山區(qū)公路路線設(shè)計(jì)中線形標(biāo)準(zhǔn)及平面設(shè)計(jì)方法

侯振東

(安徽瑞成土木工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，安徽 合肥 230088)

1 山區(qū)公路路線設(shè)計(jì)需遵循原則

在設(shè)計(jì)山區(qū)公路路的過(guò)程中，在保證安全的前提下，需要嚴(yán)格遵循連續(xù)性、均衡性以及協(xié)調(diào)性這三個(gè)原則，三個(gè)原則具體體現(xiàn)的內(nèi)容如下所述：

1.1 連續(xù)性原則

連續(xù)性原則包括視覺(jué)效果、行駛速度以及加速度的連續(xù)性。

(1) 視覺(jué)效果的連續(xù)性。保證道路路線設(shè)計(jì)能夠牽引駕駛員在道路上安全行駛，避免駕駛員出現(xiàn)方向迷惑或是誤導(dǎo)駕駛員的現(xiàn)象。視覺(jué)效果是否能夠滿(mǎn)足連續(xù)性是設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中所應(yīng)該遵守的基本原則。

(2) 行駛速度的連續(xù)性。公路空間線形應(yīng)該保證汽車(chē)行駛不會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)突然加速或是減速，盡可能保證汽車(chē)均速、連續(xù)通行，確保行車(chē)過(guò)程中的平順與安全性。

(3) 加速度的連續(xù)性。縱向和水平方向產(chǎn)生的加速度波動(dòng)不易過(guò)大，避免降低駕駛員行車(chē)過(guò)程中的舒適性與安全性。

1.2 均衡性原則

均衡性原則包括高、低指標(biāo)和平、縱線形指標(biāo)以及道路坡度的均衡性。

(1) 高、低指標(biāo)的均衡性。高低指標(biāo)的公路線形構(gòu)成要素之間應(yīng)該存在中等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)度，確保不會(huì)出現(xiàn)行車(chē)過(guò)程中，汽車(chē)行駛的速度變化不會(huì)過(guò)大，提高駕駛員行車(chē)過(guò)程中的舒適性及安全性。

(2) 平、縱線形指標(biāo)的均衡性。水平面及縱斷面的線形組合相關(guān)指標(biāo)應(yīng)具備均衡性，避免出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象，保證行車(chē)過(guò)程中的平順與流暢性[1-3]。

(3) 道路坡度的均衡性。道路曲線與坡度之間具備一定的均衡，保證二者之間的關(guān)聯(lián)性保持協(xié)調(diào)，若道路曲線與坡度之間不協(xié)調(diào)，那么則會(huì)存在一定的行車(chē)安全隱患。

1.3 協(xié)調(diào)性原則

協(xié)調(diào)性原則包括線形設(shè)計(jì)要素與周?chē)匦魏铜h(huán)境、景觀、駕駛員的視野空間以及運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)之間保持協(xié)調(diào)。

(1) 線形設(shè)計(jì)要素應(yīng)該與地形、周?chē)h(huán)境、道路兩側(cè)的景觀保持協(xié)調(diào)[4-7]。保證駕駛員擁有足夠的視野空間，避免出現(xiàn)行車(chē)事故。

(2) 道路線形設(shè)計(jì)因素應(yīng)該與駕駛員的視野空間保持協(xié)調(diào)[8]，同時(shí)與駕駛員的心理反應(yīng)保持協(xié)調(diào)，避免駕駛員行車(chē)過(guò)程中產(chǎn)生疲憊感。

(3) 線形設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)之間保持協(xié)調(diào)。簡(jiǎn)單而言，就是為了保證行車(chē)有效性及減少行車(chē)時(shí)間。

2 工程概況

此次研究以山嶺區(qū)二級(jí)道路作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研究對(duì)象區(qū)域路段的行車(chē)速度確定為40 km/h。道路沿線的橫坡比為2%，路肩部位的橫坡比為2%，圓曲線最大超高控制在4%。

3 線形標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要點(diǎn)

3.1 問(wèn)題分析

(1) 公路線形設(shè)計(jì)要素與行車(chē)速度之間存在沖突。現(xiàn)階段，我國(guó)使用的設(shè)計(jì)方法突顯出以下特點(diǎn)：一個(gè)路段全線設(shè)計(jì)的行車(chē)速度是固定的，設(shè)計(jì)層面所提供的行車(chē)速度屬于是標(biāo)準(zhǔn)性參數(shù)，利用該參數(shù)來(lái)確定出道路線形的設(shè)計(jì)最小值。但是設(shè)計(jì)的構(gòu)成并未分析設(shè)計(jì)值是否能夠真實(shí)滿(mǎn)足實(shí)際行車(chē)的需求。結(jié)合實(shí)際情況分析，駕駛員一般都是根據(jù)道路線形來(lái)不斷調(diào)整自身的行車(chē)速度，實(shí)際行車(chē)速度基本上都會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)行車(chē)速度，這種情況在國(guó)內(nèi)各地區(qū)普遍存在。

(2) 線形設(shè)計(jì)要素之間相互不相容。結(jié)合設(shè)計(jì)行車(chē)速度指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根本就無(wú)法完全確保公路線形設(shè)計(jì)要素之間相互相容。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用的線形設(shè)計(jì)值是根據(jù)設(shè)計(jì)行車(chē)速度的指標(biāo)，來(lái)確定各個(gè)路段的行車(chē)安全值。但是以山區(qū)公路而言，往往需要將縱斷面線形要素與平面要素進(jìn)行結(jié)合運(yùn)用。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)道路線形下的行車(chē)速度存在差異性。結(jié)合實(shí)際情況而言，由行車(chē)速度設(shè)計(jì)出來(lái)的技術(shù)參數(shù)，根本就無(wú)法保證行車(chē)速度與道路線形保持協(xié)調(diào)，二者之間存在一定的矛盾。若各平曲線路段的半徑存在一定的差異性，那么實(shí)際行車(chē)的速度與設(shè)計(jì)行車(chē)速度之間必然會(huì)存在一定的差異，在特殊情況下，二者之間的差異巨大。所以，雖然設(shè)計(jì)者意欲將實(shí)際行車(chē)速度與設(shè)計(jì)車(chē)速保持一致，但是由于平面線形的突然變化，導(dǎo)致行車(chē)速度突變，而正是因?yàn)樾熊?chē)速度的突變，才會(huì)出現(xiàn)交通安全事故。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.2.1 平曲線段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)

(1) 對(duì)于高速公路與一級(jí)公路，因設(shè)計(jì)行車(chē)速度比較高，導(dǎo)致所對(duì)應(yīng)的線形指標(biāo)也隨之變大；以圓曲線半徑超過(guò)1 000 m的平曲線的路段進(jìn)行分析，應(yīng)該將平曲線與縱向坡度<3%的直線段劃分為一個(gè)獨(dú)立單元，應(yīng)該對(duì)曲線的中間部位于出口部位分別進(jìn)行行車(chē)速度設(shè)計(jì)。

(2) 擬合R和ah的關(guān)系。橫向加速度的大小與平曲線的半徑之間存在緊密的關(guān)聯(lián)性，此外，橫向加速度的大小與重力加速度之間也存在緊密的關(guān)聯(lián)性。但是重力加速度因素對(duì)于橫向加速度的影響不是很大，所以本文暫不對(duì)其進(jìn)行分析，僅僅對(duì)平曲線的半徑展開(kāi)分析。結(jié)合實(shí)際情況而言，大部分的汽車(chē)在低等級(jí)道路上行駛時(shí)，行車(chē)速度波動(dòng)比較小，即車(chē)輛行駛在曲線路段的入口、出口、中間部位時(shí)，行車(chē)速度基本上是相同的。所以，結(jié)合式(1)進(jìn)行計(jì)算，可以獲取到汽車(chē)在低等級(jí)公路的曲線段的行駛速度v。

(1)

式中：v為行駛速度，m/s；ah為加速度，m/s2；hc為低等級(jí)公路中曲線上某部位的抬高值，m；b為低等級(jí)公路中曲線段某部位路面寬度的一半，m；g為重力加速度，m/s2；k是指曲線曲率值，m-1。

3.2.2 線形的連續(xù)性評(píng)價(jià)

以大型運(yùn)輸車(chē)為例，計(jì)算其在低等級(jí)公路中的行車(chē)速度。圖1為大型運(yùn)輸車(chē)在相鄰路段運(yùn)行速度差值直方圖。

圖1 相鄰路段運(yùn)行速度差值直方圖

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，大型運(yùn)輸車(chē)在第6段和第27段兩處的行車(chē)速度為13 km/h，其余路段的行車(chē)速度都保持在10 km/h以?xún)?nèi)，行車(chē)連續(xù)性比較理想。但是在第6段和第27段的表現(xiàn)則差強(qiáng)人意。

3.2.3 設(shè)計(jì)速度的一致性檢查

各路段的行車(chē)速度差異具體情況如圖2所示。

圖2 各路段行車(chē)速度差異直方圖

由圖2可以了解到，路段8～11、17～27中大型運(yùn)輸車(chē)的行駛速度明顯低于設(shè)計(jì)速度，所以該部分路段的技術(shù)指標(biāo)不需要進(jìn)行優(yōu)化。但是1～7、12～16、28～31路段中，大型運(yùn)輸車(chē)的行駛速度均超過(guò)設(shè)計(jì)速度，行駛速度差指標(biāo)全部<20 km/h，所以在此不需要對(duì)行車(chē)安全性進(jìn)行分析。路段29屬于直線段，實(shí)際行車(chē)速度與設(shè)計(jì)速度之間的差值為17 km/h，存在行車(chē)安全風(fēng)險(xiǎn)，所以需要設(shè)置限速警示標(biāo)牌，以提高行車(chē)過(guò)程中的安全性。

4 平面設(shè)計(jì)相關(guān)要點(diǎn)

4.1 設(shè)計(jì)方法

目前，道路平面設(shè)計(jì)主要是有兩種方法：導(dǎo)線設(shè)計(jì)法、曲線設(shè)計(jì)法。平原地區(qū)的地形環(huán)境比較簡(jiǎn)單，需要兼顧的影響因素不是很多，所以可以選擇使用導(dǎo)線設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以提高設(shè)計(jì)工作的效率。山丘地區(qū)的地形比較復(fù)雜，在布線過(guò)程中可能會(huì)受到諸多因素的影響，所以布線的效率相對(duì)比較低，公路線性設(shè)計(jì)過(guò)程中可能無(wú)法兼顧所有的影響因素，導(dǎo)致平縱組合不理想。在對(duì)道路的平面進(jìn)行定線時(shí)，施工人員應(yīng)該將其與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地形進(jìn)行匹配，同時(shí)使用上述兩種設(shè)計(jì)方法展開(kāi)設(shè)計(jì)作業(yè)。利用曲線法生成線位，模擬出道路的導(dǎo)線，這樣一來(lái)設(shè)計(jì)人員就可以巧妙地均衡直線與曲線之間的關(guān)系，確保布線的合理性。在經(jīng)過(guò)多次平衡以后，最終獲取到一條最佳線位，不但可以保證平面線形指標(biāo)符合均衡要求，同時(shí)還可以降低土方的開(kāi)挖量。

4.2 注意事項(xiàng)

4.2.1 運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)

(1) 道路直線段的行車(chē)速度設(shè)計(jì)影響因素。在實(shí)際駕車(chē)過(guò)程中，會(huì)對(duì)駕駛員造成影響的因素包括：交通量、周?chē)h(huán)境、道路質(zhì)量等。①幾何條件。此方面的影響因素主要是包括：道路長(zhǎng)度、曲線半徑、相鄰曲線路段的長(zhǎng)度差異等。其中對(duì)行車(chē)速度造成影響最大的應(yīng)該是直線段的長(zhǎng)度，若直線段的長(zhǎng)度比較短，那么行車(chē)速度的波動(dòng)則不是很大，反之則會(huì)增大行車(chē)速度的波動(dòng)。當(dāng)公路沿線的駕駛環(huán)境達(dá)到駕駛員預(yù)期的效果以后，那么行車(chē)速度則會(huì)趨向于穩(wěn)定。②交通條件。以混合交通而言，某類(lèi)機(jī)動(dòng)車(chē)占所有通行車(chē)型的比重不同，那么車(chē)輛行駛的速度也會(huì)表現(xiàn)出一定的差異；當(dāng)大型車(chē)輛的比重過(guò)高時(shí)，其他車(chē)輛行駛的速度必然會(huì)有所下降。

對(duì)道路的線性進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要結(jié)合不同路段的標(biāo)準(zhǔn)差異對(duì)行車(chē)速度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在不同行車(chē)速度路段安裝相對(duì)應(yīng)的限速警示標(biāo)牌。結(jié)合多角度連續(xù)可變正時(shí)系統(tǒng)(variable timing injection，VTI)交通模型中的限速標(biāo)志要求來(lái)看，見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：V50%為行車(chē)速度限速路段內(nèi)的中位車(chē)速；V2為行車(chē)速度限速路段內(nèi)之前的中位車(chē)速；C·d是指標(biāo)定常數(shù)；Vg是指行車(chē)限速值。

(2) 運(yùn)行速度計(jì)算。利用山區(qū)公路預(yù)測(cè)方法來(lái)計(jì)算行車(chē)速度，具體情況可以參照表1。

4.2.2 直線段車(chē)輛運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型

(1) 初始運(yùn)行速度V0。結(jié)合實(shí)際情況而言，可以將行車(chē)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)獲取的速度作為初始運(yùn)行速度V0，假若現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)缺失，那么則可以根據(jù)表2數(shù)據(jù)計(jì)算行車(chē)速度。

表2 設(shè)計(jì)速度與初始運(yùn)行速度關(guān)系

(2) 期望運(yùn)行速度Ve。該指標(biāo)是指固定場(chǎng)景下的道路環(huán)境，汽車(chē)在行駛時(shí)不會(huì)受到同行機(jī)動(dòng)車(chē)的影響，駕駛員內(nèi)心的安全心理值比較高。

經(jīng)過(guò)相關(guān)結(jié)構(gòu)的調(diào)研結(jié)果來(lái)看，以小客車(chē)而言，對(duì)公路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，同一路段中，實(shí)際行車(chē)速度與設(shè)計(jì)行車(chē)速度之間的差異>20 km/h時(shí)，則應(yīng)該嚴(yán)格按照管理要求對(duì)路段的安全性進(jìn)行驗(yàn)算。現(xiàn)行規(guī)范《指南》中也明確提及，相同路段的實(shí)際行車(chē)速度與設(shè)計(jì)行車(chē)速度的差異>20 km/h時(shí)，需要嚴(yán)格按照管理要求對(duì)路段的安全性進(jìn)行驗(yàn)算。

可以發(fā)現(xiàn)，若駕駛員按照(VD+20)km/h速度行駛可能會(huì)出現(xiàn)安全隱患，但是駕駛員以(VD+10)km/h速度行駛，則可以在一定程度上保證其個(gè)人安全。結(jié)合實(shí)際情況考慮，部分駕駛員可能會(huì)在安全駕車(chē)的背景下采用高速駕駛模式的可能性，所以可以將行車(chē)速度控制在(VD+15)km/h比較合適。此次研究?jī)H僅對(duì)道路的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)定義，未兼顧最高指標(biāo)的影響。這就意味著可能會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象：汽車(chē)的實(shí)際行駛速度超過(guò)設(shè)計(jì)行車(chē)速度，但是只有在線形指標(biāo)最低的情況下才會(huì)出現(xiàn)這種可能性。具體情況可以參照表3中信息。

表3 實(shí)際與設(shè)計(jì)行車(chē)速度的關(guān)聯(lián)性

結(jié)合表3可知，以設(shè)計(jì)行車(chē)速度為前提進(jìn)行分析，將實(shí)際行車(chē)速度與設(shè)計(jì)行車(chē)速度之間的差值作為期望速度并不具備合理性，同時(shí)也無(wú)法展現(xiàn)出汽車(chē)的實(shí)際行車(chē)速度。

公路中直線段加速度與穩(wěn)定行駛的速度。以平直路段而言，小客車(chē)與大貨車(chē)在直線段都有一個(gè)期望行車(chē)速度。當(dāng)汽車(chē)初行車(chē)速度V0小于駕駛員期望行車(chē)速度時(shí)，則將其稱(chēng)之為加速度過(guò)程。關(guān)于汽車(chē)在直線段的行車(chē)速度可以按照式(3)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

式中：Vs為直線路段的期望車(chē)速，m/s；V0為機(jī)動(dòng)車(chē)駛出曲線的初始運(yùn)行速度，m/s；a0為機(jī)動(dòng)車(chē)加速度，m/s2；S為直線段距離，m。

根據(jù)山區(qū)公路的特征以及前文中的研究分析，可以計(jì)算出低等級(jí)公路平直段的加速度值與期望行車(chē)速度，具體情況見(jiàn)表4。

表4 平直路段上期望運(yùn)行速度和推薦加速度值

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，山區(qū)道路線形設(shè)計(jì)存在一定的難度，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)涉及諸多方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。受地形條件的影響以及環(huán)境保護(hù)要求的限制，公路路線設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性會(huì)在很大程度上影響到駕駛員的行車(chē)舒適感、建設(shè)總成本以及周?chē)h(huán)境。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要兼顧多方面的影響因素，合理把控各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)，促使公路平縱面線形設(shè)計(jì)具備經(jīng)濟(jì)性與合理性，最終呈現(xiàn)出一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)方案。