運(yùn)行速度設(shè)計(jì)法在城市道路線形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 晨

（中恒工程設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

線形是道路的骨架，線形設(shè)計(jì)是道路總體設(shè)計(jì)和布局的關(guān)鍵。根據(jù)對(duì)交通事故的統(tǒng)計(jì)和分析，線形設(shè)計(jì)是否合理是關(guān)系道路安全性的根本問(wèn)題。當(dāng)前，城市道路線形設(shè)計(jì)主要是采用基于設(shè)計(jì)速度的方法。

設(shè)計(jì)速度又稱計(jì)算行車速度，在道路線形設(shè)計(jì)中具有里程碑式的意義，早期的設(shè)計(jì)規(guī)范均基于此概念產(chǎn)生。但隨著現(xiàn)代車輛尺寸的增大，功率的提高以及駕駛員心理的變化，運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度有了很大的差別，也不再是等速。一些理論上不“違規(guī)”的設(shè)計(jì)，如長(zhǎng)直線末端接小半徑曲線，車輛運(yùn)行速度實(shí)際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)速度，導(dǎo)致了快車速與低指標(biāo)線形的差異，在設(shè)計(jì)速度低的路段上差異更大。因此，在進(jìn)行道路路線設(shè)計(jì)時(shí)，不能簡(jiǎn)單地以設(shè)計(jì)速度來(lái)控制道路線形，而應(yīng)當(dāng)以動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)來(lái)考慮車輛在路線中的實(shí)際運(yùn)行速度，所選擇的設(shè)計(jì)指標(biāo)要與車輛運(yùn)行速度相適應(yīng)，從而提高道路的安全性。運(yùn)行車速的引入，可以有效解決路線設(shè)計(jì)指標(biāo)與實(shí)際行駛速度所要求的線形指標(biāo)脫節(jié)的問(wèn)題，有必要在公路與城市道路工程的線形設(shè)計(jì)中推廣使用。

1 公路設(shè)計(jì)行業(yè)運(yùn)行速度計(jì)算方法概述

運(yùn)行速度v85[1]是指在特定路段上，在干凈、潮濕條件下，在自由流的情況下，85%的駕駛員行車不會(huì)超過(guò)的行駛速度。這一概念綜合考慮了駕駛者的行為、心理、視覺需求，以及汽車性能、特征線形幾何設(shè)計(jì)等因素。通過(guò)在典型公路上行駛車輛的實(shí)際行駛速度觀測(cè)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)、分析、總結(jié)其數(shù)據(jù)分布，從而回歸出運(yùn)行速度的測(cè)算模型。

運(yùn)行速度計(jì)算法的基本思路是：首先按軸距或功率比，將車輛分為小車和大車兩種類型；再按照曲線半徑R和縱坡坡度大小，將公路劃分為平直路段、縱坡路段、平曲線路段、彎坡路段等若干個(gè)基本分析單元以及隧道路段、立體交叉路段等特殊單元，每個(gè)分析單元都有其對(duì)應(yīng)的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型。路線基本分析單元?jiǎng)澐忠妶D1，各分析單元所對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型見圖2。

圖1 路線基本分析單元?jiǎng)澐?/p>

圖2 各分析單元所對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型

進(jìn)行運(yùn)行速度計(jì)算時(shí)，應(yīng)首先確定路線第1個(gè)單元起點(diǎn)的初始運(yùn)行速度v0，然后根據(jù)行車方向和分析單元對(duì)應(yīng)的運(yùn)行速度模型，計(jì)算出第1個(gè)單元末端的運(yùn)行速度v85,并以此作為第2個(gè)分析單元的初始運(yùn)行速度；接著代入第2個(gè)分析單元的計(jì)算公式計(jì)算出第2個(gè)分析單元末端的運(yùn)行速度，并以此方法依次迭代直到最后一個(gè)分析單元[1]。若分析單元范圍內(nèi)存在路側(cè)干擾或平交口，可根據(jù)相應(yīng)公式對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行一定程度的修訂。

近年來(lái)，隨著新版《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）和《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）的發(fā)布實(shí)施，在公路設(shè)計(jì)行業(yè)，采用運(yùn)行速度設(shè)計(jì)法對(duì)線形設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)已經(jīng)從規(guī)范層面得到了確認(rèn)。而運(yùn)行速度的具體計(jì)算方法，也在《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》（JTG B50—2015）[1]中明確給出。

2 運(yùn)行速度對(duì)線形設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義

2.1 相鄰路段節(jié)點(diǎn)運(yùn)行速度的一致性評(píng)價(jià)

通過(guò)運(yùn)行速度，可以對(duì)運(yùn)行速度梯度以及相鄰路段線形指標(biāo)的一致性、連續(xù)性進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)速度梯度每100 m小于10 km/h且相鄰路段的△v85小于20 km/h時(shí)，滿足線形的連續(xù)性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；反之，應(yīng)調(diào)整平縱線形。

2.2 運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度的協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)

通過(guò)運(yùn)行速度，可以對(duì)運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)指標(biāo)的一致性、匹配性進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。具體標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)運(yùn)行速度v85與設(shè)計(jì)速度vd之差小于20 km/h，或v85小于該路段原定的設(shè)計(jì)速度時(shí)，則滿足協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；若路段運(yùn)行速度v85大于該路段原定的設(shè)計(jì)速度，但小于設(shè)計(jì)速度vd+20 km/h時(shí)，設(shè)計(jì)速度保留，但路面超高、停車視距的計(jì)算應(yīng)采用vd+10 km/h作為設(shè)計(jì)車速；當(dāng)路段運(yùn)行速度v85大于該路段原定設(shè)計(jì)速度vd+20 km/h時(shí)，則需提高原定設(shè)計(jì)速度使其匹配運(yùn)行速度，或調(diào)整路線設(shè)計(jì)要素以減少該路段的運(yùn)行速度v85。

2.3 根據(jù)運(yùn)行速度計(jì)算結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

采用運(yùn)行速度方法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)首先測(cè)算全線正反向運(yùn)行速度并繪制運(yùn)行速度分布曲線圖和相關(guān)表格。根據(jù)測(cè)算成果，對(duì)線形方案的一致性和協(xié)調(diào)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，再依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)指標(biāo)、加強(qiáng)路段超高、設(shè)置過(guò)渡銜接等方式優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。需要注意的是，利用運(yùn)行速度不能只停留在設(shè)計(jì)完成后的檢驗(yàn)，而應(yīng)該以測(cè)算成果指導(dǎo)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并且需要測(cè)算、分析、優(yōu)化的多次反復(fù)?？傊?，應(yīng)該將運(yùn)行速度測(cè)算分析貫穿到路線方案設(shè)計(jì)的全過(guò)程中。

根據(jù)運(yùn)行速度優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的步驟見圖3。

圖3 根據(jù)運(yùn)行速度優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3 城市道路設(shè)計(jì)中運(yùn)行速度計(jì)算探索

由于城市道路設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范中，只定性要求采用運(yùn)行速度進(jìn)行檢驗(yàn)，卻未給出具體計(jì)算方法，因此，目前只能借鑒公路方法進(jìn)行計(jì)算。鑒于這種情況，如何合理地利用公路運(yùn)行速度計(jì)算方法來(lái)評(píng)價(jià)城市道路運(yùn)行速度就成為了一個(gè)現(xiàn)實(shí)課題。

根據(jù)城市道路的特點(diǎn)，其與公路相比有以下差異：

（1）道路等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)不同。城市道路分為快速路、主干路、次干路、支路4個(gè)等級(jí)[2]，這一劃分標(biāo)準(zhǔn)兼顧了道路在路網(wǎng)中的地位、交通功能以及對(duì)沿線的服務(wù)功能等因素；公路則分為高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路、三級(jí)公路、四級(jí)公路5個(gè)技術(shù)等級(jí)[3]，公路運(yùn)行速度計(jì)算方法也根據(jù)公路技術(shù)等級(jí)的不同而有所區(qū)分。因此城市道路若要借鑒公路運(yùn)行速度設(shè)計(jì)法，則需要將城市道路等級(jí)與公路技術(shù)等級(jí)合理對(duì)應(yīng)。

（2）城市道路受交叉口顯著影響。城市道路路網(wǎng)密度高，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，交叉口間距??；同時(shí)，交叉口轉(zhuǎn)向交通大，常常超過(guò)30%，大多采用信號(hào)燈控制，交通組織復(fù)雜。

（3）城市道路路側(cè)干擾較大。由于城市道路服務(wù)對(duì)象復(fù)雜，包括機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車和行人，且道路沿線設(shè)置了較多公交、出租車及其他特種車輛的?？空?，甚至還有路邊停車位，導(dǎo)致車輛運(yùn)行時(shí)受到較大的干擾。

根據(jù)城市道路的以上特點(diǎn)，在借鑒公路運(yùn)行速度設(shè)計(jì)法時(shí)，應(yīng)進(jìn)行以下調(diào)整：

（1）合理選擇相對(duì)應(yīng)的道路技術(shù)等級(jí)。公路運(yùn)行速度計(jì)算時(shí)劃分為：高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)以下公路[1]。每一類分別對(duì)應(yīng)了不同的運(yùn)行速度計(jì)算模型。因此，結(jié)合交通特點(diǎn)和路側(cè)干擾因素的不同，城市道路與公路可按以下方式對(duì)應(yīng)：快速路對(duì)應(yīng)高速公路或無(wú)路側(cè)干擾的一級(jí)公路；主干路對(duì)應(yīng)一級(jí)公路或二級(jí)以下公路；次干路和支路對(duì)應(yīng)二級(jí)以下公路。在具體確定最終對(duì)應(yīng)的等級(jí)時(shí)，應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)速度、路側(cè)干擾程度、交通量大小、城市規(guī)模等因素。

（2）充分考慮城市道路的特點(diǎn)，針對(duì)交叉口和路側(cè)干擾等因素，合理選擇相關(guān)的影響因素，對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚蛊錆M足城市道路的相關(guān)特征。

（3）合理選擇對(duì)應(yīng)的運(yùn)行速度初值和期望值。城市道路與公路的設(shè)計(jì)速度在各自的路線規(guī)范上有不同的規(guī)定。其中城市道路有50 km/h這一速度而公路沒有；公路有120 km/h這一速度而城市道路沒有。當(dāng)城市道路借鑒公路運(yùn)行速度設(shè)計(jì)方法時(shí)，若無(wú)相應(yīng)的設(shè)計(jì)速度，可采用內(nèi)插法進(jìn)行對(duì)應(yīng)取值。

4 案例應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目概況

川西某城市橋梁工程，橫跨某長(zhǎng)江支流，連接城區(qū)兩大功能組團(tuán)。建成后將成為南北兩岸組團(tuán)間乃至組團(tuán)與外部相互聯(lián)系的重要通道，有著巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

橋位現(xiàn)狀主要節(jié)點(diǎn)平面圖見圖4。

圖4 橋位現(xiàn)狀主要節(jié)點(diǎn)平面圖

項(xiàng)目設(shè)計(jì)范圍全長(zhǎng)1.56 km，其中含主線橋梁990 m，最大寬度36 m。橋墩布置方案最大跨徑188 m。根據(jù)城市規(guī)劃，本道路在本市路網(wǎng)中的等級(jí)為主干路,橋梁分類為特大橋,設(shè)計(jì)速度為50 km/h。

4.2 按設(shè)計(jì)速度法進(jìn)行線形設(shè)計(jì)

城市道路線形設(shè)計(jì)首要的依據(jù)是城市規(guī)劃文件。為此，基于控制性詳細(xì)規(guī)劃所確定的橋位和大致線形走廊帶，結(jié)合道路等級(jí)、設(shè)計(jì)速度等基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，遵循《城市道路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 193—2012）[4]進(jìn)行了線形設(shè)計(jì)，具體方案如下：

平面設(shè)計(jì)：橋梁平面線形全長(zhǎng)1 560 m，基本延控規(guī)走向布置，全線設(shè)1處平曲線，其中圓曲線半徑R為600 m，2段緩和曲線長(zhǎng)度Ls均為50 m。根據(jù)規(guī)范，當(dāng)設(shè)計(jì)速度為50 km/h，圓曲線半徑R長(zhǎng)度為400m以上時(shí)，可不設(shè)超高[4]。平面線位圖見圖5。

圖5 平面線位圖

縱斷面設(shè)計(jì)：主線縱斷面設(shè)計(jì)控制點(diǎn)主要有兩側(cè)交叉口規(guī)劃高程、北岸濱江大道高程、南側(cè)濱江西路高程、河流洪水位及凈空要求等。方案最小坡度為0.3%（主橋），最大坡度為4.2%（引橋）；最小凹曲線半徑R為2 800 m，最小凸曲線半徑R為1 800 m。主線縱斷面圖見圖6。

圖6 主線縱斷面圖（單位：m）

4.3 運(yùn)行速度法檢驗(yàn)

4.3.1 參數(shù)設(shè)置

道路等級(jí)：根據(jù)上述分析，主干路可對(duì)應(yīng)一級(jí)公路或二級(jí)以下公路，最終根據(jù)設(shè)計(jì)速度、路側(cè)干擾程度、交通量大小、城市規(guī)模等因素綜合確定。本道路設(shè)計(jì)速度為50 km/h，相對(duì)較低；主線在兩岸延伸段有一定路側(cè)干擾；城市人口大約30萬(wàn)，屬于小城市，且南岸組團(tuán)開發(fā)程度較低，因此交通量不大。綜上所述，可選擇二級(jí)以下公路運(yùn)行速度計(jì)算模型。

車速：由于設(shè)計(jì)速度50 km/h在二、三、四級(jí)公路運(yùn)行速度計(jì)算模型中并無(wú)對(duì)應(yīng)值，因此采用內(nèi)插法選取。

初始速度：小車50 km/h；大車35 km/h。

期望速度：小車75 km/h，大車60 km/h。

最低允許速度：小車30 km/h，大車15 km/h。

加速度：規(guī)范規(guī)定的加速度為小車amin=0.15m/s2，amax=0.5 m/s2；大車amin=0.2 m/s2，amax=0.25 m/s2；由于橋梁尚未建成，缺乏實(shí)際觀測(cè)資料，因此本次取中值，即小車a=0.325 m/s2，大車a=0.225 m/s2。

4.3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)規(guī)范以及以上參數(shù)設(shè)置，采用某軟件計(jì)算后得出本項(xiàng)目運(yùn)行速度計(jì)算結(jié)果，如表1～表4所示。

表1 運(yùn)行速度計(jì)算表（右幅，小客車）

表2 運(yùn)行速度計(jì)算表（左幅，小客車）

表3 運(yùn)行速度計(jì)算表（右幅，大貨車）

表4 運(yùn)行速度計(jì)算表（左幅，大貨車）

根據(jù)以上結(jié)果可以看出：

小車相鄰單元△v85均小于20 km/h，速度梯度每100 m均小于10 km/h，滿足相鄰路段節(jié)點(diǎn)運(yùn)行速度一致性的要求；但正反雙向均存在運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度差v85-vd大于20 km/h的情況，說(shuō)明小車在部分路段的運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度協(xié)調(diào)性不滿足要求。

大車的相鄰單元△v85有1處略大于20 km/h，但速度梯度每100 m均小于10 km/h，說(shuō)明基本滿足相鄰路段節(jié)點(diǎn)運(yùn)行速度一致性的要求；正反雙向運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度差v85-vd均小于20 km/h，說(shuō)明其運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度的協(xié)調(diào)性滿足要求。

4.4 根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整

根據(jù)運(yùn)行速度的計(jì)算結(jié)果可以看出，本項(xiàng)目線形的主要問(wèn)題是大橋兩端的運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度差值過(guò)大。因此，需要提升相應(yīng)路段的設(shè)計(jì)指標(biāo)，使其能夠滿足運(yùn)行速度下的車輛安全行駛要求。具體調(diào)整方案如下：

按運(yùn)行速度75 km/h,對(duì)北橋頭圓曲線設(shè)置超高，并增加緩和曲線長(zhǎng)度至62.5 m以上。

按運(yùn)行速度75 km/h,分別增加南橋頭位置2處豎曲線的半徑和長(zhǎng)度。

調(diào)整之后，平縱線形的設(shè)計(jì)方案滿足各段運(yùn)行速度下的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié) 語(yǔ)

在城市道路工程運(yùn)行速度設(shè)計(jì)方法尚未由官方明確頒布之時(shí)，參考公路工程設(shè)計(jì)方法，根據(jù)城市道路的相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整修正，可以完成運(yùn)行速度的計(jì)算和線形設(shè)計(jì)。但城市道路與公路在很多方面存在較大差異，采用公路設(shè)計(jì)方法僅能作為權(quán)宜之計(jì)。因此，主管部門盡早在全國(guó)范圍內(nèi)展開相關(guān)調(diào)查研究工作，早日頒布可以直接應(yīng)用于城市道路的運(yùn)行速度設(shè)計(jì)方法，仍是十分必要的。