公路線形設(shè)計是公路總體設(shè)計、總體布局的關(guān)鍵。線形是公路的骨架，其設(shè)計合理與否，不僅直接關(guān)系到公路建設(shè)項目的質(zhì)量好壞、里程長短、投資多少、效益高低，更直接影響到公路運營安全。雖然每個國家對線形的設(shè)計都有明確的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但是僅僅滿足設(shè)計規(guī)范的線形設(shè)計并不代表是最合理的線形。線形設(shè)計是否合理不僅是關(guān)系到高速公路安全性問題的最主要因素，也是確定道路的經(jīng)濟(jì)性、道路的景觀環(huán)境、道路的通行能力等方面的重要因素。通常在設(shè)計中追求的高指標(biāo)公路并不一定是安全的公路，而高速公路線形指標(biāo)的均衡性、一致性、線形的連續(xù)性及線形與環(huán)境景觀的協(xié)調(diào)性才是滿足汽車高速及安全行駛的重要保證。筆者通過對美國高速公路的現(xiàn)場考察，以及參考中美兩國的相關(guān)設(shè)計規(guī)范和有關(guān)資料，對兩國在高速公路幾何設(shè)計方面的設(shè)計理念和方法進(jìn)行了分析對比，以供公路設(shè)計人員參考。
1 路線的適宜性和均衡性
路線的適宜性是指公路路線與自然條件的協(xié)調(diào)、配合，使公路與周圍環(huán)境融為一體，最大限度地減少對自然環(huán)境的破壞。路線的均衡性是指公路路線自身各要素間的協(xié)調(diào)、配合，使公路線形能自然地誘導(dǎo)駕駛員的視線，并保持視覺的連續(xù)性，最大限度地保證行車安全。美國高速公路設(shè)計將環(huán)境提到了一個相當(dāng)高的地位。其規(guī)范要求：公路的定線和設(shè)計可以而且應(yīng)該能使環(huán)境更加完美，并作為改善環(huán)境的促進(jìn)因素。同時認(rèn)為，環(huán)境不僅僅指自然環(huán)境，它包括人類、植物和動物三類群體以及這三類群體起作用的各自力量。因此，美國高速公路設(shè)計的參考者，不僅有設(shè)計工程師，還有生物、化學(xué)、歷史、考古學(xué)家和土地評估家，在某些情況下甚至還有社會學(xué)家。聽取公眾意見是方案確定階段必不可少的程序。而在高速公路設(shè)計階段，非常強調(diào)路線與地形及環(huán)境的協(xié)調(diào)，盡可能消除造成大填大挖的人為因素，注重對原有地貌的保護(hù)和盡可能恢復(fù)自然的外觀。公路線形相鄰路段技術(shù)指標(biāo)不均衡、銜接不合理，會使車輛行駛速度出現(xiàn)較大突變，從而影響交通安全。因此路線設(shè)計除了應(yīng)使線形同地形、地物、景觀相適宜外，還應(yīng)使線形流暢、連續(xù)、視覺良好，保證行車安全與舒適。公路作為一個三維空間構(gòu)造物，在路線設(shè)計中還應(yīng)該對公路的平、縱、橫三個面進(jìn)行綜合設(shè)計，做到平面順適、縱坡均衡、橫面合理。
美國公路線形設(shè)計強調(diào)在符合汽車行駛力學(xué)方面的要求外，還應(yīng)考慮用路者的視覺、心理與生理方面的要求，以提高汽車行駛的安全、舒適與經(jīng)濟(jì)性。為了使線形連續(xù)、均衡，從根本上解決公路安全設(shè)計問題．通常采用運行速度理論檢驗公路線形設(shè)計。要滿足路線適宜性的要求，需要通過靈活設(shè)計、精心創(chuàng)作，合理選用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)安全、環(huán)保、美觀、節(jié)約的目的。路線的適宜性和均衡性實質(zhì)上也是強調(diào)公路靈活性設(shè)計以及景觀環(huán)境設(shè)計的效果。這些對我國高速公路設(shè)計具有很好的借鑒作用。
2 線形設(shè)計的連續(xù)性
公路線形的連續(xù)性設(shè)計是指公路的幾何條件既不違背駕駛員的期望，也不違背駕駛員安全操作和駕駛汽車的能力。滿足連續(xù)性要求的路線設(shè)計，能夠連續(xù)地引導(dǎo)駕駛員的視覺和滿足駕駛員的心理和生理要求，減少駕駛員的無謂操作、疲勞和恐懼心理，增加駕駛員和乘客的安全感和舒適感。可見，連續(xù)性對于公路設(shè)計是非常重要的。道路線形的連續(xù)性是路線設(shè)計的基本要求之一，連續(xù)的道路設(shè)計應(yīng)確保駕駛員能夠沿著路線以他們期望的速度行駛。我國《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTJB01—2003)規(guī)定：“線形設(shè)計，應(yīng)考慮車輛行駛的安全舒適，駕駛員的視覺和心理反應(yīng)。引導(dǎo)駕駛員的視線保持線形的連續(xù)性。”《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTGD2O一2006)也指出：“等級較高的公路應(yīng)注重立體線形設(shè)計，使駕駛員在視覺上能保持線形的連續(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)。”我國目前所使用的上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范中雖已提出線形連續(xù)性，但對連續(xù)性的標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確提出。目前國內(nèi)外對于線形連續(xù)性的研究很多，主要分為：基于速度的研究，基于安全的研究，基于駕駛員操作難易的研究。其中基于速度的研究比較成熟，因為道路線形連續(xù)與否對車輛產(chǎn)生的影響首要表現(xiàn)在車速上。車速變化的大小也就代表著線形連續(xù)程度。事故率大小是對道路線形連續(xù)性的直接檢驗結(jié)果，事故率比較大的事故多發(fā)地點，也必然代表著其線形在此存在問題。因此，美國等國均采用運行速度評價線形設(shè)計的連續(xù)性。
3 線形設(shè)計的靈活性
公路設(shè)計靈活性思想最先由美國提出，美國聯(lián)邦公路局(FHWA)聯(lián)合美國各州公路與運輸官員協(xié)會(AASHTO)等相關(guān)機構(gòu)于1997年出版了《公路靈活性設(shè)計》，特別強調(diào)了線形的靈活性設(shè)計理念和方法。靈活性設(shè)計包含合理選用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、靈活運用設(shè)計指標(biāo)兩個層面的內(nèi)容。靈活性設(shè)計是有條件的，必須以保證安全為前提，嚴(yán)格按照現(xiàn)行組合的設(shè)計原則進(jìn)行設(shè)計就是保障安全的有力措施。即：設(shè)計靈活性就是“在充分掌握和理解現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范本質(zhì)的基礎(chǔ)上，在不降低安全性的前提下，通過合理選擇技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，靈活運用設(shè)計指標(biāo)，尋求達(dá)到更符合公路沿線可持續(xù)發(fā)展的需要和利益的目標(biāo)”。實際上，每一個公路建設(shè)項目都具有特殊性(公路個性)，由于項目所在區(qū)域的地理位置、地形地貌、地質(zhì)條件、氣候氣象、社會環(huán)境、不同的文化傳統(tǒng)、風(fēng)俗習(xí)慣、審美觀特點以及公路使用者的需求、面臨的挑戰(zhàn)與機遇等均不盡相同，這些都構(gòu)成不同地區(qū)特有的公路景觀環(huán)境，公路靈活性設(shè)計所面臨的任務(wù)就是在運輸功能和安全與周圍自然和社會環(huán)境之間尋求協(xié)調(diào)與結(jié)合，其目的是針對不同公路、不同路段的不同特點給出切合實際的設(shè)計方案，強調(diào)的是公路的個性、環(huán)境的個性，因此設(shè)計靈活性也體現(xiàn)為公路的個性環(huán)境設(shè)計。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是公路設(shè)計的依據(jù)。美國公路幾何設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與政策一般由成立于1937年的規(guī)劃與設(shè)計政策委員會負(fù)責(zé)規(guī)定和推薦，而其制定和出版則通常由美國各州公路與運輸工作者協(xié)會(AASHTO)來完成。AASHTO出版的《公路與城市道路幾何設(shè)計政策》(俗稱綠皮書)通常被視為美國公路幾何設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，亦被國際上公認(rèn)為現(xiàn)代適用的公路設(shè)計專業(yè)著作，該書一般每隔5～6年修訂一次，目前的最新版是2004年出版的第五版。與我國公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同的是，綠皮書僅僅是一本設(shè)計指南，它實際上是提出了有關(guān)道路幾何設(shè)計的一系列指導(dǎo)方針，設(shè)計人員在使用這套指導(dǎo)方針時可以有一定的靈活性。該書在序言中就明確申明了此書的目的在于向設(shè)計人員提供指導(dǎo)方針，對關(guān)鍵尺寸設(shè)計給出了推薦的設(shè)計數(shù)值范圍。允許充分的靈活性是為了鼓勵針對具體情況做出合適的特殊設(shè)計方案。美國作為一個聯(lián)邦制國家，各個州可以根據(jù)自己的實際情況制定自己的法律，包括自己的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。AASH—TO的《公路與城市道路幾何設(shè)計政策》對一些主要技術(shù)指標(biāo)推薦了一個參考值的范圍，允許各州根據(jù)各自的特點確定本州的公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而各州的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)取值一般都在AASHTO所提供的范圍之內(nèi)，但是也允許超出這個推薦范圍。如美國加州根據(jù)本州特點，高速公路最大車速采用了130km／h，超過了AASHTO所規(guī)定的最大設(shè)計車速。由于各州的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)均以綠皮書作為基本標(biāo)準(zhǔn)或參考標(biāo)準(zhǔn)，這就給設(shè)計者在本州的公路設(shè)計中有更大的靈活性和創(chuàng)造性。而我國的公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定，在地形條件和經(jīng)濟(jì)條件的允許下應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)較高的值，只在嚴(yán)重受限的情況下才采用極限值(但是不推薦)。因此在我國以往的設(shè)計中，對標(biāo)準(zhǔn)的掌握容易存在兩方面的不足：一是在所要求的公路等級范圍內(nèi)片面追求高標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)越高越好，不能因地制宜地運用標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的線形使之適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡匦巍⒌刭|(zhì)情況，使有限資金得到充分利用。二是在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)時非常教條，對標(biāo)準(zhǔn)的各項指標(biāo)理解不深刻，常常生搬硬套，導(dǎo)致設(shè)計的公路行車不舒適、不安全，也不美觀。當(dāng)然，靈活性設(shè)計決不能單純地理解為對幾何規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的降低，而是在滿足道路安全性的前提下，靈活運用技術(shù)規(guī)范，盡量找出適應(yīng)自然經(jīng)濟(jì)合理的線形。這樣，公路建設(shè)才能與社會自然和諧地發(fā)展。關(guān)于路線的靈活性設(shè)計我國尚在研究探索中，未形成一套完整的設(shè)計方法。因此，美國的靈活性設(shè)計理念和方法對我國公路設(shè)計具有很好的借鑒作用。
4 線形設(shè)計的安全性
公路的安全性設(shè)計是指從改善環(huán)境安全人手，通過在設(shè)計階段的公路安全性評價，優(yōu)化公路設(shè)計，從而
彌補行車安全、車輛安全的不足，消除存在安全性隱患的線形組合，提高道路運營的安全可靠性、提升高速公路的安全服務(wù)水平。公路安全性設(shè)計首先是對設(shè)計的道路線形進(jìn)行安全性評價，指出存在安全性隱患的路段或線形組合，從而提出線形修改的依據(jù)，進(jìn)行線形設(shè)計的優(yōu)化。從公路設(shè)計角度，安全評價的內(nèi)容總體上可歸并為包括平、縱、橫的線形設(shè)計和包括凈空寬度、路側(cè)邊坡、排水設(shè)施、交通工程的路側(cè)設(shè)計等影響到行車安全的各種因素。美國在公路安全性方面的研究，主要集中在道路安全管理、幾何設(shè)計一致性與實際運行速度評估、駕駛員行為調(diào)查分析及數(shù)學(xué)模型與輔助工具等方面。對公路線形的安全性評價主要通過對擬建道路的運行車速預(yù)測來對道路的安全性進(jìn)行評價。目前，我國高速公路的安全運營狀況不容樂觀。交通事故率呈上升趨勢。導(dǎo)致交通事故的原因是多方面的，包括路況、氣候、駕駛員的因素等。但從道路線形設(shè)計而言，由于我國傳統(tǒng)的基于計算行車速度的路線設(shè)計方法，只是規(guī)定了滿足設(shè)計車速所要達(dá)到的平、縱線形指標(biāo)，這樣導(dǎo)致了各個彎道和縱坡都滿足設(shè)計規(guī)范要求，而線形組合起來不一定是合理的線形，在道路實際運營中，將導(dǎo)致車輛的運行速度與線形指標(biāo)脫節(jié)，形成交通事故的隱患。從交通事故的統(tǒng)計和分析看，雖然造成交通事故的原因是多方面的，但是線形設(shè)計是否合理是關(guān)系到高速公路安全性問題的根本問題，也是安全性評價的重要指標(biāo)。鑒于基于計算行車速度的路線設(shè)計方法存在的缺陷，以運行車速設(shè)計方法作為我國現(xiàn)行設(shè)計方法的補充，是提高和改善我國高速公路行駛安全性的重要手段。我國2006年頒布的《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTGD20-2006)明確指出“各級公路平、縱技術(shù)指標(biāo)變化大的路段，或條件受限制時采用平、縱技術(shù)指標(biāo)最大值(或最小值)的路段，或平縱線形組合有異議的路段，或?qū)嶋H行駛速度可能超出(或低于)設(shè)計速度的路段等，應(yīng)采用運行車速進(jìn)行檢驗”。而在我國2004年頒布的《公路項目安全性評價指南》(JTG／TB05—2004)中，也把運行速度作為公路安全性評價的一個主要指標(biāo)。利用預(yù)測的運行車速對項目的路線、路基路面、橋梁、隧道、路線交叉和交通工程及沿線設(shè)施的運營安全性進(jìn)行評價。在設(shè)計速度應(yīng)用方面，美國第56屆TRB年會曾提出著名的(16kin／h)設(shè)計規(guī)則，亦即：①在規(guī)定的設(shè)計速度內(nèi)，小客車設(shè)計速度的變化不超過16km／h~②相鄰路段設(shè)計速度的改變不超過16km／h；③大車的平均速度比小客車的平均速度在任何時侯都不低于16km／h。一條較長的高速公路，可以根據(jù)交通量的大小和地形的變化情況分段采用不同的設(shè)計車速。同～地形范圍內(nèi)采用不同行車速度時，相鄰計算行車速度之差不宜超過2Okin／h；當(dāng)一條高速公路通過不同地形分區(qū)時，應(yīng)結(jié)合地形和交通量的變化，行車速度也隨之逐漸過渡，避免出現(xiàn)突變。不同計算行車速度的路段長度不宜過短，一般不小于20km，特殊情況下可為10km。設(shè)計車速是高速公路線形設(shè)計的主要依據(jù)，而車輛的實際運行速度則是衡量線形設(shè)計質(zhì)量的評價依據(jù)。目前，美國及很多發(fā)達(dá)國家在公路路線設(shè)計中均廣泛采用運行車速進(jìn)行道路線形的均衡性、連續(xù)性、安全性的檢驗，并根據(jù)各國的情況提出了各自的評價標(biāo)準(zhǔn)。我國在參考國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過研究，也提出了我國公路線形設(shè)計的評價標(biāo)準(zhǔn)。
相對我國公路路線設(shè)計而言，美國道路設(shè)計理論和體系更注重路線與地形、環(huán)境的配合和協(xié)調(diào)。在設(shè)計中充分強調(diào)路線的一致性和連續(xù)性，強調(diào)設(shè)計的靈活性。路線線形指標(biāo)充分考慮了地形、地貌條件，為了使道路與地形條件、景觀環(huán)境相協(xié)調(diào)，在滿足規(guī)范安全性的基礎(chǔ)上，不惜放寬線形設(shè)計指標(biāo)。另外，在設(shè)計中采用了汽車運行車速的理念，路線設(shè)計中追求各線形指標(biāo)的相互配合協(xié)調(diào)、高低指標(biāo)之間的過渡緩和、路線線形均衡，追求實際行駛車速相對平穩(wěn)等，這對降低工程造價、克服超速現(xiàn)象、減少交通事故、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和道路景觀及與環(huán)境的相互協(xié)調(diào)具有重要的意義。高速公路線形指標(biāo)的均衡性、一致性、線形的連續(xù)性、線形和環(huán)境景觀的協(xié)調(diào)性，以及線形設(shè)計的靈活性、安全性，作為現(xiàn)代公路設(shè)計的新理念已經(jīng)廣泛為國內(nèi)外公路研究和設(shè)計領(lǐng)域所認(rèn)同。而利用運行速度評價方法是通過運行車速檢查評價，使公路線形各要素的設(shè)計達(dá)到連續(xù)、均衡和協(xié)調(diào)。采用預(yù)測運行速度評價道路線形設(shè)計質(zhì)量，使得公路設(shè)計的上述要求由定性研究過渡到定量研究。運行速度預(yù)測已成為近年來國內(nèi)外設(shè)計領(lǐng)域研究和應(yīng)用的主要方法，也是研究的熱點。因此在充分學(xué)習(xí)和理解的基礎(chǔ)上，借鑒國外先進(jìn)的設(shè)計理念和方法，對提高我國的公路設(shè)計水平具有重要意義。
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