目

錄4.3

高速公路立體交叉設計1、路線縱斷面圖：沿著公路中線豎直剖切然后展開即為公路的縱斷面。2、縱斷面圖是公路縱斷面設計的主要成果，

也是公路設計的重要技術文件之一。把公路的縱斷面圖與平面圖結合起來，就能準確地定出公路的空間位置。4.2.2

高速公路縱斷面設計——設計認知3、縱斷面設計在路線縱斷面圖上研究路線線位高度及坡度變化情況的過程。縱斷面設計內容：確定公路縱坡坡度及坡長，設置豎曲線。4.2.2高速公路縱斷面設計—設計認知4、縱斷面設計的主要任務根據汽車的動力特性、公路等級、地形、地物、

水文地質，綜合考慮路基穩定、排水以及工程經濟性等，

研究縱坡的大小、長短、豎曲線半徑以及與平面線形的組合關系，以便達到行車安全迅速、運輸經濟合理及乘客感覺舒適的目的。4.2.2高速公路縱斷面設計—設計認知5、路線縱斷面圖的構成：縱斷面圖上由兩條主要的線和文字資料兩部分構成； (1)地面線：它是根據中線上各樁點的高程而點繪的一條不規則的折線，反映了沿著中線地面的起伏變化情況；(2)設計線：路線上各點路基設計高程的連續線，是經過技術上、經濟上以及美學上等多方面比較后定出的一條具有規則形狀的幾何線，反映了公路路線的起伏變化情況；4.2.2高速公路縱斷面設計—設計認知縱斷面設計線的組成：直線(均坡度線)和豎曲線。其中：★直線(即均坡度線)有上坡和下坡，是用水平長度及縱坡度表示的。縱坡度表征勻坡路段坡度的大小，用高差與水平長度之

i

=

(%)比量度比量度比量度比量度比量度比量度比量度比量度：即，比量度比量度比量度4.2.2高速公路縱斷面設計—設計認知轉坡點(變坡點)：兩相臨坡度不同的縱坡線的交點；高差(h)：相臨兩變坡點間的高程差；坡長(L)：相臨兩變坡點間的水平距離。4.2.2高速公路縱斷面設計—設計認知★豎曲線：采用二次拋物線方程。其方程式為：

x2

=

2py式中：p決定二次拋物線的開口，用R代替，表示豎曲線的半徑。豎曲線的表征：豎曲線半徑R和豎曲線長度L。4.2.2高速公路縱斷面設計—設計認知6、路線縱斷面圖上的標高：(1)設計標高，即路基設計標高，《規范》規定如下：①新建公路的路基設計標高高速公路和一級公路采用中央分隔帶的外側邊緣標高；二、三、四級公路采用路基邊緣標高，在設置超高、

加寬地段為設超高、加寬前該處邊緣標高。②改建公路的路基設計標高一般按新建公路的規定辦理，也可視具體情況而采用行車道中線處的標高。4.2.2高速公路縱斷面設計—設計認知(2)地面高程：中線上地面點高程。(3)路基高度：橫斷面上設計高程與地面高程之高差。4.2.2高速公路縱斷面設計—設計認知1、汽車行駛與公路縱坡的關系(1)汽車在公路上行駛的阻力◆空氣阻力◆滾動阻力◆坡度阻力◆慣性阻力4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計(2)汽車行駛的條件◆必要條件：牽引力必須大于或等于各項阻力之和。◆充分條件：牽引力必須小于或等于輪胎與路面之間的附著力。◆充要條件：各阻力之和≤牽引力≤輪胎與路面之間的附著力4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計(3)汽車在坡道上的行駛要求①縱坡度力求平緩；②陡坡宜短，長坡道的縱坡度應加以嚴格限制；③縱坡度的變化不宜太多，尤其應避免急劇起伏變化，力求縱坡均勻。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計2、最大縱坡、最小縱坡和坡長限制(1)

最大縱坡最大縱坡是指在縱坡設計時各級道路允許使用的最大坡度值。①確定最大縱坡應考慮的因素(ⅰ)汽車的動力性能；(ⅱ)公路等級；(ⅲ)自然因素。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計②最大縱坡的確定最大縱坡是公路縱斷面設計的重要控制指標。最大縱坡是各級公路縱坡限制值，只有在山嶺區路線特別困難時采用。各級公路規定的最大縱坡值如下：4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計③最大縱坡應符合下列規定設計速度為120km/h、100km/h、80km/h的高速公路受地形條件或其他特殊情況限制時，經技術論證、最大縱坡值可增加1%。公路改擴建中，設計速度為40km/h、30km/h、20km/h的利用原有公路的路段，經技術論證經濟論證、

最大縱坡值可增加1%。大、中橋不宜大于4%，橋頭引道不宜大于5%；位于市鎮附近非汽車交通量較大的地段，橋上及橋頭引道均不得大于3%；小橋涵縱坡隨路線。隧道內縱坡應小于3%，大于0.3%，但短于100m的隧道可不受此限，高速公路、一級公路的中短隧道，當條件受限制時，

最大縱坡可適當加大，但不宜大于4%。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計(2)最小縱坡為使公路在長路塹低填方以及其它橫向排水不暢通的地段，防止積水滲入路基而影響其穩定，規定各級公路的長路塹路段、以及其他橫向排水不暢的路段，均

應采用不小于0.3%的縱坡。當必須設計水平坡(0%)或小于0.3%的縱坡時，邊溝排水設計應與縱坡設計一起綜合考慮，其邊溝應作縱向排水設計。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計(3)坡長限制①最大坡長的限制最大坡長限制是指控制汽車在坡道上行駛，當車速下降到最低容許速度時所行駛的距離。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計②陡坡組合坡長當連續陡坡是由幾個不同受限坡度值的坡段組合而成時

，應按不同坡度的坡長限制折算確定；其連續陡坡最短坡長應大于規范規定最小坡長。【示例】：某三級公路如下圖示：若第三坡段采用4%的坡度，其坡長最多可設多長？4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計③最小坡長限制最小坡長的限制是從汽車行駛的平順性的要求考慮；最小坡長通常取設計行車速度9--15s的行程為規定值；《標準》規定，各級公路最短坡長如下表：4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計3、緩和坡段當陡坡長度達到限制坡長時，應安排一段緩坡，用以恢復在陡坡上降低的速度。緩和坡段的作用主要是為了改善汽車在連續陡坡上行駛的緊張狀況，避免汽車長時間低速行駛或汽車下坡產生不安全因素。不同等級的公路其緩和坡度不同，對于越嶺公路《標準》規定緩和坡段的縱坡應不大于3%，其長度應不得小于最小坡長要求。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計4、平均縱坡平均縱坡是指一定長度的路段縱向所克服的高差與該路段長度的比。平均縱坡是衡量路線線形設計質量的重要指標之一。平均縱坡與坡道長度有關，還與相對高差有關。《標準》規定二、三、四級公路越嶺路線連續上坡

(或下坡)路段，相對高差為200m--500m時，平均縱坡不應大于5.5%；相對高差大于500m時，平均縱坡不應大于5%。并注意任意連續3km路段的平均縱坡不宜大于5.5%

。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計5、合成坡度合成坡度是指由路線縱坡與彎道超高橫坡或路拱橫坡組合而成的坡度，其方向即流水線方向。合成坡度可按矢量關系或勾股定理關系導出：i合

=

i

+i

式中：i合—合成坡度%；i縱—公路平曲線處的縱坡%；i超—公路平曲線處的超高橫坡度%

。超2縱24.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計在下述情況的合成坡度必須小于8%：(1)冬季路面有積雪、結冰地區；(2)自然橫坡較陡峻的傍山路段；(3)非汽車交通量比率高的路段。各級公路的最小合成坡度不宜小于0.5%。在超高過渡的變化處，合成坡度不應設計成0%。當合成坡度小于0.5%時，則應采取綜合排水措施，以保證路面排水暢通。公路合成坡度的最大容許值如下：公路最大合成坡度表3-44.2.2高速公路縱斷面設計—縱坡及坡長設計(一)豎曲線設計基本知識1、縱斷面上相鄰兩條縱坡線相交的轉折處，為了行車平

順用一段曲線來緩和，這條連接兩縱坡線的曲線叫豎曲線。2、為方便設計和計算，豎曲線的形狀一般采用二次拋物線形式。4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計3、轉坡角縱斷面上相鄰兩條縱坡線相交形成轉坡點，其相交角用轉坡角表示。設相鄰兩縱坡坡度分別為i1和i2，則相鄰兩坡度的代數差即轉坡角為ω=i1-i2，其中i1、i2為本身之值。上坡時i取正值，例如：i1=+3.5%表示是“上坡坡度為3.5%”；下坡時i取負值,例如：i2=-2.5%表示是“下坡坡度為205%”。4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計4、豎曲線的凸、凹及判斷：當豎曲線轉坡點在曲線上方時為凸形豎曲線，反之為凹形豎曲線。4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計▲當i1-i2為正值時，則為凸形豎曲線；4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計▲當i1-i2為負值時，則為凹形豎曲線。4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計5、豎曲線基本方程式我國采用的是二次拋物線形作為豎曲線的常用形式。x

2

=

2

Ry

y

=

若取拋物線參數為豎曲線的半徑，則有：4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計x

2

=2

Py其基本方程為：AAPQlA4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計(二)豎曲線要素計算公式LMOEωtB2B1hxxiiBYTXT4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計(三)豎曲線的最小半徑1、豎曲線最小半徑的確定(1)凸形豎曲線極限最小半徑確定考慮因素：緩和沖擊；經行時間不宜過短；滿足視距的要求。4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計凸、凹形豎曲線都要受到上述緩和沖擊、視距及行駛時間三種因素控制。豎曲線極限最小半徑是緩和行車沖擊和保證行車視距所必須的豎曲線半徑的最小值。設計時多采用大于極限最小半徑1.5--2.0倍，該值為豎曲線一般最小值。我國按照汽車在豎曲線上以設計速度行駛3s行程時間控制豎曲線最小長度。4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計(2)凹形豎曲線極限最小半徑確定考慮因素緩和沖擊；前燈照射距離要求；跨線橋下視距要求；經行時間不宜過短。4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計三、豎曲線的設計和計算1、豎曲線設計豎曲線設計，首先應確定合適的半徑。在不過分增加工程量的情況下，宜選擇大于或等于下表的豎曲線半徑；4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計公路豎曲線最小半徑和豎曲線最小長度相鄰豎曲線銜接時應注意：(1)同向豎曲線：特別是兩同向凹形豎曲線間，

如果直坡段接近或達到最小坡長時，宜合并為單曲線或復曲線形式的豎曲線。(2)反向豎曲線：反向豎曲線間應設置一段直線坡段，直線坡段的長度一般不小于設計速度的3秒行程；(3)豎曲線設置應滿足排水需要。4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計2、豎曲線計算豎曲線計算的目的是確定設計縱坡上指定樁號的路基

設計標高。計算步驟如下：(1)計算豎曲線的基本要素：豎曲線長：L；切線長：T；外距：E。(2)計算豎曲線起終點的樁號：豎曲線起點的樁號=變坡點的樁號－T豎曲線終點的樁號=變坡點的樁號+T4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計(3)計算豎曲線上任意點切線標高及改正值：切線標高=變坡點的標高±(T

)一x

i；改正值：y=

(4)計算豎曲線上任意點設計標高某樁號在凸形豎曲線的設計標高=該樁號在切線上的設計標高－y某樁號在凹形豎曲線的設計標高=該樁號在切線上的設計標高+y4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計【案例】：某山嶺區二級公路，變坡點樁號為K3+030.00，高程為427.68，前坡為上坡，i1=+5%，后坡為下坡，i2=

－4%，豎曲線半徑R=2000m。試計算豎曲線諸要素以及樁號為K3+000.00和K3+100.00處的設計標高。4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計1、計算豎曲線要素ω=i1-i2=5%－(－4%)=0.09所以該豎曲線為凸形豎曲線曲線長：L=Rω=2000×0.09

=180m切線長：T=L/2=180/2=90m外

距：

E

=

=

m=2.034.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計2、豎曲線起、終點樁號豎曲線起點樁號=(K3+030.00)－90.00=K2+940.00

豎曲線終點樁號=(K3+030.00)+90.00=K3+120.003、K3+000.00、K3+100.00的切線標高和改正值K3+000.00的切線標高=427.68－(K3+030.00－K3+000.00)×5%=426.18mK3+000.00的改正值

=

一2

=

0.90mK3+100.00的切線標高=427.68－(K3+100.00－K3+0

3.

K

2

=

0.

10m0)m0800.8143404K0(3K3+100.00的改正值=

2

20004.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計4、K3+000.00和K3+100.00的設計標高K3+000.00的設計標高=426.18－0.9=425.28mK3+100.00的設計標高=424.88－0.1=424.78m4.2.2高速公路縱斷面設計—豎曲線設計(一)爬坡車道爬坡車道是在陡坡路段正線行車道外側增設的供載重車行駛的專用車道。1、爬坡車道的設置條件四車道高速公路、四車道一級公路以及二級公路連續上坡路段，符合下列情況之一者，宜在上坡方向行車道右側設置爬坡車道。4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計2、爬坡車道的設計(1)橫斷面組成爬坡車道設于上坡方向正線行車道右側。爬坡車道的寬度為3.5m。爬坡車道的路肩由硬路肩和土路肩組成。爬坡車道的硬路肩寬度一般為1.0m，土路肩寬度以按正線要求設計為宜。4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計(2)橫坡度①爬坡車道的行車速度比正線小，為了行車安全起見，高速公路正線超高坡度比爬坡車道的超高坡度小；②超高坡度的旋轉軸為爬坡車道內側邊緣線；③若爬坡車道位于直線路段時，其橫坡度的大小同正線路拱坡度,采用直線式橫坡,坡向向外；④爬坡車道右側路肩的橫坡度大小和坡向,參照正線與右側路肩之間關系的有關規定確定。4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計(3)爬坡車道起、終點與長度4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計(4)爬坡車道的其他規定①爬坡車道的曲線加寬按一個車道曲線加寬規定執行；②高速公路、一級公路爬坡車道長度大于500米時，應按規定在其右側設置緊急停車帶。(5)爬坡車道的超高坡度規定如下表；超高橫坡的旋轉軸為爬坡車道內側邊緣線。4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計(二)平縱面線形組合設計公路平面與縱斷面的線形組合是指在滿足汽車運動學和力學要求的前提下，研究如何滿足視覺和心理方面的連續性、舒適感，研究與周圍環境的協調和良好的排水條件，以保證汽車行駛的安全、舒適與經濟。4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計1、視覺分析(1)視覺分析的意義公路設計除應考慮自然條件、汽車行駛力學的要求外，還要把駕駛員在心理和視覺上的反應作為重要因素考慮。從視覺心理出發，對公路的空間線形及其與周圍自然景觀和沿線建筑的協調，保持視覺的連續性，使行車具有足夠的舒適感和安全感的綜合設計稱為視覺分析。4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計(2)視覺與車速的動態規律駕駛員的視覺判斷能力與車速密切相關，車速越高，

其注意前方越遠，而視角逐漸變小。駕駛員的注意力集中和心里緊張程度隨車速的增加而增

加，注意力集中點和視野距離隨車速提高而增大，

當汽車高速行駛時，駕駛員對前景細節的視覺開始變的模糊不清，而視角隨車速逐漸變窄，已不能顧及兩側景象了。由此可見，對于快速公路來說，必須使駕駛員明白無誤地了解線形，盡量避免由于判斷錯誤而導致駕駛失誤。4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計(3)視覺評價方法所謂線形狀況是指公路平面和縱斷面線形所組成的立

體形狀，在汽車快速行駛中給駕駛員提供的連續不斷的

視覺印象。設計者通過公路透視圖評價線形組合是否順勢流暢，對易產生判斷失誤和茫然的地方，必須在設計階段進行修改。4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計2、公路平、縱線形組合設計(1)

組合原則①應能在視覺上自然地誘導駕駛員的視線，并保持視覺的連續性；②平面與縱斷面線形的技術指標應大小均衡，不要懸殊太大，使線形在視覺上和心理上保持協調；③選擇組合得當的合成坡度，以利于路面排水和安全行車；④應注意線形與自然環境和景觀的配合與協調。4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計(2)

組合方式平縱線形有以下六種組合形式：平直、縱直線：構成具有恒等坡度的直線；平直、縱凹曲線：構成凹下去的直線；平直、縱凸曲線：構成凸起的直線；平曲、縱直線：構成具有恒等坡度的平曲線；

平曲、縱凹曲線：構成凹下去的平曲線；

平曲、縱凸曲線：構成凸起的平曲線。4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計3、線形組合特征及注意問題4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計3、線形組合特征及注意問題4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計3、線形組合特征及注意問題4.2.2高速公路縱斷面設計—爬坡車道及縱面線形組合設計3、線形組合特征及注意問題(一)縱斷面設計圖及繪制●縱斷面設計圖反映的是路線所經的中心地面起伏情況與設計標高的關系，把它與平面線形結合起來，就能反映出公路路線在空間的位置。●縱斷面圖的架構采用直角座標，以橫坐標表示水平距離，縱坐標表示垂直高程。通常情況下采用的比例尺為：橫坐標1∶2000；縱坐標1∶200。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱斷面線形設計1、縱面圖的內容(1)樁號里程、地面高程與地面線、設計高程與設計線，施工填挖值、設計線的縱坡度及坡長、平曲線資料、土壤地質情況；(2)豎曲線及其要素；(3)沿線橋涵及人工構造物的位置、結構類型及孔徑；(4)與鐵路、公路交叉的樁號及路名；(5)沿線跨河流名稱、樁號、現有水位及最高洪水位；(6)水準點位置、編號和高程；(7)斷鏈樁位置、

樁號及長短鏈關系。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱斷面線形設計2、繪制縱斷面設計圖的步驟(1)按比例在厘米紙上標出與橫向、縱向坐標，橫向坐標標出百米樁號，縱向坐標標出整十米高程；(2)在坐標系中按水準測量提供的各樁號地面高程與相應的樁號配合點繪各樁號地面點，并將各地面標高點用直線依次連接后就成為縱斷面圖的地面線；(3)在坐標圖上繪出各水準點位置、編號、高程；(4)將橋涵位置繪制在坐標圖上，并注明孔數、孔徑、結構類型、樁號等；4.2.2高速公路縱斷面設計—縱斷面線形設計(5)在縱斷面設計圖下部表內分別注明土壤地質資料、繪出平面直線和平曲線的位置、轉向并注明平曲線有關資料；(6)縱坡和豎曲線確定后，將設計線繪出，并注明縱坡度、坡長，在設計線上部適當的位置繪出各豎曲線范圍并分別注明各豎曲線的基本要素；(7)填注其它各有關資料或特定需要的資料；(8)清理縱斷面設計圖并將無用的鉛筆字線擦凈。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱斷面線形設計(二)縱斷面設計要點縱斷面設計主要是指縱坡和豎曲線設計。縱斷面設計的主要內容是根據公路等級、沿線自然條件和構造物控制標高等，確定路線合適的高程、各坡段的縱坡度和坡長，并設計豎曲線。縱斷面設計的基本要求是縱坡均勻平順、起伏和緩、坡長和豎曲線長短適當、平面與縱斷面組合設計協調、以及填挖經濟、平衡。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱斷面線形設計1、關于縱坡極限值的運用(1)縱坡的極限值不可輕易采用，應留有余地；(2)在受限較嚴的地帶，

可有條件使用縱坡極限值；(3)縱坡應力求平緩，但最小縱坡不應低于0.3%。2、關于最小坡長(1)縱坡坡長不宜過短，以不小于設計速度9s的行程為宜；(2)對連續起伏的路段，坡度應盡量小，坡長和豎曲線可取極限坡長的3—

5倍。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱斷面線形設計3、各種地形條件下的縱坡設計(1)平原、微丘地區應注意保證最小填土高度和最小縱坡的要求；(2)山嶺、重丘地形坡長不應超過限制長度，縱坡不宜大于6%，注意路基控制高程的要求；(3)越嶺線的縱坡盡量不采用極限或接近極限的坡度，更不宜在連續采用極限長度的陡坡之間夾短的緩和坡段。越嶺路線一般不應設置反坡；4.2.2高速公路縱斷面設計—縱斷面線形設計(4)橋梁的路基設計標高①大、中橋一般應高于該橋設計洪水位(并包括雍水和浪高)至少0.5m。②小橋涵應高于橋涵前雍水水位至少0.5m(不計浪高)。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱斷面線形設計4、關于豎曲線半徑的選用豎曲線應選用較大半徑為宜。在不過分增加工程數量的情況下，應選用大于或等于一般最小半徑的半徑值，特殊困難方可用極限最小值。5、關于相鄰豎曲線的銜接相鄰兩個同向凹形或凸形豎曲線，特別是兩同向凹形豎曲線間，如直坡段不長應合并為豎一個曲線。對反向豎曲線，最好中間設置一段直坡線，直坡線的長度一般不小于設計速度的3秒行程。當半徑比較大時，亦可直接連接。4.2.2高速公路縱斷面設計—縱斷面線形設計(三)縱坡設計方法與步驟1、準備工作：(1)按比例標注里程樁號和標高，點繪地面線；(2)繪出平面直線與平曲線資料，以及土壤地質說明資料；(3)將橋梁、涵洞、地質土質等與縱斷面設計有關的資料在縱斷面圖紙上標明