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止于至善

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学校外硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员,中国土木工程学会混凝土耐久性专业委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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中美两国公路设计理念上的差异有哪些?  

2016-11-12 05:47:28|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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美国的高速公路不论是里程还是质量在全世界都是一流的,自1937年开始修建高速公路,到1995年高速公路里程达到8.85万km,占全国总里程的14,占世界高速公路总里程的近一半,实现了州州通高速公路的目标,而且一般使用年限为15年左右,交通事故的发生率也相对较低,这与他们完善的路线几何设计是分不开的。我国高速公路建设起步相对较晚,但是发展迅速。自20世纪8O年代以来,我国交通基础设施重点建设得到加强,公路建设有了飞速发展,以高速公路为标志的高等级公路从无到有,进入一个新的建设时期,尤其是1998年实施积极的财政政策以来,我国公路建设投资数量之大、开工项目之多举世瞩目。高速公路作为现代化的公路运输基础设施,其发生和发展是国民经济发展的必然结果,截止至2006年底,我国高速公路通车里程已达到4.64万km。而根据我国交通部制定的《国家高速公路网规划》,至2030年我国高速公路总里程将达到8.5万km,形成覆盖全国、布局合理的国家高速公路网。
       公路线形设计是公路总体设计、总体布局的关键。线形是公路的骨架,其设计合理与否,不仅直接关系到公路建设项目的质量好坏、里程长短、投资多少、效益高低,更直接影响到公路运营安全。虽然每个国家对线形的设计都有明确的设计标准,但是仅仅满足设计规范的线形设计并不代表是最合理的线形。线形设计是否合理不仅是关系到高速公路安全性问题的最主要因素,也是确定道路的经济性、道路的景观环境、道路的通行能力等方面的重要因素。通常在设计中追求的高指标公路并不一定是安全的公路,而高速公路线形指标的均衡性、一致性、线形的连续性及线形与环境景观的协调性才是满足汽车高速及安全行驶的重要保证。笔者通过对美国高速公路的现场考察,以及参考中美两国的相关设计规范和有关资料,对两国在高速公路几何设计方面的设计理念和方法进行了分析对比,以供公路设计人员参考。
 
1 路线的适宜性和均衡性
       路线的适宜性是指公路路线与自然条件的协调、配合,使公路与周围环境融为一体,最大限度地减少对自然环境的破坏。路线的均衡性是指公路路线自身各要素间的协调、配合,使公路线形能自然地诱导驾驶员的视线,并保持视觉的连续性,最大限度地保证行车安全。美国高速公路设计将环境提到了一个相当高的地位。其规范要求:公路的定线和设计可以而且应该能使环境更加完美,并作为改善环境的促进因素。同时认为,环境不仅仅指自然环境,它包括人类、植物和动物三类群体以及这三类群体起作用的各自力量。因此,美国高速公路设计的参考者,不仅有设计工程师,还有生物、化学、历史、考古学家和土地评估家,在某些情况下甚至还有社会学家。听取公众意见是方案确定阶段必不可少的程序。而在高速公路设计阶段,非常强调路线与地形及环境的协调,尽可能消除造成大填大挖的人为因素,注重对原有地貌的保护和尽可能恢复自然的外观。公路线形相邻路段技术指标不均衡、衔接不合理,会使车辆行驶速度出现较大突变,从而影响交通安全。因此路线设计除了应使线形同地形、地物、景观相适宜外,还应使线形流畅、连续、视觉良好,保证行车安全与舒适。公路作为一个三维空间构造物,在路线设计中还应该对公路的平、纵、横三个面进行综合设计,做到平面顺适、纵坡均衡、横面合理。
 
       美国公路线形设计强调在符合汽车行驶力学方面的要求外,还应考虑用路者的视觉、心理与生理方面的要求,以提高汽车行驶的安全、舒适与经济性。为了使线形连续、均衡,从根本上解决公路安全设计问题.通常采用运行速度理论检验公路线形设计。要满足路线适宜性的要求,需要通过灵活设计、精心创作,合理选用技术标准,实现安全、环保、美观、节约的目的。路线的适宜性和均衡性实质上也是强调公路灵活性设计以及景观环境设计的效果。这些对我国高速公路设计具有很好的借鉴作用。
 
2 线形设计的连续性
       公路线形的连续性设计是指公路的几何条件既不违背驾驶员的期望,也不违背驾驶员安全操作和驾驶汽车的能力。满足连续性要求的路线设计,能够连续地引导驾驶员的视觉和满足驾驶员的心理和生理要求,减少驾驶员的无谓操作、疲劳和恐惧心理,增加驾驶员和乘客的安全感和舒适感。可见,连续性对于公路设计是非常重要的。道路线形的连续性是路线设计的基本要求之一,连续的道路设计应确保驾驶员能够沿着路线以他们期望的速度行驶。我国《公路工程技术标准》(JTJB01—2003)规定:“线形设计,应考虑车辆行驶的安全舒适,驾驶员的视觉和心理反应。引导驾驶员的视线保持线形的连续性。”《公路路线设计规范》(JTGD2O一2006)也指出:“等级较高的公路应注重立体线形设计,使驾驶员在视觉上能保持线形的连续性,在心理上有舒适感和安全感并与沿线的环境、景观相协调。”我国目前所使用的上述技术标准和设计规范中虽已提出线形连续性,但对连续性的标准并没有明确提出。目前国内外对于线形连续性的研究很多,主要分为:基于速度的研究,基于安全的研究,基于驾驶员操作难易的研究。其中基于速度的研究比较成熟,因为道路线形连续与否对车辆产生的影响首要表现在车速上。车速变化的大小也就代表着线形连续程度。事故率大小是对道路线形连续性的直接检验结果,事故率比较大的事故多发地点,也必然代表着其线形在此存在问题。因此,美国等国均采用运行速度评价线形设计的连续性。
 
3 线形设计的灵活性
       公路设计灵活性思想最先由美国提出,美国联邦公路局(FHWA)联合美国各州公路与运输官员协会(AASHTO)等相关机构于1997年出版了《公路灵活性设计》,特别强调了线形的灵活性设计理念和方法。灵活性设计包含合理选用技术标准、灵活运用设计指标两个层面的内容。灵活性设计是有条件的,必须以保证安全为前提,严格按照现行组合的设计原则进行设计就是保障安全的有力措施。即:设计灵活性就是“在充分掌握和理解现有标准、规范本质的基础上,在不降低安全性的前提下,通过合理选择技术标准,灵活运用设计指标,寻求达到更符合公路沿线可持续发展的需要和利益的目标”。实际上,每一个公路建设项目都具有特殊性(公路个性),由于项目所在区域的地理位置、地形地貌、地质条件、气候气象、社会环境、不同的文化传统、风俗习惯、审美观特点以及公路使用者的需求、面临的挑战与机遇等均不尽相同,这些都构成不同地区特有的公路景观环境,公路灵活性设计所面临的任务就是在运输功能和安全与周围自然和社会环境之间寻求协调与结合,其目的是针对不同公路、不同路段的不同特点给出切合实际的设计方案,强调的是公路的个性、环境的个性,因此设计灵活性也体现为公路的个性环境设计。技术标准是公路设计的依据。美国公路几何设计标准与政策一般由成立于1937年的规划与设计政策委员会负责规定和推荐,而其制定和出版则通常由美国各州公路与运输工作者协会(AASHTO)来完成。AASHTO出版的《公路与城市道路几何设计政策》(俗称绿皮书)通常被视为美国公路几何设计标准,亦被国际上公认为现代适用的公路设计专业著作,该书一般每隔5~6年修订一次,目前的最新版是2004年出版的第五版。与我国公路技术标准不同的是,绿皮书仅仅是一本设计指南,它实际上是提出了有关道路几何设计的一系列指导方针,设计人员在使用这套指导方针时可以有一定的灵活性。该书在序言中就明确申明了此书的目的在于向设计人员提供指导方针,对关键尺寸设计给出了推荐的设计数值范围。允许充分的灵活性是为了鼓励针对具体情况做出合适的特殊设计方案。美国作为一个联邦制国家,各个州可以根据自己的实际情况制定自己的法律,包括自己的设计标准。AASH—TO的《公路与城市道路几何设计政策》对一些主要技术指标推荐了一个参考值的范围,允许各州根据各自的特点确定本州的公路设计标准,而各州的技术标准取值一般都在AASHTO所提供的范围之内,但是也允许超出这个推荐范围。如美国加州根据本州特点,高速公路最大车速采用了130km/h,超过了AASHTO所规定的最大设计车速。由于各州的设计标准均以绿皮书作为基本标准或参考标准,这就给设计者在本州的公路设计中有更大的灵活性和创造性。而我国的公路技术标准则规定,在地形条件和经济条件的允许下应采用标准较高的值,只在严重受限的情况下才采用极限值(但是不推荐)。因此在我国以往的设计中,对标准的掌握容易存在两方面的不足:一是在所要求的公路等级范围内片面追求高标准,认为标准越高越好,不能因地制宜地运用标准,选择合适的线形使之适应当地的地形、地质情况,使有限资金得到充分利用。二是在执行标准时非常教条,对标准的各项指标理解不深刻,常常生搬硬套,导致设计的公路行车不舒适、不安全,也不美观。当然,灵活性设计决不能单纯地理解为对几何规范标准的降低,而是在满足道路安全性的前提下,灵活运用技术规范,尽量找出适应自然经济合理的线形。这样,公路建设才能与社会自然和谐地发展。关于路线的灵活性设计我国尚在研究探索中,未形成一套完整的设计方法。因此,美国的灵活性设计理念和方法对我国公路设计具有很好的借鉴作用。
 
4 线形设计的安全性
       公路的安全性设计是指从改善环境安全人手,通过在设计阶段的公路安全性评价,优化公路设计,从而弥补行车安全、车辆安全的不足,消除存在安全性隐患的线形组合,提高道路运营的安全可靠性、提升高速公路的安全服务水平。公路安全性设计首先是对设计的道路线形进行安全性评价,指出存在安全性隐患的路段或线形组合,从而提出线形修改的依据,进行线形设计的优化。从公路设计角度,安全评价的内容总体上可归并为包括平、纵、横的线形设计和包括净空宽度、路侧边坡、排水设施、交通工程的路侧设计等影响到行车安全的各种因素。美国在公路安全性方面的研究,主要集中在道路安全管理、几何设计一致性与实际运行速度评估、驾驶员行为调查分析及数学模型与辅助工具等方面。对公路线形的安全性评价主要通过对拟建道路的运行车速预测来对道路的安全性进行评价。目前,我国高速公路的安全运营状况不容乐观。交通事故率呈上升趋势。导致交通事故的原因是多方面的,包括路况、气候、驾驶员的因素等。但从道路线形设计而言,由于我国传统的基于计算行车速度的路线设计方法,只是规定了满足设计车速所要达到的平、纵线形指标,这样导致了各个弯道和纵坡都满足设计规范要求,而线形组合起来不一定是合理的线形,在道路实际运营中,将导致车辆的运行速度与线形指标脱节,形成交通事故的隐患。从交通事故的统计和分析看,虽然造成交通事故的原因是多方面的,但是线形设计是否合理是关系到高速公路安全性问题的根本问题,也是安全性评价的重要指标。鉴于基于计算行车速度的路线设计方法存在的缺陷,以运行车速设计方法作为我国现行设计方法的补充,是提高和改善我国高速公路行驶安全性的重要手段。我国2006年颁布的《公路路线设计规范》(JTGD20-2006)明确指出“各级公路平、纵技术指标变化大的路段,或条件受限制时采用平、纵技术指标最大值(或最小值)的路段,或平纵线形组合有异议的路段,或实际行驶速度可能超出(或低于)设计速度的路段等,应采用运行车速进行检验”。而在我国2004年颁布的《公路项目安全性评价指南》(JTG/TB05—2004)中,也把运行速度作为公路安全性评价的一个主要指标。利用预测的运行车速对项目的路线、路基路面、桥梁、隧道、路线交叉和交通工程及沿线设施的运营安全性进行评价。在设计速度应用方面,美国第56届TRB年会曾提出著名的(16kin/h)设计规则,亦即:①在规定的设计速度内,小客车设计速度的变化不超过16km/h~②相邻路段设计速度的改变不超过16km/h;③大车的平均速度比小客车的平均速度在任何时侯都不低于16km/h。一条较长的高速公路,可以根据交通量的大小和地形的变化情况分段采用不同的设计车速。同~地形范围内采用不同行车速度时,相邻计算行车速度之差不宜超过2Okin/h;当一条高速公路通过不同地形分区时,应结合地形和交通量的变化,行车速度也随之逐渐过渡,避免出现突变。不同计算行车速度的路段长度不宜过短,一般不小于20km,特殊情况下可为10km。设计车速是高速公路线形设计的主要依据,而车辆的实际运行速度则是衡量线形设计质量的评价依据。目前,美国及很多发达国家在公路路线设计中均广泛采用运行车速进行道路线形的均衡性、连续性、安全性的检验,并根据各国的情况提出了各自的评价标准。我国在参考国外经验的基础上,经过研究,也提出了我国公路线形设计的评价标准。
 
       相对我国公路路线设计而言,美国道路设计理论和体系更注重路线与地形、环境的配合和协调。在设计中充分强调路线的一致性和连续性,强调设计的灵活性。路线线形指标充分考虑了地形、地貌条件,为了使道路与地形条件、景观环境相协调,在满足规范安全性的基础上,不惜放宽线形设计指标。另外,在设计中采用了汽车运行车速的理念,路线设计中追求各线形指标的相互配合协调、高低指标之间的过渡缓和、路线线形均衡,追求实际行驶车速相对平稳等,这对降低工程造价、克服超速现象、减少交通事故、保护生态环境和道路景观及与环境的相互协调具有重要的意义。高速公路线形指标的均衡性、一致性、线形的连续性、线形和环境景观的协调性,以及线形设计的灵活性、安全性,作为现代公路设计的新理念已经广泛为国内外公路研究和设计领域所认同。而利用运行速度评价方法是通过运行车速检查评价,使公路线形各要素的设计达到连续、均衡和协调。采用预测运行速度评价道路线形设计质量,使得公路设计的上述要求由定性研究过渡到定量研究。运行速度预测已成为近年来国内外设计领域研究和应用的主要方法,也是研究的热点。因此在充分学习和理解的基础上,借鉴国外先进的设计理念和方法,对提高我国的公路设计水平具有重要意义。
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