高速公路小半徑圓曲線橫凈距分析及改善措施研究

商曉儒

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

高速公路的建設(shè)可以帶動道路沿線經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展,有利于改善當(dāng)?shù)氐某鲂袟l件,但隨著高速公路里程逐年增加,隨之而來交通事故率也不斷攀升,影響高速公路安全性的主要因素有人為因素、道路因素和車輛因素[1],在高速公路設(shè)計(jì)過程中可以盡量避免因道路因素產(chǎn)生的安全性問題,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國高速公路交通事故發(fā)生在曲線段的概率高達(dá)36%[2],而停車視距則是曲線段中最為重要的一項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo),即使停車視距滿足相關(guān)要求,其曲線段橫凈距也有可能不夠,將對行車安全性產(chǎn)生極為不利的影響,因此對高速公路橫凈距的研究顯得尤為重要。

目前很多學(xué)者對高速公路曲線段視距進(jìn)行了研究。田華等[3]根據(jù)多個高速公路項(xiàng)目實(shí)例,研究了停車視距檢驗(yàn)和改進(jìn)設(shè)計(jì)方法,提出了將中央分隔帶綠化型改為硬化型、移動混凝土防撞護(hù)欄位置等措施改善視距。楊永紅等[4]建立了三維動態(tài)視距模型,建議在左轉(zhuǎn)處加寬橫凈距,在視線不足的左轉(zhuǎn)處增設(shè)視線誘導(dǎo)安全設(shè)施,確保小客車在實(shí)際超車道行駛安全。張慧杰等[5]研究了80km/h設(shè)計(jì)速度下圓曲線半徑與加寬值的關(guān)系,提出了移動護(hù)欄、移動標(biāo)識線等措施滿足停車視距的要求。從以上研究可以看出,目前尚未提出高速公路不同設(shè)計(jì)速度和不同圓曲線半徑的橫凈距加寬值、基于橫凈距要求的圓曲線半徑、適用于不同情況下的解決措施。

現(xiàn)對80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計(jì)速度下不同圓曲線半徑的實(shí)際橫凈距和基于橫凈距要求的最小圓曲線半徑進(jìn)行計(jì)算,確定不同設(shè)計(jì)速度和圓曲線半徑下的橫凈距加寬值,提出適用于不同情況下解決橫凈距不足的措施,為高速公路行業(yè)同類問題提供一定的參考。

1 實(shí)際橫凈距值

1.1 整體式斷面實(shí)際橫凈距值

目前我國處于高速公路建設(shè)的高峰期,一般選用雙向四車道的高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)居多,設(shè)計(jì)速度采用80km/h、100km/h或120km/h不等,根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[6](JTG D20—2017)相關(guān)要求,對于整體式路基,選用橫斷面各部件尺寸一般值,其中車道寬度選用3.75m,土路肩寬度選用0.75m,不同設(shè)計(jì)速度下的左側(cè)路緣帶寬度及C值選用見表1。

表1 不同設(shè)計(jì)速度下左側(cè)路緣帶寬度及C值

整體式路基斷面以設(shè)計(jì)速度為100km/h的路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為例,見圖1。

圖1 整體式斷面標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:cm)

對于整體式路基斷面,左側(cè)實(shí)際橫凈距由C值、左側(cè)路緣帶寬度和一半內(nèi)側(cè)車道寬度組成,右側(cè)實(shí)際橫凈距由一半外側(cè)車道寬度和右側(cè)硬路肩組成。由圖1可得出不同設(shè)計(jì)速度下整體式路基斷面左側(cè)實(shí)際橫凈距值和右側(cè)實(shí)際橫凈距值,見表2。

表2 整體式不同設(shè)計(jì)速度下實(shí)際橫凈距值

1.2 分離式斷面實(shí)際橫凈距值

分離式路基斷面,選用橫斷面各部件尺寸一般值,其中車道寬度選用3.75m,右側(cè)硬路肩寬度均采用3m,不同設(shè)計(jì)速度下的左側(cè)硬路肩寬度見表3。

表3 不同設(shè)計(jì)速度下左側(cè)硬路肩寬度

分離式路基斷面以設(shè)計(jì)速度為100km/h路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為例,見圖2。

圖2 分離式斷面標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:cm)

對于分離式路基斷面,左側(cè)實(shí)際橫凈距由左側(cè)硬路肩和一半內(nèi)側(cè)車道寬度組成,右側(cè)實(shí)際橫凈距由一半外側(cè)車道寬度和右側(cè)硬路肩組成。由圖2可以得出不同設(shè)計(jì)速度下分離式路基斷面左側(cè)實(shí)際橫凈距值和右側(cè)實(shí)際橫凈距值,見表4。

表4 分離式不同設(shè)計(jì)速度下實(shí)際橫凈距值

由表2和表4可以看出,雖然整體式斷面和分離式斷面實(shí)際橫凈距的計(jì)算方式略有不同,但實(shí)際橫凈距的計(jì)算結(jié)果一致, 80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計(jì)速度下左側(cè)實(shí)際橫凈距分別為2.625m、2.875m和3.125m,80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計(jì)速度下右側(cè)實(shí)際橫凈距均為4.875m。

2 基于橫凈距值要求的最小圓曲線半徑

為探究橫凈距、圓曲線半徑和停車視距之間的關(guān)系,僅就停車視距小于圓曲線長度的情況進(jìn)行研究,橫凈距、圓曲線半徑和停車視距之間的關(guān)系見圖3。

圖3 橫凈距計(jì)算關(guān)系圖

由圖3可以得出橫凈距的計(jì)算公式,見式(1)和式(2):

(1)

(2)

式中:h為橫凈距要求值(m);Rs為平曲線內(nèi)側(cè)汽車行駛軌跡半徑(m);γ為視距線對應(yīng)圓心角(°);S為停車視距(m)。

設(shè)計(jì)速度80km/h、100km/h和120km/h對應(yīng)的停車視距分別為110m、160m和210m。結(jié)合式(1)和式(2)可以計(jì)算出不同設(shè)計(jì)速度和圓曲線半徑下的橫凈距要求值,見表5。

表5 不同設(shè)計(jì)速度和圓曲線半徑的橫凈距要求值

由表5可以看出,右側(cè)實(shí)際橫凈距在80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計(jì)速度下均能滿足橫凈距要求,左側(cè)實(shí)際橫凈距若要滿足橫凈距要求,在80km/h設(shè)計(jì)速度下,圓曲線半徑需大于576m,在100km/h設(shè)計(jì)速度下,圓曲線半徑需大于1113m,在120km/h設(shè)計(jì)速度下,圓曲線半徑需大于1764m,若對應(yīng)設(shè)計(jì)速度下的圓曲線半徑未達(dá)到上述要求,則需采取一定措施解決橫凈距不足的問題,建議在高速公路設(shè)計(jì)過程中,80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計(jì)速度下的圓曲線最小半徑應(yīng)分別大于576m、1113m和1764m。

3 橫凈距加寬值

影響橫凈距加寬值的主要因素為設(shè)計(jì)速度和圓曲線半徑大小,在高速公路設(shè)計(jì)過程中,有時(shí)受地形、地質(zhì)和生態(tài)紅線等限制,設(shè)置的圓曲線半徑較小,會對內(nèi)側(cè)車道的視距產(chǎn)生不良的影響,致使圓曲線內(nèi)側(cè)橫凈距不足,因而需要對橫凈距不足側(cè)進(jìn)行加寬設(shè)計(jì),由式(1)和式(2)計(jì)算出不同設(shè)計(jì)速度和圓曲線半徑的橫凈距加寬值,見表6～表8。

表6 80km/h設(shè)計(jì)速度不同圓曲線半徑的橫凈距加寬值

表7 100km/h設(shè)計(jì)速度不同圓曲線半徑的橫凈距加寬值

表8 120km/h設(shè)計(jì)速度不同圓曲線半徑的橫凈距加寬值

由表6～表8可以看出,80km/h、100km/h設(shè)計(jì)速度下,在圓曲線半徑分別達(dá)到一般最小值400m、700m的情況下,右側(cè)實(shí)際橫凈距均能滿足橫凈距要求值,無需進(jìn)行加寬處理,僅需對左側(cè)橫凈距加寬。120km/h設(shè)計(jì)速度下,在圓曲線半徑大于1130m情況下,右側(cè)實(shí)際橫凈距均能滿足橫凈距要求值,僅需對左側(cè)橫凈距加寬,即使圓曲線半徑達(dá)到一般最小值1000m,但小于1130m,則仍需對右側(cè)橫凈距進(jìn)行加寬處理。

在高速公路設(shè)計(jì)過程中,建議80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計(jì)速度下左右側(cè)橫凈距加寬值不應(yīng)小于表6～表8中的數(shù)值,才可以滿足橫凈距的要求。

4 橫凈距改善措施

4.1 壓縮路基斷面尺寸的措施

可以采取壓縮中分帶、壓縮車道或硬路肩寬度,同時(shí)增加左側(cè)路緣帶寬度的措施,來增加實(shí)際橫凈距,以滿足橫凈距的要求。

4.1.1壓縮中分帶寬度

目前高速公路中分帶寬度多為2m或3m,在滿足中分帶護(hù)欄設(shè)置寬度和中分帶內(nèi)通信光纜等設(shè)施的寬度需求情況下,可以適當(dāng)縮減高速公路中分帶的寬度,同時(shí)增加左側(cè)路緣帶的寬度,以增加實(shí)際橫凈距,進(jìn)而滿足橫凈距要求。

4.1.2壓縮內(nèi)側(cè)行車道寬度

目前80 km/h以上設(shè)計(jì)速度的車道寬度為3.75m,對于以通行小型或中型客車為主的高速公路,通過重新繪制交通標(biāo)線將內(nèi)側(cè)車道寬度變?yōu)?.5m,同時(shí)左側(cè)路緣帶可以加寬0.25m,則實(shí)際橫凈距也就增加了0.25m。若橫凈距加寬值小于0.25m,則可以滿足橫凈距的要求。

4.1.3壓縮右側(cè)硬路肩寬度

目前,設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h及以上的高速公路,右側(cè)硬路肩的寬度為3m,高速公路硬路肩作為應(yīng)急搶險(xiǎn)車道,應(yīng)盡量減少對其壓占,對于主要用于小型客車通行的高速公路,硬路肩的寬度不應(yīng)小于2.5m。可應(yīng)用交通標(biāo)線重新劃分橫斷面尺寸,將硬路肩寬度調(diào)整為2.5m,同時(shí)左側(cè)路緣帶寬度增加0.5m,則實(shí)際橫凈距也就增加了0.5m。若橫凈距加寬值小于0. 5m,則可以滿足橫凈距的要求。對于壓縮右側(cè)硬路肩的段落,須在該段落起終點(diǎn)一定距離范圍內(nèi)設(shè)置硬路肩禁止停車標(biāo)志。

應(yīng)注意的是在不滿足橫凈距要求的段落,圓曲線兩端的緩和曲線應(yīng)進(jìn)行寬度的過渡,寬度應(yīng)采用線性漸變,且漸變率不應(yīng)大于1/100。對于橫凈距加寬值較大的情況,可以采用壓縮中分帶、壓縮車道或硬路肩組合的措施解決橫凈距不足的問題。

優(yōu)點(diǎn):(1)無需加寬路基及路面,工程規(guī)模及投資較小;(2)僅需重新繪制交通標(biāo)線,設(shè)計(jì)和施工難度較低。

缺點(diǎn):(1)壓縮路基橫斷面尺寸,影響高速公路的通行能力;(2)路線線形不連續(xù)。

壓縮路基斷面尺寸的措施已在沈陽繞城高速公路改擴(kuò)建工程中實(shí)施,采用的是適當(dāng)壓縮硬路肩的方法,效果良好。

4.2 優(yōu)化中央分隔帶護(hù)欄措施

在中央分隔帶寬度不變和護(hù)欄防護(hù)等級不下降的前提下,可通過護(hù)欄和防眩措施的布置形式或結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化來增加圓曲線內(nèi)側(cè)的橫凈距,不同方法對比如下:

(1)基于布置形式角度來說,護(hù)欄單排布置優(yōu)于雙排布置。

(2)基于變形能力角度來說,護(hù)欄的剛度越大優(yōu)勢越明顯。

(3)基于結(jié)構(gòu)尺寸角度來說,護(hù)欄橫向布置所需的寬度越小,則優(yōu)勢越大;物理防眩光比植物防眩光具有更明顯的優(yōu)勢。

一般來說采用單排布置形式、選用斷面尺寸越小、剛度越大的護(hù)欄,則可以向后移動的寬度就更大,對增加圓曲線內(nèi)側(cè)的橫凈距的貢獻(xiàn)也越明顯。因此,在相同的防護(hù)等級下,可以采取將雙排分設(shè)式波形梁鋼護(hù)欄的布置形式改為組合式波形梁鋼護(hù)欄、單排雙坡混凝土護(hù)欄、梁柱鋼護(hù)欄等措施。也可以將一般的植物防眩光措施改為防眩光板或防眩光網(wǎng)等物理防眩光措施。

優(yōu)點(diǎn):(1)工程規(guī)模及造價(jià)較低;(2)設(shè)計(jì)和施工較為簡單;(3)路線線形較為連續(xù)。

缺點(diǎn):(1)可增加的橫凈距寬度范圍有限;(2)防眩效果和美觀度較差。

調(diào)整護(hù)欄及防眩措施的布置形式和結(jié)構(gòu)型式對橫凈距寬度的增加量有所限制,因此對于橫凈距加寬值較小的情況,優(yōu)化中央分隔帶護(hù)欄措施較為適用,但對于橫凈距加寬值較大的情況,優(yōu)化中央分隔帶護(hù)欄措施則不適用。

優(yōu)化中央分隔帶護(hù)欄措施已在京哈高速公路沈陽至四平段改擴(kuò)建工程中實(shí)施,將植物防眩改為防眩板,效果良好。

4.3 加寬路基的措施

對于實(shí)際橫凈距不滿足橫凈距要求的曲線段落,可以加寬斷面尺寸以增大實(shí)際橫凈距,加大左側(cè)路緣帶或左側(cè)硬路肩寬度,進(jìn)而增加實(shí)際橫凈距,以滿足橫凈距要求。

4.3.1整體式路基斷面

對于整體式路基或橋梁斷面,建議采用中分帶位置不變,加寬左側(cè)路緣帶的加寬方式,進(jìn)而加寬實(shí)際橫凈距,以滿足橫凈距的要求。

4.3.2分離式路基斷面

對于分離式路基或橋梁斷面,建議采用平面設(shè)計(jì)線位置不變、加寬左側(cè)硬路肩的方式,進(jìn)而加寬實(shí)際橫凈距,以滿足橫凈距的要求。

無論是整體式斷面還是分離式斷面,圓曲線段落加寬均為等寬加寬,即一段圓曲線內(nèi)加寬的數(shù)值一定,但在圓曲線兩端的緩和曲線段落需要對寬度進(jìn)行過渡,應(yīng)采用線性漸變的方式,且漸變率不應(yīng)大于1/100。

優(yōu)點(diǎn):(1)對于圓曲線段落等寬加寬,設(shè)計(jì)和施工難度較小;(2)適用于橫凈距加寬值大的情況。

缺點(diǎn):(1)在曲線兩端的緩和曲線段落,路線線形不連續(xù);(2)需加寬路基,具有較大的工程建設(shè)規(guī)模和投資。

加寬路基的措施已在赤峰至綏中高速公路(G4515)凌源(蒙遼界)至綏中段中應(yīng)用,整體式采用加寬左側(cè)路緣帶,分離式采用加寬左側(cè)硬路肩的方法,但該項(xiàng)目目前尚未通車。

4.4 視距輔助線的措施

對于實(shí)際橫凈距不滿足橫凈距要求的曲線段落,在曲線內(nèi)側(cè)或外側(cè)設(shè)置視距輔助線,將視距輔助線和原平面設(shè)計(jì)線當(dāng)作間距較小的分離式路基段落,可以理解為加大圓曲線半徑,以減小橫凈距的要求值,進(jìn)而解決實(shí)際橫凈距不滿足橫凈距要求的問題。

4.4.1曲線內(nèi)側(cè)視距輔助線

在原平面設(shè)計(jì)線曲線內(nèi)側(cè)設(shè)置視距輔助線,把曲線內(nèi)側(cè)視距輔助線視為中央分隔帶中心線,左幅的新的平面設(shè)計(jì)線則為曲線內(nèi)側(cè)增設(shè)的視距輔助線,右幅新的平面設(shè)計(jì)線仍為原平面設(shè)計(jì)線。

4.4.2曲線外側(cè)視距輔助線

在原平面設(shè)計(jì)線曲線外側(cè)設(shè)置視距輔助線,原平面設(shè)計(jì)線仍當(dāng)作中央分隔帶中心線,左幅新的平面設(shè)計(jì)線仍為原平面設(shè)計(jì)線,右幅新的平面設(shè)計(jì)線則為曲線外側(cè)增設(shè)的視距輔助線。

無論是曲線內(nèi)側(cè)視距輔助線還是曲線外側(cè)視距輔助線,視距輔助線均需按路線線形順接至兩端的原路路線線形,且視距輔助線與原平面設(shè)計(jì)線間的間隙需滿鋪路面,利用路面交通標(biāo)線劃分。

優(yōu)點(diǎn):(1)相比于加寬左側(cè)路緣帶或左側(cè)硬路肩的措施,路線線形連續(xù);(2)適用于橫凈距加寬值大的情況。

缺點(diǎn):(1)需設(shè)計(jì)兩個平面線形,路線線形變化,具有較大的設(shè)計(jì)和施工難度;(2)具有較大的工程建設(shè)規(guī)模和投資。

視距輔助線的措施已在本溪至集安高速公路(G9111)本溪至桓仁(寬甸)段中應(yīng)用,但該項(xiàng)目目前尚未通車。

5 結(jié)論

以標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為例,研究了80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計(jì)速度下的實(shí)際橫凈距、基于橫凈距要求的最小圓曲線半徑、橫凈距加寬值和橫凈距改善措施等,主要有以下結(jié)論:

(1)80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計(jì)速度下左側(cè)實(shí)際橫凈距分別為2.625m、2.875m和3.125m,右側(cè)實(shí)際橫凈距均為4.875m。

(2)基于橫凈距要求, 80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計(jì)速度的圓曲線半徑分別不應(yīng)小于576m、1113m和1764m。

(3) 80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計(jì)速度的左側(cè)橫凈距加寬值不應(yīng)小于表6～表8中數(shù)值。80km/h、100km/h設(shè)計(jì)速度圓曲線半徑值大于一般最小值時(shí),則右側(cè)橫凈距無需加寬,120km/h設(shè)計(jì)速度圓曲線半徑值小于1130m時(shí),右側(cè)橫凈距則需加寬。

(4)采取壓縮路基斷面尺寸、優(yōu)化中央分隔帶護(hù)欄、加寬路基和視距輔助線等措施可以解決橫凈距不足的問題。

(5)對于通行小客車為主的高速公路,推薦采取壓縮路基斷面尺寸的措施。對于橫凈距加寬值較小的情況,推薦采用優(yōu)化中央分隔帶護(hù)欄的措施。對于橫凈距加寬值較大的情況,可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況,選用加寬路基措施或視距輔助線措施。