高速公路超高過渡段的設(shè)計(jì)探討

魏同軍

（東營市公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山東 東營 257091）

近些年，我國的高速公路路網(wǎng)密度穩(wěn)步上升，人們對(duì)于安全高效的交通出行需求也越來越高。車輛在行駛過程中經(jīng)過彎道時(shí)，駕乘人員會(huì)有一種被甩出的不穩(wěn)定感，這是由于車輛在圓曲線或緩和曲線上運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，車速越快，這種離心力越大，不穩(wěn)定感也就越強(qiáng)烈，輕則影響行車舒適性，重則可能威脅行車安全。橫斷面超高的設(shè)置可以較好地解決這個(gè)問題，而從雙向路拱橫坡的正常橫斷面形式至完全單向橫坡的全超高橫斷面形式之間的路段，其橫斷面形式不能是突變的，因此需要在一定長度路段內(nèi)進(jìn)行超高的過渡，超高過渡段的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到道路質(zhì)量與行車體驗(yàn)，文章對(duì)此展開分析。

1 超高過渡段的重要性

在道路工程中，微小的路面橫坡往往容易被忽視，但卻是不可缺失、發(fā)揮重要功能的一種細(xì)部設(shè)計(jì)。在直線路段上，一般設(shè)置雙向路拱橫坡，其主要目的在于為雨天路表積水提供一個(gè)自然排出的斜坡；在圓曲線彎道路段上，一般設(shè)置單向全超高橫坡，其主要目的在于部分抵消或完全消除車輛在彎道路段行駛時(shí)所產(chǎn)生的離心力，使車輛受力平衡；而緩和曲線彎道路段往往是設(shè)置超高過渡段的路段，這是由于在緩和曲線上曲率是變化的，即使車輛勻速駛過緩和曲線段彎道，其產(chǎn)生的離心力也不是常數(shù)，為了與離心力數(shù)值相匹配，緩和曲線上超高也是需要逐步變化的。只有根據(jù)實(shí)際地形條件，合理設(shè)計(jì)超高過渡段的形式、超高以及長度并與平面線形相匹配，才能使橫斷面由正常雙向路拱橫坡順適過渡到單向全超高橫坡，為車輛創(chuàng)造安全、流暢、舒適的行車環(huán)境。

2 超高過渡段的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 超高過渡形式的選用

（1）繞中央分隔帶中線旋轉(zhuǎn)。在超高過渡前半段，內(nèi)側(cè)行車道維持不變，外側(cè)行車道先繞中央分隔帶邊線旋轉(zhuǎn)至負(fù)的路拱橫坡值，即與內(nèi)側(cè)行車道橫坡相同后，兩側(cè)行車道再作為一個(gè)整體繞中分帶中線旋轉(zhuǎn)至超高值。最終中央分隔帶為傾斜狀態(tài)，如圖1（a）所示。

（2）繞中央分隔帶邊線旋轉(zhuǎn)。保持中央分隔帶水平狀態(tài)不變，兩側(cè)行車道各自繞中央分隔帶邊線旋轉(zhuǎn)，形成彼此獨(dú)立的單向超高斷面，如圖1（b）所示。

（3）繞各自行車道中線旋轉(zhuǎn)。兩側(cè)行車道相互獨(dú)立，以各自中線為旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行超高漸變。最終中央分隔帶兩邊緣高程不一，成為傾斜斷面，如圖1（c）所示。

圖1 高速公路超高過渡形式

根據(jù)高速公路的設(shè)計(jì)車道數(shù)與中央分隔帶寬度來選用超高過渡形式。當(dāng)中分帶寬度較窄（≤4.5m）時(shí)可采用繞中央分隔帶中線旋轉(zhuǎn)的形式，較窄的中分帶便于施工中整體斷面的旋轉(zhuǎn)；通常情況下，無論車道數(shù)與中分帶寬度情況如何，都可采用繞中央分隔帶邊線旋轉(zhuǎn)的形式，其施工操作簡單、限制小；當(dāng)高速公路整體橫斷面較寬時(shí)（雙向車道數(shù)大于4 條）可采用繞各自行車道中線旋轉(zhuǎn)的形式，此時(shí)兩側(cè)行車道的邊緣高程變化量不至于太大[1]。

2.2 超高值的計(jì)算

圓曲線超高值即超高過渡段終點(diǎn)的超高值，其選取主要根據(jù)行駛速度、圓曲線半徑以及橫向力系數(shù)來確定，由汽車在圓曲線上行駛時(shí)力的平衡方程式計(jì)算而得。

表1 橫向力系數(shù)μ 值及圓曲線半徑R 值

橫向力系數(shù)μ 與彎道半徑R 呈密切的負(fù)相關(guān)性。當(dāng)μ 值過大時(shí)，車輛不能夠連續(xù)穩(wěn)定地行駛，駕乘人員會(huì)有傾覆、被甩出等不穩(wěn)定的危險(xiǎn)感。行駛速度v 是駕駛員實(shí)際中采用的行車速度，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際調(diào)查，公路上車輛的平均行駛速度為設(shè)計(jì)速度的70%～90%，對(duì)于高速公路可以取低值[2]。采用運(yùn)行速度計(jì)算超高值可以更貼近實(shí)際需求，避免過度超高。當(dāng)按式（1）計(jì)算的超高值ih小于路拱橫坡iG時(shí)，取ih=iG；當(dāng)計(jì)算的超高值ih大于規(guī)定的最大超高imax時(shí)，取ih=imax，即保證超高既不過小而效果甚微，也不過大反而帶來向彎道內(nèi)側(cè)的傾覆感。

2.3 超高過渡段長度的確定

在超高過渡形式與超高數(shù)值選定后，根據(jù)公路橫斷面寬度與適當(dāng)?shù)某邼u變率即可計(jì)算高速公路的最小超高過渡段長度，如式（2）所示，最后需要將計(jì)算結(jié)果與當(dāng)前線形中的緩和曲線段進(jìn)行對(duì)比協(xié)調(diào)，最終確定超高過渡段長度。

式中：LC為最小超高過渡段長度，m；B′為旋轉(zhuǎn)軸至行車道（或路緣帶）外側(cè)邊緣的寬度，m（當(dāng)繞內(nèi)邊線旋轉(zhuǎn)時(shí)B′=B，當(dāng)繞中線旋轉(zhuǎn)時(shí)B′=B/2，B為行車道寬度）；△i為超高坡度與路拱橫坡度的代數(shù)差，%（當(dāng)繞內(nèi)邊線旋轉(zhuǎn)時(shí)△i=ih，當(dāng)繞中線旋轉(zhuǎn)時(shí)△i=ih+iG，ih為超高值，iG為路拱橫坡度）；p 為超高漸變率，即旋轉(zhuǎn)軸線與行車道（或路緣帶）外邊線之間的相對(duì)坡度，超高漸變率的最大值如表2 所示。

表2 最大超高漸變率

在進(jìn)行超高過渡段設(shè)計(jì)時(shí)，在確定的超高過渡形式下，根據(jù)該高速公路的設(shè)計(jì)速度與橫斷面設(shè)計(jì)（行車道寬度、雙向路拱橫坡度），由式（2）可計(jì)算得在此設(shè)計(jì)條件下的最小超高過渡段長度。為了便于施工測(cè)量，計(jì)算結(jié)果取5m 整倍數(shù)的近似值，并且最短長度為10m。

式（2）的意義在于，在合適的超高漸變率下，保證一定長度的超高漸變段以使橫斷面橫坡形式平滑地轉(zhuǎn)變，從而使整個(gè)道路三維線形合理順適，其設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是確保車輛順暢行駛。但是這并不意味著超高漸變段越長越好，表面上看更長的超高漸變段或是更小的超高漸變率能夠使車輛在行駛過程中更加平穩(wěn)順適，但隨之而來的是橫坡小于1.5%甚至接近0 的路段長度明顯增加，這將導(dǎo)致該路段雨天排水不暢，滯留的雨水無法通過橫坡排至邊溝，車輛在這樣的環(huán)境下進(jìn)行高速轉(zhuǎn)彎是很危險(xiǎn)的[3]。故需要注意的是，公路排水要求中最小坡率為0.3%，則公路橫斷面由正常雙向橫坡轉(zhuǎn)變至平面坡的超高漸變率必須大于0.3%，即1/330。

因此，在進(jìn)行高速公路超高過渡段設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)工程實(shí)際情況選擇合適的超高過渡段長度LC，并且要協(xié)調(diào)其與緩和曲線段長度LS的關(guān)系，一般有以下三種情況[4]：

（1）超高過渡段等于緩和曲線段。在公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范中，一般在規(guī)定緩和曲線長度時(shí)，已經(jīng)將超高過渡段需要的最短長度作為其中一個(gè)限制條件，因此在常規(guī)情況下，各線形指標(biāo)均符合規(guī)范要求、處于良好范圍內(nèi)，可以取超高過渡段長度LC與緩和曲線段長度LS相等，即LC=LS。

（2）超高過渡段大于緩和曲線段。在實(shí)際工程中，在地形有所限制的路段，緩和曲線的長度可能較短，如果此時(shí)計(jì)算的LC＞LS，應(yīng)該盡量調(diào)整道路平面線形，適當(dāng)減小圓曲線長度，使緩和曲線段能夠完全覆蓋超高漸變段，即LC≥LS；倘若在地形較為極端的條件下，線形調(diào)整余地很小，此時(shí)可從緩和曲線段之前的直線段開始進(jìn)行超高過渡，將超高過渡段起點(diǎn)前移，即超高過渡段包含部分直線段與完整緩和曲線段。

（3）超高過渡段小于緩和曲線段。在選定的超高漸變率下，計(jì)算得超高過渡段長度可能較小，若直接采用此設(shè)計(jì)方案，此時(shí)緩和曲線斷段雖可以完全覆蓋超高漸變段但有富余的部分，該部分橫斷面采用的仍是正常的雙向路拱橫坡，使得道路的平面線形與橫斷面不夠匹配。因此，在這種情況下，只要超高漸變率p≥1/330，能夠滿足基本的雨天排水需求，仍然取LC=LS。本質(zhì)上是適當(dāng)降低超高漸變率，換取更長的超高過渡段長度使之完全匹配緩和曲線段，從而使道路線形與橫斷面整體上相適配。

3 結(jié)束語

高速公路超高過渡段的設(shè)計(jì)是高速公路設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)，同時(shí)也是較為細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，從過渡形式到超高數(shù)值、超高段長度的選取計(jì)算都需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合實(shí)際工程需求，仔細(xì)考量超高過渡段與整體線形的匹配程度，根據(jù)不同的線形情況靈活設(shè)計(jì)超高過渡段的長度與位置。