公路幾何線形安全性評價方法研究

摘要 為了提高公路路線設計水平，文章首先總結了平面線形要素和縱斷面線形要素對行車安全的影響；隨后以某國道一級公路為研究對象，按圓曲線半徑、縱坡等線形參數將其劃分為若干路段，評價了線形平縱指標的均衡性，并預測了運行速度，用運行速度預測值和設計速度的差值絕對值|Δv85|來評價線形的安全性，研究成果可供類似公路項目設計借鑒。

關鍵詞 公路；路線設計；平縱指標；安全性評價；指標均衡

中圖分類號 U412.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0034-03

0 引言

近年來，公路建設里程不斷增加，對質量和安全的要求也更加嚴格。公路是一種三維線形構造物，如果路線設計不合理，在運營期間可能導致安全事故頻發，帶來不良的社會影響。良好的公路幾何線形不僅要求平、縱線形的單個要素滿足規范要求，還要求平縱組合指標均衡，以保證線形的連續和安全。同時，評價公路幾何線形的安全性尚無統一理論，現行規范推薦運行速度法。因此，進一步探討公路線形安全性評價要點十分必要。

1 公路線形要素對行車安全的影響

1.1 平面線形要素對行車安全的影響

直線和圓曲線是影響公路安全的重要平面線形，故針對直線長度、圓曲線半徑、圓曲線轉角來分析平面線形對行車安全的影響[1]。

（1）直線長度。直線線形具有布線簡單、方向明確、距離短等優勢，但直線過長或過短都不利于行車安全。直線過長使得線形過于單調，易引起司機疲勞、感知力下降，對交通標志的辨識能力下降。一旦遇到突發問題，司機來不及反應。同時，直線過長時，會讓司機產生一種急于走出直線線形的心理，從而不自覺加速，易發生交通事故。

當兩個同向圓曲線間的直線長度過短時，司機容易把兩個曲線看作一個曲線；反之，容易把直線看作“斷背曲線”。上述兩種情況都會使司機對公路前方線形作出錯誤判斷，從而采取錯誤的操作，給交通安全帶來較大隱患。

（2）圓曲線轉角。圓曲線轉角是影響行車安全的重要因素，在路線線形設計時要盡量避免采用＜7 °的小轉角。為了確定最優圓曲線轉角，該文統計了某地區多條高速公路的事故率和轉角角度，繪制了曲線圖，如圖1所示。

由圖1統計結果可知：圓曲線轉角與事故率之間基本呈拋物線函數關系，隨著圓曲線轉角的增加，公路上的安全事故率呈“先減小后增加”的趨勢。當圓曲線轉角在20 °左右時，行車安全性最好。此時，司機視野最好，無須轉頭或移動視線就可以很好地判別前方線形走向和路況。

（3）圓曲線半徑。圓曲線半徑直接影響車輛在彎道路段行駛時所受到的離心力，圓曲線半徑越小，離心力越大。在離心力作用下，車輛會有傾覆、滑移的趨勢，給司機心理帶來緊張感，從而做出錯誤的操作。同時，圓曲線半徑越大，行車安全性越好，但會使公路的征地拆遷規模變大。《公路路線設計規范》（JTG D20—2017）中給出了圓曲線最小半徑的計算方法，見式（1）：

（1）

式中，R——圓曲線半徑（m）；V——設計速度（km/h）；μ——橫向力系數；i——超高橫坡（%）。

一般情況下，公路的設計速度是固定的，故圓曲線最小半徑取決于橫向力系數，μ值越大，車輛受到的離心力越大，行車安全性越差。在路線線形設計時，μ值宜取0.10～0.15。

1.2 縱斷面線形要素對行車安全的影響

（1）縱坡坡度。公路縱坡坡度越大、坡長越長，安全事故發生的概率越高。在連續上坡路段，車輛需克服的各項阻力大，車輛爬升所需的牽引力大，必然使得車速下降。如果車輛性能不佳，過大的坡度會使發動機熄火，帶來安全隱患；在連續下坡路段，車輛的重力勢能會轉換為動能。為了避免車輛因車速過快失控，需持續剎車。此時，坡長較長會使制動器發熱，甚至失靈。尤其是在雨天或冰雪天氣，路面摩擦系數較小，易超速行駛，不利于行車安全。因此，公路路線線形設計時要嚴格控制縱斷面的最大縱坡。

該文統計了某地區多條高速公路的事故率和縱坡坡度，見表1[2]。

由表1可知：縱坡坡度越大，公路上的安全事故越多。當縱坡坡度超過4%時，事故率快速提高。為了保證行車安全，建議縱斷面設計縱坡≤4.0%。

（2）豎曲線。大量工程經驗表明，豎曲線對公路行車安全的影響體現在視距受限、離心力過大、排水不暢三個方面。

視距受限：對于半徑過小的凸形豎曲線，頂部存在視線盲區，司機無法準確判斷路線前方走向，一旦發生緊急情況，司機不能及時采取措施。而凹形豎曲線的視距一般能滿足要求，但是隧道或橋梁設置在凹形豎曲線處，結構物會遮擋司機視線，使司機感到緊張[3]。

離心力過大：當豎曲線半徑較小時，車輛行駛時會受到較大的豎向離心力，司機會有超重或失重的感覺，心理產生緊張感。同時，豎向離心力還會使車輛與路面間的摩擦系數減小，影響行車安全。

排水不暢：如果小半徑豎曲線路段沒有專門設置排水設施，路面可能大面積積水，車輛經過時易出現滑移、側翻等事故。

2 公路路線線形設計指標評價

2.1 工程概況

（1）建設規模。研究對象為某國道一級公路，全長35.8 km，設計速度為80 km/h，汽車荷載等級為公路I級，標準橫斷面寬度為34.5 m，共設置了3處互通立交（1處樞紐互通、2處喇叭形互通），2座長隧道，22座橋梁，橋隧比約45.5%。

（2）建設條件。該高速公路沿線地貌以丘陵為主，地勢東南高、西北低，沉積巖含量較多，地質活動較穩定，地下水類型較統一，水量少。同時，公路所在區域為季風濕潤性氣候，氣候分明，最低氣溫、最高氣溫、降雨量等無極端情況，能很好地滿足公路建設需求。

2.2 評價單元劃分

在對公路路線安全評價前，需按圓曲線半徑、縱坡等線形參數劃分為若干路段，具體劃分標準可參考《公路項目安全性評價規范》（JTG B05—2015），見表2。此外，隧道路段劃分只考慮進隧洞前200 m和出隧洞后100 m。

基于上述標準，將該高速公路劃分了18個路段，其中2個平曲線路段，1個平直路段，10個彎坡路段，3個縱坡路段，2個隧道路段。

2.3 路線線形指標評價

（1）平縱指標符合性。該高速公路路線的圓曲線最小半徑為1 600 m，最小轉角為10 °，直線最小長度為500 m，直線最大長度為1 800 m，最小坡長為500 m，最大縱坡為3%，凸形和凹形豎曲線最小半徑分別為16 000 m、12 000 m，豎曲線最小長度為300 m，上述線形指標均滿足《公路路線設計規范》（JTG D20—2017）。

（2）平縱組合均衡性。公路路線線形設計時，不僅要確保平、縱指標分別滿足規范，還要滿足“平包豎”，保證平縱曲線半徑的均衡性。當圓曲線半徑取值較大時，豎曲線半徑也不能太小，兩者的均衡性指標可用豎曲線半徑與圓曲線半徑的比值A表示[4]。由相關研究成果可知：當圓曲線半徑小于1 000 m時，均衡性指標宜取值10～20；反之，均衡性指標宜＞20。

以危險性最大的10個彎坡路段（編號為1號～10號路段）為例，統計了其圓曲線半徑和豎曲線半徑，并計算了均衡性指標A，計算結果如圖2所示。

由圖2可知：除8號路段外，其他路段的均衡性指標A均在10～20，路線平縱指標的均衡性滿足要求。8號路段因地形限制，豎曲線半徑較小，且不具備改善的可能性。此時，應組織專家對線形安全性進行論證，論證通過后才能用于指導公路施工。

3 基于運行速度的公路線形安全性評價

在公路工程運營期間，車輛運行速度與設計速度并不一定相同，有時會相差過大，這可能會導致路線線形平縱指標及其組合適用性差，不利于行車安全。因此，公路路線設計期間，要預測運行速度并評價不同路段的行車安全性。

3.1 運行速度預測

（1）平直路段運行速度。對于長度＞200 m的平直路段，其運行速度預測模型見式（2）。對于長度≤200 m的平直路段，可認為其起終點運行速度不變。

（2）

式中，vin、vout——起點速度和終點速度（km/h）；a——車輛加速度（m/s2）；s——平直路段長度（m）。

（2）平曲線路段運行速度。車輛運行速度在平曲線路段的入口、中部、出口處會有明顯變化。一般情況下，車輛從平曲線的入口到中部處于減速狀態，從曲線中部到出口處于加速狀態，且前半段的加速度絕對值小于后半段。在路線設計時，要對平曲線路段的運行速度分段預測，見表3。

（3）縱坡路段運行速度。由牛頓第二定律可知，車輛在上坡路段運行速度下降，在下坡路段運行速度提高，可用式（3）進行預測：

vout=vin?Δv （3）

式中，Δv——運行速度調整值（km/h），取決于上下坡的坡長、坡度。

（4）彎坡組合路段運行速度。車輛在公路上運行時會同時受到平面線形、縱斷面線形的影響，其運行速度可利用“疊加原理”來考慮，即取平曲線路段和縱坡路段的運行速度預測值的小值。

3.2 路線線形安全性評價

（1）評價標準。同一路段的路線線形安全性可用運行速度與設計速度的差值絕對值|Δv85|評價，當|Δv85|＜

10 km/h、10≤|Δv85|＜20、|Δv85|≥20時，路線線形安全性為好、較好、不良[5]。

（2）評價結果。基于上述方法，計算了該高速公路不同路段的|Δv85|，并分析了線形的安全性，見表4。

由表4可知：平曲線路段、平直路段、彎坡路段、縱坡路段的線形好的占比分別為80%、83.3%、70%、75%。同時，僅彎坡路段存在1處線形不良問題，需繼續優化設計。

4 結語

該文主要分析了路線線形要素對行車安全的影響，并以某山區高速為研究對象，分析了其安全性評價方法，得到以下結論：

（1）公路路線設計時要考慮直線長度、圓曲線半徑和轉角、坡度、豎曲線等線形因素對行車安全的影響。

（2）公路線形評價前要先按圓曲線半徑、縱坡等線形參數將其劃分為平曲線路段、平直路段、彎坡路段、縱坡路段。

（3）公路線形安全評價分兩個方面開展，一是要評價平、縱線形指標的大小和均衡性，二是要基于運行速度預測值和設計速度的差值絕對值|Δv85|來評價線形的安全性。

參考文獻

[1]高巍. 高速公路路線比選方案安全性評價分析[J]. 西部交通科技， 2023（7）： 50-52+59.

[2]田冠楠， 朱真. 省道公路事故多發點安全性評價與整改措施探討[J]. 交通科技與管理， 2023（14）： 189-191.

[3]杜錦濤. 基于公路線形三維空間幾何特征的小客車運行速度預測方法研究[D]. 廣州：華南理工大學， 2021.

[4]甘辛欣， 王磊， 王更， 等. 我國干線公路線形設計中的安全性評價研究[J]. 河南科技， 2017（11）： 135-137.

[5]張耀允， 戴瑋， 王詩青. GIS在公路幾何線形評價中的應用探討[J]. 工程與建設， 2016（1）： 19-21.

收稿日期：2023-11-20

作者簡介：馮愛民（1970—），男，本科，高級工程師，從事路橋設計工作。