公路设计百问第一章.docx
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公路设计百问第一章.docx
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公路设计百问第一章
第一章设计基础
第一节设计控制依据
1.什么是公路设计新理念?
为贯彻以人为本,全面、协调、可持续的科学发展观,交通部于2004年9月,在全国公路勘测设计工作会议上,系统地提出了“六个坚持、六个树立”的公路勘测设计新理念,成为今后公路勘测设计工作的重要指导方针。
它们是:
①坚持以人为本,树立安全至上的理念;
②坚持人与自然相和谐,树立尊重自然、保护环境的理念;
③坚持可持续发展,树立节约资源的理念;
④坚持质量第一,树立让公众满意的理念;
⑤坚持合理选用标准,树立设计创作的理念;
⑥坚持系统论的思想,树立全寿命周期成本的理念。
设计新理念的核心是:
紧紧围绕科学发展观的要求,通过采用灵活设计(“合理选用技术标准”)和创作设计,实现“安全”、“环境优美”、“节约资源”、“系统最优”的目标。
⑴坚持以人为本,树立安全至上的理念。
就是要坚持把“用户需求置于公路工作的核心”,要以能为人们提供什么水准的服务来评判,体现对人的关爱,体现人性化的服务,注重公路安全性、舒适性、愉悦性的和谐统一,为人们提供最大限度的出行便利。
安全是公路设计和建设需考虑的首要因素。
安全包括工程实体安全和运行安全两方面,工程实体安全主要依靠精心设计施工来保证;运行安全涉及人、车、路、环境和交通管理多方面因素。
从公路设计角度,则应重点消除公路本身引起的使用安全问题,尽可能采取“主动”的预防和容错措施,必要时辅以“被动”的防护措施。
在“主动”预防措施中,改进线形设计对于提高行车安全最为有效,优良的线形可直接消除事故诱因。
如采用运行速度作安全检验和改善长陡纵坡设计是改进线形的有效方法之;设置宽容和人性化的路侧净区、可逾越的排水设施、以及放缓路基边坡等都可降低交通事故概率和减轻事故损失。
在“被动性”的防护措施中,正确设置各式护栏是一种可靠的安保工程。
⑵坚持人与自然相和谐,树立尊重自然、保护环境的理念。
就是在建设公路过程中,一定要尊重自然、倍加爱护和保护自然,要树立“不破坏是最大的保护”的理念。
坚持最大限度地保护,最小程度地破坏,最强力度地恢复,把设计作为改善环境的促进因素,实现环境保护与公路建设并举,把公路建设行为限制在自然规律和生态平衡许可的范围之内。
另一方面,还要充分认识和利用自然界的信息功能和审美价值,营造公路“动”感行驶氛围。
要求公路自身线形的变化,结构物的形态、质地和色彩的变化,绿化方式的选择等,都能充分配合这种外部环境的变化,以自然的、渐进的、连续的手法来选择、利用和创造景观。
⑶坚持可持续发展,树立节约资源的理念。
就是在公路建设中,要正确处理好节约资源和公路发展的关系。
首先体现在公路建设用地上,应以提高土地使用效率、少占耕地为目的,通过科学规划,合理确定建设规模和方案;精心设计,节约每一寸土地。
节约资源也体现在保护矿产资源和腐植土等方面,原则上不应压复未开发的资源富集区,对已完成开采的采空区,通过时要做好工程处治措施,确保公路自身稳定性。
腐植土富含大量植物营养成分、种子和根系,是植物赖以生存的条件,故应将它视为一种有限的自然资源,因而在施工中应保护腐植土,工后回填绿化,对恢复生态环境十分宝贵。
⑷坚持质量第一,树立让公众满意的理念。
就是在公路建设中,要提倡社会公众关注政府投资的工程项目,让公路使用者和路域居民成为公路质量评价者的主体。
项目不仅需要公路具有安全、耐久的实体质量和高效、方便的功能质量,还要重视公路的外观质量和社会质量。
外观质量既要体现在细部构件的精美上,还要体现在公路与外部环境的友好配合、公路各组成部分的和谐衔接,展现出路美、桥美、建筑美、景观美,让过境车辆和沿线公众都满意。
⑸坚持合理选用技术标准,树立设计创作的理念。
我国地域辽阔,各地条件迥异,不同地区公路乃至同一公路不同路段具有不同环境特征。
为保护个性环境,需要灵活设计;为展现环境个性,需要精心创作。
技术标准和设计规范是应用于全国范围的纲领性法规,它必须也只能具有一般性和普遍性的指导意义。
灵活设计,是指在全面、系统地理解技术标准和设计规范的基础上,根据个性环境,灵活地运用标准规范中的各项指标。
标准规范中对指标的规定一般是考虑较多影响因素后,采用具有典型性和代表性的通用值。
而实际情况千差万别,当规定的背景条件发生变化时,基于原始边界条件变化基础上的适度灵活并不违背标准规范对该指标的本质规定。
也就是说,原始边界条件的变化为灵活运用指标提供了可能。
标准规范中的指标有主次之分。
主要指标,是指对安全、功能有重大影响的指标,如最小圆曲线半径、最大纵坡、视距等;次要指标,是指在满足安全前提下,主要影响美学或舒适性的指标,如曲线间直线长度等。
主要指标在设计中原则上应于保证;对于次要指标,当对环境不构成影响时,可采用较高值,当对环境存在影响时,应采用较低值,当对环境和生态影响巨大时,为了保护环境,可突破使用。
公路设计过程是一个智力创作过程,不但是赋予公路功能的过程,也是赋予公路个性的“艺术创作”过程。
它需要组织一个多学科参与合作的设计团队,需要集思广益,需要保证合理的设计周期,让设计者反复琢磨,不断优化,提出设计精品。
⑹坚持系统论的思想,树立全寿命周期成本的理念。
公路系统是隶属于环境系统(自然环境和社会环境)的一个子系统。
要做到系统最优,就要把公路放到自然-经济-社会的大系统中去考虑。
就公路系统而言,工程建设、运营、养护与环境的关系都要考虑。
以往,较多关注建设的初期成本,而对运营、养护的后期成本关注则少,尤其是对公路对环境破坏所带来的长远损失估计不足,造成工程使用寿命缩短、大修提前,甚至诱发地质病害,引起环境问题,并由此造成不良社会影响。
要树立全寿命周期成本的理念,就是要从项目生命周期的全过程去看待成本,把公路放到环境和社会的大系统中去考察其成本。
包括初期建设成本、后期维修和养护成本、以及社会成本和环境成本,都应统筹考虑。
要坚持科学合理的评价方法,该投入的一定要投入,能节约的一定要节约,用好每一分建设资金,达到最佳的技术经济效益。
2.什么是设计速度?
1.设计速度与行车速度的概念
行车速度是衡量道路使用质量的一种尺度。
对一条道路的评价,取决于它在客货运输方面是否便利和经济,而这些是和运行速度与运行安全直接相关的。
驾驶员在道路上行车时采用的速度,除和他本身操作的技能以及和汽车的性能有关外,还取决于四个基本条件:
道路及其路侧的外廓特征、气候、其他车辆的存在、以及速度限制,其中任何一项条件都能控制车速.但在交通量不大、天气条件正常时,道路的外廓特性实际上决定着驾驶员采用的速度。
在公路设计中采用的设计速度就是为设计符合汽车安全行驶要求的道路外廓特性而采用的速度,又称为计算行车速度。
道路几何线形设计(包括曲线半径、超高、视距及其线形组合)各种要素的临界值都是以设计速度为依据的,车道和路肩宽度的确定也与设计速度有着密切的关系。
设计速度与行车速度在概念上是有区别的。
行车速度是指汽车在道路上的实际行驶速度,它受上述四个基本条件以及驾驶员自身操作技能的影响。
所以,在实际行车中,驾驶员通常不是按道路的设计速度行驶,而是按道路沿线的地形条件、道路条件、交通条件以及自身的驾驶技术选择合适的行驶速度。
当以上条件较好时,行车速度能够达到或者超过设计速度,这在设计速度较低的低等级道路上比较多见。
反之,路上行车条件较差时,则行车速度大多低于设计速度。
据国外观测统计,发现设计速度较低时,平均行车速度大约为设计速度的90%--95%;当设计速度较高时,其平均行车速度大约为设计速度的80%。
我国曾经对混合交通进行观测得出,设计速度较高时,平均行车速度约为设计速度的60%--70%;设计速度较低时,约为80%--90%。
在公路设计中,不同技术等级的公路选用不同的设计速度,主要是考虑其道路功能、交通量、沿线地形、用地条件、投资效益等因素,使技术、经济、环境、安全四方因素能取得较好的相互协调和平衡。
2.我国各级公路设计速度规定如表1-1。
各级公路设计速度表1-1
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
100
80
60
80
60
40
30
20
3.设计速度的运用
1)设计速度应根据公路的功能、等级及交通组成,结合沿线地形、地物、地质状况等,论证选用。
(1)高速公路作为国家及省的重要干线公路,或作为交通量大的国家及省干线公路,或位于地形、地质良好的平原、丘陵地段时,经技术经济论证其设计速度宜采用120km/h或100km/h。
当受地形等自然条件制约时,经技术论证其设计速度可选用80km/h。
个别特殊困难地段,且因新建工程可能诱发病害时,经技术经济论证并报主管部门批准,其局部路段可采用60km/h的设计速度,但该局部路段不宜大于15km,或仅局限于相邻两互通式立体交叉之间,与其相邻路段的设计速度不应大于80km/h。
(2)一级公路作为国家及省的干线公路,且纵、横向干扰小时,经技术经济论证,其设计速度宜采用100km/h或80km/h,同时必须采取确保较高运行速度和安全的措施。
一级公路作为大、中城市城乡集合部混合交通量大的集散公路时,应集合平面交叉的数量、安全措施等进行技术经济论证,其设计速度可采用80km/h或60km/h,且应设置相应设施以确保通行能力和安全。
(3)二级公路作为国家及省干线公路或城市间的干线公路时,可选用80km/h;二级公路作为城乡结合部混合交通量大的集散公路,其设计速度宜选用60km/h;位于地形、地质等自然条件复杂的山区,经论证可采用40km/h的设计速度。
(4)三级公路作为支线公路时,宜采用40km/h;位于地形、地质等自然条件复杂的路段,设计速度可采用30km/h。
(5)地形、地质等自然条件复杂的山区,或交通量很小的路段,可采用设计速度为20km/h的四级公路。
2)根据公路的功能和预测交通量,可分段采用不同的公路等级,或同一公路等级采用不同的设计速度。
设计速度相同的路段,应为同一设计路段。
高速公路设计路段不宜小于15km/h;一、二级公路设计路段不宜小于10km/h。
3)不同设计路段相互衔接的地点,应选在交通量发生变化处,或者驾驶员能够明显判断前方需要改变行车速度处。
高速公路、一级公路宜设在互通式立体交叉、或平面交叉处;二、三、四级公路宜设在交叉口、桥梁、隧道、村镇附近,或地形明显变化处。
4)不同设计路段相互衔接前后一定范围,应结合地形的变化,其路线线形主要技术指标亦随之逐渐过渡,设计速度高的一侧应采用较低的平、纵技术指标,反之则应采用较高的平、纵技术指标,使平、纵线形技术指标较为均衡,避免出现突变。
3.什么是运行速度?
1.考虑运行速度的意义
设计速度对一特定路段而言是一固定值,但实际的行驶速度总是随公路线形、车辆动力性能及驾驶员特性等各种条件的改变而变化,只要条件允许,驾驶员总是倾向于采用较高车速行驶。
从公路使用者的安全角度考虑,在路线设计中,需要以动态的观点来考虑实际运行速度,以提高公路的安全性。
针对设计速度方法上存在的主要问题,德、法、美、澳等发达国家广泛运用了以运行速度概念为基础的路线设计方法。
因为运行速度考虑了公路上绝大多数驾驶员的交通心理需求,以车辆的实际运行速度作为线形设计速度,从而有效地保证了路线所有相关要素如视距、超高、纵坡、竖曲线半径等指标与设计速度的合理搭配,可以获得连续、一致的均衡设计。
我国在2003年颁布实施的《公路工程技术标准》(JTGB01-2003)中引进了运行速度概念,要求在设计速度变化路段、爬坡车道、超高等受限制路段用运行速度进行验算,以改善技术指标或采用必要的交通安全技术和管理措施。
2.运行速度的计算方法
⑴分析路段划分
根据曲线半径和纵坡度将整条路线划分为直线段、纵坡段、平曲线段和弯坡组合段等若干个分析单元,每个单元的起终点为预测运行速度线形特征点。
其中,纵坡度小于3%的直线段和半径大于1000m的大半径曲线自成一段;其余小半径曲线段和纵坡大于3%、坡长大于300m的纵坡段以及弯坡组合段,作为独立单元分别进行测算;当直线段位于两小半径曲线段之间、且长度小于临界值200m时则视为短直线,车辆在此路段上的运行速度保持不变。
⑵运行速度v85的测算
运行速度是指当交通处于自由流状态、且天气良好时,在路段特征点上测定的第85个百分位上的车速,即v85。
在任选一个方向进行第一次的运行速度v85测算时,首先要推算与设计路段衔接的相邻路段速度,作为本路段的初始运行速度v0,然后根据所划分的路段类型,分别进行运行速度v85的推算。
①初始运行速度v0
一般可通过调查点的现场观测或按表1-2所示对应的速度采用。
设计速度与运行速度v0间的对应关系表表1-2
设计速度(km/h)
60
80
100
120
初始运行速度v0(km/h)
小客车
80
95
110
120
大型货车
55
65
75
75
②直线段上的加速过程和稳定运行速度
在平直路段上,小客车和大型货车在直线上都有一个期望行驶速度.当初始运行速度小于期望运行速度时为变加速过程,直至达到稳定的期望车速后匀速行驶.平直路段上车辆的加速过程,按表1-3测算直线上运行速度。
平直路段上期望运行速度和推荐加速度值表1-3
车型
小客车
大货车
期望运行车速ve(km/h)
120
75
推荐加速度值a0(m/s2)
0.15~0.50
0.20~0.25
③小半径曲线段的运行速度
对于平曲线半径小于1000m的路段,分别对曲线中部和曲线出口处的运行速度进行预测.根据曲线入口速度vin、当前路段的曲线半径Rnow和前接曲线的半径Rback,预测曲线中部的速度Vmid;然后根据曲线中部速度Vmid、当前路段的曲线半径Rnow`和后续路段的曲线半径Rfro,预测曲线出口处的运行速度Vout。
预测模型见表1-4.
平曲线上的速度预测模型表1-4
曲线连接形式
平曲线上的速度预测模型
入口直线
-曲线
小客车
Vmid=-24.212+0.834Vin+5.729lnRnow
大货车
Vmid=-9.432+0.963Vin+1.522lnRnow
入口曲线
-曲线
小客车
Vmid=1.277+0.924Vin+6.19lnRnow–5,959lnRback
大货车
Vmid=-24.472+0.990Vin+3.629lnRnow
出口曲线
-直线
小客车
Vout=-11.946+0.908Vmid
大货车
Vout=5.217+0.926Vmid
出口曲线
-曲线
小客车
Vout=-11.299+0.936Vmid-2.060lnRnow+5.203lnRfro
大货车
Vout=5.899+0.925Vmid–1.005lnRnow+0.329lnRfro
④纵坡路段
当纵坡度大于3%、坡长大于300m时,按表1-5对小客车和大货车的运行速度V85进行修正。
特殊纵坡下各车型运行速度的修正表1-5
纵坡坡度
速度调整值
小客车
大货车
上
坡
坡度≤4%
降低5km/h/1000m
按速度折减量与坡长关系曲线进行调整
坡度>4%
降低8km/h/1000m
下
坡
坡度≤4%
增加10km/h/500m至期望运行速度
增加10km/h/500m至期望运行速度
坡度>4%
增加10km/h/500m至期望运行速度
增加15km/h/500m至期望运行速度
⑤弯坡组合路段
按表1-6预测模型计算小客车和大货车在弯坡组合线形中的特征点的运行速度V85。
弯坡组合线形下的运行速度预测模型表1-6
曲线连接形式
弯坡组合运行速度模型
入口直线
-曲线
小客车
Vmid=-31.669+0.574Vin+11.714lnRnow+0.176inow1
大货车
Vmid=1.782+0.859Vin-0.51inow1+1.196lnRnow
入口曲线
-曲线
小客车
Vmid=0.750+0.802Vin+2.717lnRnow-0.281inow1
大货车
Vmid=-1.798+0.248lnRnow+0.977Vin-0.133inow1+0.23lnRback
出口曲线
-直线
小客车
Vout=27.294+0.720Vmid-1.444inow2
大货车
Vout=13.490+0.797Vmid-0.697inow2
出口曲线
-曲线
小客车
Vout=1.819+0.839Vmid+1.427lnRnow+0.782lnRfro-0.48inow2
大货车
Vout=26.837+0.830Vmid-3.039lnRnow+0.109lnRfro-0.594inow2
注:
①表中R∈[120,1000]∪[2%,6%];
②Vin、Vmid、Vout-分别为驶入曲线的速度、曲中或变坡点前的速度、驶出曲线的速度;
③Rback、Rnow、Rfro-分别为驶入曲线前的半径、所在曲线的半径、前接曲线的半径;
④inow1、inow2-分别为曲线前后两段的不同纵坡度。
4.什么是设计车辆?
1.设计车辆的概念
在确定道路的路幅组成、弯道加宽、交叉口设计、纵坡、视距等时,都与车辆外廓尺寸及运行性能有关,它是公路几何线形设计的一个重要控制因素。
设计车辆就是一种选定的机动车,作为道路新建和改建中制定各项道路设计指标以保证车辆安全和顺利通行的依据。
当前国际上的做法是,考虑经济上的原因,设计车辆不必是可望使用某条道路或某一交通设施的最大尺寸车辆,而是在法定最大总尺寸内适用于非限制通行的车辆。
根据设计车辆特性作出的设计所代表的经济水平应能安全舒适地为85%以上遵守一般交通法规运行的车辆服务。
2.我国国家标准《GB1589-89》对汽车外廓尺寸限界的规定
适用于公路和城市道路运输用的汽车最大外廓尺寸不超过以下限制规定:
(1)总高4.0m;
(2)总宽(不包括后视镜)2.5m;
(3)总长:
载重汽车(包括越野载重汽车)12.0m;
客车12.0m;铰接式客车18.0m;
牵引式拖半挂车16.5m;
汽车全挂汽车列车20.0m.
3.我国公路设计所采用的各种汽车设计车辆分为:
小客车、载重汽车、鞍式列车,其外廓尺寸如表1-7所示。
设计车辆外廓尺寸(单位:
m)表1-7
车辆类型
总长
总宽
总高
前悬
轴距
后悬
小客车
6
1.8
2
0.8
3.8
1.4
载重汽车
12
2.5
4
1.5
6.5
4
鞍式列车
16
2.5
4
1.2
4+8.8
2
车辆宽度的限制是为相邻车道间超车提供充分的侧向净空。
车辆高度的限制是为在桥下和电缆之类的高架公用设施下面提供充分的竖向净空和保障车辆的倾复稳定性。
车辆总长的限制则影响超车或车辆穿过另一条公路或铁路线所用的时间。
车辆内部尺寸如前悬、后悬、轴距和最小转弯半径影响弯道上要求的宽度和车辆的负载能力。
设计车辆的最小转弯半径可按表1-8采用。
据国外研究成果,大多数小客车的转弯半径为8m(从车辆中心量至外侧车轮),用于公路设计宜采用12m的一般最小半径。
对单独一辆载重汽车、小客车和鞍式列车,当设计车速低于5km/h时,绝对最小半径为12.5m;车速在5-15km/h之间时,一般最小半径为15m.
设计车辆转弯半径表1-8
车型及总长
绝对最小值
一般最小值
转弯半径(m)
车速(km/h)
转弯半径(m)
车速(km/h)
小客车6.0m
8.0
---
12.0
---
载重汽车12.0m
12.5
≤5
15.0
5---15
鞍式列车16.0m
12.5
≤5
15.0
5---15
4.我国国家标准《GB1413-85》对货物集装箱的规定
随着集装箱运输的发展,在确定车辆长度时,要充分考虑大型集装箱车辆安全顺利通行的要求,特别是高速公路和一级公路以及经常有大型集装箱车辆运行的公路。
我国国家标准规定我国集装箱系列采用5t、10t、20t和30t四种,相应的型号为5D、10D、1CC、及1AA型(5t和10t集装箱主要用于国内运输,20t和30t集装箱主要用于国际运输)。
其外部尺寸及质量见表1--9:
货物集装箱外部尺寸及质量表1-9
型号
高(mm)
宽(mm)
长(mm)
质量(kg)
1AA
2591
2438
12192
30480
1CC
2591
2438
6058
24000
10D
2438
2438
4012
10000
5D
2438
2438
1968
5000
5.设计车辆的选用
(1)主要公路(一、二级公路):
两条或两条以上一级或二级公路的所有交叉应采用16m长的设计车辆(鞍式列车)。
对于一条主要公路和一条次要公路(三级或四级公路)的交叉则宜采用12m长的设计车辆(载重汽车)。
(2)次要公路(三、四级公路):
交叉口设计应采用12m长的的设计车辆。
(3)路外设施:
居民区的停车场和小巷一般可根据长的设计小客车设计。
但有较大型车辆如垃圾车使用时则应考虑较大型设计车辆。
(4)限制通行车辆:
超过标准设计车辆规定尺寸的运行车辆,如工业区、仓库等处使用的特定车型、以及某些经准许营运(如把大型设备从港口运至工厂的车辆)的限制通行车辆,选用的设计车辆应是能代表可望使用这类设施(道路和交叉口)的多数或关键车型。
对限制通行车辆所服务的道路和交叉设施应具备以下条件:
①双向路面最小宽度6m,加上附加路面宽度或附加路肩宽度,以供(两边)停车和双向交通之用;
②最小路边缘半径30m;
③交叉口交通岛和环形交叉中心岛须用可越式路缘,道路设施(包括交通信号和标志)和坑盖应远离可能的轮迹带设置,电线杆应远离转弯轮迹区设置;
④桥梁最小竖向净空为5.6m;
⑤道路纵坡宜小于5%;
⑥规定特殊桥梁荷载,以适应限制通行车辆运行。
5.什么是交通量?
什么是车辆折算系数?
道路某一断面上单位时间内通过的机动车、非机动车或行人的数量,称为交通量,亦称为交通流量。
时间单位以小时计的称为小时交通量,以日计的称为日(或昼夜)交通量。
专用于统计车辆的称为车流量、或机动车流量,专用于统计行人的称为人流量。
对于双车道或单车道公路,交通量按双向通过的数量计算;对于多车道公路(高速公路或一级公路)常以一个车道的单向通过车辆数计算,以“车辆数/小时/车道”计。
由于我国道路上车辆组成种类繁多,为使道路设计和交通管理使用方便和统一,通常是把各种车型的观测混合交通量折算成统一的单位。
我国规定公路通行能力分析的标准车型为小客车,用于公路规划与技术等级的划分的机动车辆折
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