高速公路中間帶寬度變化過渡段過渡方式的研究

富志鵬，林宣財，任春寧，王旭鵬，白浩晨

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 陜西 西安 710075)

0 引言

依據(jù)我國現(xiàn)行《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2017)(以下簡稱《規(guī)范》[1])規(guī)定，高速公路中間帶寬度增寬或減窄時應(yīng)采用左右分幅線形設(shè)計，條件受限制時可采用漸變過渡。因漸變過渡如何設(shè)置《規(guī)范》缺乏具體規(guī)定，可參考的研究成果非常少，所以較多設(shè)計者從設(shè)計難度和減小工程規(guī)模考慮仍然采用線性過渡。

現(xiàn)行《規(guī)范》[1]中9.4.3條規(guī)定“整體式路基的中間帶寬度宜保持等值。當中間帶的寬度根據(jù)需要增寬或減窄時，應(yīng)采用左右分幅線形設(shè)計。條件受限制，且中間帶寬度變化小于3.0 m時，可采用漸變過渡，過渡段的漸變率不應(yīng)大于1/100”。《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTJ 011—94)[2]中6.3.3條對分離式斷面中間帶寬度宜大于4.5 m的規(guī)定，與現(xiàn)行《規(guī)范》[3]規(guī)定左右分幅線形設(shè)計相一致；對中間帶寬度變化值≤4.5 m時，過渡段以設(shè)在回旋線范圍為宜，且長度應(yīng)與回旋線長度相等的規(guī)定較為合理；《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2006)[3]增加了“條件受限制時，過渡段的漸變率不應(yīng)大于1/100”的規(guī)定，使其在直線段或圓曲線路段采用線性漸變過渡被普遍認可；現(xiàn)行《規(guī)范》[1]沒有強調(diào)在緩和曲線路段漸變過渡。所以已建和在建高速公路中間帶寬度變化較少在緩和曲線范圍漸變過渡有著客觀原因。現(xiàn)行《規(guī)范》[1]規(guī)定應(yīng)采用左右分幅線形設(shè)計，顯然在強調(diào)采用左右分幅線形設(shè)計是為了保證行車道線形符合規(guī)范有關(guān)圓曲線、緩和曲線和小偏角轉(zhuǎn)角線形等規(guī)定要求，是為了保證行車道線形不發(fā)生“突變”現(xiàn)象；保留“條件受限制”的規(guī)定，并將過渡段規(guī)范用詞改為“漸變過渡”，一方面留有靈活余地，另一方面不局限于線性漸變，但漸變過渡寬度變化值限制在3.0 m內(nèi)。

國外高速公路中間帶寬度變化如何過渡研究資料非常少，美國《A Policy on Geometric Design of Highway and Streets》[4]和日本《高速公路設(shè)計要領(lǐng)》[5]沒有這方面的內(nèi)容。緩和曲線作為構(gòu)成公路平面線形基本要素的重要組成部分，一方面有效模擬了車輛轉(zhuǎn)彎時的行駛軌跡，使車輛從直線向圓曲線或圓曲線向直線過渡時離心力逐漸變化，有助于車輛勻速行駛；另一方面緩和曲線的設(shè)置提供曲線加寬及超高過渡有利條件，對改善路容，避免圓曲線起終點處線形明顯轉(zhuǎn)折具有顯著效果。國內(nèi)對緩和曲線及超高過渡方式、方法的研究較多，對緩和曲線本身的研究較少。楊軫等[6-7]建立了隧道洞口附近緩和曲線的計算模型，并結(jié)合車輛偏移閾值，根據(jù)幾何關(guān)系確定隧道最小緩和曲線參數(shù)。曹友露[8]通過采用相關(guān)性分析方法，研究了交通事故與平曲線和緩和曲線組合之間的關(guān)系。范爽[9]以事故資料為依據(jù),全面分析了公路平面設(shè)計中各元素之間組合關(guān)系的安全性,并提出了基于交通安全的高速公路平面設(shè)計指標及其組合。有部分學(xué)者通過研究駕駛?cè)嗽诓煌矫婢€形情況下的駕駛身、心理特征去探究線形指標與事故率之間的關(guān)系[10-12]。郭應(yīng)時等[13-15]從交通事故率角度研究了平面幾何線形。程國柱等[16]基于仿真試驗，針對道路幾何指標，根據(jù)影響路側(cè)安全程度進行排序，并分析了不同車型在平曲線路段的速度特性。涂圣文[17]等將平面線形與縱面線形進行組合，分析不同組合條件下的道路運行安全，得到易發(fā)生交通事故的平縱線形組合情況。張玥等[18-20]結(jié)合設(shè)計速度、圓曲線半徑、橫向力系數(shù)、超高值及過渡段的關(guān)系進行深入研究。

本研究根據(jù)中間帶寬度增寬或減窄的類型，從符合左右分幅線形設(shè)計的理想過渡線形為切入點，通過分析研究中間帶寬度變化所處各種條件，并提出中間帶寬度變化漸變過渡方式，符合現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定的左右分幅線形設(shè)計要求，提出采用三次拋物線替代線性漸變過渡，和在緩和曲線上采用線性漸變過渡安全性優(yōu)化設(shè)計的建議，本研究漸變過渡方式可供同行設(shè)計時參考。

1 現(xiàn)狀調(diào)研分析與評價

1.1 高速公路中間帶寬度發(fā)生變化的類型

1.1.1 前后路段設(shè)計標準不同引起的變化

《公路工程技術(shù)標準》(JTG B01—2014)(以下簡稱現(xiàn)行《標準》[21])規(guī)定高速公路整體式斷面必須設(shè)置中間帶。中間帶由中央分隔帶和左側(cè)路緣帶組成，如圖1所示。

圖1 高速公路整體式路基一般斷面形式

根據(jù)現(xiàn)行《標準》規(guī)定，高速公路中間帶寬度依據(jù)中央分隔帶功能確定，沒有具體寬度的規(guī)定，行業(yè)認可的取值原則為：設(shè)計速度120 km/h中央分隔帶采用3 m或2.5 m，設(shè)計速度100，80，60 km/h時采用2 m；設(shè)計速度120，100 km/h時左側(cè)路緣帶采用0.75 m，設(shè)計速度80，60 km/h時采用0.5 m；對應(yīng)設(shè)計速度120，100，80，60 km/h時中間帶寬度一般為4.5，4.0，3.5，3 m這4種，即中間帶寬度變化范圍為1.5，1.0 m和0.5 m這3種。所以，不同的設(shè)計標準相銜接時應(yīng)根據(jù)前后路段的平面線形設(shè)計過渡段。

1.1.2 斜拉橋橋面中間設(shè)墩引起的變化

斜拉橋由于橋墩設(shè)置在橋面中間，橋墩斷面寬度一般大于4.0 m，同時為了降低橋梁工程造價，引橋路段中間帶寬度往往采用1.5 m，使前后路段中間帶寬度變化值大于2.5 m。如某特大橋標準段左右幅橋梁中間凈距為1.5 m，見圖2，主跨路段左右幅橋梁中間設(shè)墩，凈距達5.2 m，變化值3.7 m，如圖3所示。

圖2 橋梁橫斷面設(shè)計圖(標準段)(單位:cm)

圖3 橋梁橫斷面設(shè)計圖(左右幅中間設(shè)墩段)(單位：cm)

1.1.3 隧道斷面結(jié)構(gòu)需要引起的變化

隧道工程分為分離式斷面和整體式斷面，整體式主要有連拱隧道、小間距隧道、明挖暗埋隧道、沉管隧道等形式。隧道斷面形式不同，中間帶寬度不同，一般為2.0～7.65 m，如圖4為明挖隧道斷面，中間帶寬度達4.58 m，比整體式路基標準斷面的中間帶寬度約寬1.0～5.65 m。

圖4 某項目整體式斷面隧道建筑限界(單位:cm)

1.2 高速公路中間帶寬度變化采用線性過渡存在的主要問題

現(xiàn)行《規(guī)范》)中第9.4.3條規(guī)定“整體式路基的中間帶寬度宜保持等值。當中間帶的寬度根據(jù)需要增寬或減窄時，應(yīng)采用左右分幅線形設(shè)計。條件受限制，且中間帶寬度變化小于3.0 m時，可采用漸變過渡，過渡段的漸變率不應(yīng)大于1/100”。漸變過渡可理解為線性過渡或多次拋物線過渡；如果在直線路段上采用線性漸變過渡，當寬度增寬或減窄值較小時，漸變起終點折線之間存在極角變化，按《規(guī)范》規(guī)定的漸變率1/100計算極角變化值僅為0.57°；當寬度增寬或減窄值較大時，中間帶內(nèi)外緣的行車道平面軌跡線在外觀視覺上將出現(xiàn)較為明顯的突變點，如圖5所示。如果在圓曲線路段采用線性漸變過渡，中間帶內(nèi)外緣的行車道平面軌跡線在外觀視覺上內(nèi)側(cè)突變點感覺不明顯，外側(cè)相對較為明顯。

圖5 中間帶寬度變化在直線路段采用線性漸變過渡示意圖

高速公路中間帶寬度增寬或減窄采用線性漸變過渡雖然符合現(xiàn)行規(guī)范中條件受限制時的規(guī)定，但由于采用漸變過渡與現(xiàn)行《規(guī)范》中其他規(guī)定發(fā)生了沖突，產(chǎn)生規(guī)范規(guī)定一致性問題。采用漸變過渡與現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定不一致的主要內(nèi)容如下。

(1)不滿足現(xiàn)行《規(guī)范》第7.3.1條“各級公路平面不論轉(zhuǎn)角大小，均應(yīng)設(shè)置圓曲線”的規(guī)定。

(2)不滿足現(xiàn)行《規(guī)范》第7.4.1條“直線同小于表7.4.1不設(shè)超高的圓曲線最小半徑徑向相連處，應(yīng)設(shè)置回旋線”的規(guī)定。

(3)設(shè)置一處漸變段相當于在局部路段設(shè)置的2處小偏角，難以滿足現(xiàn)行《規(guī)范》第7.8.2條“當路線轉(zhuǎn)角小于或等于7°時，應(yīng)設(shè)置較長的平曲線，其長度應(yīng)大于表7.8.2中規(guī)定的“一般值”的規(guī)定。

(4)當中間帶寬度變化較大時，采用線性漸變過渡方式時，行車道中心線線形不夠圓滑，路容較差。

1.3 高速公路中間帶寬度變化采用漸變過渡安全性調(diào)查

由于采用漸變過渡與現(xiàn)行《規(guī)范》中其他規(guī)定不一致，因此多年來在行業(yè)內(nèi)對采用漸變過渡是否存在安全隱患成為關(guān)注的焦點問題。本研究針對行業(yè)內(nèi)專家與學(xué)者爭論的問題開展調(diào)研。通過調(diào)查沒有發(fā)現(xiàn)中間帶寬度增寬或減窄采用漸變過渡出現(xiàn)交通事故明顯高于其他路段的情況；根據(jù)現(xiàn)場實車觀察，只要過渡段漸變率符合規(guī)范規(guī)定要求，即小于1/100，駕駛員在高速行駛過程中較難發(fā)覺寬度變化點的“突變”現(xiàn)象，所以對交通安全影響較小，如圖6所示。國內(nèi)外對中間帶寬度變化過渡方法的研究較少，調(diào)查發(fā)現(xiàn)有些高速公路項目已提出安全性優(yōu)化設(shè)計方案，如為了使突變點附近平面線形圓滑，避免視覺突變點采用三次拋物線漸變過渡替代線性漸變過渡，但中間帶寬度變化大于3.0 m以上時不符合現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定要求。盡管高速公路中間帶寬度變化采用線性漸變過渡沒有發(fā)現(xiàn)交通事故率明顯高于一般路段，但從規(guī)范規(guī)定一致性考慮，應(yīng)采用左右分幅線形設(shè)計，不得已時采用漸變過渡。

圖6 斜拉橋和連供隧道洞口中間帶寬度變化實景圖

2 過渡方式研究

2.1 符合左右分幅線形設(shè)計的過渡方式研究

2.1.1 調(diào)整一端緩和曲線參數(shù)

設(shè)計標準不同引起增寬或減窄，其變化值為0.5，1.0 m和1.5 m這3種；由于變化值較小，可考慮在平曲線的緩和曲線一端通過調(diào)整設(shè)計中心線的緩和曲線長度，使中間帶內(nèi)外緣敷設(shè)的緩和曲線參數(shù)滿足規(guī)范要求的左右分幅線形設(shè)計的規(guī)定要求。

(1)為減少占地，過渡段宜設(shè)置在高標準路段平曲線末端的緩和曲線范圍內(nèi)，如圖7所示的過渡段1位置。

(2)當分界點為互通立交，主線中間帶內(nèi)需設(shè)墩時，過渡段宜設(shè)置在低標準路段平曲線起點段的緩和曲線范圍內(nèi)，如圖7所示的過渡段2位置。

圖7 中間帶寬度變化調(diào)整一端過渡方式示意圖

2.1.2 調(diào)整兩端平曲線設(shè)計參數(shù)

斜拉橋橋面中間設(shè)墩引起增寬，寬度變化一般大于3.0 m，由于斜拉橋路段平面線形基本上為直線，斜拉橋之外的引橋為曲線，通過調(diào)整緩和曲線參數(shù)難以實現(xiàn)左右分幅線形設(shè)計的過渡，需通過調(diào)整引橋上平曲線設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)符合左右分幅線形設(shè)計的要求，該方法影響長度較長，工程規(guī)模較大，如圖8所示。

圖8 中間帶寬度變化調(diào)整兩端過渡方式示意圖

2.1.3 調(diào)整內(nèi)側(cè)半幅兩端緩和曲線參數(shù)

因隧道斷面結(jié)構(gòu)需要引起增寬，與整體式路基標準斷面的中間帶寬度比較約增寬2～5.65 m。當寬度變化值小于1.5 m時，除了可通過調(diào)整緩和曲線參數(shù)以實現(xiàn)左右分幅線形設(shè)計外，也可通過調(diào)整平曲線內(nèi)側(cè)半幅兩端的緩和曲線參數(shù)實現(xiàn)(圖9)。

圖9 中間帶寬度變化調(diào)整內(nèi)側(cè)半幅過渡方式示意圖

2.1.4 調(diào)整平曲線設(shè)計參數(shù)

當中間帶寬度增寬值較大，僅通過緩和曲線參數(shù)調(diào)整無法實現(xiàn)左右分幅線形設(shè)計時，需通過整個平曲線設(shè)計參數(shù)的調(diào)整實現(xiàn)符合左右分幅線形設(shè)計的要求(圖10)。

圖10 中中間帶寬度變化調(diào)整平曲線設(shè)計參數(shù)過渡方式示意圖

利用平曲線全段進行左右分幅線形設(shè)計，較采用緩和曲線范圍漸變過渡在工程規(guī)模上的增加主要體現(xiàn)在占地上，如表1所示，中間帶寬度增寬值大于1.5 m時，增加占地面積約大于630 m2，方案比選時應(yīng)重點考慮占地的影響。

表1 左右分幅線形設(shè)計與漸變過渡工程規(guī)模比較

2.2 采用漸變過渡的過渡方式研究

2.2.1 直線路段采用三次拋物線與線性漸變過渡的區(qū)別

現(xiàn)行《規(guī)范》對高速公路中間帶寬度變化明確規(guī)定可采用漸變過渡，漸變過渡方式主要有線性漸變、三次拋物線漸變等。其中，線性漸變過渡方式簡單易作，但過渡段起終點出現(xiàn)折線點，不夠圓滑；三次拋物線寬度漸變過渡中間帶外緣較圓滑、美觀。建議采用三次拋物線漸變過渡方式作為傳統(tǒng)的線性漸變過渡方式的優(yōu)化設(shè)計方案。線性漸變與三次拋物線漸變合理性分析如下。

過渡路段上任意一點的加寬值計算公式分別為：

線性漸變：

bx=kb，

(1)

三次拋物線漸變：

bx=(3k2-2k3)b，

(2)

式中，bx為加寬過渡段上任一點的中間帶寬度單側(cè)加寬值；b為中間帶寬度單側(cè)加寬值；k=Lx/L，Lx為加寬過渡段上任一點至起點的距離，L為加寬過渡段全長，k為加寬過渡段上任一點至起點距離與加寬過渡段全長比。

以單側(cè)加寬值0.5 m為例，加寬過渡段長度分別為50，100，150 m時兩種漸變過渡方式的差異變化分析如圖11所示。

圖11 不同漸變過渡方式的寬度變化示意圖

由式(1)、(2)可得兩種寬度漸變過渡方式任意一點的加寬差值：

Δbx=-b(2k3-3k2+k)。

(3)

圖12 兩種寬度漸變方式最大差值絕對值

2.2.2 在緩和曲線路段采用線性漸變過渡

當中間帶單側(cè)寬度變化值較大，在緩和曲線線長度范圍通過調(diào)整緩和曲線參數(shù)難以滿足左右分幅線形的路線相關(guān)規(guī)定要求時，考慮緩和曲線任意一點的曲率是變化的，可在緩和曲線全段采用線性漸變方式漸變過渡，過渡段漸變率應(yīng)不大于1/100，如圖14所示。

圖14 中間帶寬度在緩和曲線上線性漸變過渡示意圖(單位:m)

路線平面線形主要由直線、圓曲線和緩和曲線組成分析，其中直線、圓曲線路段曲率相同，中間帶寬度變化在直線或圓曲線上漸變過渡，必然產(chǎn)生較短路段范圍內(nèi)曲率不連續(xù)及行車軌跡發(fā)生改變的現(xiàn)象；采用線性漸變過渡時，為避免中間帶寬度變化引起直線、圓曲線路段出現(xiàn)小偏角及原單曲線拆分零散化，應(yīng)首選在緩和曲線路段范圍內(nèi)漸變過渡，因為緩和曲線上任意一點的曲率本身是變化的，在緩和曲線上漸變過渡避免了平曲線出現(xiàn)小偏角或原單圓曲線被拆分零散化，使路線線形保持連續(xù)性，有利于交通安全。

2.2.3 在平曲線內(nèi)側(cè)一端的緩和曲線上漸變過渡

(1)當調(diào)整緩和曲線參數(shù)時，如果出現(xiàn)緩和曲線長度過長，圓曲線長度過短，宜改為漸變過渡方式，利用原緩和曲線的全段進行漸變過渡，漸變率應(yīng)不大于1/100。

(2)當中間帶寬度變化小于0.5 m時，宜優(yōu)先通過緩和曲線參數(shù)的調(diào)整來滿足左右分幅線形設(shè)計要求；當中間帶變化大于0.5 m，小于3.0 m時，可保持曲線外側(cè)設(shè)計線不變，在曲線內(nèi)側(cè)一端的緩和曲線上進行漸變過渡，如圖15所示。

圖15 在內(nèi)側(cè)緩和曲線范圍漸變過渡示意圖

2.2.4 應(yīng)避免在圓曲線上漸變過渡

為避免中間帶寬度變化引起圓曲線路段出現(xiàn)小偏角及原單曲線拆分零散化，應(yīng)避免在圓曲線上采用線性漸變過渡，即使在隧道洞口外側(cè)3 s行程范圍之外。

以在圓曲線上的連拱隧道為例，如圖16所示，中間帶寬度約為4.5 m，較一般路段約增寬2.5 m，由于連拱隧道一般較短，為了保持中間帶寬度等寬，應(yīng)在兩端緩和曲線范圍內(nèi)按左右分幅線形過渡設(shè)計，如圖17所示的過渡段位置。

圖16 連拱隧道在圓曲線上示意圖

圖17 在緩和曲線上漸變過渡示意圖

3 結(jié)論

在直線或圓曲線上采用線性漸變過渡，外觀“突變”點可能對駕駛員的視覺有影響。但根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，只要漸變率符合規(guī)范規(guī)定要求，駕駛員在高速行駛過程中較難發(fā)覺寬度變化點的外觀“突變”現(xiàn)象，所以對交通安全影響較小。盡管如此，從執(zhí)行規(guī)范的嚴肅性和提升交通安全性考慮，中間帶寬度變化不宜采用線性漸變過渡。國內(nèi)外對高速公路中間帶寬度變化如何漸變過渡研究較少，本研究通過系統(tǒng)的分析研究提出調(diào)整緩和曲線參數(shù)或平曲線設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)左右分幅線形設(shè)計的過渡方式，并對線性漸變過渡方式提出了安全性優(yōu)化設(shè)計的建議意見。主要研究結(jié)論如下。

(1)高速公路中間帶寬度變化主要有3種類型：①前后路段不同標準引起的變化，其變化值最小，一般在1.5 m內(nèi)；②斜拉橋橋面中間設(shè)墩引起的寬度變化，其變化值較大，一般在2.5～3.7 m左右；③隧道結(jié)構(gòu)需要引起的寬度變化，其變化值范圍較大，一般為1.0～5.65 m范圍。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，中間帶寬度變化值大于3.0 m時應(yīng)采用左右分幅線形設(shè)計。

(2)高速公路中間帶寬度變化漸變過渡符合左右分幅線形設(shè)計的過渡方式主要有4種，在緩和曲線一端通過調(diào)整緩和曲線參數(shù)實現(xiàn)左右分幅線形設(shè)計對工程規(guī)模影響最小，影響長度也最短；通過調(diào)整兩端平曲線設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)左右分幅線形設(shè)計時對工程規(guī)模影響最大，影響長度也最長。中間帶寬度變化漸變過渡應(yīng)結(jié)合所處位置的平曲線要素及寬度變化值研究確定漸變過渡方式。

(3)高速公路中間帶寬度變化采用左右分幅線形設(shè)計，相對于高速公路項目而言增加的工程規(guī)模及占地占比非常小；從保證行車道線形連續(xù)性及符合現(xiàn)行《規(guī)范》相關(guān)規(guī)定等因素綜合考慮，新建高速公路不論增寬或減窄值大小，均宜采用左右分幅線形設(shè)計；高速公路改擴建工程、新建斜拉橋等重大工程，在不得已時可按《規(guī)范》中“條件受限制”規(guī)定采用線性漸變過渡，但宜在緩和曲線上過渡，應(yīng)避免在圓曲線上過渡。

(4)不得已要在直線段上漸變過渡時的設(shè)置原則：①當單側(cè)中間帶寬度變化值不大于0.5 m時，可采用線性漸變，漸變率不應(yīng)大于1/100；②當單側(cè)中間帶寬度變化值為0.5～1 m時，宜采用三次拋物線漸變，如果采用線形漸變漸變率不應(yīng)大于1/150；③當單側(cè)中間帶寬度變化值為1.0～1.5 m時，應(yīng)采用三次拋物線漸變，漸變率不應(yīng)大于1/120。