度一般不宜小于1.5m，以利用路堤的自重将泥沼土压缩到稳定。 （2）多年冻土地区路基 宜采用路堤。应尽量避免或缩短不填不挖、半填半挖或低填浅挖路段，以保护地表覆盖层。 冰丘、冰椎地段路基，宜在下方以路堤通过。高度不宜小于2m，且应大于最大积冰高度，以防冰椎掩埋路堤。 （3）盐渍土地区路基 盐渍土地段一般宜修筑路堤。 （4）风沙地区路基 风沙地区路基宜以低路堤为主。戈壁地区不宜采用浅路堑，必需时应采用敞开式路堑。 （5）雪害地区路基 易受雪埋地段应尽量避免或缩短浅路堑、低路堤和长路堑。（二）桥涵和通道对路线纵断面的控制 1桥涵和通道要求的最低路基设计高程 桥

14、涵要求的最低路基设计高程由水文条件、净空高度和桥涵构造决定。跨线桥和通道要求的最低路基设计高程由净空高度和跨线构造物（或通道）的构造决定。（1）公路永久性桥涵设计洪水频率规定如下表。公路等级设计洪水频率特大桥大桥中桥小桥涵洞及小型排水构造物高速公路1/3001/1001/1001/1001/100一级公路1/3001/1001/1001/1001/100二级公路1/1001/1001/1001/501/50三级公路1/1001/501/501/251/25四级公路1/1001/501/501/25不作规定 （2）桥梁最低设计高程（Hmin）应满足:式中： H1梁底控制点高程（m）； H桥桥梁上

15、部建筑结构高度（m）； H面桥上路面结构厚度（m）。 （3）当桥涵下净空高度或路基高程不足时，可采用下列方案进行 比选： 适当提高路基高度。 采用建筑高度小的桥梁上部结构，如预应力混凝土结构板梁或标准化装配式结构的上部构造。 适当加大桥梁跨径以降低壅水，或改用多孔较小跨径的桥涵以降低结构高度。 2桥上及桥头路线的纵坡 （1）大、中桥上的纵坡不宜大于4%，紧接大、中桥桥头两端的引道纵坡应与桥上纵坡相同，其长度不宜小于3s行程。 （2）大、中桥上一般不宜设竖曲线，桥头两端在不得已设竖曲线时，其起、终点应设在距桥头10m以外。 （3）小桥与涵洞处的纵坡应按路线规定设计。 （4）小桥涵允许在纵坡路段或

16、竖曲线上，但为保证路线的平顺性，应尽量避免小桥涵处“驼峰式”纵坡。（三）隧道对路线纵断面的控制 1隧道部分路线的纵坡 （1）隧道内纵坡不应大于3%，但短于100m的隧道不受此限。中、短隧道当条件受限时，经技术经济论证，最大纵坡可适当加大，但不宜大于4%。为满足隧道内排水，纵坡不宜小于0.3%。 （2）隧道内的纵坡可设置成单向坡；地下水发育的隧道及特长和长隧道可用人字坡； （3）紧接隧道洞口的路线纵坡应与隧道内纵坡相同，其长度不宜小于3s行程。 2隧道内路线纵断面设计应注意的问题 （1）在需设机械通风的隧道内，纵坡宜缓一些。 （2）宜将隧道内纵坡的上坡方向与常年风向一致，以利通风。 （3）纵坡受

17、限路段，连续上坡的长隧道，宜将纵坡设计成先缓后陡的折线纵坡，以提高车辆过洞速度，加大隧道内通行能力，改善隧道内通风条件。（四）平面交叉对路线纵断面的控制 公路与公路平面交叉，一般宜设在纵坡较小路段；纵坡较小路段的最小长度应不小于标准规定，紧接较小纵坡路段的纵坡应不大于3，山区工程艰巨地段应不大于5。第三节 平、纵线性组合设计摘要内容：视觉分析的概念及意义；道路平、纵线形组合设计原则；道路平、纵线性组合设计方法。讲课重点： 1. 视觉分析的方法； 2. 道路平、纵线形组合设计的一般原则； 3组合形式及组合的基本要求。 1视觉分析的概念和意义 视觉分析：指从视觉心理出发对道路的空间线形，及其与周围

18、自然景观和沿线建筑的协调等进行研究分析，以保持视觉的连续性，使行车具有足够舒适感和安全感的综合设计。 意义：动视觉是连接道路与汽车的重要媒介。 2驾驶员的动视觉特点 驾驶员的静态和动态视力不同。在驾驶过程中，驾驶员的动视觉具有如下特点： (1)驾驶员不易全面正确感觉车外的情况变化。在高速运动时，视野变小，物体在视野内的作用时间变短。 (2)驾驶员的空间分辩能力降低。一、视觉分析 (3)高速行驶时，对驾驶员易形成“道路催眠”。当交通环境变化不大时，单调的信息对大脑皮层某些点的重复刺激，会使神经细胞呈现抑制状态，形成“道路催眠”。 (4).高速行驶时，驾驶员更易出现错觉，导致判断失误增加。 3视觉

19、分析方法 视觉分析方法：透视图。 优点：透视图可判断平面线形、纵断面线形以及道路和景观是否协调，也可检查超高过渡段、构造物设计等的效果，几乎道路几何设计的所有部分都可用透视图检查。 线形状况是汽车快速行驶中，道路的立体形状给驾驶员提供的连续不断的视觉印象。视觉印象的优劣，比较好的方法是用视觉印象随时间变化的道路动态透视图评价。二、道路平、纵线形组合设计原则1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引导视线：是指道路的立体线形、构造物形式和色调与沿线自然景观相协调，起到对驾驶员行车视线引导的作用。在视觉上能自然地引导视线，是衡量平、纵线形组合最基本问题。如图b），前方平面线形可能存在

20、转弯、也可能不存在转弯，不能给驾驶员明确的道路走向，易造成驾驶员迷茫，不能引导视线，图 a）显示前方路线走向明确，能很好地引导视线。a） b）2保持线形技术指标在视觉和心理上的大小均衡。均衡性影响线形的平顺性，且与工程费用相关。对纵断面线形反复起伏，在平面上采用高标准的线形是无益的，反之亦然，如下图。a）直线路段，从2%下坡到3%上坡，竖曲线半径4200m。b）直线路段，从2%下坡到3%上坡，竖曲线半径18000m。改善后：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。良好的立体线形与道路周围环境配合，可减轻驾驶员的疲劳和紧张程度，并可起到引导视线的作用。因地

21、形条件、工程建设投资等影响，对设计速度较低的道路，当立体线形难与道路周围环境协调时，可采用植树、设置路标等方法改善。三、组合设计方法 1平、纵线形组合的形式 （1）平面为直线，纵断面是直坡线 形式：构成恒等坡度的直线。 特点：线形简单、视景缺乏变化，易使驾驶员产生疲劳和频繁超车、超速。 注意：应采用画车道线、设标志、绿化，并与路侧设施配合等方法调节单调的视觉，增进视线诱导。 （2）平面为直线，纵断面是凹形竖曲线 形式：构成凹下去的直线。 特点：具有较好的视距条件，能给驾驶员以动的视觉效果，行车条件较好。 注意：设计时应避免采用较短的凹形竖曲线，在连续两个凹形竖曲线间避免插入短的直坡段，在长直线

22、末端不宜插入小半径的凹形竖曲线。 （3）平面为直线，纵断面是凸形竖曲线 形式：构成凸起的直线。 特点：该组合视距条件差，线形单调。 注意：应尽量采用较大的竖曲线半径，当长直线上反复凸凹时，应注意避免“驼峰”、“暗凹”和“浪形”等不良视觉现象出现。 （4）平面为曲线，纵断面是直坡线 形式：构成恒等坡度的平曲线。 特点：只要圆曲线半径选择适当，纵坡不过陡，可获得较好的视觉条件。 注意：设计时须检查合成坡度是否超限。 （5）平面为曲线，纵断面是凹形竖曲线 形式：构成凹下去的平曲线。 特点：该组合是较复杂的组合形式。 注意：若平、纵面线形要素大小适宜，均衡协调，可获得视觉舒顺、视线诱导良好的立体线形。

23、 （6）平面为曲线，纵断面是凸形竖曲线 形式：构成凸起的平曲线。 特点：该组合形式较为复杂。 注意：若平、纵面线形要素大小适宜，位置适当，均衡协调，可获得视觉舒顺、视线诱导良好的立体线形。2平、纵线形组合的基本要求 （1）直线与直坡线、直线与凹形竖曲线、直线与凸形竖曲线、平曲线与直坡线是常用的组合形式。 （2）平曲线与竖曲线宜相互重合，且平曲线应稍长于竖曲线。 平包纵：竖曲线的起、终点宜分别设在平曲线的两个缓和曲线内。若平、竖曲线半径都很大且坡差较小时，则平、竖位置可不受上述限制；若做不到平、竖曲线较好的组合，可将二者拉开适当距离，使平曲线位于直坡段或竖曲线位于直线上。 （3）要保持平曲线与竖

24、曲线大小均衡。 保持平曲线、竖曲线的半径和长度均衡，能在视觉上获得协调、舒顺的感觉。平、竖曲线半径的均衡研究认为：竖曲线半径约为平曲线半径的1020倍，可获得视觉上的均衡。 （4）要选择适当的合成坡度。 合成坡度过大，车辆易产生打滑、侧滑，甚至发生倾覆、坠崖事故。 合成坡度过小，不利于路面排水，制动距离增加、高速行驶产生溅水影响行车速度和安全。3平、纵线形设计中应避免的组合（1）避免竖曲线的顶、底部插入小半径的平曲线。（2）避免将小半径的平曲线起、讫点设在或接近竖曲线的顶部或底部。消隐 未消隐a） 凸形竖曲线位于平曲线起点b） 凹形竖曲线位于平曲线起点竖曲线位于小半径平曲线起点示例 （3）避免

25、使竖曲线顶、底部与反向平曲线的拐点重合。 （4）避免小半径的竖曲线与缓和曲线重合。 （5）避免在长直线上设置陡坡或长度短、半径小的竖曲线。 （6）避免出现驼峰、暗凹、跳跃等使驾驶员视线中断的线形。 4线形与景观的协调与配合 对于设计速度高的道路，平、纵线形组合设计与周围景观配合尤为重要。 平、纵线形组合必须是在充分与道路所经地区的景观相配合的基础上进行。否则，即使线形组合符合有关规定也不一定是良好设计，只有看上去具有优美的线形和景观，才能称为舒适和安全的道路设计。第四节 线性设计检验与评价摘要内容：线形设计检验与评价的方法；用运行速度评价线形设计的连续性；用运行速度评价道路线形的方法；基于运行

26、速度的线形设计步骤。讲课重点：1. 道路透视图和运行速度法； 2. 评价线性设计的连续性；3. 评价道路线形的方法；4基于运行速度的线形设计步骤。一、线形设计检验与评价的方法 1道路透视图道路透视图：是根据道路的基本设计资料，利用透视原理将道路以三维空间的方式展现。作用：判断路线的平纵面线形组合是否连续、道路与周围环境是否协调、立体线形对驾驶员视线的诱导是否良好，也可对视距进行检查。 2沿线耗油量车辆行驶时的燃油消耗量可用如下公式计算： 燃油消耗率（g/kwh）; 燃油容重（N/L） 提高燃油经济性的措施：应采用协调、连续的道路线形和平整的路面，保证行车视距和安全净空，注重景观设计，减少侧向干

27、扰，使车辆匀速、顺畅运行。 3事故率预测模型 通过对大量事故资料的统计分析，可以得到道路的各种条件与事故率之间回归模型，这些回归模型可以用来分析道路线形与事故率之间的关系，对线形设计的质量进行分析。 4可能速度法 可能速度：是指在良好的气候条件和交通条件下，汽车行驶只受道路本身几何条件影响，技术熟练的驾驶员驾驶汽车沿某条道路行驶时可能达到的速度，简称可能速度。 用可能速度对线形进行检验的方法：根据路线的平、纵面设计参数，采用可能速度预测模型计算沿线的可能速度，并绘制沿线可能速度图，根据可能速度变化应连续、均衡、协调的原则对路线的线形进行检查评价。可能速度也是确定其它技术指标和布设沿线设施的依据

28、。 5运行速度法 运行速度主要用来评价道路线形设计的连续性，采用相邻单元路段间运行速度的的变化值进行评价。线形设计连续性是指道路设计中的几何要素与驾驶员的期望速度相适应的特性。连续的道路线形可以保证汽车行驶的安全。 运行速度法作用：进行道路线形设计评价。二、用运行速度评价线形设计的连续性 1连续性设计的要求 （1）视觉上的连续性； （2）行驶速度的连续性； （3）加速度的连续性：由平面线形产生的横向加速度变化不能过大和过快。 2.确定运行速度的方法 （1）路段实测回归法 路段实测回归法：通过现场实测多条路段某车型的实际行驶速度，经回归分析建立道路几何要素与运行速度的关系模型，对其进行相关性分析

29、和验证，根据模型预测各种线形要素和组合线形所对应的运行速度。 该模型的推广应用有一定局限性。 （2）理论预测法 理论预测法：根据汽车动力性能的加、减速行程计算基于纵断面线形的行驶速度，根据圆曲线半径计算公式反算弯道上允许行驶速度。将纵断面和平面分别预测的速度比较后取小值，作为平、纵线形组合的运行速度。 该法没有考虑竖曲线以及横断面的影响。 3基于运行速度的线形设计连续性评价标准 线形设计的连续性：用相邻路段运行速度的差值（V85）来检查。相邻路段是指平面、纵断面、横断面指标或设计速度不同的相接路段，一般是指平曲线的起点、曲中点、终点，纵断面变坡点及横断面宽度变化的前后路段。规定: 相邻路段运行速度的差值小于10km/h时，连续性好；在10km/h20km/h之间时连续性较好，条件允许时宜适当调整相邻路段的线形指标，使运行速度的差值小于10km/h；大于20km/h时连续性差，相邻路段需要调整平、纵面设计。 当同一路段的运行速度与设计速度的差值大于20km/h时，应对该路段的相关技术指标进行安全性验算。三、用运行速度评价道路线形