中德高速公路幾何設(shè)計技術(shù)要點分析

　　摘要 德國是最早修建高速公路的國家，同時也是世界運行效率最高最安全的高速公路之一，研究德國高速公路設(shè)計具有重要的參考意義。介紹了德國高速公路設(shè)計等級體系和其基本特征，分析了我國高速公路設(shè)計和德國高速公路平面、縱斷面、橫斷面的幾何設(shè)計要點。利用了德國高速公路設(shè)計指標(biāo)體系分析了京港澳高速某段的線形要素。研究表明德國高速公路橫斷面設(shè)計與我國基本一致，平面和縱斷面線形指標(biāo)相較我國規(guī)范總體上更為寬松，但德國規(guī)范對平面直線長度和最小縱坡要求更高。

　　關(guān) 鍵 詞 幾何設(shè)計;德國;規(guī)范;高速公路;線形

　　《東北公路》促進東北三省的學(xué)術(shù)交流，繁榮公路科技，結(jié)合東北地區(qū)的實際條件和特點，為對外開放，加速遼東半島外向型經(jīng)濟建設(shè)，加速我國現(xiàn)代化交通建設(shè)。

　　0 引言

　　德國高速公路有著久遠(yuǎn)的歷史，1932年德國科隆與波恩之間30 km的高速公路建成通車，標(biāo)志著歷史上第一條現(xiàn)代意義高速公路的誕生。至2016年德國共擁有12 993 km高速公路，是世界第四大高速公路系統(tǒng)。德國高速設(shè)計建設(shè)與管理水平世界一流，德國境內(nèi)大約有三分之二的高速公路沒有永久限速，德國因此成為世界上唯一的擁有不限速度高速公路的國家。此外高速公路運輸占德國全部交通量的三分之一，但德國只有6%事故在高速公路發(fā)生(2016年)，高速公路事故率遠(yuǎn)低于世界其它國家[1]。德國高速公路不僅擁有不限速的路段，也是世界上最安全的高速公路之一。借鑒德國高速公路設(shè)計管理標(biāo)準(zhǔn)對我國高速公路發(fā)展具有重要參考意義。

　　我國學(xué)者裴玉龍教授研究世界各國高速公路設(shè)計與運營提出了超高速公路發(fā)展的必要性與技術(shù)等級指標(biāo)問題[2]。王佐、王志軍等研究了中法高速公路設(shè)計的技術(shù)要點，對法國公路設(shè)計體系進行了詳細(xì)分析[3-5]。田引安分析了中國及澳大利亞關(guān)于公路幾何設(shè)計的異同，探討了中澳高速公路設(shè)計理念與方法[6]。萬國朝與林正清分析了上個世紀(jì)聯(lián)邦德國公路設(shè)計規(guī)范要點并闡述了其設(shè)計理念[7-8]。彭彥忠和譚紅霞分別論述了美國公路幾何設(shè)計體系并分析中美公路設(shè)計的方法的異同[9-10]。本文將概述現(xiàn)行的德國高速公路幾何設(shè)計體系和技術(shù)要點，并通過對京港澳高速某段的線形分析，同時與我國高速公路幾何設(shè)計進行對比分析，為我國公路設(shè)計與研究人員提供參考。

　　1 設(shè)計等級和基本特征

　　德國道路和交通研究協(xié)會(Forschungsgesell- schaft für Stra?en und Verkehrswesen，縮寫FGSV)是一個成立于1924年非營利性的科技協(xié)會，該協(xié)會主要負(fù)責(zé)起草和發(fā)布道路規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)、運營和交通工程相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。目前FGSV采用的高速公路設(shè)計規(guī)范稱為高速公路設(shè)計指南(Richtlinien für die Anlage von Autobahnen，縮寫RAA)，該指南是指導(dǎo)德國高速公路設(shè)計的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]。

　　RAA高速公路設(shè)計原則基于綜合路網(wǎng)設(shè)計指南(Richtlinien für integrierte Netzgestaltung，縮寫RIN)定義的道路類別。綜合路網(wǎng)設(shè)計指南依據(jù)路網(wǎng)連接水平將高速公路道路類別分為：1)AS0大陸高速公路;2)ASⅠ次大陸高速公路;3)ASⅡ跨區(qū)域高速公路。RAA根據(jù)道路類別、高速公路與城市建筑區(qū)域的關(guān)系、高速公路的管轄權(quán)將高速公路分為4個設(shè)計等級，見表1。

　　根據(jù)德國道路交通法規(guī)藍色高速公路標(biāo)志僅適用于聯(lián)邦高速，其它非聯(lián)邦的高速高速公路如州、縣、市級高速公路使用黃色機動車車道標(biāo)志。非聯(lián)邦高速公路因為線形和交叉口形式等設(shè)計要素標(biāo)準(zhǔn)的降低被稱為準(zhǔn)高速公路。

　　對AS0/ASⅠ的聯(lián)邦高速公路被稱為長途高速公路，設(shè)計等級EKA1A;屬于ASⅡ的聯(lián)邦高速公路被稱為跨區(qū)域高速公路，設(shè)計等級EKA1B;非聯(lián)邦高速公路被稱為準(zhǔn)高速公路，設(shè)計等級EKA2;屬于ASⅡ并穿越大量城市建筑區(qū)域的高速公路被稱為城市高速公路，設(shè)計等級EKA3。

　　RAA指出各設(shè)計等級線形指標(biāo)和其它設(shè)計要素的確定依據(jù)在潮濕狀態(tài)下的安全穩(wěn)定行駛的推薦速度。由于德國規(guī)范的各設(shè)計等級的線形指標(biāo)依據(jù)推薦速度進行計算，德國規(guī)范的推薦速度等同于我國規(guī)范的設(shè)計速度。對長途高速公路EKA1A，理論推薦速度130 km/h;跨區(qū)域高速公路EKA1B，理論推薦速度120 km/h;準(zhǔn)高速公路EKA2，理論推薦速度100 km/h;城市高速公路EKA3，理論推薦速度80 km/h。

　　RAA指出對EKA1A、EKA1B和EKA2等級的高速公路實際最大允許速度在原則上是沒有限制的，對EKA3受城市環(huán)境影響對最高行駛速度有所限制。通常城市高速公路的幾何形狀接近EKA3的極限值，則限速為80 km/h，如果道路幾何形狀基于更高的設(shè)計值，則最高限速原則上不超過100 km/h。實際高速公路的限速情況根據(jù)交通量、天氣等多種因素確定。RAA對應(yīng)的設(shè)計等級和特征見表2。

　　2 平面設(shè)計

　　德國高速公路設(shè)計指南RAA指出高速公路的平面線形由直線、圓曲線、回旋線3種要素組成。平面線形要素與我國《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)和《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20-2006)規(guī)定的線形要素基本一致[12-13]。

　　2.1 直線

　　為了避免直線過長造成的駕駛疲勞和超速問題，RAA規(guī)定各設(shè)計等級高速公路直線最大長度2 000 m，同時僅規(guī)定同向圓曲線間直線最小長度400 m。我國規(guī)范中對直線的最大長度沒有明確要求，僅提出要有所限制，對同向圓曲線間的直線最小長度要求是6倍的設(shè)計速度行程，對反向圓曲線間的直線最小長度要求是2倍的設(shè)計速度行程。德國規(guī)范對直線的長度要求更為明確和嚴(yán)格。

　　2.2 圓曲線

　　德國規(guī)范RAA中圓曲線半徑的計算公式為

　　[R=V2127maxfR?n+q] ， (1)

　　式中：[R]為圓曲線半徑，m;[V]為推薦速度，km/h;[max fR]為最大橫向力系數(shù);[n]為橫向力利用系數(shù);[q]為橫坡度。該公式與我國規(guī)范中圓曲線半徑計算公式基本相同。

　　根據(jù)RAA給出圓曲線半徑計算公式，在各種約束條件下RAA規(guī)定了各設(shè)計等級下的圓曲線最小半徑和圓曲線最小長度，見表3。同時RAA指出高速公路不限制最大允許速度即不設(shè)最高限速時，圓曲線最小半徑應(yīng)為1 300 m，圓曲線最小長度應(yīng)為500 m。

　　我國規(guī)范中對高速公路圓曲線最小半徑的要求，見表4。

　　從表2表3對比可以看出，德國規(guī)范圓曲線最小半徑均大于我國規(guī)范規(guī)定的圓曲線最小半徑極限值，但遠(yuǎn)小于我國規(guī)范圓曲線最小半徑一般值。由于我國實際公路線形設(shè)計中，基本采用設(shè)計指標(biāo)的一般值，因此我國規(guī)范對圓曲線半徑指標(biāo)要求相對較高，同時我國規(guī)范對圓曲線長度要求包含在對平曲線總長度和對緩和曲線長度的要求中，這與德國規(guī)范有所不同。

　　2.3 回旋線

　　德國規(guī)范中過渡曲線的設(shè)置與我國相同，均采用回旋線的形式。在直線與圓曲線之間設(shè)置回旋線和圓曲線之間設(shè)置回旋線，RAA回旋線基本公式

　　A2=R?L ， (2)

　　式中：A為回旋線參數(shù)，m;R為回旋線某點的曲率半徑，m;L為回旋線某點到原點的曲線長，m。

　　RAA規(guī)定所有的平曲線均應(yīng)設(shè)置回旋線，僅在圓曲線轉(zhuǎn)角小于9°時，可以不設(shè)置回旋線，此時圓曲線最小長度應(yīng)為300 m。德國規(guī)范對回旋線的省略與我國規(guī)范有很大的不同，我國規(guī)范規(guī)定在圓曲線半徑大于不設(shè)超高的圓曲線半徑時可以不設(shè)置回旋線，此時圓曲線上橫向力系數(shù)很小，行駛舒適性和穩(wěn)定性能得到保證。對比德國規(guī)范，我國規(guī)范對回旋線的設(shè)計更加靈活。根據(jù)RAA回旋線計算公式得出的回旋線最小參數(shù)，見表5。

　　根據(jù)RAA給出的回旋線最小參數(shù)和圓曲線最小半徑，利用式(2)可以計算對應(yīng)的回旋線計算最小長度，結(jié)果見表5(RAA并未給出，作者自行計算，方便比較)。我國規(guī)范對高速公路回旋線最小長度的要求為設(shè)計速度120、100、80 km/h回旋線最小長度分別對應(yīng)100、85、70 m。對比得出我國規(guī)范對回旋線長度的要求均大于德國規(guī)范計算的最小長度，對回旋線長度指標(biāo)要求更高，并且我國規(guī)范對平曲線總長度有要求，而德國規(guī)范未明確對平曲線總長度要求。

　　3 縱斷面設(shè)計

　　3.1 縱坡

　　RAA指出的縱坡的設(shè)計基于適應(yīng)地形、減少環(huán)境影響、行車安全和造價的考慮。最大縱坡規(guī)定為對設(shè)計等級EKA1A、EKA1B、EKA2和EKA3最大縱坡分別取4.0%、4.5%、4.5%、6.0%坡度值。

　　我國規(guī)范中對高速公路最大縱坡的規(guī)定是在設(shè)計速度是120、100、80 km/h時，最大縱坡分別對應(yīng)3%，4%，5%坡度值，同時我國規(guī)范指出特殊地形情況下，經(jīng)過技術(shù)論證最大縱坡可以適當(dāng)增加1%。可以看出我國規(guī)范與德國規(guī)范對最大縱坡的要求基本一致，我國規(guī)范對最大縱坡的一般要求更嚴(yán)格。

　　RAA高速公路設(shè)計原則基于綜合路網(wǎng)設(shè)計指南(Richtlinien für integrierte Netzgestaltung，縮寫RIN)定義的道路類別。綜合路網(wǎng)設(shè)計指南依據(jù)路網(wǎng)連接水平將高速公路道路類別分為：1)AS0大陸高速公路;2)ASⅠ次大陸高速公路;3)ASⅡ跨區(qū)域高速公路。RAA根據(jù)道路類別、高速公路與城市建筑區(qū)域的關(guān)系、高速公路的管轄權(quán)將高速公路分為4個設(shè)計等級，見表1。

　　根據(jù)德國道路交通法規(guī)藍色高速公路標(biāo)志僅適用于聯(lián)邦高速，其它非聯(lián)邦的高速高速公路如州、縣、市級高速公路使用黃色機動車車道標(biāo)志。非聯(lián)邦高速公路因為線形和交叉口形式等設(shè)計要素標(biāo)準(zhǔn)的降低被稱為準(zhǔn)高速公路。

　　對AS0/ASⅠ的聯(lián)邦高速公路被稱為長途高速公路，設(shè)計等級EKA1A;屬于ASⅡ的聯(lián)邦高速公路被稱為跨區(qū)域高速公路，設(shè)計等級EKA1B;非聯(lián)邦高速公路被稱為準(zhǔn)高速公路，設(shè)計等級EKA2;屬于ASⅡ并穿越大量城市建筑區(qū)域的高速公路被稱為城市高速公路，設(shè)計等級EKA3。

　　RAA指出各設(shè)計等級線形指標(biāo)和其它設(shè)計要素的確定依據(jù)在潮濕狀態(tài)下的安全穩(wěn)定行駛的推薦速度。由于德國規(guī)范的各設(shè)計等級的線形指標(biāo)依據(jù)推薦速度進行計算，德國規(guī)范的推薦速度等同于我國規(guī)范的設(shè)計速度。對長途高速公路EKA1A，理論推薦速度130 km/h;跨區(qū)域高速公路EKA1B，理論推薦速度120 km/h;準(zhǔn)高速公路EKA2，理論推薦速度100 km/h;城市高速公路EKA3，理論推薦速度80 km/h。

　　RAA指出對EKA1A、EKA1B和EKA2等級的高速公路實際最大允許速度在原則上是沒有限制的，對EKA3受城市環(huán)境影響對最高行駛速度有所限制。通常城市高速公路的幾何形狀接近EKA3的極限值，則限速為80 km/h，如果道路幾何形狀基于更高的設(shè)計值，則最高限速原則上不超過100 km/h。實際高速公路的限速情況根據(jù)交通量、天氣等多種因素確定。RAA對應(yīng)的設(shè)計等級和特征見表2。

　　2 平面設(shè)計

　　德國高速公路設(shè)計指南RAA指出高速公路的平面線形由直線、圓曲線、回旋線3種要素組成。平面線形要素與我國《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)和《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20-2006)規(guī)定的線形要素基本一致[12-13]。

　　2.1 直線

　　為了避免直線過長造成的駕駛疲勞和超速問題，RAA規(guī)定各設(shè)計等級高速公路直線最大長度2 000 m，同時僅規(guī)定同向圓曲線間直線最小長度400 m。我國規(guī)范中對直線的最大長度沒有明確要求，僅提出要有所限制，對同向圓曲線間的直線最小長度要求是6倍的設(shè)計速度行程，對反向圓曲線間的直線最小長度要求是2倍的設(shè)計速度行程。德國規(guī)范對直線的長度要求更為明確和嚴(yán)格。

　　2.2 圓曲線

　　德國規(guī)范RAA中圓曲線半徑的計算公式為

　　[R=V2127maxfR?n+q] ， (1)

　　式中：[R]為圓曲線半徑，m;[V]為推薦速度，km/h;[max fR]為最大橫向力系數(shù);[n]為橫向力利用系數(shù);[q]為橫坡度。該公式與我國規(guī)范中圓曲線半徑計算公式基本相同。

　　根據(jù)RAA給出圓曲線半徑計算公式，在各種約束條件下RAA規(guī)定了各設(shè)計等級下的圓曲線最小半徑和圓曲線最小長度，見表3。同時RAA指出高速公路不限制最大允許速度即不設(shè)最高限速時，圓曲線最小半徑應(yīng)為1 300 m，圓曲線最小長度應(yīng)為500 m。

　　我國規(guī)范中對高速公路圓曲線最小半徑的要求，見表4。

　　從表2表3對比可以看出，德國規(guī)范圓曲線最小半徑均大于我國規(guī)范規(guī)定的圓曲線最小半徑極限值，但遠(yuǎn)小于我國規(guī)范圓曲線最小半徑一般值。由于我國實際公路線形設(shè)計中，基本采用設(shè)計指標(biāo)的一般值，因此我國規(guī)范對圓曲線半徑指標(biāo)要求相對較高，同時我國規(guī)范對圓曲線長度要求包含在對平曲線總長度和對緩和曲線長度的要求中，這與德國規(guī)范有所不同。

　　2.3 回旋線

　　德國規(guī)范中過渡曲線的設(shè)置與我國相同，均采用回旋線的形式。在直線與圓曲線之間設(shè)置回旋線和圓曲線之間設(shè)置回旋線，RAA回旋線基本公式

　　A2=R?L ， (2)

　　式中：A為回旋線參數(shù)，m;R為回旋線某點的曲率半徑，m;L為回旋線某點到原點的曲線長，m。

　　RAA規(guī)定所有的平曲線均應(yīng)設(shè)置回旋線，僅在圓曲線轉(zhuǎn)角小于9°時，可以不設(shè)置回旋線，此時圓曲線最小長度應(yīng)為300 m。德國規(guī)范對回旋線的省略與我國規(guī)范有很大的不同，我國規(guī)范規(guī)定在圓曲線半徑大于不設(shè)超高的圓曲線半徑時可以不設(shè)置回旋線，此時圓曲線上橫向力系數(shù)很小，行駛舒適性和穩(wěn)定性能得到保證。對比德國規(guī)范，我國規(guī)范對回旋線的設(shè)計更加靈活。根據(jù)RAA回旋線計算公式得出的回旋線最小參數(shù)，見表5。

　　根據(jù)RAA給出的回旋線最小參數(shù)和圓曲線最小半徑，利用式(2)可以計算對應(yīng)的回旋線計算最小長度，結(jié)果見表5(RAA并未給出，作者自行計算，方便比較)。我國規(guī)范對高速公路回旋線最小長度的要求為設(shè)計速度120、100、80 km/h回旋線最小長度分別對應(yīng)100、85、70 m。對比得出我國規(guī)范對回旋線長度的要求均大于德國規(guī)范計算的最小長度，對回旋線長度指標(biāo)要求更高，并且我國規(guī)范對平曲線總長度有要求，而德國規(guī)范未明確對平曲線總長度要求。

　　3 縱斷面設(shè)計

　　3.1 縱坡

　　RAA指出的縱坡的設(shè)計基于適應(yīng)地形、減少環(huán)境影響、行車安全和造價的考慮。最大縱坡規(guī)定為對設(shè)計等級EKA1A、EKA1B、EKA2和EKA3最大縱坡分別取4.0%、4.5%、4.5%、6.0%坡度值。

　　我國規(guī)范中對高速公路最大縱坡的規(guī)定是在設(shè)計速度是120、100、80 km/h時，最大縱坡分別對應(yīng)3%，4%，5%坡度值，同時我國規(guī)范指出特殊地形情況下，經(jīng)過技術(shù)論證最大縱坡可以適當(dāng)增加1%。可以看出我國規(guī)范與德國規(guī)范對最大縱坡的要求基本一致，我國規(guī)范對最大縱坡的一般要求更嚴(yán)格。