1  交叉口豎向設(shè)計的基本原則和要點
交叉口豎向設(shè)計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)筑面上各個點的設(shè)計標(biāo)高，以使相交道路在交叉口范圍內(nèi)能獲得一個平順的面，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)計有如下基本原則和要點：
(1) 通過交叉口的主要道路可保持其設(shè)計縱坡、橫坡不變。
(2) 公路等級相同的道路交叉，當(dāng)交通量相近時，設(shè)計時應(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，一般可保持相交道路的設(shè)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(shè)計時至少應(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)計宜采用傘形。即適當(dāng)提高交叉口中心控制點的設(shè)計標(biāo)高并以此控制點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的設(shè)計車速，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要進(jìn)行專門的交叉口設(shè)計。

2  常用的交叉口豎向設(shè)計方法
交叉口的豎向設(shè)計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)，測出各方格點的地面標(biāo)高，計算確定設(shè)計標(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單交叉口設(shè)計。
(2) 設(shè)計等高線法：
設(shè)計等高線法是在交叉口設(shè)計范圍內(nèi)，選定路脊線和劃分標(biāo)高計算線網(wǎng)，算出路脊線和標(biāo)高計算線網(wǎng)上各點的設(shè)計標(biāo)高，最后勾劃出設(shè)計等高線并計算出各點填、挖施工高度的方法。
設(shè)計等高線法與方格網(wǎng)法相比，能更清晰地反映交叉口的實際地形和豎向設(shè)計形狀；但存在著設(shè)計等高線上各點位置不易放樣的缺點。該法普遍用于一般道路的交叉口設(shè)計。
(3) 方格網(wǎng)設(shè)計等高線法：
方格網(wǎng)設(shè)計等高線法是前兩種方法的結(jié)合，集兩者之長處。它先采用設(shè)計等高線法設(shè)計計算，再進(jìn)一步利用內(nèi)插法算出方格網(wǎng)各角點的設(shè)計標(biāo)高，標(biāo)出各相應(yīng)點的地面標(biāo)高與施工填、挖高度。方格網(wǎng)設(shè)計等高線法適用于大型、復(fù)雜的道路交叉口豎向設(shè)計。
從以上設(shè)計方法比較中可以看出，方格網(wǎng)法多用于剛性路面的簡單交叉口設(shè)計；設(shè)計等高線方法常用來解決柔性路面的交叉口設(shè)計；方格網(wǎng)設(shè)計等高線法集兩者之優(yōu)點，適用范圍最廣，既可解決柔性路面設(shè)計問題，又可解決剛性路面設(shè)計問題。下面我們討論一下方格網(wǎng)設(shè)計等高線法的具體設(shè)計步驟。

3  方格網(wǎng)設(shè)計等高線法設(shè)計步驟
方格網(wǎng)設(shè)計等高線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(shè)計范圍。
交叉口的設(shè)計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)計要求，在彎道內(nèi)側(cè)應(yīng)進(jìn)行加寬時需設(shè)置的超高和加寬緩和長度。—般可取在緣石半徑的切點以外l0m長度的整數(shù)倍(相當(dāng)于數(shù)個方格的距離)的部分。
(4) 擬定交叉口的豎向設(shè)計圖式
應(yīng)結(jié)合相交道路的公路等級、設(shè)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(shè)計等高線型式，確定相鄰設(shè)計等高線的高差h，一般h＝0.05~0.10m。
(5) 計算確定交叉口中心控制點和各主要特征點的設(shè)計標(biāo)高。
a、確定交叉口范圍內(nèi)合適的路脊線并計算控制點標(biāo)高。
路脊線即是路拱頂點的連線，是交叉口路面的分水線，通常也可認(rèn)為是對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于一點時，路中心線即為路脊線，此匯交點即為中心控制點。但是對于非正交的交叉口時，要另外考慮。通常認(rèn)為當(dāng)斜交偏角不大，交叉角度在 時，可仍以原相交道路設(shè)計路中線作為路脊線；但當(dāng)斜交偏角較大時，因為路拱的不勻稱，原設(shè)計的路中線已不宜作為設(shè)計路脊線，應(yīng)予適當(dāng)調(diào)整。調(diào)整后新的中心控制點E的位置的選定，應(yīng)考慮行車平順和整個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，即為中心控制點。調(diào)整后的新的路脊線為EA、ED和EC，三條新路脊線此時均偏離原路中心線，從而基本滿足使各路脊線能較勻稱地位于各對向車輛行駛軌跡的分界線上的要求。采用重心法計算確定的重心E點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，可在EG線方向上作適當(dāng)移位至滿足要求為止。對于如圖2所示的非對稱Y形交叉，常采用等距離法；即調(diào)整后中心控制點E的位置應(yīng)滿足等式EF=EH=EG。
交叉口中心控制點的標(biāo)高主要依據(jù)相交道路的設(shè)計縱、橫坡度并可結(jié)合交叉口的實際地形、路面設(shè)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交叉點控制標(biāo)高時還應(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)計時的技術(shù)處理。
b、在路脊線與路邊線之間劃分計算網(wǎng)格，計算標(biāo)高計算線上各點的設(shè)計標(biāo)高。
標(biāo)高計算線網(wǎng)的劃分?？刹捎梅礁窬W(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，把這些點與路邊線的圓心相連劃分成計算網(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成計算網(wǎng)格，適用于各種情況；平行線法則先把路脊線交點與各條路邊線的圓心連成直線，然后把路脊線分成若干點，通過這些點作以上直線的平行線交于路邊線得計算網(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(shè)計等高線，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)點上的設(shè)計標(biāo)高，并根據(jù)實際地面標(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。那么對于比較復(fù)雜的交叉口來說，該怎樣進(jìn)行設(shè)計呢？目前我們常采用的方法是區(qū)域等高線法[5]。
因為無論多么復(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) 對于每個區(qū)域，按等分法劃分計算網(wǎng)格，并得到計算線。
(3) 根據(jù)已知控制點的標(biāo)高，按內(nèi)插的方法求出計算網(wǎng)格角點的標(biāo)高值。
(4) 計算標(biāo)高計算線上各點的設(shè)計標(biāo)高。
(5) 循環(huán)計算，對交叉口的每個區(qū)域都進(jìn)行設(shè)計。
(6) 勾劃交叉口設(shè)計等高線，繪制方格網(wǎng)。
(7) 調(diào)整標(biāo)高，計算確定填、挖施工高度。
圖3  環(huán)形交叉口的區(qū)域等高線設(shè)計法

這樣就完成了一個區(qū)域的等高線圖，實現(xiàn)了對復(fù)雜交叉口的豎向設(shè)計?？梢园l(fā)現(xiàn)每條等高線在交叉口范圍內(nèi)部都是連續(xù)的，這是因為雖然每個區(qū)域的等高線是單獨作出的，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。