理論運(yùn)行速度與公路線形設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)方法研究

摘要 為保證公路運(yùn)營(yíng)期間的行車安全，該文研究了直線長(zhǎng)度、平曲線半徑、縱坡坡度等線形參數(shù)對(duì)運(yùn)行速度的影響，明確了平直、平曲線、縱坡、彎坡組合路段劃分原則和理論運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型。最后，以某二級(jí)公路為研究對(duì)象，利用同一路段運(yùn)行速度V85和設(shè)計(jì)速度V差值的絕對(duì)值ΔV來(lái)評(píng)價(jià)其線形安全，研究成果可供類似項(xiàng)目提供借鑒。

關(guān)鍵詞 運(yùn)行速度；影響因素；分段評(píng)價(jià)；預(yù)測(cè)模型；評(píng)價(jià)結(jié)果

中圖分類號(hào) U412 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）19-0031-03

0 引言

近年來(lái)，公路工程建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，安全性要求也越來(lái)越高，目前公路線形安全性評(píng)價(jià)大多是基于理論運(yùn)行速度V85，即在氣候、路況等外部條件比較理想的條件下，車輛第85%分位的行駛速度，其可能大于設(shè)計(jì)速度，也可能小于設(shè)計(jì)速度。然而很多設(shè)計(jì)人員在確定路線線形時(shí)重視指標(biāo)的選擇，而不重視安全性評(píng)價(jià)，容易引發(fā)交通安全事故，甚至造成一定的人員傷亡，因此進(jìn)一步研究理論運(yùn)行速度及線形評(píng)價(jià)方法具有重要的意義。

1 公路運(yùn)行速度影響因素

從公路線形角度來(lái)看，影響運(yùn)行速度的因素主要有直線長(zhǎng)度、平曲線半徑、縱坡坡度及彎坡組合等，具體闡述如下：

（1）直線的影響。

直線具有距離短、方向明確等優(yōu)勢(shì)，是公路設(shè)計(jì)時(shí)最常用的線形之一，直線過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)影響車輛的運(yùn)行速度。德國(guó)學(xué)者經(jīng)過(guò)多年研究，發(fā)現(xiàn)駕駛員在直線上連續(xù)行駛超過(guò)3 min時(shí)，內(nèi)心會(huì)感覺單調(diào)、出現(xiàn)疲勞感，從而不自覺地超速行駛，而當(dāng)直線長(zhǎng)度過(guò)短時(shí)，駕駛員需頻繁制動(dòng)，降低車輛運(yùn)行速度，以保證行車安全。

（2）平曲線半徑的影響。

一般情況下，平曲線半徑越大，車輛運(yùn)行速度越快，但是平曲線半徑對(duì)不同車型運(yùn)行速度的影響程度不同。比如小客車的自重較輕，動(dòng)力性能好，運(yùn)行速度受平曲線半徑影響大；而大貨車的自重大，動(dòng)力性能相對(duì)較差，運(yùn)行速度受平曲線半徑影響小。

（3）縱坡的影響。

縱坡對(duì)車輛運(yùn)行速度的影響較大，且上坡段和下坡段的影響機(jī)理不同。在上坡路段，車輛會(huì)受到驅(qū)動(dòng)力及空氣、路面、慣性等產(chǎn)生的阻力，車輛運(yùn)行可視作加速度大小固定的勻減速運(yùn)動(dòng)，力學(xué)方程可用式（1）表達(dá)[1]：

T=Rw+Rr+Rl （1）

式中：T——驅(qū)動(dòng)力（kN）；Rw——空氣阻力（kN）；Rr——路面阻力（kN）；Rl——慣性阻力（kN）。

在下坡路段，車輛在自身重力作用下，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，車輛運(yùn)行速度會(huì)增加，且運(yùn)行速度增加至一定值后會(huì)趨于穩(wěn)定。比如小客車下坡滑行會(huì)穩(wěn)定115 km/h左右，大貨車下坡滑行會(huì)穩(wěn)定在60～80 km/h。

（4）彎坡組合的影響

在部分山區(qū)路段，只能利用“平曲線+縱坡”的方案通過(guò)，車輛行駛時(shí)會(huì)同時(shí)受到曲線和縱坡的影響。如果在下坡時(shí)遇到曲線，尤其是小半徑曲線，駕駛員會(huì)認(rèn)為這是高危路段，會(huì)降低車輛運(yùn)行時(shí)速；如果前方遇到上坡，且平曲線半徑較大，車輛運(yùn)行速度降低不明顯。

2 公路線形評(píng)價(jià)流程及要點(diǎn)分析

2.1 公路線形評(píng)價(jià)流程

公路線形是采用“分段評(píng)價(jià)”思想，即路線方案初步設(shè)計(jì)完成后，要先將待評(píng)價(jià)路段劃分為若干個(gè)評(píng)價(jià)單元，對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，再根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》（JTG B05—2015）對(duì)運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體評(píng)價(jià)流程如圖1所示：

2.2 公路線形評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/p>

由《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》（JTG B05—2015）可知，公路線形評(píng)價(jià)單位可依據(jù)圓曲線半徑和縱坡，以低等級(jí)公路為例（二級(jí)公路、三級(jí)公路），具體劃分原則如表1所示[2]：

此外，隧道路段是指駛?cè)胨淼蓝纯谇?00 m至駛出隧道洞口后100 m，互通立交的主線路段為減速車道的漸變段起點(diǎn)至加速車道漸變段終點(diǎn)。

2.3 理論運(yùn)行速度預(yù)測(cè)

（1）預(yù)測(cè)步驟。

公路各個(gè)線形評(píng)價(jià)單元運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)步驟如下：首先，確定第1個(gè)線形評(píng)價(jià)單元起點(diǎn)的初始運(yùn)行速度（一般取設(shè)計(jì)速度），并根據(jù)評(píng)價(jià)單元類型選擇相應(yīng)的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)第1個(gè)線形評(píng)價(jià)單元終點(diǎn)的運(yùn)行速度；其次，以第1個(gè)線形評(píng)價(jià)單元終點(diǎn)作為第2個(gè)線形評(píng)價(jià)單元的起點(diǎn)，利用運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)第2個(gè)線形評(píng)價(jià)單元終點(diǎn)的運(yùn)行速度；最后，不斷重復(fù)上述步驟，直至預(yù)測(cè)出最后一個(gè)分析單元終點(diǎn)的運(yùn)行速度。

（2）平直路段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)。

對(duì)于短平直路段，可認(rèn)為其起點(diǎn)和終點(diǎn)的運(yùn)行速度不變，對(duì)于平直路段，需綜合考慮路段長(zhǎng)度、車輛加速度、車輛期望速度等進(jìn)行預(yù)測(cè)，見式（2）和式（3）[3]：

（2）

a=amin+（amax?amin）（1?vin ve ） （3）

式中：vout、vin——平直路段起點(diǎn)速度和終點(diǎn)速度（km/h）；a、amax、amin——分別為車輛加速度、最大加速度、最小加速度（m/s2）；ve——期望速度（km/h）。

（3）平曲線路段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)。

由于車輛在平曲線路段的行駛軌跡是不斷變化的，其運(yùn)行速度預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)從曲線中點(diǎn)分段，及分別預(yù)測(cè)曲線中點(diǎn)和曲線出口的運(yùn)行速度，具體預(yù)測(cè)模型如表2所示：

（4）縱坡路段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)。

結(jié)合相關(guān)研究成果，車輛在上坡和下坡路段的運(yùn)行速度應(yīng)根據(jù)縱坡坡度進(jìn)行折算[4]。

比如上坡路段，當(dāng)縱坡坡度在3%～4%，小客車和大貨車的運(yùn)行速度應(yīng)每1 000 m分別降低5 km/h、10 km/h直至最低運(yùn)行速度；當(dāng)縱坡坡度＞4%，小客車和大貨車的運(yùn)行速度應(yīng)每1 000 m分別降低8 km/h、20 km/h直至最低運(yùn)行速度。

比如下坡路段，當(dāng)縱坡坡度在3%～4%，小客車和大貨車的運(yùn)行速度應(yīng)每500 m分別增加10 km/h、7.5 km/h直至期望速度；當(dāng)縱坡坡度>4%，小客車和大貨車的運(yùn)行速度應(yīng)每500 m分別增加20 km/h、15 km/h直至期望速度。

（5）彎坡路段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)。

在彎坡組合路段，車輛運(yùn)行速度同時(shí)受圓曲線、縱坡的影響，因此在預(yù)測(cè)運(yùn)行速度時(shí)不僅要從曲線中點(diǎn)分段，還要區(qū)分上坡、下坡，具體預(yù)測(cè)模型如表3所示：

3 公路線形評(píng)價(jià)實(shí)例分析

（1）工程概況。

該文研究對(duì)象為省道公路，其路線全長(zhǎng)32.6 km，起點(diǎn)和終點(diǎn)均與地方道路相接，總體走向?yàn)槟媳毕?，起訖樁?hào)為K0+000～K32+600，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/50，設(shè)計(jì)等級(jí)為二級(jí)公路，雙向兩車道，設(shè)計(jì)速度為40 km/h，橫斷面寬度為8.5 m（0.75 m土路肩+3.5 m行車道+3.5 m行車道+0.75 m土路肩），橫坡為2%。目前，路線初步設(shè)計(jì)方案基本確定，最小直線長(zhǎng)度為200 m、最小圓曲線半徑為220 m、最小縱坡為0.6%、最大縱坡為5.2%、最小坡長(zhǎng)為150 m，為保證路線線形設(shè)計(jì)質(zhì)量，擬基于上述運(yùn)行速度預(yù)測(cè)方法評(píng)價(jià)路線協(xié)調(diào)性。

（2）線形評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

該文利用同一路段運(yùn)行速度V85和設(shè)計(jì)速度V差值的絕對(duì)值ΔV=|V85?V|來(lái)分析線形協(xié)調(diào)性。當(dāng)ΔV<20 km/h，說(shuō)明線形協(xié)調(diào)性好；當(dāng)ΔV≥20 km/h，說(shuō)明線形協(xié)調(diào)性不良[5]。

（3）線形評(píng)價(jià)結(jié)果。

基于2.2節(jié)的原則，將該公路劃分了40個(gè)評(píng)價(jià)單元，運(yùn)行速度預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)量大，受限于篇幅，該文只針對(duì)危險(xiǎn)性較大的彎坡路段開展分析。該公路沿線共有9處彎坡組合路段，分別編號(hào)為A～I(xiàn)，不同路段的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示：

彎坡組合路段的運(yùn)行速度均小于設(shè)計(jì)速度。經(jīng)計(jì)算，得到A～I(xiàn)路段的ΔV分別為5.0 km/h、2.0 km/h、1.0 km/h、4.5 km/h、8.0 km/h、15.0 km/h、11.5 km/h、20.5 km/h、7.5 km/h。由此可知：除H路段外，其他路段的ΔV均小于20 km/h，則線形協(xié)調(diào)性好的路段占比為88.9%。對(duì)于線形協(xié)調(diào)性不良的路段，應(yīng)調(diào)整線形，如布線條件受限，可增加安全保障設(shè)施，比如限速標(biāo)志、危險(xiǎn)標(biāo)識(shí)、視線誘導(dǎo)設(shè)施等。

4 結(jié)論

該文主要分析了公路理論運(yùn)行速度的影響因素、預(yù)測(cè)模型，并以某二級(jí)公路為研究對(duì)象開展案例分析，得到了以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）公路運(yùn)行速度是V85可能大于或小于設(shè)計(jì)速度，受直線長(zhǎng)度、圓曲線半徑、縱坡等線形參數(shù)的影響較大。

（2）公路線形評(píng)價(jià)前，要先按圓曲線半徑和縱坡將其劃分為若干個(gè)平直、平曲線、縱坡、彎坡組合路段，并根據(jù)相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)各個(gè)路段起點(diǎn)和終點(diǎn)的運(yùn)行速度。

（3）公路線形協(xié)調(diào)性可用ΔV=|V85?V|評(píng)價(jià)，盡可能將ΔV控制在20 km/h內(nèi)，否則應(yīng)調(diào)整線形或增加安全保障設(shè)施。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-04-15

作者簡(jiǎn)介：王磊剛（1991—），男，本科，工程師，從事公路勘察設(shè)計(jì)工作。