路线平面的基本线形

1.路线

道路是一个带状构造物，它的中线是一条空间曲线。 一般所说的路线，是指道路中线，而道路中线的空间形状称为路线线形。 道路中线在水平面上的投影称为路线的平面。 沿着中线竖直剖切，再行展开就称为纵断面。 中线各点的法向切面是横断面。 道路的平面、纵断面构成了道路的线形组成。 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，为研究和使用的方便，把它分解为路线平面设计、路线纵断面设计。 二者是相互关联的，既分别进行，又综合考虑。 线形是道路的骨架，它不仅对行车的速度、安全、舒适、经济及道路的通行能力起决定性的影响，而且直接影响道路构造物设计、排水设计、土石方数量、路面工程及其他构造物，同时对沿线的经济发展、土地利用、工农业生产、居民生活以及自然景观、环境协调也有很大影响。 道路建成后，要再对路线线形进行改造，其困难是较大的。

道路路线位置受社会经济、自然地理和技术条件等因素的制约。 设计者的任务就是在调查研究、掌握大量材料的基础上，设计出一条有一定技术标准、满足行车要求、工程费用最省的路线来。 在设计的顺序上，一般是在尽量顾及到纵断面、横断面的前提下先定平面，沿这个平面线形进行高程测量和横断面测量，取得地面线和地质、水文及其他必要的资料后，再设计纵断面和横断面。 为求得线形的均衡、土石方数量的减少以及构造物的节省，必要时再修改平面，这样经过几次反复，可望得到一个满意的结果。 路线设计的范围，仅限于路线的几何性质，不涉及结构。 结构设计在路基路面和桥梁工程等课程中讲述。

2.平面线形组成

（1）平面线形要素

行驶中的汽车其导向轮旋转面与车身纵轴之间有3种关系，即角度为零、角度为常数、角度为变数。 与上述状态对应的行驶轨迹为：曲率为零的线形——直线；曲率为常数的线形——圆曲线；曲率为变数的线形——缓和曲线。 道路平面线形正是由上述3种线形，即直线、圆曲线和缓和曲线构成，称为“平面线形三要素”。 当道路的平面线形受地形、地物等障碍的影响而发生转折时，在转折处就需要设置曲线或组合曲线，曲线一般为圆曲线，为保证行车的舒适、安全与驾驶员操作方便，对于设计车速低的道路，为简化设计，也可以只使用直线和圆曲线两种要素。 近代一些高速公路也有只用曲线而不用直线的。 由此可见三要素是基本组成，但各要素所占比例及使用频率并无规定。 各要素使用合理、配置得当，均可满足汽车行驶要求。 至于它们的参数则要视地形情况和人的视觉、心理、道路技术等级等条件来确定。

（2）直线

直线是平面线形中的基本线形。 直线以最短的距离连接两目的地，具有路线短捷、缩短里程和汽车行车方向明确、视距良好、行车快速、驾驶操作简单的特点，同时，直线线形简单，容易测设。 另外，直线路段能提供较好的超车条件，对双车道的公路有必要在间隔适当的距离处设置一定长度的直线。 基于直线的这些优点，在各种线形工程中都被广泛采用。

但是，过长的直线并不好。 从行车的安全和线形美观来看，过长的直线，线形呆板，行车单调，易使司机产生疲劳，也容易发生超车和超速行驶，行车时司机难以估计车间距离，在直线上夜间对向行车容易产生眩光等。 因而长直线行车的安全性较差，往往是发生车祸较多的路段。直线虽然路线方向明确，但只能满足两个控制点的要求，难与地形及周围环境相协调。 特别是在山区、丘陵区，采用过长的直线会破坏自然景观，并易造成大挖大填，工程的经济性也较差。

在设计中，应根据路线所处地段的地形、地物、驾驶人员的视觉、心理状态以及保证行车安全等因素合理布设直线。 直线长度是指前一曲线的终点（缓直HZ或圆直YZ）至后一曲线的起点（直缓ZH或直圆ZY）之间的长度。 直线的最大和最小长度应有所限制。

1）直线最大长度

由于长直线的安全性差，一些国家对直线的最大长度作了规定，德国规定不超过20v（v是设计车速，用km／h表示，20v相当于72s的行程），苏联规定为8km，美国为4.83km。 我国目前尚无统一的规定。 在运用直线线形并确定其长度时，必须持谨慎态度。 总的原则是：公路线形应与地形相适应，与景观相协调，直线的最大长度应有所限制，当采用长的直线线形时，为弥补景观单调的缺陷，应结合具体情况采取相应的技术措施。

2）直线的最小长度

图3.1 同向曲线间插入短直线

①同向曲线间的直线最小长度。 同向曲线是指两个转向相同的相邻曲线间连以直线所形成的平面线形。 当此直线长度较短时，在视觉上容易形成直线与两端的曲线构成反弯的错觉，当直线过短时甚至会把两曲线看成是一个曲线，这种线形（如图3.1所示）破坏了线形的连续性，且容易造成驾驶员操作失误，设计中应尽量避免。 大量的观测资料证明，行车速度越高，驾驶员越是注意远处的目标，这个距离在数值上大约是行车速度v（以km／h计）的6倍（以m计）。 因此《公路路线设计规范》规定，当设计速度不低于60km／h时，同向曲线间直线最小长度（以m计）以不小于设计速度（以km／h计）的6倍为宜；当设计速度不高于40km／h时，可参照上述规定执行。

②反向曲线间的直线最小长度。 两反向曲线间夹有直线段时，由于两弯道转弯方向相反，考虑其超高和加宽缓和的需要以及驾驶人员的操作方便，其间的直线最小长度应予以限制。《公路路线设计规范》规定，当设计速度不低于60km／h时，同向曲线间直线最小长度（以m计）以不小于设计速度（以km／h计）的2倍为宜；当设计速度不高于40km／h时，可参照上述规定执行。 特别困难的山岭区三、四级公路设置超高时，中间直线长度不得小于15m。 若二反向曲线已设缓和曲线，在受到条件限制的地点也可将二反向曲线首尾相连，但被连接的二缓和曲线和圆曲线应满足一定的技术条件。

（3）圆曲线

在平面线形中，圆曲线是最常用的基本线形，它在路线遇到障碍或地形需要改变方向时设置。 各级公路无论转角大小均应设置圆曲线。 圆曲线配合得当，可获得圆滑舒顺的路线。

（4）缓和曲线

缓和曲线设置在直线与圆曲线间或不同半径的两圆曲线之间，它的作用是缓和人体感到的离心加速度的急骤变化，且使驾驶员容易做到匀顺地操纵方向盘，提高视觉的平顺度，保持线形的连续性。 缓和曲线容易适应自然地形、地物、增加线形设计的自由度。 可以作为缓和曲线的有：回旋曲线、三次抛物线、双纽曲线，常用的是回旋曲线。

关于圆曲线和缓和曲线将在后面两节详细介绍。

公路平面线形，过去多采用长直线、短曲线的形式，一般是首先设置直线，然后用曲线连接。 随着车速的提高及交通量的增长，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，再连以缓和曲线或直线的方法，使路线在满足行车动力要求的条件和视觉舒顺前提下，增加了结合地形设置线形的自由，使线形的经济效益较为显著，并保证行车的高速和安全。 高速公路线形多以圆曲线和回旋曲线为主，其间也可插入适当长度的直线，但以能更好地满足线形舒顺，与地形的合理结合为原则。 但要说明，连续曲线的线形，特别适用于有山、谷的山岭地区且等级不高的公路，对于平原地区，则首先应考虑敷设以直线为主的线形。