基于行車安全性和舒適性的公路限速路段研究

王大為， 唐 楊

(1.溫州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 溫州 325000；2.五峰土家族自治縣農(nóng)村公路管理所，湖北 宜昌 443413)

公路設(shè)計是以設(shè)計速度為基準(zhǔn)速度，合理確定公路設(shè)計指標(biāo)并使其相互協(xié)調(diào)[1]。而車輛在行駛過程中，受駕駛員期望速度以及交通量、路側(cè)干擾等因素影響，車輛運(yùn)行速度往往與設(shè)計速度存在差異，由此帶來的公路車輛實際運(yùn)行速度與設(shè)計指標(biāo)不協(xié)調(diào)是引發(fā)交通事故的重要原因之一。實際運(yùn)行速度過高，遠(yuǎn)超設(shè)計速度確定的設(shè)計指標(biāo)的服務(wù)能力，將帶來極大安全隱患；當(dāng)實際運(yùn)行速度過低，則又會極大的降低公路的通行能力，降低公路的服務(wù)水平。若采用設(shè)計速度統(tǒng)一進(jìn)行限速，對于路線指標(biāo)寬裕路段則很難發(fā)揮其線形優(yōu)勢，對于路線指標(biāo)局限路段卻又存在誤導(dǎo)作用。因此合理的分路段限制速度，重點(diǎn)路段加強(qiáng)限速提醒，對車輛行駛安全與公路通行能力提升有很大的幫助。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于公路限速的研究主要集中在以運(yùn)行速度為基礎(chǔ)確定限速值[2-3]、限速標(biāo)志牌與限速位置之間的距離研究[4-5]、高速公路立交區(qū)等瓶頸擁堵位置及施工區(qū)限速標(biāo)志位置確定方法[6-7]、限速標(biāo)志設(shè)置有效性及通過運(yùn)營結(jié)果反向推演公路限速標(biāo)志的合理性研究[8-9]方面。

限速研究涉及到公路從設(shè)計到運(yùn)營各個階段，但是作為設(shè)定限速的先決條件，需要限速的路段尚未有相關(guān)系統(tǒng)論述，本文對需要限速路段進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，以期為設(shè)計人員快速明晰的確定限速位置提供參考。

1 平、縱面曲線個體指標(biāo)限速路段

1.1 基于橫向力系數(shù)u的個體平曲線

在公路設(shè)計規(guī)范中，橫向力系數(shù)u是確定圓曲線半徑的重要因素。橫向力系數(shù)u為汽車在曲線上運(yùn)行時受到的橫向力與法向力的比值，其值對汽車行駛的穩(wěn)定性、乘客的舒適性和運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性等因素均有影響[10]。

(1)汽車行駛穩(wěn)定性：u=0.15 ～0.16干燥與潮濕路面均可以較高的速度行駛；u=0.07路面結(jié)冰也能安全行駛。

(2)乘客舒適性：u<0.10不感到曲線存在，很平穩(wěn)；u=0.15略感曲線存在，尚平穩(wěn)；u=0.20已感到曲線存在，稍感到不平穩(wěn)；u=0.35感到有曲線存在，已感到不平穩(wěn)；u>0.40轉(zhuǎn)彎時已非常不穩(wěn)定，站立不住有傾倒的危險。

(3)運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性：u≤0.10～0.15輪胎磨耗及燃料消耗增加較小。u與燃料消耗和輪胎磨耗變化關(guān)系見表1。

表1 u與燃料消耗和輪胎磨耗變化關(guān)系

《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)(以下簡稱技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))規(guī)定的圓曲線最小半徑極限值，系在采用對應(yīng)最大超高時經(jīng)計算調(diào)整后的取值，其對應(yīng)計算得到的橫向力系數(shù)為0.10～0.17；而最小半徑一般值采用的橫向力系數(shù)為0.05～0.06，為按設(shè)計速度行駛的車輛能保證其安全性與舒適性建議的采用值。

《公路項目安全性評價規(guī)范》(JTG B05-2015)中對最大橫向力系數(shù)u值建議取值如表2所示。

表2 運(yùn)行速度與橫向力系數(shù)關(guān)系

基于上述規(guī)定，實際設(shè)計工作中，當(dāng)個體平曲線路段采用最小半徑一般值時，宜按設(shè)計速度進(jìn)行限速；當(dāng)平曲線路段采用最小半徑極限值時，則應(yīng)進(jìn)行設(shè)計速度限速，確保行駛速度不超過設(shè)計速度。

對于其他個體平曲線路段，則可以根據(jù)運(yùn)行速度、曲線半徑、采用的超高值等通過公式(1)綜合計算其橫向力系數(shù)u值[10]，結(jié)合表2來判斷，是否需作為重點(diǎn)限速路段，單獨(dú)或重復(fù)設(shè)置限制速度，從而提高路段的行駛安全性與舒適性。

(1)

式中：u為橫向力系數(shù)；ih為路拱橫坡度，無超高時為路拱橫坡取“-”，有超高時為超高橫坡取“+”(%)；R為圓曲線半徑(m)；V為設(shè)計速度或運(yùn)行速度(km/h)。

1.2 基于行車視距的平、縱面

滿足行車視距，保證實際可視視距與行駛速度需要視距的吻合是保證車輛安全行駛的必要條件之一。視距是指在車輛正常行駛中，駕駛員從正常駕駛位置能連續(xù)看到公路前方行車道范圍內(nèi)路面上一定高度障礙物，或者看到公路前方交通設(shè)施、路面標(biāo)線的距離。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中將公路設(shè)計視距分停車視距、超車視距、會車視距、識別視距等多種視距。

公路視距不良路段多集中在平曲線、豎曲線路段。平曲線內(nèi)側(cè)受障礙物(如中央分隔帶綠植、路側(cè)挖方邊坡、路側(cè)填方樹木等)阻擋，駕駛?cè)藛T視線被切斷，可視視距受限；豎曲線特別是凸形豎曲線，受豎曲線曲率影響，駕駛員可視范圍受限。該場合下，若可視視距不滿足車輛運(yùn)行速度所需視距，則容易導(dǎo)致車輛追尾、刮擦，嚴(yán)重的時候甚至車頭相撞造成重大事故。設(shè)計及運(yùn)營過程中需對于視距不良路段，進(jìn)行限速處理。

對于平曲線路段，主要通過保證視距長度對應(yīng)的路側(cè)橫凈距范圍不存在障礙物來滿足行車視距。路側(cè)橫凈距是指視距曲線與行車軌跡之間的法向距離，其最大值叫最大橫凈距[10]。不同的視距長度，在圓曲線的半徑上需要的最大橫凈距值不同。圓曲線半徑、設(shè)計視距、最大橫凈距三者關(guān)系見式(2)[11]：

(2)

式中：Rs為驗算最內(nèi)側(cè)車道中心線半徑；St為設(shè)計視距(m)；h為實際橫凈距(m)，為視距不良車道中心線至中央分隔帶路緣石或者至路側(cè)波形護(hù)欄之間的距離。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對于平曲線路段視距半徑?jīng)]有明確給定值，本文根據(jù)公式(2)，對停車視距及橫斷面各部分尺寸采用公路路線設(shè)計規(guī)范一般值，計算得高速、一級公路設(shè)計速度對應(yīng)小客車停車視距半徑，見表3。設(shè)計過程中可直接與該表比對，確定限速路段。

表3 高速、一級公路設(shè)計速度對應(yīng)停車視距半徑

凸形豎曲線視距半徑R用下式[10]計算:

(3)

式中：Ss為視距(m)；he為眼高(m)；ho為物高(m)。

凹形豎曲線一般路段視距半徑R依據(jù)(JTG B01-2014)采用下式計算：

(4)

式中：D為視距(m)。

凸形豎曲線視距半徑，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中以接近停車視距計算取值，在設(shè)計過程中對于采用豎曲線半徑極限值路段應(yīng)采用設(shè)計速度進(jìn)行限速。

對于采用其他設(shè)計視距的路段，采用相應(yīng)的設(shè)計視距長度及物高，通過公式(3)、公式(4)進(jìn)行計算，結(jié)果如表4所示，工作中可將臨界半徑路段作為強(qiáng)化限速路段。

表4 二、三、四級公路豎曲線視距半徑(小客車)

2 平、縱面不利組合限速路段

在設(shè)計及實際實施過程中，受地形、地質(zhì)、地物等因素限制，往往會存在較多平縱組合不合理路段，或是指標(biāo)前后不協(xié)調(diào)、視覺引導(dǎo)不連續(xù)，或是與駕駛員心理、生理或者車輛性能存在沖突，這些路段往往是事故多發(fā)路段，需進(jìn)行深入分析，針對性的分路段限速。

2.1 基于期望速度控制的長直線、長下坡或大半徑圓曲線接小半徑圓曲線

公路事故重要原因之一是相鄰路段運(yùn)行速度差值不協(xié)調(diào)。當(dāng)車輛由高速向低速行駛減速過程中，往往存在減速距離不充分，導(dǎo)致行駛速度與路線指標(biāo)不匹配，從而造成車輛外傾、翻車或者車輛追尾等安全事故，其中以長直線、長下坡或大半徑圓曲線接小半徑圓曲線路段尤為明顯。

車輛長直線或長下坡或大半徑圓曲線路段，往往會加速至期望速度，而后維持期望速度值不變，勻速行駛。依據(jù)(JTG B05-2015)，各級公路設(shè)計速度的期望速度參見表5、表6，長直線、長下坡或大半徑圓曲線路段小型車車輛的期望速度往往比設(shè)計速度高25或30 km/h。

表5 高速、一級公路期望速度 km/h

表6 二、三級公路期望速度 km/h

設(shè)計過程中，可直接將期望速度作為控制速度，對車輛長直線或長下坡或大半徑圓曲線路段后面所接的小半徑曲線進(jìn)行限速分析。期望速度結(jié)合公式(1)、公式(2)進(jìn)行計算得到控制半徑結(jié)果如表7所示。

表7 期望速度對應(yīng)圓曲線極限最小半徑及停車視距最小半徑(小客車)

表8 高速公路、一級公路停車視距

設(shè)計過程中，當(dāng)長直線或長下坡或大半徑圓曲線路段后面所接的小半徑平曲線半徑指標(biāo)小于表7對應(yīng)半徑值時，需將對應(yīng)路段設(shè)置為限速路段，結(jié)合表3確定限制速度，當(dāng)限速速度與期望速度差值大于20 km/h時，宜采取逐級限速方式[12]。

2.2 基于視覺連續(xù)性及限速區(qū)最小長度的連續(xù)彎道

公路設(shè)計過程中，受地形、地物等限制，往往會出現(xiàn)幾處平曲線連續(xù)相接形成反復(fù)的S行曲線組合，即連續(xù)彎道的情形。連續(xù)彎道路段由于是連續(xù)曲線路段，視距長度會被曲線內(nèi)側(cè)障礙物限制，司機(jī)對前方線位情況很難有明確判斷，同時長時間的連續(xù)急彎行駛，容易致使司機(jī)產(chǎn)生急躁心理，車輛行駛產(chǎn)生情緒化加速[13]。連續(xù)彎道路段合理設(shè)置限速標(biāo)志牌，視距上保持連續(xù)可見、心理上給司機(jī)明確指示，從而提高行車安全性。

連續(xù)彎道路段中S形曲線兩圓曲線半徑之比不宜過大，以大小圓半徑之比≤2為宜[1]，此時兩圓曲線超高值最大差值通常在2%以內(nèi)。根據(jù)公式(1)，在u值相等情況下，將公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算可知，相鄰S形曲線之間的實際行駛速度差值往往控制在20 km/h以內(nèi)。

考慮連續(xù)彎道路段相鄰半徑速度差值最大可達(dá)20 km/h，根據(jù)連續(xù)彎道行車特點(diǎn)，出于視覺連續(xù)以及最小行駛長度的穩(wěn)定性考慮(見表9[12])，在S形或者3個曲線連續(xù)彎道路段，宜采用幾個曲線中最小半徑，對照表3確定的臨界視距半徑，確定限制速度。

表9 限速區(qū)最小長度

當(dāng)4個及以上曲線的連續(xù)彎道路段，其曲線長度往往超過表9規(guī)定的限速區(qū)最小長度時，可對后續(xù)組合進(jìn)行循環(huán)分析，根據(jù)計算結(jié)果按速度遞進(jìn)分區(qū)設(shè)定限速路段。

3 特殊結(jié)構(gòu)物限速路段

3.1 基于車道側(cè)向安全的隧道

公路隧道由于其自身特殊的行駛環(huán)境，往往成為公路事故多發(fā)路段。

隧道洞口路段由于存在明暗洞效應(yīng)，車輛進(jìn)出洞口過程中由于光線差，易產(chǎn)生瞬間視盲，考慮明暗適應(yīng)范圍往往需要進(jìn)行路段限速；對于隧道曲線路段，如果行駛速度過高，受隧道洞壁遮擋，行車視距難以滿足，需對曲線隧道段進(jìn)行限速。

以上是針對隧道某些局部位置提出的限速要求，實際工作中考慮貫穿隧道整個洞身隧道斷面與正常路基段相比，其硬路肩被壓縮，只留有路緣帶，即行車道側(cè)向安全余寬，當(dāng)外側(cè)車道車輛超過設(shè)計速度高速行駛時，會給司機(jī)造成較大心理壓力，情緒緊張，引發(fā)交通事故，故需要對隧道整體進(jìn)行限速。

側(cè)向安全余寬是公路通行車輛在保持一定速度行車時，行車道兩側(cè)需要預(yù)留的一定的安全距離，即車道邊緣線到路側(cè)障礙物(如：護(hù)欄設(shè)施、路側(cè)邊坡等)的安全距離[1]，車道最小安全余寬見表10[1]。

隧道橫斷面布置中，隧道斷面?zhèn)认驅(qū)挾纫姳?0[1]，隧道余寬C值，在其值大于100 km/h時為0.5 m，小于等于100 km/h時為0.25 m[1]。將側(cè)向?qū)挾扰cC值相加可知，隧道設(shè)計斷面布置與行車道側(cè)向安全寬度吻合度較高。

表10 行車道側(cè)向安全余寬

實際工作中，隧道斷面設(shè)計從經(jīng)濟(jì)性考慮，基本采用表10規(guī)定的最小值，因此從橫斷面?zhèn)认虬踩鄬捊嵌瓤紤]，即使隧道平縱指標(biāo)較高，建議設(shè)計中仍對隧道區(qū)域按設(shè)計速度進(jìn)行路段限速。

考慮隧道路段為便于施工、利于通風(fēng)排氣、視線良好，實際工作中對于長隧道、特長隧道等多采用直線線形[1]，結(jié)合德國、日本等國家對最大直線長度規(guī)定不超過20V(V為設(shè)計速度)[1]，建議在長直線隧道洞身段，按20V距離重復(fù)設(shè)置限速標(biāo)志牌。

3.2 基于綜合安全考慮長大橋梁

長大橋梁作為公路設(shè)計中的常見結(jié)構(gòu)物，其設(shè)置位置往往在跨越水域或設(shè)計高度較地面較高路段，其外即為水域或臨空面較高，一旦發(fā)生交通事故，車輛沖出橋梁范圍，造成的交通事故往往難以彌補(bǔ)。考慮到事故原因往往是由于速度過快導(dǎo)致駕駛?cè)藛T反應(yīng)不及時，從確保安全角度來看，宜對長大橋路路段進(jìn)行嚴(yán)格的限速控制，根據(jù)《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》(GB 5768.5-2017)，道路上長大結(jié)構(gòu)物，如跨海大橋、山區(qū)高墩特大橋等，限制速度值不宜高于設(shè)計速度。

從公路路線設(shè)計理念來看，長大橋梁等結(jié)構(gòu)特殊橋梁，為了便于施工往往采用的是長直線高標(biāo)準(zhǔn)平面線形，而其周邊環(huán)境往往相對單調(diào)，極易使駕駛者感到單調(diào)、疲乏，難以準(zhǔn)確目測車間間距，導(dǎo)致出現(xiàn)超速行駛狀態(tài)[1]，應(yīng)對其進(jìn)行嚴(yán)格限速控制；結(jié)合德國，日本等國家對直線長度的最大規(guī)定不超過20V(V為設(shè)計速度)，建議在橋梁路段，按20V距離重復(fù)設(shè)置限速標(biāo)志牌。

對于長大橋梁，出于工程經(jīng)濟(jì)性考慮，設(shè)計過程中往往會對其硬路肩論證采用“最小值”[1]，同表10所示側(cè)向余寬值接近，加之橋梁護(hù)欄往往采用鋼筋砼護(hù)欄，對視線形成空間隔離與壓迫，從而與隧道斷面相似對駕駛員產(chǎn)生相近的生理、心理影響，因此從路側(cè)安全考慮，對于采取壓縮硬路肩寬度方式的橋梁，按設(shè)計速度進(jìn)行路段限速。

4 結(jié)論

(1)采用平、縱面曲線最小半徑一般值路段宜進(jìn)行路段限速；采用最小半徑極限值路段，應(yīng)進(jìn)行路段限速。

(2)平、縱面曲線其他指標(biāo)路段應(yīng)結(jié)合橫向力系數(shù)u計算結(jié)果、設(shè)計視距計算結(jié)果進(jìn)行路段限速。

(3)平縱不利組合路段中長直線、長下坡或大半徑圓曲線接小半徑圓曲線路段，以期望速度為控制因素，分析小半徑圓曲線所屬區(qū)域，在小半徑區(qū)域前分情況逐級限速。

(4)平縱不利組合路段中連續(xù)急彎路段，對S形或3個曲線連續(xù)彎道路段，采用幾個曲線中最小半徑，比照臨界視距半徑，將對應(yīng)速度作為限制速度；對于4個及以上曲線的連續(xù)彎道路段則可結(jié)合限速區(qū)最小長度，為提高通行能力，分段各自按最小半徑對應(yīng)速度進(jìn)行限速。

(5)對于隧道、長大橋梁路段，考慮路側(cè)安全余寬，基于安全考慮，建議全路段按設(shè)計速度限速。對于采用長直線線形的特長、長隧道及橋梁，建議按20V頻率重復(fù)限速。

另外《公路路線設(shè)計規(guī)范》對于特別路段明確規(guī)定限速要求，如二級公路設(shè)置慢車道時，四車道高速公路、四車道一級公路以及二級公路連續(xù)上坡路段沿連續(xù)上坡路方向等諸多路況，設(shè)計中根據(jù)要求執(zhí)行即可。