南部非洲与中国在路线几何设计规范上的对比研究

张 鹏，施孟成

(中国路桥工程有限责任公司，北京 100010)

1 研究背景

依托马普托大桥南连接线项目对南部非洲规范[1]与中国规范[2]路线设计指标进行对比研究。该项目位于莫桑比克首都马普托以南地区，路线全长约173 m，是莫桑比克N1国道的重要组成部分。项目采用南部非洲规范干线公路技术标准设计，双车道路基宽度11.5 ，设计速度100 m/h。主要对比研究路线平纵技术指标，包括直线、圆曲线、缓和曲线、超高、坡度和坡长等[3]。

2 平面指标

2.1 直线

两种规范都认为单调的长直线会引发安全问题，均不建议采用长直线。当设计速度较高时(≥120 m/h)，南部非洲规范建议直线最大长度为12 m，但需在中分带设置防眩设施；设计速度较低时，为保证驾驶者以设计速度运行，直线的最大长度需控制在20×V(V为设计速度，km/h)。中国规范针未明确直线的最大长度取值，仅规定长直线的使用应结合具体情况采用相应的技术措施。

南部非洲规范规定的直线最小长度主要由两相邻圆曲线间超高渐变长度决定，具体取值需计算确定，但两曲线间直线的最小长度一般≥200 m；中国规范规定同向曲线间直线的最小长度(m)为设计速度(km/h)的6倍，而反向曲线间直线的最小长度(m)为设计速度(km/h)的2倍。

2.2 平曲线

(1)圆曲线最小半径

两种规范规定的圆曲线最小半径的设计原理相同，均通过超高和横向侧摩阻力系数计算确定，南部非洲规范圆曲线极限最小半径的设计值稍小于中国规范的极限最小值。南部非洲规范最大超高取值范围为6%～10%，中国规范为4%～10%，不同超高计算确定的圆曲线最小半径见表1。中国规范规定了圆曲线最小半径的一般值，该值为正常设计采用值，并规定了圆曲线半径最大值一般不超过10 000 m，而南部非洲规范均无相关值。

表1 南部非洲规范与中国规定圆曲线最小半径

(2)平曲线长度

两种规范均规定了平曲线的最小长度和最大长度。南部非洲规范规定的平曲线最小长度仅针对曲线偏角较小的情况，规定的平曲线最小长度一般值为300 m。若条件限制，最小长度可减小到150 m，当圆曲线偏角<5°时，偏角每减小1°，曲线长度需增加30 m。中国规范规定的平曲线的最小长度较南部非洲规范详细，中国规范规定了一般情况及转角<7°时的不同设计速度的平曲线最小长度的一般值和极限值，如表2。

表2 中国规范规定的平曲线最小长度

南部非洲规范规定的平曲线最大长度不要超过1 000 m，建议不要超过800 m。南部非洲规定的平曲线最大长度较中国规范规定的平曲线长度为短，中国规范对平曲线的最大长度没有限制。

2.3 缓和曲线与超高设计

(1)缓和曲线长度

两种规范均采用回旋线作为缓和曲线，中国规范认为缓和曲线是平曲线的重要组成部分，并规定了不同设计速度的不设缓和曲线的圆曲线最小半径；但南部非洲规范认为缓和曲线并非平线路线的重要组成部分，仅当圆曲线的超高大于最大设计超高的60%时才推荐设置缓和曲线，南部非洲规范规定缓和曲线的长度计算公式如下

L=0.0702V3/(R×C)

(1)

式中：L为缓和曲线的长度，m；V为设计速度，km/h；R为曲线半径，m；C为离心加速度变化率，m/s3。

规范根据不同的C值规定了缓和曲线长度的上限值和下限值，C值为反映离心加速度变化率的值，一般取值范围为1～3，不同设计速度和不同C值对应的缓和曲线长度如图1。

图1 南部非洲规范规定的缓和曲线长度取值

中国规范缓和曲线长度取值按照以下三种情况取最大值，分别是：(1)离心渐变率适中；(2)满足超高渐变率适中的超高要求；(3)满足3 s行程的要求。而南部非洲规范缓和曲线长度仅需要满足超高渐变率适中即可。中国规范计算的缓和曲线长度较南部非洲规范的缓和曲线长。

(2)超高

两种规范的超高计算公式相同，超高计算公式为

e+f=V2/127R

(2)

式中：e为超高；f为侧摩阻力系数；V为设计速度，km/h；R为曲线半径，m。

与中国规范相比，南部非洲规范更加注重超高设置原理性，该公式表示离心力通过超高e和侧摩阻力系数f共同克服；中国规范将f值用u值代替，即横向力系数，该系数反映了行车舒适度，根据不同的行车舒适度分为不同的等级。

南部非洲规范的侧摩阻力系数f与行车速度相关，根据不同的设计速度，其取值范围为0.115～0.165；中国规范μ值的采用关系到行车的安全、经济与舒适，并指出μ的舒适界限为0.11～0.16，随行车速度而变化。由此可见南部非洲规范的f值和中国规范的μ值殊途同归，在数值上基本相等。

(3)超高渐变

南部非洲规范和中国规范对超高渐变的规定相差较大，中国规范规定超高渐变均需在缓和曲线长度范围内完成。南部非洲规范要求的超高渐变分两种情况，分别是不设缓和曲线的超高渐变和设置缓和曲线的超高渐变。南部非洲规范将超高渐变段分为两部分，分别为曲线外侧正常路拱渐变到单侧路拱为平坡(0%)部分，即路拱超高段；和单侧路拱为平坡(0%)渐变到全超高部分，即全超高段。当不设缓和曲线时，超高由直线和部分圆曲线共同承担，其中路拱超高段和2/3的全超高段位于直线上，1/3段的全超高段由圆曲线承担；当设置缓和曲线时，路拱超高段全部位于直线段上，全超高段全部位于缓和曲线段上。

3 竖向设计

3.1 竖曲线最小半径

南部非洲规范规定竖曲线可以是圆形或者抛物线形，通常更倾向于后者，并采用K值反映竖曲线半径大小值，K值是个无单位的量，与曲率有关，采用K值后，竖曲线的长度可以方便地表示为：

L=AK

(3)

式中：A为前后纵坡的坡差(不含%号)；K为与曲率有关的值，K值乘以100相当于圆曲线半径。

两种规范对应的凸曲线和凹曲线的最小半径如表3。

表3 规范规定的竖曲线最小半径

南部非洲规范竖曲线半径最小值较中国规范的竖曲线半径极限最小值稍大，但比中国规范针对竖曲线半径一般值小。此外，南部非洲规范不建议竖曲线直接相接，曲线间需要敷设直线，最小直线段长度为60～100 m。

3.2 最大纵坡和临界坡长

两种规范针对不同的设计速度规定了不同的最大纵坡，见表4。

表4 两种规范规定的最大纵坡坡度

两种规范针对不同的设计速度规定了不同的最大纵坡。南部非洲规范针对不同的地形条件规定了不同的纵坡值，对最大纵坡值的取值较宽松；中国规范的最大纵坡值与南部非洲规范平原区的最大纵坡值相当，但南部非洲规范要求大纵坡的坡长大于临界坡长时，需增设爬坡车道来满足大货车的爬坡。南部非洲规范总体认为高速公路上的最大坡度应在3%～4%的范围内，而不考虑地形。而低等级道路的坡度高达20%，但同时指出，在坡度超过12%的情况下，施工将变得非常困难，所以南部非洲规范规定12%的纵坡为适用于低等级道路的绝对最大坡度。此外，中国规范针对设计速度≤80 km/h位于海拔3 000～5 000m地区的纵坡需要进行折减，最大纵坡折减1%～3%不等。

两种规范均规定了最小纵坡，其中中国规范要求公路的最小纵坡宜≥0.3%，但是允许出现0坡的情况，但是需要对排水不畅或者长路堑范围内的0坡路段需进行边沟的拉坡设计；南部非洲规范认为，最小纵坡可以是水平的，即0%。但这仅适用于农村道路，在农村道路上，雨水将通过路拱从路面上移除，并允许溢出路肩边缘。如果在有路缘石的道路上使用0坡，必须采用边沟拉坡设计。此外，考虑到路缘石和边沟的建造精度限制，建议最小纵坡为0.5%。当纵坡<0.5%时，针对坡长>500 m的路段，应考虑将路拱横坡增加到2.5%或3.0%。

南部非洲规范规定的临界坡长与中国规范规定的最大坡长的概念不一致，其长度定义为两边坡点之间直线段长度与前后两竖曲线大约各1/4的长度之和，其长度与中国规范相比大约小一个竖曲线的切线值T值。南部非洲规范临界坡长的定义较科学，但设计使用不便，南部非洲规范没有规定不同的设计速度和不同纵坡的最大坡长，南部非洲规范的临界坡长具体取值见表5。

表5 南部非洲规范规定的临界坡长长度

4 结 语

(1)南部非洲规范指标最小值多依据原理公式计算确定的极限值，而中国规范在极限值的基础上多采用一般值。

(2)南部非洲规范对直线的研究较全面，不仅对直线长度有规定，对直线的偏角也有相关规定。

(3)南部非洲规范不设缓和曲线的圆曲线最小半径比中国规范小很多，缓和曲线设置的主要目的是作为超高渐变段，由于路拱超高段在直线上进行，从而避免缓和曲线出现反超高的情况，设置较合理。

(4)南部非洲规范要求的停车视距较中国规范要求高，主要因为其采用了统一减速率计算刹车制动距离，而中国规范则依据不同的路面纵向摩阻系数计算得到，较南部非洲规范更科学。

(5)南部非洲规范纵段针对不同的地形条件取值，山区纵坡较中国规范偏大，临界坡长的定义较中国规范更为科学合理。