城市道路设计方法中几个问题的探讨
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摘要：现行的城市道路设计方法基本承袭公路设计方法。城市道路的工作状态与运行特征与公路具有很大区别，在新时代的建设条件与管理要求下，源于公路的设计方法已呈现出相当多的缺陷。本文对设计车速与管理限速、纵断面最小坡度、交叉通组织及沥青路面设计等方面通常设计方法及其存在的问题进行了简单分析，并提供了改进设计方法的思路。
关键词：城市道路、公路、设计方法
中图分类号：U412.37 文献标识码：A文章编号：
A Discussion on Some Problems in Urban Road Design Method
Wang Zhijiang 1 , Cheng Jianchuan2 ,Wang Jichun3
（1. Zhejiang Prov. Institute of Architecture Design and Research, Hangzhou 310006, China）
（2. School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China）
（3.The Construction Headquarters of Hangzhou Hi-Tech Industry Development Zone（Binjiang）,Hangzhou 310051,China）
Abstract. Current design methods of urban road mainly inherit from those of highway. But the working state and the operating characteristic of urban road are very different from those of highway. Under the construction conditions and the management requirements of new age, the methods have revealed quite a few faultiness. In connection with the problems of common urban road design, such as design speed and speed limit, minimum longitudinal gradient, traffic organization at road intersection, bituminous concrete pavement etc, this paper makes some simple analysis and offers improvement opinions.
Keywords: urban road, highway, design method
城市道路系指在城市范围内，供车辆及行人通行的，具有一定技术条件和设施的道路。作为城市中覆盖面最广阔的土木工程，城市道路不仅承担绝大部分城市交通，更是路灯、给排水管道、电力、通讯、燃气、供热等市政设施的基本载体。城市道路不但是城市运行的“血管”，同时也是城市扩张的“先锋”。
我国现行城市道路设计的指导思想、基础理论、技术要求等大多参照公路相关内容，经过数十年的实践，虽已形成较为完善的体系，为国民经济的发展、社会的进步作出了巨大的贡献，但现行的设计方法中仍然或多或少的存在一些缺陷，并且在新时代的建设条件和管理要求下，某些问题还相当突出。笔者根据自身工作经验，对其中几个问题进行探讨。
1、设计车速与管理限速
设计速度（Design Speed）是道路几何设计所采用的基本要素，系指在气候条件良好，车辆只受道路本身条件影响时，具有中等驾驶技术水平的人员能够安全、舒适驾驶车辆的速度。设计速度的定义中至少隐含了两个基本前提：一、速度值确定，设计车辆运行状态为理想的连续行车状态；二、运行环境单纯，没有或忽略侧向、对向及同向干扰，呈自由流状态。在交通条件适当的情况下，机动车在公路上的运行速度与设计车速也较为接近。（新建）公路交通工程设计中直接引用设计速度作为道路管理限速（Speed Limit）指标一般也能满通安全（行车安全）的要求。
通常城市道路设计流程中一般根据道路等级及规范要求大致圈定设计速度的范围，再根据规划条件确定具体数值，并进行后续道路几何设计。市政工程师使用的路线设计方法与公路大同小异，同样是以设计速度为核心的均衡设计法（Design Consistency）。此外，市政工程师在进行交通设施设计时，往往也直接引用设计速度作为道路限速指标。然而，城市道路（快速路除外）的特点是路网密度大、交叉口多、路段里程短、交通组成复杂。由于存在诸多约束，即使是在交通量很小的条件下，机动车也很难做到连续行驶，更谈不上自由流状态，城市道路的实际运行速度往往大幅度低于设计车速或管理限速（简称“速低限高”，下同）。
以杭州市滨江区江南大道为例，该道路红线宽50m，双向六车道城市主干路，设计速度与道路限速均为80km/h。道路位于新城区，两侧地块尚未开发，交通量不大，道路线形简单，纵坡平缓，路面状况良好，全线灯控交叉口均采用绿波信号机控制。
笔者利用雷达测速仪连续进行了五天的测速实验，观测时段为下午14:30~15:30，实验期间天气晴好。观测获得的3690个实测数据中仅36个达到或超过80km/h，占样本总数的0.98%；217个数据接近道路限速（70~79km/h），占样本总数的5.88%。观测实验所在的江南大道交通环境十分理想，远超过杭州市区其它同等规模的城市主干路，由于采用绿波信号机，其运行状态一定程度上甚至接近城市快速路。如此优越的条件下，机动车实际运行速度与管理限速或设计车速仍然相差甚远，所有被观测车辆的平均速度仅为55.8km/h。
由上述案例不难推断，“速低限高”的情况在城市道路（网）中普遍存在，而设计标准较高的主干路则更加突出。（大量）信号控制交叉口的存在是造成城市道路“速低限高”的主要原因。换言之，城市道路对机动车运行速度构成的实质性约束通常不是平曲线要素而是交叉口距离。从行车安全角度考虑，基于连续行车、自由流状态的设计速度可以认为是一种极端的运行速度，以其作为路线设计核心指标是偏安全的，也是合适的。从行人安全角度考虑，“速低限高”实质上无异于鼓励超速，交叉口附近隐患极大，直接引用设计速度作为道路限速的方法则比较草率，存在危险。通过交叉口距离计算可能的运行速度，从而确定道路限速，更为严谨、恰当，具体方法另文讨论，本文不多敷述。
二、道路纵断面设计
根据《城市道路工程设计规范》（CJJ37-2012，简称《规范》，下同）要求，道路最小纵坡是能保证排水和防止管道淤塞所需的最小纵坡，不应小于0.3%；最小坡长的限制从汽车行驶平顺度、乘客的舒适性、视距以及相邻两竖曲线的布设等方面综合考虑，按10s的汽车行车距离取值；竖曲线的设置主要考虑顺适行车，最小长度极限值采用3s的行程距离，一般值规定为极限值的2.5倍。
城市道路设计标高一般会略低于路侧建筑室外地坪标高。为保证与周边地块衔接，城市道路纵断面通常呈现坡长短、坡度（差）小的特征。相对旧规范（CJJ37-90，下同），《规范》对坡长的限制有所降低，对地形的适应性稍有利。同时，新规范对竖曲线长度的要求有较大提高，使得同等坡长条件下的路面实际坡度大幅度下降。例如：设计车速60km/h的道路，坡长、竖曲线长度分别按《规范》要求（一般）最小值150m、120m进行布置，连续三段纵坡坡度分别为-0.3%、0.3%、-0.3%的条件下，相邻两竖曲线顶点与底点之间高差为0.27m，相邻变坡点150m的距离中有80%的路面坡段小于0.3%，路面平均纵坡（率）更只有0.18%。城市道路中大量存在坡长、坡度最小值并用的情况，按照新规范要求，路面虽然更趋平坦，但实际上对纵向排水不利。
图1最小纵坡各参数示意
《规范》中对于最小坡度的规定是不考虑筑路材料特征的无差别规定。近年，SMA、Superpave、OGFC等新材料大量应用，新材料的共同特征是具有粗糙的微观表面、更大的构造深度和摩阻系数。新材料铺筑的路面，0.3%的坡度未必能满足纵向排水要求。极端情况下，比如透水路面，0.3%的最小坡度就毫无意义。
笔者认为，城市道路最小坡度不应简单理解为以百分率表示的路线纵断面上同一坡段两点间最小高差与其水平距离的比值，而至少应该按实际路面平均纵坡（率）进行验算，当其能够满足最小排水坡度要求时，才是合理的最小纵坡。此外，不同筑路材料对应的最小纵坡指标也是一个必须注意的问题。
三、交叉通组织
随着国民经济的发展，家用轿车迅速普及，城市交通日甚恶化，大城市中心城区早晚高峰时间交叉口更成为堵中之堵。缩短交叉口延误时间是交叉通组织设计的核心；在一个周期的绿灯时间内疏散进口道范围的车辆，并不遗留至下一信号周期是交通组织设计的理想结果。市政工程师常用的技术手段不外乎设置待驶区、增加进口道、延长续车段、调整信号配时等，但以上技术手段若应用不当，反而会加剧拥堵。
道路交叉口的通行效率取决于进口车道数，疏散能力取决于出口车道数。以直行车道为例，若进口道直行车道数少于出口车道数，在同等交通量的条件下会延长排队长度，降低通行效率。交叉口停止线前等待通行机动车密度远超一般路段，车辆间距往往只有1~2m，车流运动至出口道时，各车之间并不一定能拉开足够的距离。多设进口车道看似能够提高疏散能力，但超过出口车道数，车辆在到达出口道之前很难完成合流交织，反而会在出口处引起混乱和事故，制造新的拥堵。笔者认为，设计良好的交叉口，至少应遵循“直行对应、转向平衡”的渠化原则，即进口道机动车直行车道数与出口车道数相当；本方向左转机动车道与对向进口道右转机动车道数之和不超过相交道路出口车道数。一般情况下，进口道数量不宜超过路段单向机动车道的两倍。例如：两条双向六车道（单向三车道）的主干路平交，交叉口进口道数量不宜超过六条，转向车道配置可视情况设为两个左转、三个直行及一个右转车道或一个左转、三个直行及两个右转车道。在用地条件许可的情况下，城市道路特别是主干道交叉口进口道宜可能布置为专用转向车道，避免设置诸如直左合一、直右合一之类的兼容型转向车道。由于非机动车道与人行道一般位于机动车道右侧，右转机动车不可避免的会与非机动车和行人产生冲突，因此就“十”字交叉而言，三相位是更为合适的信号控制方式。
图2交叉口进口道转向配置示意
四、沥青路面设计
城市道路沥青路面设计方法全面承袭公路，都是以弯沉和弯拉应力为设计指标；多层弹性层状体系为力学模型，以累计当量轴次作用下产生疲劳破坏的结构层厚度计算方法。通常认为道路等级越高，交通量越大，累计当量轴次也就越高，路面结构层（基层）越厚。城市道路，尤其是中心城区道路的机动车主要由小轿车与公交车组成，前者占大部分。受政策约束，一般情况下货车禁止入城。城市道路特别是中心城区道路，交通量与其累计当量轴次之间并不构成正向关联。按饱和状态进行计算，设计速度60km/h对应的一条车道的基本通行能力1800pcu/h，若交通量中95%为小轿车，5%为公共汽车；小轿车轴重按10KN，公共汽车前轴按40KN，后轴按80KN计，每小时当量轴次44次。若每天24小时均按此标准计算，则15年内一条车道的累计当量轴次不过为573万次。实际情况下交通量不可能达到通行能力标准，更不可能24小时处于饱和状态，累计当量轴次将远低于573万次，甚至连100万次都难以达到，处于轻交通状态。理论计算，主要持力层（半刚性）基层的厚度只要20厘米即可满足要求，显然与实际设计使用的指标严重不符。
城市新区道路的运行状态又与中心城区大相径庭。道路建设初期首先作为道路两侧地块开发的施工通道使用。工程车普遍超载甚至超限，路面早期荷载强度大大超过正常状态，工作环境非常恶劣，往往在短时间内就能产生严重的结构性破坏。这种情况在新兴城区，特别是城郊开发区道路建设中十分普遍。设计人员除增加基层厚度别无它法。由于这种破坏状态与交通量或累计当量轴次基本无关，解决方案缺少设计依据，甚至没有理论支持。
以上两种类型的道路都可证明，以累计当量轴次为基础参数的设计方法在城市道路路面设计中的存在较大局限，很难正确、有效的指导设计，只能作为参考。
五、结论与建议
随着城市化进程的深入，城市道路建设也越来越精细。传统的理论体系和设计方法日益显现出缺陷和不足，具体设计时至少应注意以下问题：
（1）根据道路（网）的构成特征，城市道路对机动车运行速度构成的实质性约束通常不是平曲线要素而是交叉口距离。通过交叉口距离计算可能的运行速度，从而确定道路限速，更为严谨、恰当的方法。
（2）道路纵断面设计中最小坡度宜根据筑路材料的物理特性确定，控制值以相邻竖曲线顶点与底点之间坡段的平均值为宜。
（3）交叉通组织设计至少应遵循“直行对应、转向平衡”的渠化原则，在饱和或超饱和以及混合交通条件下，相对通行效率，交通秩序是更重要的考虑因素。
（4）鉴于车辆组成与运行方式的特征，不同区域的城市道路路面工作环境存在很大区别，以累计当量轴次为基础指标的设计方法存在较大局限，很难正确、有效的指导设计，只能作为参考。
参考文献
[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 城市道路工程设计规范（CJJ37-2012）. 北京：中国建筑工业出版社. 2012
[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 城市道路交叉口设计规程（CJJ152-2010）. 北京：中国建筑工业出版社. 2010
[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 城镇道路路面设计规范（CJJ169-2012）. 北京：中国建筑工业出版社. 2012
[4] 中华人民共和国交通部. 公路工程技术标准（JTG B01-2003）. 北京：人民交通出版社. 2004
[5] 中华人民共和国交通部. 公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）. 北京：人民交通出版社. 2006
[6]AASHTO. A Policy on Geometric Design of Highways and Streets 2011. American Association of State Highway and Transportation Official. Washington D.C. 2011
作者简介：王之江（1978-），男，道路主任工程师，主要研究方向：城市道路规划与设计。