第七章 道路线形与交叉口设计.docx
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第七章道路线形与交叉口设计
第七章道路线形与交叉口设计
道路是一种带状三维空间结构物，包括路基、路面、桥梁、涵洞、隧道和沿线设施等工程实体。
道路设计由线形设计（Geometricdesign）和结构物设计两大部分组成，道路线形是指道路中线的立体形状。
通过研究汽车行驶特性与道路几何线形要素之间的关系，在已知设计速度、预计交通量以及地形和其他自然条件下，保证行车安全、经济、旅客舒适和路容的美观。
对于三维空间的道路，设计时既要作为整体来考虑，也要把它解剖为平面、纵断面和横断面来分别考虑。
交叉口是道路的重要组成部分，可分为平面交叉和立体交叉两大类。
交叉口在完善了道路网交通功能的同时，也带来了交通混乱、交通事故，行车延误时间的增加和道路通行能力的降低等一系列问题。
尤其是平面交叉口，它是道路交通的咽喉，各种车辆和行人在此通过、汇集和转向，车辆之间相互干扰，极易造成交通阻塞，速度降低，延误时间增多，通行能力降低和交通事故的发生。
同时，在交叉口周期性的刹车、起动，对于燃料、零件和轮胎的消耗也都很大。
所以，对交叉口进行合理地规划、设计，具有十分重要的意义。
第一节道路线形设计的依据和准则
一、道路的分类、分级与技术标准
道路是通行各种车辆和行人的工程设施，按其交通性质和所在位置，主要分为公路和城市道路两大类。
公路是连接城市、乡村、厂矿和林区的道路，主要供汽车行驶且具备一定技术条件的交通设施；城市道路是城市范围内的道路，是供各种车辆和行人通行、具备一定技术条件的交通设施，并具有形成和促进发展城市结构布局，提供通风、采光空间，作为上、下水道和煤气、电力、通讯设施埋设通道的功能。
1、公路的分级与技术标准
为了满足经济发展、规划交通量、路网建设和功能等的要求，公路必须分等级建设。
根据《公路工程技术标准》（JTGB01－2003）（以下简称《标准》）的规定，公路按照功能和适应的交通量分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路五个技术等级。
（1）高速公路：
为专供汽车分向、分车道行驶并应全部控制出入的多车道公路。
四车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量25000～55000辆；
六车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量45000～80000辆；
八车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量60000～100000辆。
（2）一级公路：
为供汽车分向、分车道行驶，并可根据需要控制出入的多车道公路。
四车道一级公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量15000～30000辆；
六车道一级公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量25000～55000辆。
（3）二级公路：
为供汽车行驶的双车道公路。
双车道二级公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量5000～15000辆。
（4）三级公路：
为主要供汽车行驶的双车道公路。
双车道三级公路应能适应将各种车辆折合成小客车的年平均日交通量2000～6000辆。
（5）四级公路：
为主要供汽车行驶的双车道或单车道公路。
双车道四级公路应能适应将各种车辆折合成小客车的年平均日交通量2000辆以下；单车道四级公路应能适应将各种车辆折合成小客车的年平均日交通量400辆以下。
公路技术标准是指在一定自然环境条件下能保持车辆正常行驶性能所采用的技术指标体系，它是对公路路线在设计、施工中的，技术性能、几何尺寸、结构组成方面的具体规定和要求，是法定的技术要求。
现行标准中各级公路的主要技术指标汇总列于表7—1。
各级公路主要技术指标汇总表7—1
公路等级
高速公路
一级
二级
三级
四级
计算行车速度（km/h）
120
100
80
60
100
60
80
40
60
30
40
20
车道数
8
6
4
4
4
4
4
4
2
2
2
2
1或2
车道宽度（m）
2×15.0
2×11.25
2×7.5
2×7.5
2×7.0
2×7.5
2×7.5
2×7.0
9.0
7.0
7.0
6.0
3.5或6.0
路基宽度（m）
一般值
45.00
34.50
28.00
26.00
24.50
22.50
25.50
22.50
12.00
8.50
8.50
7.50
6.50
变化值
42.00
26.00
24.50
23.00
20.00
24.00
20.00
17.00
4.50或7.00
极限最小半径（m）
650
40
250
125
400
125
250
60
125
30
60
15
停车视距（m）
210
160
110
75
160
75
110
40
75
30
40
20
最大纵坡（％）
3
4
5
5
4
6
5
7
6
8
6
9
车辆荷载
计算荷载
汽车－超20级
汽车－超20级
汽车－20级
汽车－20级
汽车－20级
汽车－10级
验算荷载
挂车－120
挂车－120
挂车－120
挂车－100
挂车－100
挂车－120
2、城市道路的分类与技术标准
根据建设部《城市道路设计规范》（CJJ37—90）的规定，城市道路按其在城市道路网中的地位和交通功能，以及道路对沿路建筑物的服务功能，将城市道路分为城市快速路、城市主干路、城市次干路和城市支路四类。
（1）快速路：
主要为城市长距离、快速交通服务。
主要技术指标为：
①每个方向至少有两条机动车道，中间设置宽度不小于1米的中央分隔带；
②在与高速路、快速路、主干路相交时，必须采用立体交叉形式（步行横道也应设立体交叉）；与交通量不大的次干路相交时，可暂时采用平面交叉形式，但应保留修立体交叉的用地条件；
③设计车速为60km/h或80km/h；
④快速路的进出口采用全部控制或部分控制，车辆只能在指定的地点进出。
（2）主干路：
是城市道路网中的骨架，它连接城市各主要分区、车站、港口等，以交通功能为主（小城市主干路可兼沿线服务功能），是城市内部的交通大动脉。
主要技术指标为：
①一般设六条机动车道，或四车道加分隔带（墩）的非机动车道；
②一般不设立体交叉形式，采用扩大交叉口方法来提高通行能力；
③主干路平面交叉口间距以800－1200米为宜，沿线两侧不应设置吸引大量车流、人流的公共建筑物出入口。
（3）次干路：
是连接主干路的辅助性干道，与主干路组成城市道路网。
它连接城市各部分并集散交通，还兼有服务功能。
次干路是城市中数量较多的一般性交通道路，主要技术指标为：
①一般不设立交，部分交叉口扩大并加以渠化；
②一般设四条车道，可以不设单独非机动车道；
③次干路允许两侧布置吸引人流的公共建筑如商店、娱乐场所等，并应设停车场。
（4）支路：
是次干路与街区路的连接线，解决局部地区交通，以服务功能为主。
支路上不宜通行过境交通，只允许通行为地区服务的交通，沿路以居住建筑为多。
支路可与平行于快速路的道路相接，但不得与快速路直接相接。
支路需要与快速路交叉时应采用分离式立体交叉跨过或穿过快速路。
城市道路除快速路外，每类道路按照所在城市的规模、设计交通量、地形分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。
根据国务院城市管理条例规定，城市按照其市区和近郊区（不包括所属县）的非农人口总数划分为三级：
大城市：
人口50万以上的城市，采用Ⅰ级标准；
中等城市：
人口20万~50万的城市，采用Ⅱ级标准；
小城市：
人口20万以下的城市，采用Ⅲ级标准。
城市道路的分类、分级和主要技术指标见表7-2
城市道路分类、分级和技术标准表7-2
项目
类别
级别
计算车速（km/h）
双向机动车车道数（条）
机动车道宽度（m）
分隔带设置
横断面采用形式
快速路
60、80
≥4
3.75
必须设
双、四幅路
主干路
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
50、60
40、50
30、40
≥4
3～4
2～4
3.75
3.75
3.5～3.75
应设
应设
可设
单、双、三、四
单、双、三
单、双、三
次干路
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
40、50
30、40
20、30
2～4
2～4
2
3.75
3.5～3.75
3.5
可设
不设
不设
单、双、三
单
单
支路
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
30、40
20、30
20
2
2
2
3.5
3.5
3.5
不设
不设
不设
单
单
单
公路远景设计年限的规定：
高速公路、一级公路为20年，二级公路15年，三级公路10年，四级公路一般为10年，也可视具体情况适当缩短。
城市道路规划交通量达到饱和状态的设计年限规定为：
快速路、主干路为20年，次干路15年，支路10~15年。
二、设计车辆（Designvehicle）
设计车辆是指道路设计所采用的具有代表性的车辆。
行驶在道路上的车辆种类繁多，可分为机动车和非机动车。
汽车的行驶性能、外廓尺寸以及行驶于道路上不同种类车辆的组成对于道路线形设计的多数几何元素（如车道宽度、纵坡、平曲线半径、弯道加宽等）关系密切。
因此，选择有代表性的车辆作为道路设计的依据是必要的。
我国公路和城市道路的设计规范对各种车辆进行了归类，选择三种有代表性的车型，将其尺寸标准化，称为“设计车辆”，作为道路设计的依据。
《公路工程技术标准》（JTGB01—2003）将机动车分为三种类型：
小客车、载重汽车、鞍式列车，其尺寸如图7-1所示。
图7－1机动车设计车辆外廓尺寸（单位：
m）
《城市道路设计规范》（CJJ37—90）将机动车分为三种类型：
小型汽车、普通汽车、铰接车，其尺寸如图7-2所示。
图见城市道路设计规范P5。
图7－2机动车设计车辆外廓尺寸（单位：
m）
三、设计速度（Designspeed）
当气候条件和交通状况良好时，汽车在道路上行驶的车速主要受道路几何线形、路面质量的影响，即道路的几何线形与车辆行驶速度密切相关。
因此，为了设计道路线形必须确定设计车速。
设计车速就是指当气候条件良好、交通密度较小，车辆行驶只受道路本身条件的影响时，具有中等驾驶技术的驾驶员能安全舒适地驾驶车辆行驶的最大速度。
设计速度是确定道路几何线形的依据。
公路的设计速度对确定公路的曲线半径、超高、视距等技术指标起着决定性的作用，同时也影响着车道数、尺寸以及路肩宽度等指标。
另外，公路设计速度的大小还与公路的等级、地形条件有关，各级公路的设计速度列于表7—3。
各级公路设计速度表7-3
公路等级
高速公路
一级公路
二级公路
三级公路
四级公路
设计速度
（km/h）
120
100
80
100
80
60
80
60
40
30
20
由于同一等级的道路按不同的条件可以采用不同的设计速度，但不同设计速度的各路段长度不宜过短，一般高速公路不宜小于15km，一级、二级公路不宜小于10km，不同设计速度的设计路段间必须设置过渡段。
城市道路设计速度与道路的类型和级别有关，其值见表7-4所示。
各类各级城市道路设计速度表7-4
道路类别
快速路
主干路
次干路
支路
道路级别
——
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
设计速度
80.60
60.50
50.40
40.30
50.40
40.30
30.20
40.30
30.20
20
四、设计交通量（Designtrafficvolume）
在道路几何线形和结构物设计时，必须考虑交通量随时间变化出现高峰的特点，既要保证道路在设计期限内能满足绝大多数小时车流顺利通过，不造成严重阻塞，同时也要避免道路建成后车流量过低，投资效益差的现象发生。
因此，必须选择适当的小时交通量作为设计小时交通量（Designhourlyvolume）。
研究认为，取一年中排序第30位的小时交通量作为设计小时交通量最合适，即将一年中测得的8760个小时的交通量按大小顺序排列，取序号为第30位的小时交通量作为设计小时交通量。
采用第30位小时交通量作为设计依据，全年只有29小时的交通量超过设计小时交通量，保证率可达99.67%，这是将拥挤时间保持在最低限度的一种经济合理的设计。
目前，包括我国在内的世界许多国家都采用第30位小时交通量作为设计依据，也可根据当地调查结果采用第20～40位小时之间最为经济合理的时位。
第30位小时交通量与年平均日交通量的比值K称为设计小时交通量系数。
根据公路观测资料统计，K值变化比较稳定，一般平原地区的公路K取13%，山区公路K取15%。
为计算交通量，应在实测交通量的基础上，进行交通量换算，即将交通流中不同类型的车辆按其占有的空间和时间的不同，换算成单一车型的数量，因而产生不同车型的车辆换算系数。
我国公路和城市道路均以小客车为标准车型进行换算，换算系数见第六章。
第二节道路平面线形设计
道路是一种带状三维空间实体，路线是指道路中线的空间位置。
道路中线在水平面上的投影叫路线平面图（Plan）；用一曲面沿道路中线竖直剖切，再展开成平面的图式叫纵断面图（Profile）；中线各点的法向切面是道路在该点的横断面图（Cross-sectionalprofile）。
路线的平面、纵断面和各个横断面是道路的几何组成。
路线设计是指确定路线空间位置和各部分几何尺寸的工作。
设计一条道路，常常分解为平面设计、纵断面设计和横断面设计，三者是相互关联的，既要分别进行，又需综合考虑。
路线中线的平面位置，是考虑社会、经济、自然条件和技术条件等因素，经过平、纵、横综合考虑，反复修正才确定下来的。
再通过中桩的高程测量和横断面测量，取得地面线和地质、水文及其他必要资料后，设计纵断面和横断面。
图7-3道路平、纵、横断面关系图
道路的平面线形，常受地形、地物等障碍的影响而产生转折，转折处需设置曲线，通常采用圆曲线。
为了使线形更符合汽车行驶轨迹从而确保行车的顺适与安全，在直线与圆曲线间或不同半径的两圆曲线之间要插入曲率半径为变数的缓和曲线。
所以，构成道路平面线形的主要组成要素是直线、圆曲线和缓和曲线（如图7-4），圆曲线和缓和曲线统称为平曲线。
图7-4道路平面线形组成要素图
公路平面线形，过去多采用长直线－短曲线的形式。
随着车速的提高和交通量的增长，对于高等级公路已趋于以曲线为主的设计，即结合地形拟定曲线，再用缓和曲线或直线相连，使路线在满足行车要求及线形视觉舒适顺畅的条件下，增加了结合地形设置线形的自由，使道路的经济效益显著。
连续曲线的线形，特别适用于山区道路线形设计，对于平原地区的城市则首先应考虑以直线为主的线形。
高速公路线形多以圆曲线和缓和曲线为主，其间也可插入适当长度的直线，但应以更好地满足线形舒顺、与地形的合理结合为原则。
一、圆曲线（Planecurve）
道路为了绕避障碍、利用地形以及通过必要的控制点，在平面上常出现转折。
在路线转折处，一般均采用圆曲线连接，使车辆平顺地由前一条直线路段转向驶入后一条路段。
圆曲线是道路平面设计中常用的线形，是平曲线中的主要组成部分。
通过分析车辆在弯道上行驶的规律和特点，采用适合的圆曲线半径和平曲线长度，确保汽车行驶的通畅、安全、迅速、经济和舒适。
1、圆曲线半径
行驶在曲线上的汽车由于受离心力作用其稳定性受到影响，而离心力的大小又与曲线半径密切相关，半径越小越不利。
所以，在选择平曲线半径时应尽可能采用较大的值，只有在地形或其他条件受到限制时，才可使用较小的曲线半径。
为了行车的安全和舒适，《标准》规定了圆曲线半径在不同情况下的最小值。
⑴圆曲线半径计算的一般公式
由汽车行驶理论可知，汽车行驶的横向稳定性先于纵向稳定性，因此，平曲线半径值根据汽车行驶横向稳定性（滑移、倾覆）而定。
其计算公式为：
（7-1）
式中：
——设计车速（km/h）；
——横向力系数；
——路面横坡度，对双向横坡的路面在弯道外侧行驶时，公式中用“－”号，在内侧行驶时用“＋”号；
——平曲线半径（m）。
图7-5曲线上汽车受力分析
⑵圆曲线最小半径的选用
圆曲线最小半径包括极限最小半径、一般最小半径、不设超高的最小半径三种。
《公路工程技术标准》对于不同等级的公路规定值见表7-5，城市道路的规定值见表7-6。
表7－5各级公路圆曲线最小半径
设计速度（km/h）
120
100
80
60
40
30
20
一般值（m）
1000
700
400
200
100
65
30
极限值（m）
650
400
250
125
60
30
15
不设超高
最小半径
（m）
路拱
≤2.0%
5500
4000
2500
1500
600
350
150
路拱
＞2.0%
7500
5250
3350
1900
800
450
200
表7－6城市道路圆曲线最小半径
设计速度（km/h）
80
60
50
40
30
20
不设超高的最小半径（m）
1000
600
400
300
150
70
设超高的推荐半径（m）
400
300
200
145
90
40
设超高的极限最小半径（m）
250
150
100
70
40
20
圆曲线半径的选用应同前后线形要素相协调，使之构成连续、均衡的曲线线形，便于安全舒适的行驶。
并注意与纵断面线形相配合，必须避免小半径曲线与陡坡相重合。
设计时，应尽量采用较大的半径，一般应大于不设超高的最小半径；当条件不允许时，才采用设超高的一般最小半径或极限最小半径。
当然，考虑经济适用性也不能盲目采用高标准的大半径曲线，使得工程量过分增加。
最大半径值一般不应超过10000m。
①极限最小半径
极限最小半径是圆曲线半径采用的最小极限值。
当地形困难或条件受限制时方可采用。
道路圆曲线半径为极限最小半径时，设置最大超高。
《标准》规定值是参照
=0.15，最大超高
取8%（高速公路、一般公路取10%，严寒积雪情况取6%），按公式
计算，并取整确定的。
例如，某山区四级公路，
=20（km/h），取
=0.15，
=8%，则
R极限=202/127×（0.15+0.08）=13.6m（《标准》规定为15m）
②不设超高的最小半径
所谓不设超高的最小半径是指当道路曲线半径较大、离心力较小时，汽车沿双向路拱（不设超高）外侧行驶的路面摩擦力足以保证汽车行驶安全稳定所采用的最小半径。
《标准》的规定值是按路面泥泞或结冰时的不利情况下，考虑线形的平顺协调，参照
=0.04，路拱外侧横坡i0=-2%（或-1.5%），用公式
计算取整确定的。
③一般最小半径
一般最小半径，是指设超高时的推荐半径，其数值介于极限最小半径与不设超高的最小半径之间，超高值随半径的增大而按比例减小。
《标准》所采用的一般最小半径是参照
=0.05～0.06，i0=0.06～0.08，按公式
计算取整得来的。
2、平曲线的最小长度
汽车在曲线线形的道路上行驶时，如果曲线很短，则驾驶员操作方向盘频繁而紧张，这在高速行驶的情况下是危险的。
在平面设计中，公路平曲线一般由前后缓和曲线和中间圆曲线三段曲线组成。
为便于驾驶操作和行车安全与舒适，汽车在任何一段线形上行驶的时间都不应短于3s，在曲线上行驶里程需要9s。
平曲线最小长度的确定通常按以下三方面考虑：
⑴曲线过短，驾驶员操作困难，根据经验至少要有6s的行驶时间，因此平曲线最小长度为
L=
·t=（V/3.6）×6=1.67V（m）（7-2）
式中：
L——平曲线最小长度（m）；
V——设计速度（km/h）；
⑵满足离心加速度变化率要求的平曲线最小长度
当平曲线由两个缓和曲线组成时，为了使汽车在曲线上行驶时乘客不产生过大的心理负担，一般应控制曲线上汽车离心加速度变化率p为0.5-0.6m/s3。
则
（7-3）
⑶按视觉的要求确定平曲线最小长度
当曲线转角小于70时，容易产生错觉，即不易识别出曲线，并会误认为比实际曲线长度要短。
因此，为使驾驶员不产生错觉，应设置较长的平曲线，其长度应不小于表7-7所列数值。
公路转角等于或小于70时平曲线最小长度表7-7
设计速度（km/h）
120
100
80
60
40
30
20
平曲线最小
长度（m）
一般值
1400/
1200/
1000/
700/
500/
350/
280/
低限值
200
170
140
100
70
50
40
3、圆曲线的计算
图7-6所示为单圆曲线，从图中的几何关系，有：
图7-6圆曲线要素计算
曲线长L=Rαπ/180=0.01745Rα（7-4）
切线长T=Rtan（α/2）（7-5）
外距E=R（secα/2-1）（7-6）
校正数或超距J=2T-L（7-7）
圆曲线共计有三个主点桩，其里程桩号计算如下：
直圆点：
ZY=JD-T
圆直点：
YZ=ZY+L
曲中点：
QZ=YZ-L/2
校核公式：
JD=QZ+J/2（校核）
[例7-1]设城市一条次干路，设计速度为40km/h；当路线跨跃一条河流时，要求桥头至少有40m直线段；由桥头到路线转折点的距离为160m，转角α=420；如图所示，试求该路中线最大可能的半径？
解：
据该地形条件可求得曲线切线长，T=160-40=120m，作为控制条件。
R=T/tan（α/2）=120/tan（420/2）=120/0.3839=312.6m
取R=300m
图7-7例题7－1计算图
从表7-6查得，设计车速40km/h，不设超高的最小半径为300m，则此处取R=300m，不设超高，可满足行车安全要求。
[例7-2]某弯道交点桩号为K87+441.41，α=26052’，R=300m，计算曲线主点桩号。
解：
由上述公式计算曲线要素，得：
T=Rtan（α/2）=300×tan（26052’/2）=71.66m
L=0.01745Rα=140.67m
E=R（secα/2-1）=8.44m
J=2T-L=2.65m
曲线主点桩号计算：
JDK87+441.41
-）T71.66
ZY=K87+369.75
+）L140.67
YZ=K87+510.42
-）L/270.33
QZ=K87+440.09
+）J/21.32
JD=K87+441.41（校核无误）
二、缓和曲线
在直线与圆曲线之间或半径相差较大的两个转向相同的圆曲线之间设置的一种曲率连续变化的曲线就是缓和曲线，如图7-4所示。
1、缓和曲线的作用
⑴曲率连续变化，适应车辆转向操作的行驶轨迹
汽车在转弯行驶的过程中，存在一条曲率连续变化的轨迹线，无论车速高低，这条轨迹线都是客观存在的，而且随着车辆行驶的速度、曲率半径和驾驶员转动方向盘的快慢而定。
在低速行驶时，驾驶员可以利用路面的富余宽度在一定程度上把汽车保持在车道范围之内，但在高速行驶时
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