中德高速公路幾何設計技術要點分析

　　摘要 德國是最早修建高速公路的國家，同時也是世界運行效率最高最安全的高速公路之一，研究德國高速公路設計具有重要的參考意義。介紹了德國高速公路設計等級體系和其基本特征，分析了我國高速公路設計和德國高速公路平面、縱斷面、橫斷面的幾何設計要點。利用了德國高速公路設計指標體系分析了京港澳高速某段的線形要素。研究表明德國高速公路橫斷面設計與我國基本一致，平面和縱斷面線形指標相較我國規范總體上更為寬松，但德國規范對平面直線長度和最小縱坡要求更高。

　　關 鍵 詞 幾何設計;德國;規范;高速公路;線形

　　《東北公路》促進東北三省的學術交流，繁榮公路科技，結合東北地區的實際條件和特點，為對外開放，加速遼東半島外向型經濟建設，加速我國現代化交通建設。

　　0 引言

　　德國高速公路有著久遠的歷史，1932年德國科隆與波恩之間30 km的高速公路建成通車，標志著歷史上第一條現代意義高速公路的誕生。至2016年德國共擁有12 993 km高速公路，是世界第四大高速公路系統。德國高速設計建設與管理水平世界一流，德國境內大約有三分之二的高速公路沒有永久限速，德國因此成為世界上唯一的擁有不限速度高速公路的國家。此外高速公路運輸占德國全部交通量的三分之一，但德國只有6%事故在高速公路發生(2016年)，高速公路事故率遠低于世界其它國家[1]。德國高速公路不僅擁有不限速的路段，也是世界上最安全的高速公路之一。借鑒德國高速公路設計管理標準對我國高速公路發展具有重要參考意義。

　　我國學者裴玉龍教授研究世界各國高速公路設計與運營提出了超高速公路發展的必要性與技術等級指標問題[2]。王佐、王志軍等研究了中法高速公路設計的技術要點，對法國公路設計體系進行了詳細分析[3-5]。田引安分析了中國及澳大利亞關于公路幾何設計的異同，探討了中澳高速公路設計理念與方法[6]。萬國朝與林正清分析了上個世紀聯邦德國公路設計規范要點并闡述了其設計理念[7-8]。彭彥忠和譚紅霞分別論述了美國公路幾何設計體系并分析中美公路設計的方法的異同[9-10]。本文將概述現行的德國高速公路幾何設計體系和技術要點，并通過對京港澳高速某段的線形分析，同時與我國高速公路幾何設計進行對比分析，為我國公路設計與研究人員提供參考。

　　1 設計等級和基本特征

　　德國道路和交通研究協會(Forschungsgesell- schaft für Stra?en und Verkehrswesen，縮寫FGSV)是一個成立于1924年非營利性的科技協會，該協會主要負責起草和發布道路規劃設計、建設、運營和交通工程相關的技術標準和規范。目前FGSV采用的高速公路設計規范稱為高速公路設計指南(Richtlinien für die Anlage von Autobahnen，縮寫RAA)，該指南是指導德國高速公路設計的行業標準[11]。

　　RAA高速公路設計原則基于綜合路網設計指南(Richtlinien für integrierte Netzgestaltung，縮寫RIN)定義的道路類別。綜合路網設計指南依據路網連接水平將高速公路道路類別分為：1)AS0大陸高速公路;2)ASⅠ次大陸高速公路;3)ASⅡ跨區域高速公路。RAA根據道路類別、高速公路與城市建筑區域的關系、高速公路的管轄權將高速公路分為4個設計等級，見表1。

　　根據德國道路交通法規藍色高速公路標志僅適用于聯邦高速，其它非聯邦的高速高速公路如州、縣、市級高速公路使用黃色機動車車道標志。非聯邦高速公路因為線形和交叉口形式等設計要素標準的降低被稱為準高速公路。

　　對AS0/ASⅠ的聯邦高速公路被稱為長途高速公路，設計等級EKA1A;屬于ASⅡ的聯邦高速公路被稱為跨區域高速公路，設計等級EKA1B;非聯邦高速公路被稱為準高速公路，設計等級EKA2;屬于ASⅡ并穿越大量城市建筑區域的高速公路被稱為城市高速公路，設計等級EKA3。

　　RAA指出各設計等級線形指標和其它設計要素的確定依據在潮濕狀態下的安全穩定行駛的推薦速度。由于德國規范的各設計等級的線形指標依據推薦速度進行計算，德國規范的推薦速度等同于我國規范的設計速度。對長途高速公路EKA1A，理論推薦速度130 km/h;跨區域高速公路EKA1B，理論推薦速度120 km/h;準高速公路EKA2，理論推薦速度100 km/h;城市高速公路EKA3，理論推薦速度80 km/h。

　　RAA指出對EKA1A、EKA1B和EKA2等級的高速公路實際最大允許速度在原則上是沒有限制的，對EKA3受城市環境影響對最高行駛速度有所限制。通常城市高速公路的幾何形狀接近EKA3的極限值，則限速為80 km/h，如果道路幾何形狀基于更高的設計值，則最高限速原則上不超過100 km/h。實際高速公路的限速情況根據交通量、天氣等多種因素確定。RAA對應的設計等級和特征見表2。

　　2 平面設計

　　德國高速公路設計指南RAA指出高速公路的平面線形由直線、圓曲線、回旋線3種要素組成。平面線形要素與我國《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)和《公路路線設計規范》(JTG D20-2006)規定的線形要素基本一致[12-13]。

　　2.1 直線

　　為了避免直線過長造成的駕駛疲勞和超速問題，RAA規定各設計等級高速公路直線最大長度2 000 m，同時僅規定同向圓曲線間直線最小長度400 m。我國規范中對直線的最大長度沒有明確要求，僅提出要有所限制，對同向圓曲線間的直線最小長度要求是6倍的設計速度行程，對反向圓曲線間的直線最小長度要求是2倍的設計速度行程。德國規范對直線的長度要求更為明確和嚴格。

　　2.2 圓曲線

　　德國規范RAA中圓曲線半徑的計算公式為

　　[R=V2127maxfR?n+q] ， (1)

　　式中：[R]為圓曲線半徑，m;[V]為推薦速度，km/h;[max fR]為最大橫向力系數;[n]為橫向力利用系數;[q]為橫坡度。該公式與我國規范中圓曲線半徑計算公式基本相同。

　　根據RAA給出圓曲線半徑計算公式，在各種約束條件下RAA規定了各設計等級下的圓曲線最小半徑和圓曲線最小長度，見表3。同時RAA指出高速公路不限制最大允許速度即不設最高限速時，圓曲線最小半徑應為1 300 m，圓曲線最小長度應為500 m。

　　我國規范中對高速公路圓曲線最小半徑的要求，見表4。

　　從表2表3對比可以看出，德國規范圓曲線最小半徑均大于我國規范規定的圓曲線最小半徑極限值，但遠小于我國規范圓曲線最小半徑一般值。由于我國實際公路線形設計中，基本采用設計指標的一般值，因此我國規范對圓曲線半徑指標要求相對較高，同時我國規范對圓曲線長度要求包含在對平曲線總長度和對緩和曲線長度的要求中，這與德國規范有所不同。

　　2.3 回旋線

　　德國規范中過渡曲線的設置與我國相同，均采用回旋線的形式。在直線與圓曲線之間設置回旋線和圓曲線之間設置回旋線，RAA回旋線基本公式

　　A2=R?L ， (2)

　　式中：A為回旋線參數，m;R為回旋線某點的曲率半徑，m;L為回旋線某點到原點的曲線長，m。

　　RAA規定所有的平曲線均應設置回旋線，僅在圓曲線轉角小于9°時，可以不設置回旋線，此時圓曲線最小長度應為300 m。德國規范對回旋線的省略與我國規范有很大的不同，我國規范規定在圓曲線半徑大于不設超高的圓曲線半徑時可以不設置回旋線，此時圓曲線上橫向力系數很小，行駛舒適性和穩定性能得到保證。對比德國規范，我國規范對回旋線的設計更加靈活。根據RAA回旋線計算公式得出的回旋線最小參數，見表5。

　　根據RAA給出的回旋線最小參數和圓曲線最小半徑，利用式(2)可以計算對應的回旋線計算最小長度，結果見表5(RAA并未給出，作者自行計算，方便比較)。我國規范對高速公路回旋線最小長度的要求為設計速度120、100、80 km/h回旋線最小長度分別對應100、85、70 m。對比得出我國規范對回旋線長度的要求均大于德國規范計算的最小長度，對回旋線長度指標要求更高，并且我國規范對平曲線總長度有要求，而德國規范未明確對平曲線總長度要求。

　　3 縱斷面設計

　　3.1 縱坡

　　RAA指出的縱坡的設計基于適應地形、減少環境影響、行車安全和造價的考慮。最大縱坡規定為對設計等級EKA1A、EKA1B、EKA2和EKA3最大縱坡分別取4.0%、4.5%、4.5%、6.0%坡度值。

　　我國規范中對高速公路最大縱坡的規定是在設計速度是120、100、80 km/h時，最大縱坡分別對應3%，4%，5%坡度值，同時我國規范指出特殊地形情況下，經過技術論證最大縱坡可以適當增加1%?？梢钥闯鑫覈幏杜c德國規范對最大縱坡的要求基本一致，我國規范對最大縱坡的一般要求更嚴格。

　　RAA高速公路設計原則基于綜合路網設計指南(Richtlinien für integrierte Netzgestaltung，縮寫RIN)定義的道路類別。綜合路網設計指南依據路網連接水平將高速公路道路類別分為：1)AS0大陸高速公路;2)ASⅠ次大陸高速公路;3)ASⅡ跨區域高速公路。RAA根據道路類別、高速公路與城市建筑區域的關系、高速公路的管轄權將高速公路分為4個設計等級，見表1。

　　根據德國道路交通法規藍色高速公路標志僅適用于聯邦高速，其它非聯邦的高速高速公路如州、縣、市級高速公路使用黃色機動車車道標志。非聯邦高速公路因為線形和交叉口形式等設計要素標準的降低被稱為準高速公路。

　　對AS0/ASⅠ的聯邦高速公路被稱為長途高速公路，設計等級EKA1A;屬于ASⅡ的聯邦高速公路被稱為跨區域高速公路，設計等級EKA1B;非聯邦高速公路被稱為準高速公路，設計等級EKA2;屬于ASⅡ并穿越大量城市建筑區域的高速公路被稱為城市高速公路，設計等級EKA3。

　　RAA指出各設計等級線形指標和其它設計要素的確定依據在潮濕狀態下的安全穩定行駛的推薦速度。由于德國規范的各設計等級的線形指標依據推薦速度進行計算，德國規范的推薦速度等同于我國規范的設計速度。對長途高速公路EKA1A，理論推薦速度130 km/h;跨區域高速公路EKA1B，理論推薦速度120 km/h;準高速公路EKA2，理論推薦速度100 km/h;城市高速公路EKA3，理論推薦速度80 km/h。

　　RAA指出對EKA1A、EKA1B和EKA2等級的高速公路實際最大允許速度在原則上是沒有限制的，對EKA3受城市環境影響對最高行駛速度有所限制。通常城市高速公路的幾何形狀接近EKA3的極限值，則限速為80 km/h，如果道路幾何形狀基于更高的設計值，則最高限速原則上不超過100 km/h。實際高速公路的限速情況根據交通量、天氣等多種因素確定。RAA對應的設計等級和特征見表2。

　　2 平面設計

　　德國高速公路設計指南RAA指出高速公路的平面線形由直線、圓曲線、回旋線3種要素組成。平面線形要素與我國《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)和《公路路線設計規范》(JTG D20-2006)規定的線形要素基本一致[12-13]。

　　2.1 直線

　　為了避免直線過長造成的駕駛疲勞和超速問題，RAA規定各設計等級高速公路直線最大長度2 000 m，同時僅規定同向圓曲線間直線最小長度400 m。我國規范中對直線的最大長度沒有明確要求，僅提出要有所限制，對同向圓曲線間的直線最小長度要求是6倍的設計速度行程，對反向圓曲線間的直線最小長度要求是2倍的設計速度行程。德國規范對直線的長度要求更為明確和嚴格。

　　2.2 圓曲線

　　德國規范RAA中圓曲線半徑的計算公式為

　　[R=V2127maxfR?n+q] ， (1)

　　式中：[R]為圓曲線半徑，m;[V]為推薦速度，km/h;[max fR]為最大橫向力系數;[n]為橫向力利用系數;[q]為橫坡度。該公式與我國規范中圓曲線半徑計算公式基本相同。

　　根據RAA給出圓曲線半徑計算公式，在各種約束條件下RAA規定了各設計等級下的圓曲線最小半徑和圓曲線最小長度，見表3。同時RAA指出高速公路不限制最大允許速度即不設最高限速時，圓曲線最小半徑應為1 300 m，圓曲線最小長度應為500 m。

　　我國規范中對高速公路圓曲線最小半徑的要求，見表4。

　　從表2表3對比可以看出，德國規范圓曲線最小半徑均大于我國規范規定的圓曲線最小半徑極限值，但遠小于我國規范圓曲線最小半徑一般值。由于我國實際公路線形設計中，基本采用設計指標的一般值，因此我國規范對圓曲線半徑指標要求相對較高，同時我國規范對圓曲線長度要求包含在對平曲線總長度和對緩和曲線長度的要求中，這與德國規范有所不同。

　　2.3 回旋線

　　德國規范中過渡曲線的設置與我國相同，均采用回旋線的形式。在直線與圓曲線之間設置回旋線和圓曲線之間設置回旋線，RAA回旋線基本公式

　　A2=R?L ， (2)

　　式中：A為回旋線參數，m;R為回旋線某點的曲率半徑，m;L為回旋線某點到原點的曲線長，m。

　　RAA規定所有的平曲線均應設置回旋線，僅在圓曲線轉角小于9°時，可以不設置回旋線，此時圓曲線最小長度應為300 m。德國規范對回旋線的省略與我國規范有很大的不同，我國規范規定在圓曲線半徑大于不設超高的圓曲線半徑時可以不設置回旋線，此時圓曲線上橫向力系數很小，行駛舒適性和穩定性能得到保證。對比德國規范，我國規范對回旋線的設計更加靈活。根據RAA回旋線計算公式得出的回旋線最小參數，見表5。

　　根據RAA給出的回旋線最小參數和圓曲線最小半徑，利用式(2)可以計算對應的回旋線計算最小長度，結果見表5(RAA并未給出，作者自行計算，方便比較)。我國規范對高速公路回旋線最小長度的要求為設計速度120、100、80 km/h回旋線最小長度分別對應100、85、70 m。對比得出我國規范對回旋線長度的要求均大于德國規范計算的最小長度，對回旋線長度指標要求更高，并且我國規范對平曲線總長度有要求，而德國規范未明確對平曲線總長度要求。

　　3 縱斷面設計

　　3.1 縱坡

　　RAA指出的縱坡的設計基于適應地形、減少環境影響、行車安全和造價的考慮。最大縱坡規定為對設計等級EKA1A、EKA1B、EKA2和EKA3最大縱坡分別取4.0%、4.5%、4.5%、6.0%坡度值。

　　我國規范中對高速公路最大縱坡的規定是在設計速度是120、100、80 km/h時，最大縱坡分別對應3%，4%，5%坡度值，同時我國規范指出特殊地形情況下，經過技術論證最大縱坡可以適當增加1%。可以看出我國規范與德國規范對最大縱坡的要求基本一致，我國規范對最大縱坡的一般要求更嚴格。