公路線形設計是公路總體設計、總體布局的關鍵。線形是公路的骨架，其設計合理與否，不僅直接關系到公路建設項目的質(zhì)量好壞、里程長短、投資多少、效益高低，更直接影響到公路運營安全。雖然每個國家對線形的設計都有明確的設計標準，但是僅僅滿足設計規(guī)范的線形設計并不代表是最合理的線形。線形設計是否合理不僅是關系到高速公路安全性問題的最主要因素，也是確定道路的經(jīng)濟性、道路的景觀環(huán)境、道路的通行能力等方面的重要因素。通常在設計中追求的高指標公路并不一定是安全的公路，而高速公路線形指標的均衡性、一致性、線形的連續(xù)性及線形與環(huán)境景觀的協(xié)調(diào)性才是滿足汽車高速及安全行駛的重要保證。筆者通過對美國高速公路的現(xiàn)場考察，以及參考中美兩國的相關設計規(guī)范和有關資料，對兩國在高速公路幾何設計方面的設計理念和方法進行了分析對比，以供公路設計人員參考。
1 路線的適宜性和均衡性
路線的適宜性是指公路路線與自然條件的協(xié)調(diào)、配合，使公路與周圍環(huán)境融為一體，最大限度地減少對自然環(huán)境的破壞。路線的均衡性是指公路路線自身各要素間的協(xié)調(diào)、配合，使公路線形能自然地誘導駕駛員的視線，并保持視覺的連續(xù)性，最大限度地保證行車安全。美國高速公路設計將環(huán)境提到了一個相當高的地位。其規(guī)范要求：公路的定線和設計可以而且應該能使環(huán)境更加完美，并作為改善環(huán)境的促進因素。同時認為，環(huán)境不僅僅指自然環(huán)境，它包括人類、植物和動物三類群體以及這三類群體起作用的各自力量。因此，美國高速公路設計的參考者，不僅有設計工程師，還有生物、化學、歷史、考古學家和土地評估家，在某些情況下甚至還有社會學家。聽取公眾意見是方案確定階段必不可少的程序。而在高速公路設計階段，非常強調(diào)路線與地形及環(huán)境的協(xié)調(diào)，盡可能消除造成大填大挖的人為因素，注重對原有地貌的保護和盡可能恢復自然的外觀。公路線形相鄰路段技術(shù)指標不均衡、銜接不合理，會使車輛行駛速度出現(xiàn)較大突變，從而影響交通安全。因此路線設計除了應使線形同地形、地物、景觀相適宜外，還應使線形流暢、連續(xù)、視覺良好，保證行車安全與舒適。公路作為一個三維空間構(gòu)造物，在路線設計中還應該對公路的平、縱、橫三個面進行綜合設計，做到平面順適、縱坡均衡、橫面合理。
美國公路線形設計強調(diào)在符合汽車行駛力學方面的要求外，還應考慮用路者的視覺、心理與生理方面的要求，以提高汽車行駛的安全、舒適與經(jīng)濟性。為了使線形連續(xù)、均衡，從根本上解決公路安全設計問題．通常采用運行速度理論檢驗公路線形設計。要滿足路線適宜性的要求，需要通過靈活設計、精心創(chuàng)作，合理選用技術(shù)標準，實現(xiàn)安全、環(huán)保、美觀、節(jié)約的目的。路線的適宜性和均衡性實質(zhì)上也是強調(diào)公路靈活性設計以及景觀環(huán)境設計的效果。這些對我國高速公路設計具有很好的借鑒作用。
2 線形設計的連續(xù)性
公路線形的連續(xù)性設計是指公路的幾何條件既不違背駕駛員的期望，也不違背駕駛員安全操作和駕駛汽車的能力。滿足連續(xù)性要求的路線設計，能夠連續(xù)地引導駕駛員的視覺和滿足駕駛員的心理和生理要求，減少駕駛員的無謂操作、疲勞和恐懼心理，增加駕駛員和乘客的安全感和舒適感�？梢�，連續(xù)性對于公路設計是非常重要的。道路線形的連續(xù)性是路線設計的基本要求之一，連續(xù)的道路設計應確保駕駛員能夠沿著路線以他們期望的速度行駛。我國《公路工程技術(shù)標準》(JTJB01—2003)規(guī)定：“線形設計，應考慮車輛行駛的安全舒適，駕駛員的視覺和心理反應。引導駕駛員的視線保持線形的連續(xù)性�！薄豆仿肪�設計規(guī)范》(JTGD2O一2006)也指出：“等級較高的公路應注重立體線形設計，使駕駛員在視覺上能保持線形的連續(xù)性，在心理上有舒適感和安全感并與沿線的環(huán)境、景觀相協(xié)調(diào)�！蔽覈壳八褂玫纳鲜黾夹g(shù)標準和設計規(guī)范中雖已提出線形連續(xù)性，但對連續(xù)性的標準并沒有明確提出。目前國內(nèi)外對于線形連續(xù)性的研究很多，主要分為：基于速度的研究，基于安全的研究，基于駕駛員操作難易的研究。其中基于速度的研究比較成熟，因為道路線形連續(xù)與否對車輛產(chǎn)生的影響首要表現(xiàn)在車速上。車速變化的大小也就代表著線形連續(xù)程度。事故率大小是對道路線形連續(xù)性的直接檢驗結(jié)果，事故率比較大的事故多發(fā)地點，也必然代表著其線形在此存在問題。因此，美國等國均采用運行速度評價線形設計的連續(xù)性。
3 線形設計的靈活性
公路設計靈活性思想最先由美國提出，美國聯(lián)邦公路局(FHWA)聯(lián)合美國各州公路與運輸官員協(xié)會(AASHTO)等相關機構(gòu)于1997年出版了《公路靈活性設計》，特別強調(diào)了線形的靈活性設計理念和方法。靈活性設計包含合理選用技術(shù)標準、靈活運用設計指標兩個層面的內(nèi)容。靈活性設計是有條件的，必須以保證安全為前提，嚴格按照現(xiàn)行組合的設計原則進行設計就是保障安全的有力措施。即：設計靈活性就是“在充分掌握和理解現(xiàn)有標準、規(guī)范本質(zhì)的基礎上，在不降低安全性的前提下，通過合理選擇技術(shù)標準，靈活運用設計指標，尋求達到更符合公路沿線可持續(xù)發(fā)展的需要和利益的目標”。實際上，每一個公路建設項目都具有特殊性(公路個性)，由于項目所在區(qū)域的地理位置、地形地貌、地質(zhì)條件、氣候氣象、社會環(huán)境、不同的文化傳統(tǒng)、風俗習慣、審美觀特點以及公路使用者的需求、面臨的挑戰(zhàn)與機遇等均不盡相同，這些都構(gòu)成不同地區(qū)特有的公路景觀環(huán)境，公路靈活性設計所面臨的任務就是在運輸功能和安全與周圍自然和社會環(huán)境之間尋求協(xié)調(diào)與結(jié)合，其目的是針對不同公路、不同路段的不同特點給出切合實際的設計方案，強調(diào)的是公路的個性、環(huán)境的個性，因此設計靈活性也體現(xiàn)為公路的個性環(huán)境設計。技術(shù)標準是公路設計的依據(jù)。美國公路幾何設計標準與政策一般由成立于1937年的規(guī)劃與設計政策委員會負責規(guī)定和推薦，而其制定和出版則通常由美國各州公路與運輸工作者協(xié)會(AASHTO)來完成。AASHTO出版的《公路與城市道路幾何設計政策》(俗稱綠皮書)通常被視為美國公路幾何設計標準，亦被國際上公認為現(xiàn)代適用的公路設計專業(yè)著作，該書一般每隔5～6年修訂一次，目前的最新版是2004年出版的第五版。與我國公路技術(shù)標準不同的是，綠皮書僅僅是一本設計指南，它實際上是提出了有關道路幾何設計的一系列指導方針，設計人員在使用這套指導方針時可以有一定的靈活性。該書在序言中就明確申明了此書的目的在于向設計人員提供指導方針，對關鍵尺寸設計給出了推薦的設計數(shù)值范圍。允許充分的靈活性是為了鼓勵針對具體情況做出合適的特殊設計方案。美國作為一個聯(lián)邦制國家，各個州可以根據(jù)自己的實際情況制定自己的法律，包括自己的設計標準。AASH—TO的《公路與城市道路幾何設計政策》對一些主要技術(shù)指標推薦了一個參考值的范圍，允許各州根據(jù)各自的特點確定本州的公路設計標準，而各州的技術(shù)標準取值一般都在AASHTO所提供的范圍之內(nèi)，但是也允許超出這個推薦范圍。如美國加州根據(jù)本州特點，高速公路最大車速采用了130km／h，超過了AASHTO所規(guī)定的最大設計車速。由于各州的設計標準均以綠皮書作為基本標準或參考標準，這就給設計者在本州的公路設計中有更大的靈活性和創(chuàng)造性。而我國的公路技術(shù)標準則規(guī)定，在地形條件和經(jīng)濟條件的允許下應采用標準較高的值，只在嚴重受限的情況下才采用極限值(但是不推薦)。因此在我國以往的設計中，對標準的掌握容易存在兩方面的不足：一是在所要求的公路等級范圍內(nèi)片面追求高標準，認為標準越高越好，不能因地制宜地運用標準，選擇合適的線形使之適應當?shù)氐牡匦�、地質(zhì)情況，使有限資金得到充分利用。二是在執(zhí)行標準時非常教條，對標準的各項指標理解不深刻，常常生搬硬套，導致設計的公路行車不舒適、不安全，也不美觀。當然，靈活性設計決不能單純地理解為對幾何規(guī)范標準的降低，而是在滿足道路安全性的前提下，靈活運用技術(shù)規(guī)范，盡量找出適應自然經(jīng)濟合理的線形。這樣，公路建設才能與社會自然和諧地發(fā)展。關于路線的靈活性設計我國尚在研究探索中，未形成一套完整的設計方法。因此，美國的靈活性設計理念和方法對我國公路設計具有很好的借鑒作用。
4 線形設計的安全性
公路的安全性設計是指從改善環(huán)境安全人手，通過在設計階段的公路安全性評價，優(yōu)化公路設計，從而
彌補行車安全、車輛安全的不足，消除存在安全性隱患的線形組合，提高道路運營的安全可靠性、提升高速公路的安全服務水平。公路安全性設計首先是對設計的道路線形進行安全性評價，指出存在安全性隱患的路段或線形組合，從而提出線形修改的依據(jù)，進行線形設計的優(yōu)化。從公路設計角度，安全評價的內(nèi)容總體上可歸并為包括平、縱、橫的線形設計和包括凈空寬度、路側(cè)邊坡、排水設施、交通工程的路側(cè)設計等影響到行車安全的各種因素。美國在公路安全性方面的研究，主要集中在道路安全管理、幾何設計一致性與實際運行速度評估、駕駛員行為調(diào)查分析及數(shù)學模型與輔助工具等方面。對公路線形的安全性評價主要通過對擬建道路的運行車速預測來對道路的安全性進行評價。目前，我國高速公路的安全運營狀況不容樂觀。交通事故率呈上升趨勢。導致交通事故的原因是多方面的，包括路況、氣候、駕駛員的因素等。但從道路線形設計而言，由于我國傳統(tǒng)的基于計算行車速度的路線設計方法，只是規(guī)定了滿足設計車速所要達到的平、縱線形指標，這樣導致了各個彎道和縱坡都滿足設計規(guī)范要求，而線形組合起來不一定是合理的線形，在道路實際運營中，將導致車輛的運行速度與線形指標脫節(jié)，形成交通事故的隱患。從交通事故的統(tǒng)計和分析看，雖然造成交通事故的原因是多方面的，但是線形設計是否合理是關系到高速公路安全性問題的根本問題，也是安全性評價的重要指標。鑒于基于計算行車速度的路線設計方法存在的缺陷，以運行車速設計方法作為我國現(xiàn)行設計方法的補充，是提高和改善我國高速公路行駛安全性的重要手段。我國2006年頒布的《公路路線設計規(guī)范》(JTGD20-2006)明確指出“各級公路平、縱技術(shù)指標變化大的路段，或條件受限制時采用平、縱技術(shù)指標最大值(或最小值)的路段，或平縱線形組合有異議的路段，或?qū)嶋H行駛速度可能超出(或低于)設計速度的路段等，應采用運行車速進行檢驗”。而在我國2004年頒布的《公路項目安全性評價指南》(JTG／TB05—2004)中，也把運行速度作為公路安全性評價的一個主要指標。利用預測的運行車速對項目的路線、路基路面、橋梁、隧道、路線交叉和交通工程及沿線設施的運營安全性進行評價。在設計速度應用方面，美國第56屆TRB年會曾提出著名的(16kin／h)設計規(guī)則，亦即：①在規(guī)定的設計速度內(nèi)，小客車設計速度的變化不超過16km／h~②相鄰路段設計速度的改變不超過16km／h；③大車的平均速度比小客車的平均速度在任何時侯都不低于16km／h。一條較長的高速公路，可以根據(jù)交通量的大小和地形的變化情況分段采用不同的設計車速。同～地形范圍內(nèi)采用不同行車速度時，相鄰計算行車速度之差不宜超過2Okin／h；當一條高速公路通過不同地形分區(qū)時，應結(jié)合地形和交通量的變化，行車速度也隨之逐漸過渡，避免出現(xiàn)突變。不同計算行車速度的路段長度不宜過短，一般不小于20km，特殊情況下可為10km。設計車速是高速公路線形設計的主要依據(jù)，而車輛的實際運行速度則是衡量線形設計質(zhì)量的評價依據(jù)。目前，美國及很多發(fā)達國家在公路路線設計中均廣泛采用運行車速進行道路線形的均衡性、連續(xù)性、安全性的檢驗，并根據(jù)各國的情況提出了各自的評價標準。我國在參考國外經(jīng)驗的基礎上，經(jīng)過研究，也提出了我國公路線形設計的評價標準。
相對我國公路路線設計而言，美國道路設計理論和體系更注重路線與地形、環(huán)境的配合和協(xié)調(diào)。在設計中充分強調(diào)路線的一致性和連續(xù)性，強調(diào)設計的靈活性。路線線形指標充分考慮了地形、地貌條件，為了使道路與地形條件、景觀環(huán)境相協(xié)調(diào)，在滿足規(guī)范安全性的基礎上，不惜放寬線形設計指標。另外，在設計中采用了汽車運行車速的理念，路線設計中追求各線形指標的相互配合協(xié)調(diào)、高低指標之間的過渡緩和、路線線形均衡，追求實際行駛車速相對平穩(wěn)等，這對降低工程造價、克服超速現(xiàn)象、減少交通事故、保護生態(tài)環(huán)境和道路景觀及與環(huán)境的相互協(xié)調(diào)具有重要的意義。高速公路線形指標的均衡性、一致性、線形的連續(xù)性、線形和環(huán)境景觀的協(xié)調(diào)性，以及線形設計的靈活性、安全性，作為現(xiàn)代公路設計的新理念已經(jīng)廣泛為國內(nèi)外公路研究和設計領域所認同。而利用運行速度評價方法是通過運行車速檢查評價，使公路線形各要素的設計達到連續(xù)、均衡和協(xié)調(diào)。采用預測運行速度評價道路線形設計質(zhì)量，使得公路設計的上述要求由定性研究過渡到定量研究。運行速度預測已成為近年來國內(nèi)外設計領域研究和應用的主要方法，也是研究的熱點。因此在充分學習和理解的基礎上，借鑒國外先進的設計理念和方法，對提高我國的公路設計水平具有重要意義。
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