山西高速公路幾何線形控制設計車輛的思考

劉 海

（山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

如何選擇公路路線幾何線形的設計控制要素如設計標準和控制設計車輛，不僅影響公路交通安全，還將對經濟和自然環境帶來影響。尤其是高速公路，設計服務水平高、車速快、交通量大、附屬設施類型多，對設計標準和控制設計車輛等的要求更復雜。為此，在選擇高速公路幾何線形的設計控制要素時，應綜合考慮地形地貌、投資預算、駕駛行為、用戶需求、環保協調等因素。

近年來，我國高速公路交通安全問題日趨嚴重。通過對山西及其他省市高速公路交通事故的分析和現場調查發現[1-2]：山西78%的高速公路單車傷亡事故涉及車輛為客運車；22%的單車事故和88%的多車事故涉及各種卡車；拖掛車發生事故時經常出現“折疊刀效應”（見圖1），中斷交通，引發二次事故；在匝道出入口上卡車交通事故頻繁，且同類事故在同一匝道上重復發生。雖然交通事故誘發原因復雜，但調查結果表明幾何設計過程中控制設計車輛的選擇影響作用重大。本文基于山西高速公路交通事故實際調查結果，以美國有關方法為依托，結合高速公路運營車輛實際尺寸，粗淺探討山西高速公路線形設計控制設計車輛的選擇問題，以供借鑒。

1 車輛分類

圖1 拖掛車事故的“折疊刀效應”

高速公路主要服務用戶為機動車輛，如小汽車（轎車）、客車、廂式卡車和拖掛車等。不同類型的車輛，其外廓尺寸、動力性能、載重和重心不同，在行駛中占用的面積、機動性能和行駛中的慣性相差較大，幾乎影響高速公路設計的方方面面，如車道寬度、平曲線半徑和長度、縱坡坡度和長度、凈空高度等。以美國AASHTO《公路和城市道路幾何設計指南》為例，它首先將機動車輛分成四大類，包括小汽車、大客車、卡車和休閑車等，然后根據車輛的尺寸，將每類機動車進一步劃分為19種設計車輛，僅卡車就有9種。如圖2所示是美國常見的卡車示意圖，其中半掛列車約占整個貨運交通量的60%～70%，普通卡車約占整個貨運交通量的20%～30%。

圖2 美國常見貨運卡車示意圖

我國機動車輛的分類是按國家標準《汽車和掛車類型的術語和定義》[3]確定，它首先將機動車輛分成兩大類，即乘用車和商用車。乘用車包括轎車、越野車、商務車、運動休閑車和特殊乘用車等，共11種車、14種車型；商用車包括各種客車、半掛牽引車和貨車等，共15種車型。另外，該標準還對各種掛車、汽車列車等做了進一步劃分。對于公路設計來說，我國現行的《公路工程技術標準》[4]給出了3種車輛類型，即小客車、載重汽車和鞍式列車。仔細對比中美機動車輛分類，呈現以下2點差異：

a）我國《公路工程技術標準》對機動車輛的分類無法反映不同機動車的要求，無法為不同公路設施的設計提供準確的依據。

b）我國《公路路線設計規范》[5]等其他設計規范和標準，缺乏車輛分類詳細規定，不利于保證設計和車輛之間的協調性。

車輛的分類不僅需考慮汽車制造業要求，還應考慮道路設計的限制和要求。例如，在國家標準《汽車和掛車類型的術語和定義》中，半掛牽引車和掛車分屬不同的類型，但實際公路設計時就無法分開。另外，車輛分類既要能代表各種車型，還要應用簡單、數據收集方便。以山西為例，高速公路收費以車輛軸數、輪數和高度把機動車輛分成A、B、C、D、E、F和G共九大類，且各收費站車輛通行量數據完善，為在高速公路幾何線形設計中考慮車輛分類提供了條件。考慮到高速公路設計的要求，在綜合山西的實際情況和國內外車輛分類之后，建議在高速公路工可和設計階段，有關的交通量調查分析應按5種車輛類型進行，見表1。綜合考慮了不同類型車輛的外廓尺寸和重量，便于在公路設計時選擇代表性設計車輛，并兼顧某些特殊車輛如校車的安全防護需求。

表1 山西高速公路設計推薦車輛分類

2 車輛尺寸

機動車輛對公路幾何線形設計的影響，主要在于車輛外廓和車重。車輛外廓尺寸將影響公路設施的幾何尺寸，如車道寬度和停車位的幾何尺寸、幾何線形（平曲線半徑、縱坡坡度、路拱橫坡）和上跨結構（如橋梁、隧道等）的凈空高度等。要提醒的是，車輛（尤其是卡車和客車）的前懸和后懸大小對公路幾何線形設計，尤其是高速公路匝道和城市道路交叉口設計，也是必須考慮的，因為車輛前懸和后懸尺寸影響車輛轉彎時的通道外圓、內圓和外擺值大小。車重將影響路線縱坡設計如縱坡坡度和坡長等，車重越大，加減速時的慣性越大，制動時所需的制動能量或距離越大，下坡時尤甚。另外，車重還影響橋涵、路面等的結構設計。因此，在車輛設計和制造過程中，車輛的尺寸和車重必須考慮公路基礎設施的結構能力的限制和經濟性。在20世紀80年代之前，我國機動車輛類型比較少、尺寸單一、載重小。如表2所示，是我國早期主要機動車的技術參數。近年來隨著我國改革開放和經濟的快速增長，我國汽車無論是車輛品牌、還是車輛類型都迅速增加。如表3所示，是我國近幾年出現的機動車的主要參數。

比較表2、表3中各項參數發現，我國機動車輛發展呈現以下4個趨勢，對高速公路安全運營產生重要影響。a）微型車的發展，就是在車輛出現事故碰撞時，其釋放出的能量的吸收取決于車身重量，車身越重，吸收能量越大，乘車人的傷害程度越輕。微型車車身輕，事故碰撞造成的人員傷害可能性和程度較大。b）長途客車大型化、載員增加，尤其是特大型客車重心高，一旦發生事故易側翻；另外，校車的安全也對路側護欄結構能力的選擇提出了更高的要求。c）載重卡車類型多、外廓尺寸大、軸數增加、載重顯著加大。載重卡車上坡速度慢，下坡制動距離大且制動系統易過熱失效。d）拖掛車的發展，拖掛車不僅外廓尺寸大，而且其轉彎特征不同于普通車輛，這就對高速公路進出匝道、互通式立交和服務區進出口的設計提出了特殊要求。

表2 我國早期主要機動車輛技術參數

表3 我國現有主要機動車輛技術參數

表4給出了美國AASHTO大型客貨車輛的外廓尺寸的最大限值，最大寬度為2 600 mm，最大高度為4 110 mm，最大長度為12 190～18 590 mm。表5給出了我國《道路車輛外廓尺寸、軸載及質量限值》[6]所規定的車輛外廓最大尺寸，最大寬度為2 500 mm，最大高度為4 000 mm。普通貨車和半掛牽引車的最大長度為12 000 mm，客車最大長度為18 000 mm（鉸接客車），掛車最大長度為13 000 mm，列車最大長度為20 000 mm。在高等級公路上，整體封閉式廂式半掛車車長最大限值為14 600 mm，與整體封閉式廂式半掛車組成的鉸接列車長度最大限值為18 100 mm；長度超過11 000 mm的客車，車寬最大限值為2 550 mm；運送不可拆解物體的低平板專用半掛車車寬限值3 000 mm。可以看出，兩國有關機動車輛的最大寬度和最大高度非常接近，兩國有關貨車和客車的最大長度也相差不大，但兩國鉸接列車最大長度相差約2 m左右。

表4 美國車輛外廓尺寸的最大限值 mm

3 控制設計車輛推薦

路線幾何線形設計所要考慮的車輛尺寸，不僅包括車輛的外廓尺寸，還包括其他長度，如軸距和前后懸大小等，因為車輛轉彎軌跡及其占用的通道大小取決于這些尺寸。如圖3所示，五軸鉸接多掛列車總長、前后懸和軸距的定義，從最前面的輪軸到最后面的輪軸之間的距離就是總軸距。表6所示，是我國現行的《公路工程技術標準》給出的3種設計車輛的外廓尺寸。表7給出了美國AASHTO《公路和城市道路幾何設計指南》設計車輛的外廓尺寸。美國AASHTO的設計車輛共19種，表7僅列出了常用的8種設計車輛的外廓尺寸。仔細比較表3、表6和表7中的各種車輛尺寸，可以看出我國《公路工程技術標準》設計車輛尺寸特點如下：a）設計小客車的外廓尺寸和美國的標準基本相同，并超過我國現有小客車的外廓尺寸；b）設計載重汽車的總長度無法反映實際大型長途客車的長度，較金龍和宇通系列大型客車的長度短；c）設計鉸接列車的長度為 16 000 mm，不僅比美國AASHTO的標準低很多，也比我國現行標準《道路車輛外廓尺寸、軸載及質量限值》的最大限值小；d）設計車輛外廓尺寸是根據舊國標《汽車外廓尺寸限界》(GB1589—89提出的，不僅無法和現行的國標《道路車輛外廓尺寸、軸載及質量限值》保持一致，更無法反映我國現有機動車的實際外廓尺寸；e）對不同等級的公路或不同的公路設施，沒有明確指出采用何種設計車輛控制設計，設計車輛類型少，沒能考慮一些特殊車輛，如客運車和校車等的實際情況。

表5 我國汽車、掛車及列車外廓尺寸的最大限值 mm

圖3 五軸鉸接多掛列車長度定義

表6 我國設計車輛外廓尺寸 m

高速公路是國民經濟的動脈，在客貨運中扮演著極其重要的角色，設計車輛的選擇應該反映經濟發展的要求。控制設計車輛的選擇應綜合交通安全、工程造價等情況，從以下4個方面來考慮：a）設施類型，對于某一種設施來說，可只采用一種控制設計車輛，但對不同類型的設施來說（如幾何線形、匝道、服務區停車場等），可采用不同的控制設計車輛；b）通行次數，控制設計車輛在交通量中占有一定的比例，即所選擇的設計車輛應時常使用高速公路；c）滿足地形限制要求；d）事故后果，車輛掉線或侵入其他車道可能導致的事故及其程度。

表7 美國AASHTO設計車輛外廓尺寸 m

圖4 太長和大運高速公路不同類型車輛比例

如圖4所示，是根據有關收費站通行車輛數據整理得到的太長（2010年）和大運（2011年）2條高速公路上不同類型車輛占車輛總數的百分比。可以看出，在兩高速公路上，車輛類型的分布比較相似，A類車所占比例最高，均超過60%；其次是G類車，其所占比例約20%左右；E類車所占比例最小，均不超過0.5%。眾所周知，G類車是指車輛軸數不少于5個軸的車輛，基本上就是拖掛列車。也就是說，在山西高速公路上，拖掛車數量占總交通量的20%左右。若以目前山西高速公路最高達4萬輛車/日的交通量估算，拖掛車的通行次數是相當可觀的。

如圖5a所示，是2011年3月14日位于太原青銀高速和京昆高速連接匝道被卡車碰撞后的現場照片，實際上在該匝道上同樣的事故已出現多次。另外，在太舊高速—太原東環匝道上，在2008—2009年2年時間內，先后發生7起車輛掉線事故，其中6起事故為重型卡車或掛車（圖5b）。從全國范圍內來說[1-2]，在高速公路傷亡事故中，涉及匝道的事故約占事故總數的8%；而在所有的匝道交通事故中，約70%事故涉及卡車、50%的事故涉及客運車。如此多的匝道交通事故涉及卡車和客運車，要求我們認真審視現有高速公路控制設計車輛的合理性。如前所述，我國現行《公路工程技術標準》的設計車輛外廓尺寸實際上是按國標GB1589—89得到的，對不同類型車輛尤其是客運車、校車和鉸接列車的轉彎特征缺乏研究和論證，從而不能為公路設計人員在選擇設計車輛時提供實際和可靠的數據。

圖5 高速匝道事故現場照片

控制設計車輛選擇通常按2個步驟進行：首先，在每種類型的車輛中選擇占有一定比例、其外廓尺寸較同類車輛中大多數車型的外廓尺寸大的車輛，作為該類車的設計車輛；其次，在所確定的各類車的設計車輛中，選擇外廓尺寸最大的設計車輛作為幾何線形設計的控制設計車輛。雖然設計車輛的種類多，但實際上起決定作用的是卡車，尤其是列車的外廓尺寸。例如，美國許多州的高速公路幾何線形設計，就要求選擇鉸接列車WB-20控制主線設計，并要求匝道設計的設計車輛標準不低于鉸接列車WB-19。本文建議山西高速公路設計時，主線和出入匝道的控制設計車輛（用SXDV表示）采用鉸接列車，其外廓尺寸為18.1×2.5×4.0 m。

對于目前山西高速公路上的鉸接列車，其外廓尺寸可按有關的半掛牽引車和半掛掛車的外廓尺寸，按公式（1）計算：

式中：有關參數的定義詳見圖6，LMAX為鉸接列車長度；LST為半掛掛車外廓長度；LTT為牽引車外廓長度；LKP為掛車前沿至牽引車銷的距離；LR0為牽引車后懸尺寸；LWB為牽引車雙后軸軸距。

圖6 鉸接列車外廓長度計算示意圖

若將表3（2）中的半掛牽引車及其半掛掛車的有關尺寸代入式（1），可以得到我國現有的豪沃和東風鉸接列車的總長度能滿足這里推薦的山西高速公路控制設計車輛SXDV的長度要求，即我國現行國家標準《道路車輛外廓尺寸、軸載及質量限值》（GB1589—2004）的鉸接列車最大限值18.1 m。而對于解放鉸接列車，就要根據牽引車和半掛車的組合，驗算其外廓長度大小。

4 控制設計車輛最小轉彎特征

作為選定的控制設計車輛，其最小轉彎軌跡的幾何特征就應該用來制定道路平曲線的設計標準（見圖7）。車輛的最小轉彎軌跡主要同以下3個因素有關：a）車輛尺寸尤其是車輛軸距、寬度、前后懸尺寸等越大，轉彎時覆蓋的通道面積越大；b）駕駛技術越高，轉彎時可達到的牽引車/掛車夾角和轉向角越大，所需的轉彎彎道半徑越小；c）車輛轉彎時速度越大，其牽引車/掛車夾角和轉向角越小，所需的彎道的半徑越大。

美國AASHTO采用有關的軟件，假定不同的牽引車/掛車夾角和不同的轉向角，分析計算了車輛轉彎速度為15 km/h時，不同設計車輛轉彎時的最小轉彎軌跡。其中，前軸中心軌跡的最小半徑（CTR）主要受車輛外廓寬度、軸距和內后側外輪軌跡影響，車輛所占彎道邊界由外前懸軌跡和內后側外輪軌跡組成。

圖7 鉸接列車外廓長度計算示意圖

表8給出的是，美國AASHTO《公路和城市道路幾何設計指南》提供的部分設計車輛的尺寸和相應的最小轉彎半徑。對于鉸接列車，其牽引車發動機動力假定為150～200 hp。要注意的是，鉸接列車WB-20的最小內圓半徑（1.3 m）比鉸接列車WB-19的最小內圓半徑（2.4 m）小，其主要原因有2個：a）兩車采用相同的轉向角(28.4°)，但WB-20的牽引車/掛車夾角（68°）比WB-19的牽引車/掛車夾角（65°）大；b）雖然WB-20的掛車比WB-19的掛車長1.52 m，但其后軸的位置前移0.61 m，使得兩者的總軸距離相差僅0.91 m。根據表8中美國設計車輛的轉彎特征，能滿足普通卡車的彎道尺寸對于普通校車轉彎來說綽綽有余。但要特別強調的是，普通校車比普通卡車長，尤其是前者的后懸比后者的后懸約長出2.0 m，開始轉彎時校車的外后角會侵入相鄰車道，從而造成潛在的安全問題。

表8 設計車輛最小轉彎半徑 m

由于本文推薦的山西高速公路控制設計車輛（SXDV）的外廓尺寸為18.1×2.5×4.0 m，其長度位于AASHTO中型鉸接列車WB-12和州際鉸接列車WB-19（或WB-20）之間，寬度比AASHTO鉸接列車小0.1 m。從表2可以看出，我國4×2牽引車的尺寸和AASHTO WB-12的牽引車尺寸接近，我國6×4牽引車尺寸和AASHTO WB-19（或WB-20）的牽引車尺寸接近。因此，這里推薦的山西SXDV的轉彎特征，應該采用我國6×4牽引車的轉彎特征，其最小轉彎半徑可按AASHTO WB-19和WB-20的尺寸，采用線性插值方法近似的計算，得到SXDV最小設計轉彎半徑為13.7 m，前軸中心軌跡的最小半徑（CTR）為12.5 m，最小內圓（內后側外輪軌跡）半徑為 4.5 m，最大外圓（外前懸軌跡）半徑為14.0 m。毫無疑問，采用SXDV確定的彎道幾何尺寸對于我國現有的車輛類型來說是安全的。由于我國校車的長度和后懸分別小于美國普通校車S-BUS 11的長度和后懸，再加上SXDV的長度和彎道寬度分別遠大于美國普通校車S-BUS 11的長度和彎道寬度，從而確保在按SXDV設計的彎道上，校車轉彎初始其外后角不會侵入相鄰車道。

5 結語

設計車輛作為公路幾何線形設計的一個重要控制要素，對于確保道路交通安全暢通、提升道路服務水平具有重要意義，合理地選擇設計車輛需要綜合考慮經濟水平、用戶需求、環境協調等多方面因素，本文在山西省高速公路交通事故及運營車輛實際調查數據的基礎上，結合美國AASHTO的相關方法和指南，推薦了山西省高速公路控制設計車輛，并給出其最小轉彎半徑等特征值，文內的一些粗淺想法，希望對于我國公路設計工作者有所裨益。