運(yùn)行速度及其在公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

何自珩

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430056）

0 引言

公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)是公路建設(shè)的關(guān)鍵內(nèi)容，設(shè)計(jì)速度作為路線(xiàn)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，一般采取路段固定值，并且在此基礎(chǔ)上獲取關(guān)聯(lián)性參數(shù)，如超高、視距、縱坡、平豎曲線(xiàn)半徑等。采取設(shè)計(jì)速度作為路線(xiàn)設(shè)計(jì)依據(jù)會(huì)導(dǎo)致公路設(shè)計(jì)指標(biāo)限制因素增多、加大公路設(shè)計(jì)成本和行車(chē)安全不穩(wěn)定性。考慮設(shè)計(jì)速度難以適應(yīng)實(shí)際路線(xiàn)需求及駕駛特點(diǎn)，以車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行速度為核心的路線(xiàn)設(shè)計(jì)具有重要社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義，該設(shè)計(jì)模式能夠有效均衡路線(xiàn)設(shè)計(jì)不同參數(shù)，提升交通設(shè)計(jì)人性化功能。

1 運(yùn)行速度主要影響因素

1.1 平面

1.1.1 直線(xiàn)

直線(xiàn)是路線(xiàn)設(shè)計(jì)平面基本構(gòu)成內(nèi)容，直線(xiàn)段具備行車(chē)線(xiàn)視野開(kāi)闊、方向明確、距離較短的交通特點(diǎn)。直線(xiàn)路線(xiàn)難以和地形、生態(tài)相互適應(yīng)，且直線(xiàn)長(zhǎng)度與路線(xiàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量密切相關(guān)，當(dāng)直線(xiàn)長(zhǎng)度過(guò)小，則或造成整體線(xiàn)形連續(xù)性、協(xié)調(diào)性破壞；直線(xiàn)路線(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)，則或造成行駛?cè)藛T交通疲勞，易產(chǎn)生安全事故。直線(xiàn)上的車(chē)輛運(yùn)行速度主要受直線(xiàn)段坡長(zhǎng)、長(zhǎng)度兩個(gè)因素影響。

1.1.2 圓曲線(xiàn)

圓曲線(xiàn)設(shè)計(jì)能夠快速通過(guò)路段障礙物，避免土方開(kāi)挖回填等建設(shè)成本較大的施工活動(dòng)。圓曲線(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)不合理則會(huì)造成局部區(qū)域車(chē)輛減速、加速等行為，增大交通風(fēng)險(xiǎn)，如圓曲線(xiàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角過(guò)大，則會(huì)造成較大的通行時(shí)間；圓曲線(xiàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角過(guò)小，則會(huì)造成路段急轉(zhuǎn)彎，降低運(yùn)行速度。運(yùn)行速度受到圓曲線(xiàn)半徑影響較大；緩和曲線(xiàn)則主要發(fā)揮曲率過(guò)渡作用，不同的設(shè)計(jì)曲率則需要不同運(yùn)行速度，車(chē)輛在緩和曲線(xiàn)路段表現(xiàn)為變速行駛[1]。基于設(shè)計(jì)速度的緩和曲線(xiàn)設(shè)計(jì)一般假定為等速行駛，不能夠與實(shí)際路線(xiàn)特點(diǎn)相匹配，針對(duì)緩和曲線(xiàn)運(yùn)行速度的適應(yīng)性分析則需要重點(diǎn)考慮緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度、緩和系數(shù)、相連圓曲線(xiàn)參數(shù)等。

1.2 縱面

路線(xiàn)縱斷面設(shè)計(jì)主要包括豎曲線(xiàn)（凹形、凸形豎曲線(xiàn)）和勻坡線(xiàn)兩部分，車(chē)輛運(yùn)行速度受縱斷面設(shè)計(jì)參數(shù)的影響極大。不同縱斷面設(shè)計(jì)坡長(zhǎng)和坡度下，車(chē)輛運(yùn)行速度差異性明顯，上坡段縱斷面坡度越大，運(yùn)行速度越低，坡度越小，運(yùn)行速度則越大；下坡段則與之相反。此外，坡度一定時(shí)，上坡路段的坡長(zhǎng)越大會(huì)造成運(yùn)行速度不斷減小，下坡路段坡長(zhǎng)越長(zhǎng)則會(huì)造成運(yùn)行速度不斷增大。縱斷面豎曲線(xiàn)半徑對(duì)運(yùn)行速度的影響同樣不可忽視，豎曲線(xiàn)半徑越小，運(yùn)行速度則相對(duì)較小；反之則越大。豎曲線(xiàn)設(shè)計(jì)半徑超過(guò)一定限制范圍時(shí)，設(shè)計(jì)半徑對(duì)運(yùn)行速度幾乎不產(chǎn)生影響，可將豎曲線(xiàn)簡(jiǎn)化為平坡線(xiàn)進(jìn)行處理。

1.3 車(chē)輛性能

公路車(chē)輛種類(lèi)較多，如大貨車(chē)、客車(chē)、小轎車(chē)等，不同類(lèi)型車(chē)輛面臨的公路交通環(huán)境不同，運(yùn)行速度差異性極大。同類(lèi)別車(chē)輛性能不同時(shí)，其運(yùn)行速度也不同。公路設(shè)計(jì)所針對(duì)的代表性車(chē)輛主要分為載重汽車(chē)、小客車(chē)、拖掛車(chē)幾種類(lèi)別，在開(kāi)展路線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，則主要分析中型載重汽車(chē)、小客車(chē)[2]。

2 工程概況

湖北省某山區(qū)擬新建一條低等級(jí)公路，起點(diǎn)位于臨近村落處，終點(diǎn)銜接于國(guó)道。該山區(qū)公路建設(shè)場(chǎng)地地形較為復(fù)雜，地面高程變化較大，場(chǎng)地障礙物數(shù)量較多，采取二級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，路線(xiàn)設(shè)計(jì)起終點(diǎn)K0+000～K2+800，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)為2.8 km，設(shè)計(jì)車(chē)速60 km/h，路面設(shè)計(jì)寬度7.5 m，路基設(shè)計(jì)寬度12 m，雙向二車(chē)道。路線(xiàn)初步設(shè)計(jì)中，平面、縱面線(xiàn)形指標(biāo)如下：平曲線(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)量為10 個(gè)，最小半徑65 m，最大半徑1 500 m，最小長(zhǎng)度則為102 m，平曲線(xiàn)占總長(zhǎng)度比例達(dá)到了48%；縱面設(shè)計(jì)中存在11 個(gè)變坡點(diǎn)，最大縱坡為5.6%，最小縱坡為0.3%，豎曲線(xiàn)占總長(zhǎng)度比例達(dá)到了21%。

3 基于運(yùn)行速度的路線(xiàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)

3.1 單元路段劃分

運(yùn)行速度理論應(yīng)用前提需要對(duì)路線(xiàn)進(jìn)行單元段劃分，不同單元段的劃分主要依據(jù)不同縱坡坡度、平曲線(xiàn)半徑進(jìn)行開(kāi)展，總體上可以將完整路線(xiàn)劃分為直線(xiàn)、縱坡線(xiàn)、平曲線(xiàn)、平縱組合四種單元段。不同單元段的劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：路線(xiàn)相鄰曲線(xiàn)中間存在過(guò)渡段，且過(guò)渡段長(zhǎng)度不超過(guò)120 m 時(shí)，則可以將該段路線(xiàn)作為直線(xiàn)段；路線(xiàn)設(shè)計(jì)曲率半徑超過(guò)600 m，縱坡設(shè)計(jì)坡度大于3%時(shí)，則將該路段視為縱坡段；路線(xiàn)設(shè)計(jì)曲率半徑不超過(guò)600 m，且縱坡設(shè)計(jì)坡度不大于3%時(shí)，則將該段視為平曲線(xiàn)段；路段設(shè)計(jì)曲率半徑不超過(guò)600 m，縱坡設(shè)計(jì)坡度超過(guò)3%時(shí)，則按平縱組合段處理[3]。運(yùn)行速度需要結(jié)合不同類(lèi)別單元段開(kāi)展計(jì)算分析，設(shè)計(jì)路線(xiàn)不同單元段劃分如表1所示。

表1 段落劃分統(tǒng)計(jì)

3.2 運(yùn)行速度計(jì)算

直線(xiàn)路段上的車(chē)輛運(yùn)行速度較為穩(wěn)定，一般以期望行駛速度為運(yùn)行速度上限值。當(dāng)初始運(yùn)行速度小于期望速度時(shí)，車(chē)輛表現(xiàn)為加速行駛狀態(tài)，直至期望速度才開(kāi)始勻速穩(wěn)定運(yùn)行。期望速度計(jì)算公式可按式（1）進(jìn)行計(jì)算[4]：

式中，V——直線(xiàn)路段期望速度（運(yùn)行速度）（m/s）；Vc——車(chē)輛初始速度（m/s），可通過(guò)特定位置現(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛監(jiān)測(cè)獲取；a——車(chē)輛加速度（m/s2），小客車(chē)為0.15～0.5 m/s2，大貨車(chē)為0.2～0.25 m/s2；S——直線(xiàn)路段距離（m）。

縱坡段運(yùn)行速度和路段長(zhǎng)度、坡度兩個(gè)參數(shù)密切相關(guān)，項(xiàng)目針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)縱坡段8 t 載重噸位、功率重量比在9～10 kW/t 之間的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型行駛車(chē)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，獲取如圖1 所示上下坡路段不同坡長(zhǎng)、坡度運(yùn)行速度變化規(guī)律（其余坡長(zhǎng)、坡度下的運(yùn)行速度可依據(jù)圖中參數(shù)進(jìn)行線(xiàn)形插入法計(jì)算獲取）；平曲線(xiàn)段的車(chē)輛運(yùn)行速度基本保持不變，項(xiàng)目以平曲線(xiàn)中部位置標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型監(jiān)測(cè)車(chē)速作為運(yùn)行速度。不同路段標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型運(yùn)行速度計(jì)算統(tǒng)計(jì)如表2所示[5]。

圖1 上下坡路段不同坡長(zhǎng)、坡度運(yùn)行速度

表2 標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型運(yùn)行速度統(tǒng)計(jì)

3.3 指標(biāo)評(píng)價(jià)

3.3.1 連續(xù)性

考慮合理的路線(xiàn)設(shè)計(jì)需要能夠有效引導(dǎo)行車(chē)視線(xiàn)、提升通行穩(wěn)定性，公路路線(xiàn)需要保持其線(xiàn)形連續(xù)性。不連續(xù)路線(xiàn)設(shè)計(jì)主要具備以下特點(diǎn)：銜接路段的線(xiàn)形指標(biāo)增大、減小幅度過(guò)大；單個(gè)指標(biāo)和設(shè)計(jì)指標(biāo)之間存在明顯差異；路段內(nèi)部指標(biāo)變化幅度較大。技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定性較差是不連續(xù)路段線(xiàn)形質(zhì)量主要影響因素。運(yùn)行速度下的路線(xiàn)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)分析路線(xiàn)銜接連續(xù)性，路線(xiàn)連續(xù)性指標(biāo)可以采取相鄰路段的運(yùn)行速度差a來(lái)表征。山區(qū)公路設(shè)計(jì)指標(biāo)、交通環(huán)境較為嚴(yán)格，設(shè)計(jì)車(chē)速也要低于其他等級(jí)公路，該文對(duì)路線(xiàn)連續(xù)性指標(biāo)評(píng)價(jià)進(jìn)行以下設(shè)定：運(yùn)行速度差a小于10 km/h 時(shí)，速度協(xié)調(diào)性及路線(xiàn)連續(xù)性好；運(yùn)行速度差a在10～20 km/h 時(shí)，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性及路線(xiàn)連續(xù)性較好；a大于20 km/h 時(shí)，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性及路線(xiàn)連續(xù)性不良。項(xiàng)目針對(duì)大貨車(chē)開(kāi)展運(yùn)行速度差a的計(jì)算分析，獲取如圖2 所示變化規(guī)律。結(jié)果表明，路線(xiàn)相鄰路段運(yùn)行速度差少部分小于10 km/h，路線(xiàn)連續(xù)性良好。大部分分布在10～15 km/h以?xún)?nèi)，路線(xiàn)連續(xù)性相對(duì)一般，該路段處需要進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)二次調(diào)整，減小運(yùn)行速度差[6]。

圖2 相鄰路段運(yùn)行速度差

3.3.2 速度協(xié)調(diào)性

公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)中對(duì)路線(xiàn)相關(guān)幾何要素進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要明確公路行車(chē)安全所需要的設(shè)計(jì)參數(shù)最小值和極限值。公路行駛階段，行車(chē)速度主要取決于行車(chē)動(dòng)態(tài)環(huán)境，在采取設(shè)計(jì)極限值進(jìn)行路線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，容易造成環(huán)境較大的限制性，引發(fā)駕駛員錯(cuò)誤的行車(chē)判斷，造成安全事故。項(xiàng)目采取運(yùn)行速度和設(shè)計(jì)速度差值進(jìn)行路線(xiàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量指標(biāo)評(píng)價(jià)。速度協(xié)調(diào)性需要符合一定范圍（＜20 km/h），以便確保行車(chē)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)的匹配，當(dāng)差值大于20 km/h，則需要開(kāi)展路線(xiàn)安全評(píng)估工作[7]。項(xiàng)目獲取如圖3 所示不同路段運(yùn)行速度和設(shè)計(jì)速度差變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，路段1、3、7、8、9、10 的運(yùn)行速度要小于設(shè)計(jì)速度（60 km/h），路段線(xiàn)形指標(biāo)不需要進(jìn)行優(yōu)化；路段2、4、5、6、11、12、13 的運(yùn)行速度要大于設(shè)計(jì)速度，但是差值仍舊控制在20 km/h 之內(nèi)，同樣不需要開(kāi)展路線(xiàn)安全性分析；其中，13 路段的運(yùn)行速度要大于設(shè)計(jì)速度13.1 km/h，速度協(xié)調(diào)性較差，應(yīng)該在該路段處設(shè)置限制標(biāo)志，避免交通安全事故。

圖3 不同路段運(yùn)行速度和設(shè)計(jì)速度差

4 結(jié)論

采取固定的設(shè)計(jì)速度開(kāi)展公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)容易忽略行車(chē)動(dòng)態(tài)性，造成建設(shè)成本及行車(chē)安全風(fēng)險(xiǎn)的增大。基于運(yùn)行速度理論的公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)能夠從根源上進(jìn)行路線(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，避免設(shè)計(jì)速度路線(xiàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用中的缺陷。該文依托湖北省某山區(qū)公路開(kāi)展運(yùn)行速度在公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究，獲取以下研究結(jié)果：公路線(xiàn)形連續(xù)性基本滿(mǎn)足要求；存在少數(shù)幾處路段路線(xiàn)設(shè)計(jì)連續(xù)性、協(xié)調(diào)性質(zhì)量一般；設(shè)計(jì)中需要對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行二次優(yōu)化，布置交通安全標(biāo)志，以此提升路線(xiàn)設(shè)計(jì)水平。該文所做研究有助于運(yùn)行速度理論應(yīng)用推廣。