基于運(yùn)行速度的山區(qū)公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)選線研究

曾 舜，張 恒

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

改擴(kuò)建工程項(xiàng)目較新建項(xiàng)目有其特殊性。它主要針對(duì)已有道路進(jìn)行升級(jí)改造，其沿線格局已基本形成，如路側(cè)兩邊的建筑物、路線的走向、老路路基寬度、主要構(gòu)造物等[1-2]。因此，改擴(kuò)建項(xiàng)目的重點(diǎn)是如何在已有老路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一條既滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，又適應(yīng)現(xiàn)有沿線居民區(qū)及重要構(gòu)造物等的路線[3-4]。

本文在運(yùn)行速度預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)基本流程與模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)改擴(kuò)建過程中經(jīng)常遇到的特殊路段進(jìn)行路線方案的研究，并根據(jù)特殊路段路線方案研究結(jié)果，利用安全評(píng)價(jià)模型，驗(yàn)證路線設(shè)計(jì)的安全性和合理性。

1 運(yùn)行速度預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)

1.1 運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)步驟

1) 劃分典型路段：典型路段是指彎坡組合、平曲線、縱坡、直線，劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：

直線段：R∈[1 000,+∞]，I∈(-3%，3%)；

縱坡段：R∈[1 000,+∞]∪I≤-3%；

平曲線段：R∈1 000∪I∈(-3%，3%)；

彎坡組合段：R<1 000∪I≤-3%,R<1 000∪I>3%。

以各個(gè)基本路段的起、終點(diǎn)，以及平曲線和彎坡組合段的中間點(diǎn)，作為運(yùn)行速度預(yù)測(cè)的特征點(diǎn)。

2) 根據(jù)劃分后的典型路段，結(jié)合國(guó)家與行業(yè)規(guī)范，建立起相對(duì)應(yīng)的初始運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型。

3) 結(jié)合研究路段的交通量、行車道、交叉口、平面視距等影響因素對(duì)初始運(yùn)行速度進(jìn)行修正，得到實(shí)際運(yùn)行速度模型，本文主要針對(duì)小客車進(jìn)行研究[5-6]。

1.2 直線運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型

1) 初始運(yùn)行速度

初始運(yùn)行速度v0和期望速度vg均采用JTG B 05—2015《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》中的推薦值[7-8]，如表1、表2所示。

表1 初始運(yùn)行速度推薦值 km/h

表2 期望速度推薦值 km/h

2) 直線段上的汽車行駛特性

在直線段，車輛一般會(huì)加速行駛至期望速度后不再增大，隨后穩(wěn)定在該速度行駛。

由此，推得直線段上運(yùn)行速度模型為：

式中：vs為期望車速，m/s；v0為初速度，m/s；a0為加速度，m/s2；S為直線段長(zhǎng)度，m。

1.3 縱坡段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型

在縱坡段，當(dāng)上坡時(shí)，由于重力、摩擦力等綜合作用，車輛的運(yùn)行速度會(huì)降低；當(dāng)下坡時(shí)，車輛的運(yùn)行速度會(huì)增加，但是駕駛員會(huì)刻意地控制速度保持在期望速度的范圍[9]?？v坡段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型按照表3的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.4 平曲線段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型分析與選取

平曲線路段的運(yùn)行速度模型宜從曲中點(diǎn)分段，分別對(duì)曲中點(diǎn)和曲線出口的運(yùn)行速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。曲中點(diǎn)和曲線出口的運(yùn)行速度模型按照表4的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)[10]。

表3 縱坡的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型

表4 平曲線路段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型

1.5 彎坡組合路段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型

當(dāng)汽車進(jìn)入上坡曲線段時(shí)，會(huì)根據(jù)坡度的大小以及曲線半徑的大小進(jìn)行減速。當(dāng)汽車離開上坡曲線段時(shí)，若下一路段的平曲線半徑比較大，坡度比較小，則一般會(huì)適當(dāng)?shù)丶铀僖詮浹a(bǔ)速度損失；反之，當(dāng)前方路段的線形條件比較苛刻時(shí)，汽車往往會(huì)繼續(xù)減速以適應(yīng)苛刻的線形[10]。彎坡組合路段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型可采用表5中的預(yù)測(cè)模型。

表5 彎坡組合路段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型

2 改擴(kuò)建基本路段的劃分及路線設(shè)計(jì)

針對(duì)山區(qū)改擴(kuò)建工程的特點(diǎn)，從改擴(kuò)建路線設(shè)計(jì)的角度，對(duì)山區(qū)改擴(kuò)建工程路線設(shè)計(jì)進(jìn)行基本路段的劃分，針對(duì)不同基本路段的特點(diǎn)，分析討論改擴(kuò)建路線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取的方法。

2.1 針對(duì)老路平縱指標(biāo)較好路段

老路平縱指標(biāo)較好路段是指老路平面、縱面指標(biāo)較高，順直，不存在連續(xù)彎道等不良路段[11]。針對(duì)老路平縱指標(biāo)較好路段，改擴(kuò)建路線設(shè)計(jì)時(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單，基本沿老路布設(shè)，可分為以下2種路段。

2.1.1 老路兩側(cè)居民區(qū)密集

針對(duì)老路兩側(cè)居民密集區(qū)路段，改擴(kuò)建路線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量沿老路布設(shè)，且路線設(shè)計(jì)的中線、縱坡應(yīng)與老路盡量擬合，不應(yīng)大填大挖；針對(duì)老路寬度不滿足改擴(kuò)建技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求路段，路線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量按照單側(cè)加寬[12]。一方面不改變沿線居民的出行習(xí)慣，另一方面可減少拆遷，控制項(xiàng)目投資。

如某省道K17+800～K18+220路段，老路路線平縱指標(biāo)較好，縱坡為1.6%，且老路兩側(cè)居民建筑物密集，改擴(kuò)建路線設(shè)計(jì)時(shí)平面、縱面盡量擬合老路，如圖1所示。

圖1 老路平縱指標(biāo)較好路段路線設(shè)計(jì)示意

2.1.2 老路兩側(cè)無居民區(qū)

針對(duì)老路兩側(cè)無居民區(qū)且路線平縱指標(biāo)較好路段，改擴(kuò)建路線方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用單側(cè)加寬[8]，根據(jù)沿線實(shí)際情況選擇適宜加寬的一側(cè)。如某省道K19+640～K20+000路段，路線平縱指標(biāo)較好，平面為直線，縱坡為0.9%，由于老路右側(cè)橫坡較陡，且老路右側(cè)存在平交路口，因此采用左側(cè)加寬，如圖2所示。

2.2 針對(duì)連續(xù)彎道路段

針對(duì)連續(xù)彎道路段改擴(kuò)建路線設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體的實(shí)際地形、地貌等情況，靈活選取技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[13]。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)地形條件比較好的路段，宜采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較高的路線，截彎取直；對(duì)于老路現(xiàn)場(chǎng)地形比較復(fù)雜，沿線控制物較多的路段，不應(yīng)把技術(shù)指標(biāo)選取太高，而是應(yīng)根據(jù)地形，合理進(jìn)行路線設(shè)計(jì)，但要保證前后段的協(xié)調(diào)性，將路線標(biāo)準(zhǔn)的提高與構(gòu)造物增加引起的造價(jià)進(jìn)行權(quán)衡比較，將工程規(guī)?？刂圃诤侠淼姆秶鷥?nèi)。

圖2 路線平縱指標(biāo)較好路段路線設(shè)計(jì)示意

如某省道K1+400～K2+000路段，老路存在連續(xù)彎道，且彎道半徑較小，嚴(yán)重影響行車舒適性以及行車安全，路線設(shè)計(jì)時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)提高，減少?gòu)澋罃?shù)量，增加彎道半徑，截彎取直，如圖3所示。

圖3 老路連續(xù)彎道路段路線設(shè)計(jì)示意

2.3 臨河路段

山區(qū)一般山脈眾多，重巒疊峰，綿延縱橫，山高谷深。因此，路線很多都是沿溪線，一側(cè)是高山，一側(cè)是深谷，路線的修筑空間有限，同時(shí)限制了路基寬度，如圖4所示。在路線設(shè)計(jì)時(shí)，要在擋墻與挖方之間進(jìn)行權(quán)衡，以期得到最優(yōu)的路線方案以及最經(jīng)濟(jì)的投資。

對(duì)于路側(cè)邊坡巖性較好路段，可以適當(dāng)進(jìn)行開挖，坡比放緩，適當(dāng)增加防護(hù)，對(duì)路基進(jìn)行拓寬；對(duì)于沿河一側(cè)，如若擋墻高度在15 m以下，且靠山一側(cè)邊坡巖性較差，不適宜開挖，應(yīng)選擇浸水式擋墻，從沿河側(cè)對(duì)路基進(jìn)行拓寬。所以，針對(duì)沿河路段，主要是高擋墻與挖方邊坡安全性的綜合比較，根據(jù)實(shí)際地形地貌條件，選擇適應(yīng)的方案。

圖4 老路沿河路段

如某省道K14+000～K14+800段，路線右側(cè)為高山，左側(cè)為河流，由于路線右側(cè)高山巖性較好，適宜開挖，且左側(cè)河流側(cè)邊坡較陡，如若采用左側(cè)加寬，擋墻高度較高，圬工量較大，因此改擴(kuò)建路線方案采用右側(cè)加寬，對(duì)山體進(jìn)行適當(dāng)開挖，如圖5所示。

圖5 老路臨河路段路線設(shè)計(jì)示意

2.4 老路縱坡較大路段

對(duì)于老路縱坡較大路段，一般可采取2種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)：一是對(duì)老路進(jìn)行低填高挖，降低路線縱坡[14]；二是采用新線，提前將路線的標(biāo)高進(jìn)行抬高，以避免縱坡較大或回頭彎路段。

如某省道回頭彎路段，老路由于縱坡較大設(shè)置一處回頭彎，改擴(kuò)建路線設(shè)計(jì)時(shí)為了避免設(shè)置回頭彎，提高路線指標(biāo)，路線設(shè)計(jì)開始提前提高路線標(biāo)高，避開了回頭彎路段，路線平面比較順直，縱坡也滿足規(guī)范要求，如圖6、圖7所示。

2.5 過城鎮(zhèn)路段

改擴(kuò)建線路經(jīng)過城鎮(zhèn)時(shí)，應(yīng)綜合分析城鎮(zhèn)段老路的實(shí)際現(xiàn)狀。如果城鎮(zhèn)段老路兩側(cè)建筑物退讓距離較大，兩側(cè)的距離滿足改擴(kuò)建路基寬度拓展，則改擴(kuò)建路線應(yīng)盡量沿老路布設(shè)，不改變沿線居民出行習(xí)慣；如果城鎮(zhèn)內(nèi)部道路目前現(xiàn)狀道路已難以滿足交通需求，且城鎮(zhèn)具有遠(yuǎn)期規(guī)劃，則建議改擴(kuò)建路線方案應(yīng)采用新線。一方面分流過境交通，減輕城鎮(zhèn)內(nèi)部交通壓力，另一方面照顧城鎮(zhèn)遠(yuǎn)期規(guī)劃，促進(jìn)新片區(qū)的開發(fā)，堅(jiān)持“近村而不進(jìn)村”的原則，處理好城鎮(zhèn)段老路與改擴(kuò)建線位搭接問題；一方面分流過境交通，另一方面又能方便沿線居民的出行，兼顧城鎮(zhèn)遠(yuǎn)期發(fā)展[15]。

圖6 老路回頭彎路段

圖7 老路回頭彎路段路線設(shè)計(jì)示意

綜合考慮以上因素，對(duì)此城鎮(zhèn)路段改擴(kuò)建線路采用新建方案，沿城鎮(zhèn)西北側(cè)半山腰通過，一方面分流過境交通，減輕城鎮(zhèn)內(nèi)部交通壓力；另一方面照顧城鎮(zhèn)遠(yuǎn)期規(guī)劃，促進(jìn)新片區(qū)的開發(fā)。

3 基于運(yùn)行速度的線形評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)交通部的《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)指南》推薦采用前后2個(gè)典型基本路段的運(yùn)行速度間的差值|Δv85|作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]，其標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

Lamm等[11-12]提出設(shè)計(jì)速度和運(yùn)行速度差值作為評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)線形的標(biāo)準(zhǔn)，如表7所示。

表6 線形協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) km/h

表7 線形連續(xù)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) km/h

4 實(shí)例分析

本文選取的工程實(shí)例是貴州省遵義市鳳岡縣省道S304洋溪口至新民段改擴(kuò)建工程，老路為三級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度30 km/h，路基寬度6.5 m～7.5 m；改擴(kuò)建的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為二級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度40 km/h，路基寬度10.0 m，路線全長(zhǎng)38.030 km。根據(jù)工可階段的交通量預(yù)測(cè)結(jié)果，主線遠(yuǎn)期交通量為7 043 pcu/d。本文針對(duì)全線進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)上述對(duì)改擴(kuò)建路段的劃分，提取30個(gè)典型路段進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)分析，其中囊括了平縱指標(biāo)較好路段、臨河路段、縱坡路段、城鎮(zhèn)路段等。

根據(jù)上文提出的運(yùn)行速度模型，對(duì)省道S304洋溪口至新民段進(jìn)行運(yùn)行速度預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 運(yùn)行速度預(yù)測(cè)值分布

根據(jù)本文提出的線形協(xié)調(diào)性和線形連續(xù)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合30個(gè)典型路段的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)值，對(duì)S304洋溪口至新民段改擴(kuò)建工程進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)論，針對(duì)性提出路線調(diào)整方案策略。

分析表6可知，對(duì)本項(xiàng)目的改擴(kuò)建，由三級(jí)公路提級(jí)改造為二級(jí)公路的30個(gè)典型路段中，其中有19個(gè)路段的線形不需要調(diào)整，6個(gè)路段需要調(diào)整路線縱坡坡度，5個(gè)路段需要調(diào)整平面半徑。根據(jù)表6的調(diào)整方案對(duì)路線進(jìn)行調(diào)整，使路線設(shè)計(jì)更安全、經(jīng)濟(jì)、舒適。

表8 S304洋溪口至新民段線形評(píng)價(jià)及調(diào)整方案

5 結(jié)束語(yǔ)

1) 基于運(yùn)行速度的選線評(píng)價(jià)模型適用于老路改擴(kuò)建路線設(shè)計(jì)，尤其是山區(qū)低等級(jí)公路改造。

2) 本文模型在鳳岡縣省道S304洋溪口至新民段改擴(kuò)建工程應(yīng)用中，針對(duì)30個(gè)典型路段分別給出了評(píng)價(jià)結(jié)果及相應(yīng)的改善措施，有效地指導(dǎo)了路線設(shè)計(jì)，使之更安全、經(jīng)濟(jì)、舒適。

3) 本文提出的基于運(yùn)行速度的選線評(píng)價(jià)模型需要在路線設(shè)計(jì)中提出典型的路段，容易出現(xiàn)選擇不具代表性的問題，后期應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，使典型路段的挑選更具科學(xué)性。