雙車道公路及立交匝道的曲線段路面加寬研究

駱中斌，靳媛媛*，史恒，劉瑋蔚

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.交通安全應(yīng)急保障技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心)

1 引言

隨著中國公路交通建設(shè)的不斷發(fā)展，汽車外形尺寸也在不斷加大，車輛對(duì)小半徑圓曲線處路面加寬值的要求也不斷提高。小半徑的圓曲線不能滿足大型車轉(zhuǎn)彎的路面加寬值，容易導(dǎo)致車輛占用對(duì)向車道以及轉(zhuǎn)彎困難，引發(fā)交通事故，降低道路通行能力。

2014年頒布實(shí)施的JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中新增了大型客車和鉸接客車兩種車型，并將鉸接列車的長度增加4.1 m，總長達(dá)到18.1 m，總寬2.55 m。JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定二級(jí)公路、三級(jí)公路、四級(jí)公路的圓曲線半徑小于或等于250 m時(shí)，應(yīng)設(shè)置加寬，但僅是針對(duì)3種車型進(jìn)行了計(jì)算。JTG/T D21—2014《公路立體交叉設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定了不同類型匝道圓曲線加寬值，但沒有說明加寬計(jì)算的方法以及考慮的車輛類型。通過檢索國內(nèi)外研究文獻(xiàn)，中國對(duì)平曲線路面加寬研究較少，僅有部分學(xué)者研究了特殊車輛下的平曲線加寬以及平曲線路線加寬過渡方法，對(duì)超高及超高過渡的研究較多。美國ASHTO對(duì)不同道路類型下不同車輛所需的路面加寬值進(jìn)行了研究，但由于美國道路類型、車輛類型以及行車環(huán)境與中國不同，不適用于中國。因此，應(yīng)根據(jù)中國JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定車輛類型，結(jié)合國內(nèi)外研究方法，計(jì)算適用于中國公路及匝道運(yùn)行特征的加寬值。

2 國內(nèi)外公路加寬值計(jì)算方法

2.1 日本公路加寬

《日本道路構(gòu)造令》中認(rèn)為公路的加寬值主要與車輛類型有關(guān)，并根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑、車輛在平曲線轉(zhuǎn)向行駛的幾何關(guān)系來計(jì)算路面加寬值。日本根據(jù)國家的車輛類型，分別采用普通機(jī)動(dòng)車、單軸掛車對(duì)公路平曲線路段路面加寬值進(jìn)行研究，具體研究中，根據(jù)不同車型在曲線路段遵循的幾何線形指標(biāo)圖進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 普通汽車曲線段上車道加寬

根據(jù)普通汽車平曲線段路面加寬示意圖[圖1(a)]，可以得到普通汽車的每一車道加寬值，具體計(jì)算方法如下：

B=Rw-Ri

(1)

(2)

轉(zhuǎn)換公式即可得到每一車道加寬值ε為：

ε=B-b=

(3)

式中：B為車輛行駛時(shí)的寬度；Rw為外側(cè)曲線半徑；Rc為車道中心線半徑；Rs為前軸外側(cè)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑；L為車輛長度；Ri為內(nèi)側(cè)曲線半徑；b為車輛寬度；a為前軸外側(cè)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；Uf為前軸到保險(xiǎn)杠之間的距離；a為前后軸距離。

2.1.2 單軸掛車的加寬

根據(jù)半掛車平曲線段路面加寬圖[圖1(b)]中的標(biāo)記，得到1個(gè)車道的加寬計(jì)算方法。

B=Rw-Ri

(4)

(5)

(6)

(7)

則，汽車行駛時(shí)的內(nèi)側(cè)軌跡半徑為：

(8)

由此可得到1個(gè)車道加寬值ε為：

ε=B-b=

(9)

式中：a為貨車的軸間距(前軸距)；a2為掛車轉(zhuǎn)向銷到后軸的距離；b為掛車的車輛寬度；as為掛車轉(zhuǎn)向銷到中軸的距離。

注：S為同軸兩車輪的間隔距離；Ub為后軸到保險(xiǎn)杠之間的距離

2.2 美國公路加寬

AASHTO于2011年出版的綠皮書中指出公路平曲線段路面加寬值與車輛類型、平曲線半徑以及設(shè)計(jì)速度有關(guān)。并且認(rèn)為平曲線段路面加寬值為曲線段路面寬度和直線段路面寬度的差值，即：

w=Wc-Wn

(10)

式中：w為曲線上行車道的加寬值；Wc為曲線上行車道寬度；Wn為直線上行車道寬度。

其中，Wc的寬度由下式計(jì)算：

Wc=N(U+C)+(N-1)FA+Z

(11)

式中：N為車道數(shù)；U為設(shè)計(jì)車型的軌跡寬度(最外側(cè)車輪之間)(m)，可以采用下式計(jì)算：

(12)

式中：u為直線段上的軌跡寬度(最外側(cè)車輛之間)(m)；R為曲線半徑或轉(zhuǎn)向半徑(m)；Li為連續(xù)軸(或串聯(lián)輪軸)與鉸接點(diǎn)之間的軸距(m)；C為側(cè)向凈距，當(dāng)單個(gè)車道寬度分別為3.0、3.3和3.6 m時(shí)，每輛車之間的側(cè)向凈距一般假設(shè)為0.6、0.75和0.9 m；FA為內(nèi)車道上行駛車輛的前懸寬度(m)，可以采用下式計(jì)算：

(13)

式中：A為在內(nèi)側(cè)車道行駛的車輛的前懸寬度(m)；L為單獨(dú)車輛(或牽引車)的軸距(m)；Z為額外容許寬度，考慮到在曲線上行駛困難和駕駛員操作不穩(wěn)定而附加的路面徑向?qū)挾?。隨著行駛速度和曲線半徑的不同而變化，可以采用下式計(jì)算：

(14)

式中：V為公路的設(shè)計(jì)速度。

由于公路和交叉口車輛運(yùn)行狀態(tài)不同，美國分別對(duì)公路和交叉口處路面加寬值進(jìn)行了研究。

2.2.1 公路平曲線處路面加寬

由圖2可知：雙車道公路平曲線處路面加寬值為：

(15)

式中：FB為后懸寬度，小客車的車身比兩后輪輪胎外側(cè)之間距離大0.3 m，此時(shí)FB=0.15，載重汽車車身寬度與兩后輪輪胎外側(cè)之間寬度相同，F(xiàn)B=0；其他參數(shù)意義同前文。

圖2 雙車道公路平曲線段路面加寬

2.2.2 交叉口處路面加寬

交叉口處轉(zhuǎn)向道路的路面寬度由交叉口轉(zhuǎn)彎半徑、設(shè)計(jì)車型和期望速度決定。根據(jù)交叉口處車輛運(yùn)行狀態(tài)，分3種情形研究交叉口處路面加寬值，3種行駛情況的道路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 交叉口處路面加寬示意圖

(1)單車道單向行駛(沒有超車)[圖3(a)]

一般認(rèn)為C=1.2 m，并且當(dāng)半徑小于150 m以下時(shí)，Z為定值，Z=0.6 m，由于該狀態(tài)下不允許超車，所以不需要考慮前懸寬度FA。交叉口處單車道單向行駛路面寬度值為：

(16)

(2)單向雙車道且允許超過停止車輛[圖3(b)]

由于需要超越停止車輛，所以需要考慮一輛車的FA和另一輛車的FB，凈距C=0.6 m，且低速情況下超越停止車輛，不需要考慮因曲線上行駛困難而設(shè)置的額外允許寬度Z。則交叉口處單向雙車道并且允許超越停止車輛時(shí)路面寬度值為：

(17)

(3)對(duì)向雙車道[圖3(c)]

需要考慮所有寬度。橫向凈距C=1.2 m，超越車輛的FB=0.15 m，額外容許寬度Z=0.6 m。則交叉口處對(duì)向雙車道路面寬度值為：

(18)

2.3 中國公路加寬

中國在JTG D20—2006《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)雙車道公路平曲線段的加寬值進(jìn)行了規(guī)定。中國規(guī)范平曲線處路面加寬值的影響因素考量與美國綠皮書相似，包括平曲線半徑、設(shè)計(jì)車輛軸間距及車輛外廓尺寸等參數(shù)。同時(shí)還考慮到駕駛員在平曲線路段的側(cè)向擺動(dòng)和操作穩(wěn)定性，需要設(shè)置一定的附加寬度。因此，平曲線路段加寬值e應(yīng)該包括幾何加寬值e1和轉(zhuǎn)彎車輛側(cè)向擺動(dòng)加寬值e2，如圖4所示。

2.3.1 幾何加寬值

對(duì)于不同車型，遵循的轉(zhuǎn)彎幾何線形關(guān)系示意圖如圖5所示。

由圖5的幾何關(guān)系，分別得到小汽車、普通載重汽車、大型客車和半掛車、鉸接列車、鉸接客車的幾何加寬值，計(jì)算公式如表1所示。

圖4 中國雙車道公路加寬示意圖

圖5 不同車型的轉(zhuǎn)彎行駛幾何關(guān)系示意圖

表1 中國公路不同車型幾何加寬值計(jì)算公式

2.3.2 擺動(dòng)加寬值

車輛遵循的擺動(dòng)加寬公式如下：

(19)

由此計(jì)算雙車道加寬寬度e，各車型的計(jì)算公式如表2所示。

表2 中國公路不同車型擺動(dòng)加寬值公式匯總

表2中各公式參數(shù)意義：e為雙車道加寬寬度；e1為幾何加寬值；e2為擺動(dòng)加寬值；L0為汽車軸距加前懸；R為平曲線半徑；V為設(shè)計(jì)速度。

綜合上述3個(gè)國家的加寬值計(jì)算方法可以看出：中國與日本在計(jì)算加寬時(shí)的車型劃分相似，但計(jì)算方法不同。中國與美國加寬計(jì)算方法相似，都是考慮了車輛本身轉(zhuǎn)彎時(shí)幾何尺寸所需要的寬度以及側(cè)向的擺動(dòng)加寬值。

3 不同國家標(biāo)準(zhǔn)得到的加寬值

中國JTG D20—2006《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：二級(jí)公路、三級(jí)公路、四級(jí)公路的圓曲線半徑小于或等于250 m時(shí)，應(yīng)設(shè)置加寬。單車道匝道(Ⅰ型)，圓曲線半徑小于72 m以及單向雙車道匝道或?qū)ο螂p車道匝道(Ⅱ型)，圓曲線半徑小于47 m應(yīng)設(shè)置加寬。下文通過采用不同的加寬值計(jì)算方法，計(jì)算對(duì)向雙車道公路和不同形式匝道下規(guī)定的4種車型所需的路面加寬值。

3.1 小半徑曲線段加寬

基于上文3個(gè)國家的公路加寬值計(jì)算方法，計(jì)算對(duì)向雙車道公路不同車型所需要的路面加寬值，結(jié)果如表3～5所示。

表3 日本對(duì)向雙車道路面加寬值

表4 美國對(duì)向雙車道路面加寬值(路面寬度7.5 m)

表5 中國對(duì)向雙車道路面加寬值

從表3～5可以看出：采用中國JTG D20—2006《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)圓曲線加寬計(jì)算方法計(jì)算的加寬值與日本較為接近，比采用美國加寬計(jì)算方法計(jì)算的加寬值偏大。

3.2 匝道路面加寬

匝道上車輛的運(yùn)行條件與一般公路不同，且速度較低，所以不適用于采用日本和美國平曲線路段的加寬計(jì)算方法；但是與美國交叉口處的車輛運(yùn)行特征相似，且速度均較低，因此，可以采用美國交叉口處的路面加寬計(jì)算方法來計(jì)算不同形式匝道下路面的加寬值。

通過計(jì)算可知，當(dāng)不考慮硬路肩停車時(shí)，不同形式的匝道斷面類型對(duì)于不同的車輛類型均不需要加寬。無緊急停車帶的單向雙車道匝道由于硬路肩寬度為1.0 m，不能供車輛臨時(shí)?？浚粚?duì)于單向單車道匝道，假定硬路肩上停靠車輛為大型客車，鉸接列車能慢速通過；對(duì)于無緊急停車帶的單向雙車道匝道，假定為兩輛鉸接列車慢速并行或錯(cuò)車通過；對(duì)于對(duì)向分離式雙車道，鉸接列車能慢速通過。因此，無緊急停車帶的雙車道匝道以及考慮硬路肩停車的其他類型匝道圓曲線路面加寬值計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 匝道圓曲線部分路面加寬值(考慮硬路肩停車)

4 結(jié)論

(1)首先詳細(xì)介紹了日本、美國和中國公路圓曲線加寬計(jì)算方法，分析了中國公路圓曲線加寬計(jì)算方法與日本和美國加寬計(jì)算方法的異同。

(2)分別采用日本、美國和中國公路圓曲線加寬計(jì)算方法計(jì)算對(duì)向雙車道公路下中國《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的5種車型所需的加寬值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用中國公路圓曲線加寬計(jì)算方法計(jì)算的加寬值與日本方法計(jì)算的加寬值基本相似，比美國加寬方法計(jì)算的加寬值偏大。

(3)假定匝道右側(cè)硬路肩?？看笮涂蛙?，鉸接列車能夠慢速通行，計(jì)算出的不同類型匝道所需的加寬值與JTG/T D21—2014《公路立體交叉設(shè)計(jì)細(xì)則》中對(duì)應(yīng)匝道類型的加寬值稍大，主要是考慮了匝道車輛運(yùn)行的最不利組合情況。

(4)提出的雙車道公路小半徑曲線段、互通式立交匝道路面加寬值可為執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)的工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。