1  交叉口豎向設計的基本原則和要點(diǎn)
交叉口豎向設計是為解決相交道路間、交叉口以及周?chē)ㄖ镌诹⒚嫖恢蒙系男熊?chē)、排水和建筑藝術(shù)諸方面的協(xié)調和統一，合理確定交叉口范圍內相交道路共同構筑面上各個(gè)點(diǎn)的設計標高，以使相交道路在交叉口范圍內能獲得一個(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(guān)和諧[1][2]。
交叉口豎向設計有如下基本原則和要點(diǎn)：
(1) 通過(guò)交叉口的主要道路可保持其設計縱坡、橫坡不變。
(2) 公路等級相同的道路交叉，當交通量相近時(shí)，設計時(shí)應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。當彼此縱坡不同時(shí)，一般可保持相交道路的設計縱坡不變，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，設計時(shí)至少應有一條道路的縱坡能將交叉口范圍內匯流的地面水排出。車(chē)行道兩側的邊溝縱坡不宜小于0.3%。并在該條道路交叉口路緣石轉角曲線(xiàn)的切點(diǎn)處設置必要的雨水口以截住來(lái)水。
(4) 在較平坦地形設置交叉口，其豎向設計宜采用傘形。即適當提高交叉口中心控制點(diǎn)的設計標高并以此控制點(diǎn)為中心沿路脊線(xiàn)向四周傾斜，以利排水、行車(chē)、美觀(guān)和銜接處理。
(5) 交叉口范圍內由于車(chē)速通常小于公路各等級的設計車(chē)速，故要求橫坡平緩。通常情況下其橫坡不大于直線(xiàn)路段設計橫斷面的橫坡度。
(6) 平面交叉的交叉角以直角或接近直角為宜。當受地形及其它持殊情況限制必須斜交時(shí)要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的交叉口設計。

2  常用的交叉口豎向設計方法
交叉口的豎向設計一般有以下三種方法[3]：
(1) 方格網(wǎng)法：
在交叉口范圍內，以相交道路的中心線(xiàn)為坐標基線(xiàn)打出5m×5m或10m×10m的方格網(wǎng)，測出各方格點(diǎn)的地面標高，計算確定設計標高和挖、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)單交叉口設計。
(2) 設計等高線(xiàn)法：
設計等高線(xiàn)法是在交叉口設計范圍內，選定路脊線(xiàn)和劃分標高計算線(xiàn)網(wǎng)，算出路脊線(xiàn)和標高計算線(xiàn)網(wǎng)上各點(diǎn)的設計標高，最后勾劃出設計等高線(xiàn)并計算出各點(diǎn)填、挖施工高度的方法。
設計等高線(xiàn)法與方格網(wǎng)法相比，能更清晰地反映交叉口的實(shí)際地形和豎向設計形狀；但存在著(zhù)設計等高線(xiàn)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計。
(3) 方格網(wǎng)設計等高線(xiàn)法：
方格網(wǎng)設計等高線(xiàn)法是前兩種方法的結合，集兩者之長(cháng)處。它先采用設計等高線(xiàn)法設計計算，再進(jìn)一步利用內插法算出方格網(wǎng)各角點(diǎn)的設計標高，標出各相應點(diǎn)的地面標高與施工填、挖高度。方格網(wǎng)設計等高線(xiàn)法適用于大型、復雜的道路交叉口豎向設計。
從以上設計方法比較中可以看出，方格網(wǎng)法多用于剛性路面的簡(jiǎn)單交叉口設計；設計等高線(xiàn)方法常用來(lái)解決柔性路面的交叉口設計；方格網(wǎng)設計等高線(xiàn)法集兩者之優(yōu)點(diǎn)，適用范圍最廣，既可解決柔性路面設計問(wèn)題，又可解決剛性路面設計問(wèn)題。下面我們討論一下方格網(wǎng)設計等高線(xiàn)法的具體設計步驟。

3  方格網(wǎng)設計等高線(xiàn)法設計步驟
方格網(wǎng)設計等高線(xiàn)法主要按如下步驟進(jìn)行[3]：
(1) 收集測量交通、排水、交叉道路的技術(shù)資料；
(2) 繪制交叉口平面圖；
(3) 確定交叉口的設計范圍。
交叉口的設計范圍除交叉口本身外，還應包括為使直線(xiàn)段的雙向橫坡過(guò)渡到圓曲線(xiàn)單向橫坡以及當圓曲線(xiàn)半徑小于250m和路脊線(xiàn)調整后路面寬度小于設計要求，在彎道內側應進(jìn)行加寬時(shí)需設置的超高和加寬緩和長(cháng)度。—般可取在緣石半徑的切點(diǎn)以外l0m長(cháng)度的整數倍(相當于數個(gè)方格的距離)的部分。
(4) 擬定交叉口的豎向設計圖式
應結合相交道路的公路等級、設計縱坡和凸形、凹形、馬鞍形等各種不同的地形選用適宜的豎向設計等高線(xiàn)型式，確定相鄰設計等高線(xiàn)的高差h，一般h＝0.05~0.10m。
(5) 計算確定交叉口中心控制點(diǎn)和各主要特征點(diǎn)的設計標高。
a、確定交叉口范圍內合適的路脊線(xiàn)并計算控制點(diǎn)標高。
路脊線(xiàn)即是路拱頂點(diǎn)的連線(xiàn)，是交叉口路面的分水線(xiàn)，通常也可認為是對向車(chē)輛行駛軌跡的分界線(xiàn)。其選定的合適與否直接影響到交叉口的排水、行車(chē)和路拱的勻稱(chēng)。因此路脊線(xiàn)的合理確定是交叉口豎向設計好壞的關(guān)鍵。

圖1  斜交T形路脊線(xiàn)調整示意圖 圖2  非對稱(chēng)Y形路脊線(xiàn)調整示意圖
在交叉口處，當相交道路中心線(xiàn)交會(huì )于一點(diǎn)時(shí)，路中心線(xiàn)即為路脊線(xiàn)，此匯交點(diǎn)即為中心控制點(diǎn)。但是對于非正交的交叉口時(shí)，要另外考慮。通常認為當斜交偏角不大，交叉角度在 時(shí)，可仍以原相交道路設計路中線(xiàn)作為路脊線(xiàn)；但當斜交偏角較大時(shí)，因為路拱的不勻稱(chēng)，原設計的路中線(xiàn)已不宜作為設計路脊線(xiàn)，應予適當調整。調整后新的中心控制點(diǎn)E的位置的選定，應考慮行車(chē)平順和整個(gè)交叉口布局的勻衡和美觀(guān)。目前常用的調整方法主要有重心法與等距離法兩種[3][4]。
對于如圖l中所示的交叉口，我們常采用重心法，即選取曲線(xiàn)多邊形OC1D1D2A2A1O的重心E作為調整后路脊線(xiàn)新的匯交點(diǎn)，即為中心控制點(diǎn)。調整后的新的路脊線(xiàn)為EA、ED和EC，三條新路脊線(xiàn)此時(shí)均偏離原路中心線(xiàn)，從而基本滿(mǎn)足使各路脊線(xiàn)能較勻稱(chēng)地位于各對向車(chē)輛行駛軌跡的分界線(xiàn)上的要求。采用重心法計算確定的重心E點(diǎn)位置還要求能基本符合其與主要車(chē)道路面邊緣線(xiàn)距離相等，即EG=EF，如相差較大時(shí)，可在EG線(xiàn)方向上作適當移位至滿(mǎn)足要求為止。對于如圖2所示的非對稱(chēng)Y形交叉，常采用等距離法；即調整后中心控制點(diǎn)E的位置應滿(mǎn)足等式EF=EH=EG。
交叉口中心控制點(diǎn)的標高主要依據相交道路的設計縱、橫坡度并可結合交叉口的實(shí)際地形、路面設計厚度、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(xiàn)交叉點(diǎn)控制標高時(shí)還應使相交道路彼此間的縱坡值相差不要太大，并應盡可能使其大致相等，這有利于豎向設計時(shí)的技術(shù)處理。
b、在路脊線(xiàn)與路邊線(xiàn)之間劃分計算網(wǎng)格，計算標高計算線(xiàn)上各點(diǎn)的設計標高。
標高計算線(xiàn)網(wǎng)的劃分?？刹捎梅礁窬W(wǎng)法、圓心法、等分法與平行線(xiàn)法等幾種[5]。方格網(wǎng)法是將道路平行于道路中心線(xiàn)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(xiàn)等分定出若干點(diǎn)，把這些點(diǎn)與路邊線(xiàn)的圓心相連劃分成計算網(wǎng)格，適用于路邊線(xiàn)為圓弧的情況；等分法是將道路路脊線(xiàn)及路邊線(xiàn)等分，連接路脊線(xiàn)及路邊線(xiàn)的等分點(diǎn)成計算網(wǎng)格，適用于各種情況；平行線(xiàn)法則先把路脊線(xiàn)交點(diǎn)與各條路邊線(xiàn)的圓心連成直線(xiàn)，然后把路脊線(xiàn)分成若干點(diǎn)，通過(guò)這些點(diǎn)作以上直線(xiàn)的平行線(xiàn)交于路邊線(xiàn)得計算網(wǎng)格，適用于正交的交叉口。
從以上計算網(wǎng)格劃分方法看，圓心法及等分法適用性較為廣泛。
(6) 勾劃交叉口設計等高線(xiàn)，繪制方格網(wǎng)。
通常情況下，等高線(xiàn)高差h為0.05~0.10m，依此勾劃交叉口設計等高線(xiàn)，并按道路中心線(xiàn)繪制5m×5m或10m×10m的方格網(wǎng)。
(7) 調整標高
按行車(chē)順適、有利排水的要求調整等高線(xiàn)的疏密，以使縱、橫被能變化均勻。
(8) 計算確定填、挖施工高度
根據等高線(xiàn)的標高，用補插法確定方格網(wǎng)點(diǎn)上的設計標高，并根據實(shí)際地面標高求出填、挖的施工高度。
4、復雜交叉口的設計方法
交叉口的型式多種多樣，從交叉口數目來(lái)分有三叉、四叉甚至五叉，從交角來(lái)分有正交、斜交，另外還有畸形交叉口及環(huán)形交叉口等等。那么對于比較復雜的交叉口來(lái)說(shuō)，該怎樣進(jìn)行設計呢？目前我們常采用的方法是區域等高線(xiàn)法[5]。
因為無(wú)論多么復雜的交叉口都可以找到路脊線(xiàn)和路邊線(xiàn)，路脊線(xiàn)和路邊線(xiàn)將復雜的交叉口劃分成若干區域，每個(gè)區域都由一條路脊線(xiàn)和不相交的一條路邊線(xiàn)組成，區域之間可以有公共的路脊線(xiàn)，但路邊線(xiàn)不能是公共的，通過(guò)這種劃分，復雜問(wèn)題就轉換成求解一條路脊線(xiàn)和一條路邊線(xiàn)之間等高線(xiàn)的問(wèn)題，從而使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。這就是區域等高線(xiàn)法的基本思路。
以圖3所示環(huán)形交叉口為例，區域等高線(xiàn)法的求解可按以下幾個(gè)步驟：
(1) 將交叉口按路脊線(xiàn)和路邊線(xiàn)劃分成若干區域。
(2) 對于每個(gè)區域，按等分法劃分計算網(wǎng)格，并得到計算線(xiàn)。
(3) 根據已知控制點(diǎn)的標高，按內插的方法求出計算網(wǎng)格角點(diǎn)的標高值。
(4) 計算標高計算線(xiàn)上各點(diǎn)的設計標高。
(5) 循環(huán)計算，對交叉口的每個(gè)區域都進(jìn)行設計。
(6) 勾劃交叉口設計等高線(xiàn)，繪制方格網(wǎng)。
(7) 調整標高，計算確定填、挖施工高度。
圖3  環(huán)形交叉口的區域等高線(xiàn)設計法

這樣就完成了一個(gè)區域的等高線(xiàn)圖，實(shí)現了對復雜交叉口的豎向設計?？梢园l(fā)現每條等高線(xiàn)在交叉口范圍內部都是連續的，這是因為雖然每個(gè)區域的等高線(xiàn)是單獨作出的，但區域與區域之間通過(guò)公共的路脊線(xiàn)相聯(lián)系的緣故。