第十章 高速公路.docx
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第十章高速公路
第一十章高速公路
第一节高速公路的特点和发展概况
高速公路是专供汽车高速行驶的公路。
由于高速公路全线采用中央分隔带分隔对向车流行驶,并设置立体交叉、控制出人,采用较高的技术标准和完善的交通设施,因此为汽车的高速、安全、便捷的大运量行驶创造了优越的条件。
一、高速公路的特征
(一)限制交通,汽车专用
高速公路对车种及车速加以限制。
规定,凡车速在50km/h以下的车辆不得进入高速公路,我国规定设计车速一般为120km/h(表1-2-3)。
因此,拖拉机及装载特别货物的车辆及非机动车均不得使用高速公路。
(二)控制交通的出入
为保证高速行车、消除侧向干扰,对于不准车辆进出的路口,均设置分离式立交(下穿路堤的人孔、拖拉机孔或汽车孔)加以隔绝;允许车辆进出的路口,则采用指定的互通式立交匝道连接。
对非机动车及人、畜的控制,则主要采取禁入栅、高路堤、护栏等隔离措施将高速公路"封闭",以确保汽车的快速安全行驶。
(三)分隔行驶,安全高速
高速公路采用双幅路横断面的形式,中央设置中间带,将对向车流分隔,从而杜绝对向撞车,既提高车速,又确保安全。
对于同向车流,则采用全线划线的方法区分车道,以减少超车和同向车速差造成的干扰。
二、高速公路的优点
(一)高速行车
速度是交通运输的主要技术指标。
由于高速公路平均车速高达90~110km/h,故行驶时间的缩短带来了巨大经济效益和社会效益。
德国高速公路每147km平均行程时间为1.23h,比一般国道,其节约时间为47%,节约燃料为93%。
(二)通行能力大,运输效率高
一般双车道公路昼夜通行能力为0.5万辆,而一条四车道高速公路则为2.5~5.5万辆/昼夜,六车道和八车道高速公路则高达8~10万辆/昼夜。
高速公路的通行能力是一般公路的几倍至十几倍。
通行能力大,运输能力必然提高。
三、高速公路的弊端
(一)占地多,对环境影响大
一般高速公路用地宽度至少为30~35m;六车道为50~60m;一座互通式立交用地则高达4~10万m2。
高速公路的征地费用约占总投资的1/5。
这对于耕地较少的国家对农业造成一定威胁。
噪声、废气对环境的污染不可避免。
因此,兴建高速公路时,应尽量节约用地。
(二)投资大,造价高
高速公路的投资主要用于征地、筑路、设施等,其中士方、路面、桥涵及设施等的费用约占总投资的80%,征地及赔偿费占20%。
我国高速公路的平均造价较一般公路高约10倍。
虽然在今后的运营中可将投资回收,但鉴于当前财力所限及筹集资金的困难,只能分步建设。
四、高速公路的发展概况
(一)国外高速公路的发展概况
德国是较早兴建高速公路的国家,而高速公路的高车速为其战时运输提供了有利条件。
l933~1939年,共建344okm的高速公路,为当时摩托化部队的快速调遣起了重要作用。
此外,还可作为飞机临时跑道。
美国于1937年着手兴建高速公路,至今已建成89232km,占世界高速公路总里程的46%,居世界首位。
其州际和国防高速公路网连接了48个州的首府。
并与加拿大和墨西哥相连。
日本至1958年才开始兴建高速公路,但发展迅速,至1998年已建成6114km,以东京为中心的全国高速公路网能在半小时内将城市人口疏散,2小时内可达全国各地。
到目前为止,全世界已有60余个国家和地区建设有高速公路。
世界总里程已达16万km。
表1-10-4列出的是世界上一些国家的高速公路状况。
(二)我国高速公路发展概况
我国高速公路发展比世界发达国家晚了半个世纪,但发展速度之快是世界各国没有的。
我国高速公路的兴建,最早始于我国台湾,北起高雄,南达基隆,全长373km,于1978年建成。
我国大陆高速公路的建设起始于1984年。
1988年和1990年相继建成沪嘉(上海一嘉定)高速公路和沈大(沈阳-大连)高速公路。
目前,全国兴建高速公路的热潮方兴未艾,至2003年,全国己建成高速公路2520Okm。
居世界第二位。
目前高速公路已覆盖了我国28个省份,辽东半岛、山东半岛、长江三角洲、珠江三角洲和东南沿海地区都有重要的高速公路,并集中分布在国道主干线上。
目前正以年平均千余公里的建设速度发展,交通面貌的大为改观,促进了沿线工农业、商贸、旅游业的综合发展。
中国高速公路仅用了10多年时间,走过了发达国家一般需要40年才走过的进程。
第二节高速公路几何线形设计
一、横断面设计
(一)通行能力
我国目前规定高速公路每车道的小时通行能力为2000辆/时。
所以当年平均日交通量达到1万辆(中型卡车),并要求汽车在公路上连续不断行驶时,即可以考虑修建高速公路。
而远景交通量超过4.5万辆/日时,可修建六车道高速公路。
详见第三章。
(二)设计速度
设计速度是指良好情况下,能够保证安全行驶的最大速度。
行驶速度一般为设计速度的85%;设计速度涉及高速公路的几何设计标准,投资的多少等一系列问题;而高速公路的车速,除了汽车性能外,还与路线线型设计的平曲线、纵坡、超高、视距、路面宽度、中央分隔带宽度、交通标志和安全设施的设置等均有关,所以同一路线上各路段行驶车速是不相同的。
国外高速公路把设计速度分为四个等级,如德国、法国、意大利等西欧国家采用140,120,l00,80km/h四个等级,而日本、墨西哥则采用120,100,80,60km/h四个等级。
如上海与外省连接的高速公路采用120km/h车速,市郊连接市郊各县区的高速公路采用10Okm/h的计算行车速度。
(三)主线横断面
设计速度为120km/h的高速公路,按通行能力需要可设单向二车道、三车道、四车道即双向四车道、六车道、八车道,并采用相应的路基宽度(图1-10-1a)。
设计速度≤l00km/h的高速公路、一级公路,当交通量超过四个车道的通行能力时,其车道数可按双数增加,路基也应采用相应宽度(图1-10-1b)。
在平原地区横断面上各个车道一般都放在同一个平面上,做成整体式的路基断面形式。
但在山岭和丘陵地形,由于横断面地面线坡度较大,为节省土石方,一般须做成分离式断面形式(图1-10-1c)。
1我国《公路路线设计规范》(JTJ011-03)规定高速公路车道宽度除V=60km/h采用3.50m外,其余均采用3.75m。
对各种高速公路行车道宽度的规定值见表14-2。
2高速公路中间带的功能是:
分隔对向车流,防止对向车辆碰撞;减少干扰,保证车速;减轻夜间对向车灯的眩光;清晰显示内侧边缘、引导驾驶员视线;防止行车任意转弯调头;并可作为设置安全护拦、标志、绿化及其他交通设施之用。
路缘带则起着诱导视线及增加侧向余宽的作用。
中间带宽度应等于设施带宽度和两边侧向余宽之和(图1-3-5)。
如果采用较窄中间带的设计方式,设施带的宽度应考虑到植树与设置防冲护拦的需要,一般为0.8m;侧向余宽应考虑到弯道视距、养护人员安全操作宽度、埋设地下管线等因素,以上这些需要1.Om的宽度;路缘带作为中间带的一部分与行车道相连接而设置,以显示行车道边缘,宽度为0.50~0.75mo因此侧向余宽总计应为每边1.75m,中间带的全宽应为4.5m。
其中中央分隔带的宽度以3m为宜。
在中央分隔带两侧和两边路肩上一般需设置安全护拦。
高速公路受到地形限制时,当设计车速为120km/h时,中央分隔带可减至2m,这样中间带宽度可以为3.5m;对设计速度为80km/h、60km/h的山岭区高速公路,中央分隔带宽度可减至1.Om,当受地形或特殊情况限制时还可把路缘带宽度减至0.5m,这样中间带总宽为2.Om,但从中央分隔带的作用考虑其宽度不宜任意缩减,见表1-3-7和见图1-10-1。
(四)匝道横断面
匝道横断面具图1-10-3。
匝道的组成如下:
1.单车道匝道和对向分隔的双车道匝道上,应设置供应急停车用的右侧硬路肩,其宽度包括路缘带在内为2.5m。
特殊困难路段,可采用1.5m。
2.左侧硬路肩包括路缘带在内的宽度为1.Om。
3.非分隔对向双车道匝道,两侧各设包括路缘带在内的宽度为1.Om的硬路肩。
4.单向双车道匝道,在通行能力有富裕的情况下,两侧各设包括路缘带在内的宽度为1.Om的硬路肩。
当交通量接近于通行能力时,右侧硬路肩应不窄于2.50m。
5.枢纽型互通式立体交叉中,匝道设计速度大于60km/h时,双车道阻道的断面宽度应与主线分离式断面相同。
二、高速公路平面设计
(一)高速公路路线定线原则
1.开辟新线保留原公路线作为地方性辅道。
充分利用老路,这是一般公路改建时的一条原则,但对高速公路则不适合,因为高速公路是全封闭的专供汽车高速行驶的道路。
在我国目前混合交通情况下,就必须修辅道,以供快、慢车及行人分道行驶,加之高速公路标准要求高,旧路的利用程度有限,且需要改建为高速公路的路线,其现交通量均较大,保留旧路还可保证施工期内的正常交通。
从实践中,有的公路利用老路改建,毁了原有道路和桥梁,后来要另修辅道则是一个惨痛的教训。
2.路线与城市应有一定距离。
高速公路沿线各城市都希望高速公路的布局能纳入本地区的规划,借此发展地方交通。
高速公路可适当靠近小城镇,但不可穿越城镇,既方便城镇运输又保证高速公路的行车速度和安全。
高速公路过于靠近城市,会影响城市的远景发展。
同时还大大增加高架桥梁与立体交叉数量,使高速公路的造价大为提高,应该将高速公路布局位于城市之外相当距离的地方。
这无论从交通规划、土地利用、环境保护各方面来看都是有利的。
高速公路与城市联接,一般以支线相通。
一般高速公路仅设一个出人口与城市联系。
若是两条高速公路在城市附近某处相交,则这一互通式立体交叉应远离该城市,而另用联络道连接城市。
对于大城市,一般高速公路也仅设两个出入口与城市联系,其间距一般为5~6km,车流一般是通过城市所建的高速环道或其他干道联接。
3.尽量少跨越河流,以减少桥梁,特别是大桥的数量。
4.尽可能减少互通立交和通道的数量,并尽可能将通道位置延至桥涵位置以与桥结合。
条件许可时可下挖通道,以减少纵坡转折点、降低填土高度,并节约用地。
(二)路线线形设计的要求路线线形设计应满足行车安全、线形连续、视觉舒顺、形态优美等要求。
具体应注意下列要点:
1.高速公路除汽车动力行驶要求外,应考虑人体生理和心理等因素,即线形设计采用视觉分析为基础的三维空间设计,以保证线形的舒顺与美感。
因为车速高,流量大,对视距及平、纵面线形设计要求高,通常应尽量采用《公路技术标准》规定的一般最小(或最大)值,而极限值则仅在地形地物受限制,不得已的情况下予以引用。
2.平纵面的线形应避免突然变化,以使司机有足够的时间来感觉和逐渐改变车速及方向。
平纵线形的配合,要能保证视觉上的舒顺。
长直线易使司机疲倦而发生事故,只有在道路所指方向明显无障碍,地形适宜而又符合经济原则时,才允许采用长直线段。
目前多采用透视图、车速图等来分析评价线形的优劣。
国外认为:
高速公路平面线形应以曲线为主,平面线形宜成为一条连续线形。
美国研究报告提出:
理想的平面线形为圆曲线占2/3,缓和曲线占1/3,没有直线和曲线的突然变化,行车将顺畅舒适。
我国认为线形过于弯曲不仅增加路线长度和投资,还要增加养护费用和运行费用。
我国《路线设计规范》只对最短直线作限制。
从目前几条高速公路的平直比来看,基本都接近1:
1,也有4:
1和2:
1。
我国已设计高速公路最大直线长度有大于3km的。
其数值宜根据我国实际情况和地形特点确定,如平原区过份强调曲线也不尽合理。
在开阔的平原地区,很少有地形、地物障碍,从适应地形出发,以直线为主,曲线为辅,为避免直线呆板、单调感,可以通过景观进行调整,如设各种标志,种植不同种类的行道树,采用低路堤、浅路墅,尽量保留自然景观等措施。
在峰岭纵横沟重交错的重山地区,从适应地形出发,应以曲线为主,而以直线为辅。
又如水网地区竖曲线长度比例必然大,则要求相应平曲线占总长比例也大,以使平纵线形协调。
3.汽车高速行车要求路线具有动态平顺性,线形设计应能满足司机驾驶时具有适宜的行驶节奏。
设计的路线应使司机视线内的前方路段无波浪式的起伏和大急剧转折。
平曲线与竖曲线的协调。
平、竖曲线最好是一一对应,即竖曲线的顶点大致与平曲线中点相对应,这样的平、竖曲线重叠将有助于视线诱导,从而有助于行车安全。
平、竖曲线互相错开1/4相位尚属可行,而错开1/2则线形不顺。
平纵组合设计不能过份强调平竖一对一的平曲线包竖曲线的要求,以避免过份切割造成大填大挖,增加工程量(平纵线形具体组合注意事项详见第四章)。
4.纵断线形
《公路工程技术标准》中规定了高速公路的最大纵坡,平原微丘为3%,山岭重丘为5%(表1-4-21)。
从现有几条高速公路来看,一般都小于3%,这与我国的汽车组成比重有关。
许多高速公路发达的国家规定大于3%,需设爬坡车道,供载重汽车达不到路段行车速度行驶,而我国以载重汽车为主,采用小于3%的纵坡是比较合理的。
但也涉及到一些其他问题,特别在平原地区,村庄密集,河流纵横,桥梁和横向通道明显增多,对纵坡设计带来了困难。
为使纵坡平缓,则填土高度必将增加,而地基处理、填土来源、工程造价增加等问题接踵而来。
降低相交道路标高,以桥孔代替填土,采用上跨式桥等措施,可降低填土高度,减少施工困难。
也有的以粉煤灰间隔土填土代替引桥以节省工程造价。
纵断面线形的好坏同平面线形有很大关系,设计时尽可能做到纵断面线形成为与平面线形密切配合的立体线形。
设计时需要掌握以下几个原则
(1)应该避免视觉上的不连续性,仅能看见近处和远处,但看不见中间凹下去的情况,这一般发生在平面线形较直,纵向在短距离内出现凸凹起伏的线形如桥梁或净空高度大的下穿式横向穿越构筑物较多的路段上。
在一条较长的直线路段中,若出现视觉上的中断现象,就会引起视觉上的不安,即使凹下去很小,也会给司机在行驶中产生踌躇的感觉。
改善的方法有三:
一是变更平面线形;二是适当增加土方工程费用而修改纵向线形;三是尽可能压低立交桥梁或横穿孔标高,增设必要的地面排水泵站,以求得合理的纵向线形。
(2)必须避免在同向两条竖曲线间设置短的直线坡段,特别是凹形竖曲线,全部一目了然,更应注意。
一般可用一个大半径竖曲线将这两个竖曲线包起来的做法予以改善。
(3)纵坡变化小时,竖曲线半径最好用得大一些,这样做是为了满足最小竖曲线长度的需要,当相邻两纵坡之间的代数差较小时,竖曲线的长度在计算上只要很短就行了,但这样会给司机一个很急促的折曲感觉,一般用设计车速行驶3s的距离作为最小竖曲线长度,当车速为120km/h,此值为100m。
第三节高速公路的立体交叉和横向通道
一、互通式立体交叉
高速公路是全控制出入的公路,与铁路及所有相交道路均采用立体交叉,车辆不能任意进出高速公路,所以互通式立交的设置,将直接影响到高速公路的利用交通量,从而使高速公路获得经济效益和社会效益。
然而互通式立交的间距也不宜过短,以免影响其快速、安全的特点。
立交的合理选址至关重要,以利有效地促地沿线地区的经济发展。
互通式立交的形式选择参见第六章,我国高速公路三叉路口处大多选用喇叭形,四叉路口有选用菱形、双喇叭形及盲宿叶形等。
视相交道路等级采用不同类别的立交。
(一)立交范围内的纵坡
互通式立交范围内纵坡宜缓些,日本高速公路事故分析表明:
互通式立交所产生的事故占总事故的40%,这些事故与主线的纵坡有关,如下坡陡时,不利用驶出立交的汽车减速,结果由于车速大,使车辆在出口匝道上失控,如果上坡坡度陡时,会使进入主线的车辆不易加速,出现大型车辆尚未充分加速已进入主线与其他车辆合流的情况,容易引起事故。
我国高速公路技术标准规定最大纵坡,平原微丘是3%,山区重丘是5%。
西德采用4%。
广深珠高速公路采用最大纵坡为4%。
为保证安全,最好不大于2%。
(二)高速公路立交的平面线形施工图阶段必须经过坐标计算定线,使设计能正确地实地放样,坐标计算的步骤如下:
1建立相对坐标系统可简化坐标的计算工作量。
②根据立交方案,确定主线、各匝道中心线位置和范围。
③根据立交方案,初定的平曲线半径、转折角、缓和曲线长度和横断面尺寸,计算各特征点坐标,包括平曲线起点、中点和终点,缓和曲线的起终点等。
④验算主线和匝道中心线间和各匝道中心线间的距离是否符合横断面,如不符合,则调整平曲线要素或缓和曲线长度,重复步骤③和④,直至各几何关系符合设计为止。
(三)高速公路立交匝道出人口的竖向设计
加速车道采用平行式,其长度根据匝道设计车速之不同而异,减速车道采用直接式,其长度由用发动机制动持续3s的行驶距离,加上用制动器减速所需减速长度组成。
由于减速车道的驶出速度的不同而使长度不同。
加减速车道应与主线保持在同一平面上,虽然加速车道是供车辆加速行驶,但车辆在加速过程中,如遇到直行车流的空档,则可提前并入直行车流。
同样减速车道与主线同一平面,应使主线车流误入减速车道时,能重新返回主线。
因此匝道与高速公路结合部分的竖向设计,应以高速公路的设计标高和设计横坡,推算出匝道中心线标高为控制,对于平行式的加速车道,由于匝道和高速公路中心线间距为常量,所以能用直线坡或圆曲线来表示结合部的控制标高。
但直接式的减速车道,由于匝道与高速公路中心线的间距是变化的,故结合部的控制标高,用一般圆曲线难以表示,为了保证主线设计横坡的一致性,利于路面的排水顺畅,对控制标高要用曲线使匝道纵坡平顺地连接。
二、横向通道
高速公路与乡村大车道、机耕道、行人专用道的立体交叉(分离式)称为横向通道。
横向通道的密度和标准对高速公路的线形设计,投资规模,沿线乡镇的经济繁荣和方便村民生产生活有密切的关系。
靠近城镇范围的密度要大于远离城镇的范围。
国内的布置密度又高于国外,这与居民点的分散、交通工具、机械化耕作程度均有关,表1-10-2为各类横向通道净高。
一般横向通道布置密度可控制在1/700~1/1000(座/m),沿海地区可取低限。
我国已建高速公路绝大部分路段因设置横向通道不得不将路基提高,一般平均提高到3~4m,这样做虽有利于排水及修建通道,但占地多,填土高度提高1m,则增加用地宽度约为6m,不仅浪费土地,而且使路基的造价大于路面的造价;由于填土较高,在路基自重压力下出现路面沉降或开裂现象,在软土地段尤为严重。
如关闭公路返工维修则将对行车不利,造成经济损失。
为此高填路需要延长施工周期,自然沉降,并分层压实。
高路堤造成两旁边坡较陡,必然采取安全措施来防止翻车事故。
采用低填路,则横向通道排水困难,需增设泵站。
通常用下列方法解决选用低填方所出现的问题:
1.减少下穿式通道的数量,降低通道底标高。
在高速公路一侧或两侧修建必要的侧道贯通,以归并穿越高速公路,过多的小河航道也可采用挖掘人工渠道予以适当归并。
降低通道底标高,通道处下挖以满足净空要求,辅以必须的排水设施的方法,如江苏省宁通线江黄段通道处下挖方案每公里节省造价29万元,节省土地39亩。
京石公路北段采用暗沟排水,并设两个泵站,降低路堤满足下穿通道的要求。
2.重新划分高速公路两侧土地的归属。
减少两侧居民来往量。
3.横向通道汽孔、机孔和人孔尽可能结合桥梁边孔布置。
节省工程投量。
图1-10-3为利用桥梁边孔安排高速公路横向通道的实例。
图中利用桥孔一侧安排人行通道净高2.2米,宽度4米。
另以侧安排机耕通道净宽4米,净高2.7米。
第四节高速公路的交通安全设施
交通安全设施是保证交通安全的重要手段,对于高速公路尤为重要,设施包括交通标志、交通标线、反光道标、防护设施和禁人设施等。
一、交通标志
由于高速公路车速高,对车辆要提前预告前方情况,所要以设置指路标志和指路预告标志,并力求简洁、明了,避免造成信息过多或不足。
1.标志的夜间可见性
交通标志有指示标志、指路标志、警告标志和禁令标志。
指示标志和指路标志的文字及图案应反光,而底色不反光,并附有外部照明。
无外部照明时,重要的标志要求全幅反光。
圆形指示标志及警告标志、禁令标志应全部反光。
通常高速公路除互通式立交、起终点采用路灯照明外,路段上均不采用路灯照明,但必须确保安全,所以一般标志均采用定向反光膜材料。
2.标志汉字的高度
当车辆以90km/h速度行驶时,预先提示距离需要200m,司机才能从容应付紧急情况,以避免事故的发生。
作为指示和指路标志上的汉字高度直接影响判读距离。
日本阪神高速公路规定:
设计车速为60km/h的道路,其标志汉字高度为50cm;车速为80km/h的道路,汉字高度为60cm。
我国标志尺寸最大采用300cm×150cm。
汉字高度主线部分最大为65cm,立交指路板上采用60cm,而匝道和地方道路的标志板上则采用50cm。
3.标志的形式
标志形式的选择应考虑路面宽度和环境因素,通常采用的门式结构标志与环境能很好的协调。
此外,还可选用F或r式等。
标志结构的基础,一般道路多采用扩大基础;对于高路堤的高速公路,由于新填土常发生工后沉降,而且边坡处土体压实常不足,因此对于板面较大的标志,可采用桩基础。
二、交通标线
高速公路的交通标线有车道边线,车道边界线,立交斑马线、导向箭头以及主线进出口处平面交叉的交通渠化标线等。
交通标线应能分别划出左侧路缘带、车道、硬路肩以及交叉口的渠化、车道指向,使道路各部分功能明确划分,车辆各行其道,从而确保安全。
道路标线材料有溶剂型和热溶型两种,前者使用寿命短、成本低、施工方便;后者相反,且需专用加热设备。
一般认为热溶型漆适合于高速公路,
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