基于三維線形運行速度的山區旅游公路線形安全性評價

毛嘉川（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031）

基于三維線形運行速度的山區旅游公路線形安全性評價

毛嘉川
（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031）

公路線形設計的安全性評價常采用運行速度作為評價指標，針對山區旅游公路的復雜線形及車型構成，運行速度的計算工況應有針對性，計算手段也需改進。將洪雅—峨眉山旅游公路作為分析對象，以“三維線形條件下的復雜道路重載車輛行駛速度解算模型體系”為計算手段，針對長大縱坡路段左、右線的交通特點，分別解算并繪制了三維線形條件下典型車型和典型駕駛模式的運行速度曲線；分析了平縱面線形參數的協調性和安全性，提出線形修改建議；對于線形調整困難的情況，采用仿真模擬碰撞對混凝土護欄進行防護等級加強；同時檢查了避險車道的設置。研究結果表明，綜合道路空間線形、車型、駕駛員等因素進行系統分析和運行速度預測，能更接近實際地評價和改善山區公路的線形設計。

山區公路；旅游公路；三維線形；運行速度；公路安全評價；大型車輛

0 引言

隨著我國旅游業的發展，為提升旅游質量、便捷性和通達性，很多著名景區修建或擴建了景區道路，包括景區內道路以及連通景區入口和附近城鎮的道路，即旅游公路。與一般公路相比，山區旅游公路具有明顯的特殊性：道路順適地形線形復雜，車輛行駛經常處于較不利狀態；小客車和旅游大客車是交通組成的主要部分，發生交通事故人員傷亡較大，社會影響巨大；交通流具有明顯的周期性、季節性和短時性。因此，山區旅游公路的安全問題極為重要。

目前，關于旅游公路安全性的研究大多側重于設計人員主觀性的經驗介紹、定性分析等，從旅游公路的設計理念、設計原則、主要技術措施等方面進行探討，對均衡考慮環境保護、景觀布局與構思、技術指標選取、路線平縱設計與平縱組合、交通安全設施和運營管理提出建議，以及對路側綠化、護欄、觀景臺、標志牌等的具體技術細節加以介紹[1-6]。山區旅游公路線形較復雜、旅游大客車較多，有關線形安全性評價的研究較少，一般依據《公路項目安全性評價指南》（JTG/T B05—2004），采用運行速度計算，只對路線平縱幾何參數進行評價，其運行速度是按平面、縱面分別計算，并對彎坡路段進行修正；國外的設計方法也是以設計速度作為線形控制要素，用運行速度V85對相鄰曲線單元的半徑分布進行一致性檢驗[7]。這種運行速度計算比較貼近高速環境下的公路行駛特性，卻沒有體現出駕駛人方向控制行為的影響。目前，基于三維線形運行速度解算技術手段，采用定性與定量相結合的方法來評價公路線形設計的研究報道還較少見。本文將以存在典型長大縱坡路段的洪雅—峨眉山旅游公路為分析對象，計算三維線形條件下代表車型的運行速度，根據速度曲線的變化特征分析汽車在上坡路段、下坡路段以及曲線路段的行駛安全性和交通服務水平，進而實施有針對性的線形參數改進和安全設施評估。

1 工程概況

洪雅—峨眉山旅游公路定位為旅游快速通道，建成后將與連接峨眉山、周公山、瓦屋山的三山環線結合，形成川西南的黃金旅游復線之一。路線總體呈南北走向，結合地形條件沿山體西側和南側環山布設，主線設計范圍為K25+800—K47+580，起終點高差達669.702m。設計速度采用60km/h，按雙向四車道一級公路標準建設，整體式路基寬21m，分離式路基寬10.25m。K33+000—K37+000段采用分離式路基，其中左線于ZK36+550處設1座337m隧道；右線于K33+130、K36+620處分別設置長990m、290m的2座隧道，其余路段采用整體式路基。

右線為長大上坡，連續上坡段長21.803km，平均縱坡3.07%；左線為長大下坡，連續下坡段長22.607km，平均縱坡2.962%，屬于典型的山區長大縱坡路段。平曲線半徑R∈[200m，2220m]，均值半徑為575.58m，平曲線比例為81.2%，直道比例低于20%，絕大部分路段在空間形態上屬于典型的彎坡組合路段。

根據峨眉山景區近年來游客數量的遞增趨勢，并參考同類著名景區如華山景區、張家界景區、黃山景區等，道路建成后旅游大客車、小客車必然是主導車型，其余車型按照比例遞減的順序分別是小貨車、中型貨車、大貨車和拖掛車。從行車安全角度分析，大客車、大貨車和小客車是路線設計及交通安全設施設計的控制車型。

2 評價依據以及計算手段

2.1 評價依據

根據《公路工程技術標準》（JTG B01—2003）和《公路路線設計規范》（JTG D20—2006）的有關規定:“高速公路、一級公路在設計完成后，或運營后，或改建時，宜進行安全性評價，以提高行車安全性”，針對該公路的線形設計成果進行運行速度協調性評價。評價流程、評價標準的依據為《公路項目安全性評價指南》（JTG/T B05—2004），即采用相鄰路段運行速度的差值ΔV85作為評價指標。

2.2 設計符合性檢查

洪雅—峨眉山旅游公路采用一級公路標準，設計速度為60km/h，平曲線半徑一般值為200m。對設計的平面幾何要素進行檢查，發現其右線設48個交點，左線設53個交點，采用最小平曲線半徑200m/8處；右、左線分別含37、40個變坡點，最大縱坡4%/1處，坡度大部分為2.5%～3.5%，最短坡長為170m。平縱面指標均滿足規范要求。

2.3 三維線形運行速度的計算手段

本文采用的三維線形運行速度計算手段為文獻[8]～[15]中提出的“三維線形條件下的復雜道路重載車輛行駛速度解算模型體系”。該模型體系共包括通道寬度影響模型、曲線轉角影響模型、圓曲線速度模型、長直道速度模型、路面狀態限制速度模型、縱向加速度（減速度）模型、重車爬坡模型、駕駛習慣修正模型等一系列的半經驗-半理論模型組，給出了復雜道路空間三維運行速度預測的完整方案。該模型突破了目前預測重載車輛運行速度時需要針對平曲線路段和縱坡路段分別預測的局限，能夠快速解算且具有較高的計算精度。三維線形條件下汽車行駛速度預測軟件界面如圖1所示。

圖1 三維線形條件下汽車行駛速度預測軟件界面

2.4 初始運行速度設定

車輛實際運行速度受道路線形、車輛動力性能及駕駛員等各種因素的影響。現實中，駕駛員在條件允許時傾向于采用較高車速行駛。通過三維線形運行速度解算，用運行速度差控制來檢查和修正線形，可以獲得連續、一致的均衡設計。本文分析了該公路相鄰路段速度，其中設小客車初始運行速度為70km/h，大貨車初始運行速度為60km/h。

2.5 運行速度計算工況選擇

公路右線屬于長大上坡，左線為長大下坡。對于長大上坡路段，大客車和大貨車由于單位質量比較大、功率低，上坡時必然會受到坡度和坡長的影響而出現行駛速度衰減，降低道路的通行能力和服務水平，為此本文選定輕型貨車、中型貨車和重型貨車三種基本車型為計算對象。

左線屬于長大下坡路段，大型車輛下坡方向行駛時受重力作用更加明顯，行駛速度總能達到目標速度。但隨著重型車輛速度的加快，在未采用輔助行車制動措施時，如果制動持續時間較長，車輛制動效能將出現熱衰退現象，行駛穩定性下降。該模型體系運用美國的GSRS模型預測了大客車、中型和重型貨車下坡行駛時的制動器溫度曲線，分析了其對長大下坡安全性的影響。

3 運行速度計算及線形安全性評估

3.1 道路平縱面線形計算

使用山區復雜道路三維道路模型計算軟件，輸入路線平、縱、橫設計數據，解算得到的平縱面線形及縱面坡度如圖2所示。道路右線行駛方向在25km的全里程范圍內均為上坡，左線行駛方向為全程下坡（僅有1處坡度為0.3%的反坡），屬典型的長大縱坡路段。

3.2 右線行駛方向運行速度解算及安全性評估

根據峨眉—洪雅旅游公路的功能定位和交通特點，以小客車、旅游大客車和大貨車為代表車型，進行三維運行速度解算，然后進行基于運行速度的線形協調性評價。

3.2.1 基于平面和橫斷面的運行速度協調性評價

基于平面和橫斷面要素的速度解算結果如圖3所示。由于小客車所占比例大、類型多，且非職業駕駛員比例高、駕駛風格多樣，因此在設置駕駛模式時，除了常規的駕駛模式（與V85的含義相對應，計算結果為運行速度曲線）之外，還進行了侵犯型駕駛模式的速度解算（侵犯型駕駛模式是指在行車過程中表現出追求高速度、小車間距、頻繁占用對向車道以及同側車相鄰車道等特征的一類駕駛行為，此類駕駛行為具有較強的攻擊性和較高的事故風險[16]）。

圖2 道路平面線形以及縱面坡度

圖3 右線方向的運行速度曲線（基于平面和橫斷面）

根據圖3，運行速度曲線在標注的H1位置迅速降低，且下降幅度較大，尤其是小客車的速度差10km/h＜ΔV85＜20km/h。根據《公路項目安全性評價指南》中的評價標準，此處運行速度協調性雖滿足要求，但協調性一般，與駕駛人的自然駕駛習慣以及心理預期有沖突，可能存在行車安全隱患。因此，條件允許時宜調整相鄰路段技術指標，使運行速度的差值小于或等于10km/h，以提高相鄰路段線形的一致性。H1處的線形參數及其平面位置如圖4所示，建議將半徑值從200m增大至250～260m。

3.2.2 三維線形條件下的運行速度與設計速度協調性評價

右線方向為長大上坡路段，大客車和大貨車上坡時的行駛速度會出現衰減，降低了道路的通行能力與服務水平，同時還會導致安全隱患，比如小客車追尾。三維線形條件下大型車輛的運行速度計算結果如圖5所示，在動力特性方面，由于大型客車與中型貨車和重型貨車1接近，不再單獨評價。

為了保證道路通行能力，重載車輛的運行速度不容許降低過多，設計速度為60km/h時爬坡的最低容許速度不宜低于40km/h。而K32+900—K33+ 600（圖5中D1）、K36+000—K36+700（圖5中D2）這兩個區間內重型車輛2的行駛速度低于容許值，宜設置爬坡車道。如受地形和工程造價限制而未設置爬坡車道，建議在旅游高峰期，實時監控路段交通量，必要時分路段、分時段限制貨車通行；同時，在此區段規定大型車輛在外側車道行駛，將內側車道留給小客車，確保通行能力受到的影響最小，同時避免小客車追尾大型車。

圖4 右線平面線形以及參數調整建議

圖5 三維線形條件下不同性能貨車的行駛速度曲線

3.3 左線行駛方向運行速度協調性評估

K33+000—K37+000段采用分離式路基，需單獨計算左線行駛方向的運行速度，選擇小客車、大客車、大貨車作為代表車型。基于平面和橫斷面要素的運行速度計算結果如圖6所示。左線屬于長大下坡路段，下坡方向行駛時車輛會受到重力的作用，行駛速度總能達到目標速度（即基于平面線形和橫斷面要素的運行速度），不再進行三維線形條件下的速度解算。

3.3.1 三維線形條件下的運行速度與設計速度協調性評價

汽車運行速度曲線在圖6中標注為H′1和H2位置出現了較大的速度差（10km/h＜ΔV85＜20km/h），且之前有較長直線，這兩處的運行速度協調性程度屬于一般水平，宜調整相鄰路段技術指標。建議將H2位置平曲線半徑從原來的200m調整至240～ 260m，如圖7所示。

3.3.2 避險車道的選址

在解算模型中，制動器溫度達到預警值（300oC）的位置（依車型和載重情況）分別是：12km附近、14km附近、18km附近、20km附近、22.5～23km附近。結合制動器溫度曲線、道路平面線形、汽車運行速度曲線進行綜合分析，18km附近和22.5～23km范圍的行駛情況非常不利。

設計在K28+600、ZK33+426.978兩處分別設置了避險車道。第1處避險車道入口位置與溫度預警區間重合；第2處避險車道入口位置則略有偏后，且位于小半徑曲線出口之后，若有條件則應調整至小半徑曲線的入口位置。

圖6 左線行駛方向運行速度計算結果

圖7 左線平面線形以及修改建議

3.4 設計優化對策

根據以上對左、右線運行速度的分別解算，對協調性程度一般的H1（與圖7中H′1同一位置）和H2進行針對性的設計優化。由于此處地形條件復雜，線位調整后工程量增加過大，最終采用不調整線形而增強交通安全設施來改善行車安全的方案，即將曲線外側的路側波護欄等級提高。對于旅游公路，大客車是主導車型，而目前主流的旅行大客車的凈車重為12～14t，加上旅客以及行李重量（以50～55人計算），滿載之后的車重為18t左右，上限一般為20t。根據大客車在一級公路的運行速度值（見圖3），經計算可得到碰撞能量，使用車輛-路側設施數值碰撞技術來模擬車輛-護欄碰撞下的變形及破壞行為，并進行防護能力評估，以有效阻停失控大客車。設計優化的具體對策如下。

（1）小客車運行速度曲線在右線行駛方向的JD11（見圖7）位置的運行速度協調性一般，宜調整相鄰路段技術指標，半徑值從200m增加至250～ 260m。因改動線形困難而增強安全設施，對K42+100—K42+500段采用SA級的混凝土防撞墻。

（2）右線方向屬于典型的長大上坡路段，重型貨車在K32+900—K33+600以及K36+000—K36+ 700區間內的爬坡速度低于容許值，宜設置爬坡車道。受地形限制及基于工程造價的考慮，建議在旅游高峰期實施重載貨車管控，規定大型貨車在外側車道行駛，以提高通行能力和行車安全性。

（3）左線屬于長大下坡路段，圖7中JD7（ZK35+700—ZK35+200）位置的運行速度協調性一般，宜調整相鄰路段技術指標，平曲線半徑從200m調整至240～260m。因改動線形困難（對應右線），故采用SA級的混凝土防撞墻。

4 結論

行車安全性是山區旅游公路設計的首要原則，本文以洪雅—峨眉山旅游公路為分析對象，計算了三維線形條件下的典型車型、典型駕駛模式的運行速度曲線，分析了平縱面線形參數的協調性和安全性，得到了如下結論。

（1）原設計采用的平縱面指標滿足現行規范要求，且平均縱坡控制在3%以內并分段均衡布設。在采用三維運行速度解算后，發現仍有2個區間運行速度協調性一般，需要進行優化；因線形調整困難，采用了加強防撞護欄等級的措施。

（2）長大上坡路段，大客車和大貨車因受坡度和坡長的影響，行駛速度衰減，計算大型車輛運行速度以考慮爬坡車道的設置；長大下坡路段，除運行速度解算外還應考慮重型車輛制動效能的熱衰退，為此檢查了下坡方向設置的2處避險車道，認為其設置基本合理。

（3）通過三維線形運行速度解算，可以定量評估速度管理措施的必要性；對于困難路段，可對“加大縱坡，減少小半徑曲線”、“控制縱坡，適當降低平面線性指標”這2種方案進行比較。

（4）本文針對山區公路的線形安全性評價而采用的運行速度計算方法在平曲線和縱坡解算方面尚存在局限，還需要綜合考慮“人”、“車”因素以及氣候條件的影響等。

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Safety Evaluation of Mountain Scenic Highway Based on Operating Speed of Three-Dimensional Alignment

MAO Jia-chuan
（China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031，China）

Operating speed is often taken as an evaluation indicator in safety evaluation of highway alignment design.In consideration of the complex alignment and vehicle types of mountain scenic high?ways,the calculation condition of operating speed should be pertinent and the calculation means should also be improved.The operating speed curves of typical vehicle types and typical driving modes under the three-dimensional alignment conditions were predicted respectively by selecting the Hongya—Emei Scenic Highway as the object,applying the"operating speed prediction model system of heavily-loaded vehicles on complex mountainous highways under the three-dimensional alignment conditions",and considering the transport characteristics of the left and right lanes at the long steep grade.The coordination and safety of horizontal and vertical alignment parameters were analyzed,and the suggestions on alignment modification were proposed.In respect of the difficulty in alignment adjustment,analogue simulation collision was adopted to strengthen the protection class of the concrete guardrails.The setting of the truck escape ramps was also checked.The research results show that the alignment design of mountain highway can be evaluated and improved in a more practical way by making an operating speed forecast based on the systematic analysis integrating highway spatial alignment,multiple vehicle types,the driver and other factors.

mountain highway;scenic highway;three-dimensional alignment;operating speed;safety evaluation of highway;large vehicles

U491.2

B

2095-9931（2015）03-0048-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.03.009

2015-03-02

毛嘉川（1971—），男，四川樂山人，高級工程師，學士，研究方向為公路工程勘測與設計。

E-mail：630704868@qq.com。