1  交叉口豎向設(shè)計(jì)的基本原則和要點(diǎn)
交叉口豎向設(shè)計(jì)是為解決相交道路間、交叉口以及周圍建筑物在立面位置上的行車、排水和建筑藝術(shù)諸方面的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，合理確定交叉口范圍內(nèi)相交道路共同構(gòu)筑面上各個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高，以使相交道路在交叉口范圍內(nèi)能獲得一個(gè)平順的面，從而保證交通安全、排水通暢和建筑造型的美觀和諧[1][2]。
交叉口豎向設(shè)計(jì)有如下基本原則和要點(diǎn)：
(1) 通過交叉口的主要道路可保持其設(shè)計(jì)縱坡、橫坡不變。
(2) 公路等級(jí)相同的道路交叉，當(dāng)交通量相近時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能使相交道路的縱坡大致相等，且差值不大于0.5%為宜。當(dāng)彼此縱坡不同時(shí)，一般可保持相交道路的設(shè)計(jì)縱坡不變，并改變較小縱坡道路的橫斷面使其與縱坡較大道路的縱坡相一致。
(3) 為了利于排水，設(shè)計(jì)時(shí)至少應(yīng)有一條道路的縱坡能將交叉口范圍內(nèi)匯流的地面水排出。車行道兩側(cè)的邊溝縱坡不宜小于0.3%。并在該條道路交叉口路緣石轉(zhuǎn)角曲線的切點(diǎn)處設(shè)置必要的雨水口以截住來水。
(4) 在較平坦地形設(shè)置交叉口，其豎向設(shè)計(jì)宜采用傘形。即適當(dāng)提高交叉口中心控制點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高并以此控制點(diǎn)為中心沿路脊線向四周傾斜，以利排水、行車、美觀和銜接處理。
(5) 交叉口范圍內(nèi)由于車速通常小于公路各等級(jí)的設(shè)計(jì)車速，故要求橫坡平緩。通常情況下其橫坡不大于直線路段設(shè)計(jì)橫斷面的橫坡度。
(6) 平面交叉的交叉角以直角或接近直角為宜。當(dāng)受地形及其它持殊情況限制必須斜交時(shí)要進(jìn)行專門的交叉口設(shè)計(jì)。

2  常用的交叉口豎向設(shè)計(jì)方法
交叉口的豎向設(shè)計(jì)一般有以下三種方法[3]：
(1) 方格網(wǎng)法：
在交叉口范圍內(nèi)，以相交道路的中心線為坐標(biāo)基線打出5m×5m或10m×10m的方格網(wǎng)，測(cè)出各方格點(diǎn)的地面標(biāo)高，計(jì)算確定設(shè)計(jì)標(biāo)高和挖、填施工高度的方法即為方格網(wǎng)法。
方格網(wǎng)法便于施工放樣，通常適用于道路正交或接近于正交的簡(jiǎn)單交叉口設(shè)計(jì)。
(2) 設(shè)計(jì)等高線法：
設(shè)計(jì)等高線法是在交叉口設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，選定路脊線和劃分標(biāo)高計(jì)算線網(wǎng)，算出路脊線和標(biāo)高計(jì)算線網(wǎng)上各點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高，最后勾劃出設(shè)計(jì)等高線并計(jì)算出各點(diǎn)填、挖施工高度的方法。
設(shè)計(jì)等高線法與方格網(wǎng)法相比，能更清晰地反映交叉口的實(shí)際地形和豎向設(shè)計(jì)形狀；但存在著設(shè)計(jì)等高線上各點(diǎn)位置不易放樣的缺點(diǎn)。該法普遍用于一般道路的交叉口設(shè)計(jì)。
(3) 方格網(wǎng)設(shè)計(jì)等高線法：
方格網(wǎng)設(shè)計(jì)等高線法是前兩種方法的結(jié)合，集兩者之長(zhǎng)處。它先采用設(shè)計(jì)等高線法設(shè)計(jì)計(jì)算，再進(jìn)一步利用內(nèi)插法算出方格網(wǎng)各角點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高，標(biāo)出各相應(yīng)點(diǎn)的地面標(biāo)高與施工填、挖高度。方格網(wǎng)設(shè)計(jì)等高線法適用于大型、復(fù)雜的道路交叉口豎向設(shè)計(jì)。
從以上設(shè)計(jì)方法比較中可以看出，方格網(wǎng)法多用于剛性路面的簡(jiǎn)單交叉口設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)等高線方法常用來解決柔性路面的交叉口設(shè)計(jì)；方格網(wǎng)設(shè)計(jì)等高線法集兩者之優(yōu)點(diǎn)，適用范圍最廣，既可解決柔性路面設(shè)計(jì)問題，又可解決剛性路面設(shè)計(jì)問題。下面我們討論一下方格網(wǎng)設(shè)計(jì)等高線法的具體設(shè)計(jì)步驟。

3  方格網(wǎng)設(shè)計(jì)等高線法設(shè)計(jì)步驟
方格網(wǎng)設(shè)計(jì)等高線法主要按如下步驟進(jìn)行[3]：
(1) 收集測(cè)量交通、排水、交叉道路的技術(shù)資料；
(2) 繪制交叉口平面圖；
(3) 確定交叉口的設(shè)計(jì)范圍。
交叉口的設(shè)計(jì)范圍除交叉口本身外，還應(yīng)包括為使直線段的雙向橫坡過渡到圓曲線單向橫坡以及當(dāng)圓曲線半徑小于250m和路脊線調(diào)整后路面寬度小于設(shè)計(jì)要求，在彎道內(nèi)側(cè)應(yīng)進(jìn)行加寬時(shí)需設(shè)置的超高和加寬緩和長(zhǎng)度。—般可取在緣石半徑的切點(diǎn)以外l0m長(zhǎng)度的整數(shù)倍(相當(dāng)于數(shù)個(gè)方格的距離)的部分。
(4) 擬定交叉口的豎向設(shè)計(jì)圖式
應(yīng)結(jié)合相交道路的公路等級(jí)、設(shè)計(jì)縱坡和凸形、凹形、馬鞍形等各種不同的地形選用適宜的豎向設(shè)計(jì)等高線型式，確定相鄰設(shè)計(jì)等高線的高差h，一般h＝0.05~0.10m。
(5) 計(jì)算確定交叉口中心控制點(diǎn)和各主要特征點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高。
a、確定交叉口范圍內(nèi)合適的路脊線并計(jì)算控制點(diǎn)標(biāo)高。
路脊線即是路拱頂點(diǎn)的連線，是交叉口路面的分水線，通常也可認(rèn)為是對(duì)向車輛行駛軌跡的分界線。其選定的合適與否直接影響到交叉口的排水、行車和路拱的勻稱。因此路脊線的合理確定是交叉口豎向設(shè)計(jì)好壞的關(guān)鍵。

圖1  斜交T形路脊線調(diào)整示意圖 圖2  非對(duì)稱Y形路脊線調(diào)整示意圖
在交叉口處，當(dāng)相交道路中心線交會(huì)于一點(diǎn)時(shí)，路中心線即為路脊線，此匯交點(diǎn)即為中心控制點(diǎn)。但是對(duì)于非正交的交叉口時(shí)，要另外考慮。通常認(rèn)為當(dāng)斜交偏角不大，交叉角度在 時(shí)，可仍以原相交道路設(shè)計(jì)路中線作為路脊線；但當(dāng)斜交偏角較大時(shí)，因?yàn)槁饭暗牟粍蚍Q，原設(shè)計(jì)的路中線已不宜作為設(shè)計(jì)路脊線，應(yīng)予適當(dāng)調(diào)整。調(diào)整后新的中心控制點(diǎn)E的位置的選定，應(yīng)考慮行車平順和整個(gè)交叉口布局的勻衡和美觀。目前常用的調(diào)整方法主要有重心法與等距離法兩種[3][4]。
對(duì)于如圖l中所示的交叉口，我們常采用重心法，即選取曲線多邊形OC1D1D2A2A1O的重心E作為調(diào)整后路脊線新的匯交點(diǎn)，即為中心控制點(diǎn)。調(diào)整后的新的路脊線為EA、ED和EC，三條新路脊線此時(shí)均偏離原路中心線，從而基本滿足使各路脊線能較勻稱地位于各對(duì)向車輛行駛軌跡的分界線上的要求。采用重心法計(jì)算確定的重心E點(diǎn)位置還要求能基本符合其與主要車道路面邊緣線距離相等，即EG=EF，如相差較大時(shí)，可在EG線方向上作適當(dāng)移位至滿足要求為止。對(duì)于如圖2所示的非對(duì)稱Y形交叉，常采用等距離法；即調(diào)整后中心控制點(diǎn)E的位置應(yīng)滿足等式EF=EH=EG。
交叉口中心控制點(diǎn)的標(biāo)高主要依據(jù)相交道路的設(shè)計(jì)縱、橫坡度并可結(jié)合交叉口的實(shí)際地形、路面設(shè)計(jì)厚度、建筑物的布局等因素綜合考慮確定。在確定相交道路中心線交叉點(diǎn)控制標(biāo)高時(shí)還應(yīng)使相交道路彼此間的縱坡值相差不要太大，并應(yīng)盡可能使其大致相等，這有利于豎向設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)處理。
b、在路脊線與路邊線之間劃分計(jì)算網(wǎng)格，計(jì)算標(biāo)高計(jì)算線上各點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高。
標(biāo)高計(jì)算線網(wǎng)的劃分常可采用方格網(wǎng)法、圓心法、等分法與平行線法等幾種[5]。方格網(wǎng)法是將道路平行于道路中心線劃分成5m×5m或10m×10m的方格網(wǎng)，適合于正交的交叉口；圓心法是將道路路脊線等分定出若干點(diǎn)，把這些點(diǎn)與路邊線的圓心相連劃分成計(jì)算網(wǎng)格，適用于路邊線為圓弧的情況；等分法是將道路路脊線及路邊線等分，連接路脊線及路邊線的等分點(diǎn)成計(jì)算網(wǎng)格，適用于各種情況；平行線法則先把路脊線交點(diǎn)與各條路邊線的圓心連成直線，然后把路脊線分成若干點(diǎn)，通過這些點(diǎn)作以上直線的平行線交于路邊線得計(jì)算網(wǎng)格，適用于正交的交叉口。
從以上計(jì)算網(wǎng)格劃分方法看，圓心法及等分法適用性較為廣泛。
(6) 勾劃交叉口設(shè)計(jì)等高線，繪制方格網(wǎng)。
通常情況下，等高線高差h為0.05~0.10m，依此勾劃交叉口設(shè)計(jì)等高線，并按道路中心線繪制5m×5m或10m×10m的方格網(wǎng)。
(7) 調(diào)整標(biāo)高
按行車順適、有利排水的要求調(diào)整等高線的疏密，以使縱、橫被能變化均勻。
(8) 計(jì)算確定填、挖施工高度
根據(jù)等高線的標(biāo)高，用補(bǔ)插法確定方格網(wǎng)點(diǎn)上的設(shè)計(jì)標(biāo)高，并根據(jù)實(shí)際地面標(biāo)高求出填、挖的施工高度。
4、復(fù)雜交叉口的設(shè)計(jì)方法
交叉口的型式多種多樣，從交叉口數(shù)目來分有三叉、四叉甚至五叉，從交角來分有正交、斜交，另外還有畸形交叉口及環(huán)形交叉口等等。那么對(duì)于比較復(fù)雜的交叉口來說，該怎樣進(jìn)行設(shè)計(jì)呢？目前我們常采用的方法是區(qū)域等高線法[5]。
因?yàn)闊o論多么復(fù)雜的交叉口都可以找到路脊線和路邊線，路脊線和路邊線將復(fù)雜的交叉口劃分成若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都由一條路脊線和不相交的一條路邊線組成，區(qū)域之間可以有公共的路脊線，但路邊線不能是公共的，通過這種劃分，復(fù)雜問題就轉(zhuǎn)換成求解一條路脊線和一條路邊線之間等高線的問題，從而使問題得到簡(jiǎn)化。這就是區(qū)域等高線法的基本思路。
以圖3所示環(huán)形交叉口為例，區(qū)域等高線法的求解可按以下幾個(gè)步驟：
(1) 將交叉口按路脊線和路邊線劃分成若干區(qū)域。
(2) 對(duì)于每個(gè)區(qū)域，按等分法劃分計(jì)算網(wǎng)格，并得到計(jì)算線。
(3) 根據(jù)已知控制點(diǎn)的標(biāo)高，按內(nèi)插的方法求出計(jì)算網(wǎng)格角點(diǎn)的標(biāo)高值。
(4) 計(jì)算標(biāo)高計(jì)算線上各點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高。
(5) 循環(huán)計(jì)算，對(duì)交叉口的每個(gè)區(qū)域都進(jìn)行設(shè)計(jì)。
(6) 勾劃交叉口設(shè)計(jì)等高線，繪制方格網(wǎng)。
(7) 調(diào)整標(biāo)高，計(jì)算確定填、挖施工高度。
圖3  環(huán)形交叉口的區(qū)域等高線設(shè)計(jì)法

這樣就完成了一個(gè)區(qū)域的等高線圖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜交叉口的豎向設(shè)計(jì)。可以發(fā)現(xiàn)每條等高線在交叉口范圍內(nèi)部都是連續(xù)的，這是因?yàn)殡m然每個(gè)區(qū)域的等高線是單獨(dú)作出的，但區(qū)域與區(qū)域之間通過公共的路脊線相聯(lián)系的緣故。