道路線形設(shè)計(jì)指標(biāo)選用及安全評價研究

摘要 為保證道路工程的線形設(shè)計(jì)水平，該文從直線長度、圓曲線半徑、超高加寬、回旋線長度等方面分析了平面線形指標(biāo)的選用，從縱坡坡度、豎曲線半徑等方面分析了縱斷面線形指標(biāo)的選用，從路拱橫坡、路肩寬度等方面分析了橫斷面線形指標(biāo)的選用，同時基于運(yùn)行速度，對某二級公路的線形的安全性進(jìn)行評價，研究成果可為道路路線設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 公路工程；設(shè)計(jì)指標(biāo)；道路線形；安全評價

中圖分類號 U412 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0041-03

0 引言

道路工程是我國基礎(chǔ)設(shè)施投資的重要組成，其建設(shè)里程逐年增加，隨之而來的交通事故也越來越多，且很多事故都與道路線形不合理有關(guān)。道路工程屬于三維線性構(gòu)造物，由平面、縱斷面、橫斷面線形共同組成，任何一種線形不合理都會影響駕駛員的心理、視距等，從而引發(fā)交通事故，同時諸多道路項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時只考慮線形指標(biāo)是否滿足規(guī)范，而不重視線形的安全性，因此結(jié)合規(guī)范進(jìn)一步研究道路線形設(shè)計(jì)指標(biāo)選用及安全評價具有重要意義。

1 道路線形關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)選用

1.1 線形指標(biāo)類型

道路線形指標(biāo)選擇應(yīng)具有一定的靈活性?！豆缝`活性設(shè)計(jì)指南》中指出道路線形指標(biāo)要盡量滿足規(guī)范要求，但也要考慮道路運(yùn)行條件、周邊環(huán)境、經(jīng)濟(jì)成本等制約因素，如果某一線形指標(biāo)提高需對周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重破壞或耗費(fèi)較大的成本，則經(jīng)專家論證后線形指標(biāo)可適當(dāng)突破規(guī)范[1]。

《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）是我國道路線形設(shè)計(jì)的強(qiáng)制性準(zhǔn)則，其對平面、縱斷面、橫斷面線形有系統(tǒng)的分類，如表1所示：

1.2 平面線形指標(biāo)選擇

（1）直線長度

直線能以最短距離來連接道路上的兩個控制點(diǎn)，但直線線形缺乏變化，難于與地形相適應(yīng)，尤其是在山嶺重丘區(qū)的公路，采用直線線形會導(dǎo)致工程量大、對自然環(huán)境破壞大等問題。

當(dāng)直線長度過長時，會使駕駛員產(chǎn)生心理煩躁，注意力不集中，容易超速行駛等問題，根據(jù)相關(guān)研究，在不需超車的條件下，車速超過97 km/h持續(xù)3 min就會使駕駛員煩躁。路線線形設(shè)計(jì)規(guī)范對直線最大長度未給出明確值，僅規(guī)定“直線長度不宜過長”。該文認(rèn)為直線長度應(yīng)結(jié)合地形、環(huán)境設(shè)置，且不宜超過20V（V為設(shè)計(jì)速度，單位km/h，下同）。如布線條件受限，必須采用大于20V的長直線，應(yīng)在沿線增加駕駛警示標(biāo)志[2]。

同時，相鄰圓曲線以直線徑向相接時，其長度不宜過短，否則會形成“斷臂”曲線，破壞線形的連續(xù)性。當(dāng)V≥60 km/h時，同向圓曲線間最小直線長度應(yīng)大于6V，反向圓曲線間最小直線長度應(yīng)大于2V；當(dāng)V<60 km/h時，最小直線長度可適當(dāng)放寬。

（2）圓曲線半徑

各級公路在方向改變的地方都需設(shè)計(jì)圓曲線，與轉(zhuǎn)角大小無關(guān)，車輛經(jīng)過圓曲線時，其運(yùn)行速度會降低。在小半徑曲線附近，車輛運(yùn)行速度降低快，事故率高，主要原因在于：一方面，曲線半徑小，使駕駛員視距受限，一旦前方遇到突發(fā)狀況，駕駛員無法及時作出正確反應(yīng)；另一方面，車輛在小半徑曲線路段受到離心力大，當(dāng)離心力超過車輛輪胎與路面摩阻力，車輛容易側(cè)翻或滑移。

為了保證行車安全，需控制圓曲線半徑R。R的理論計(jì)算公式見式（1）：

R≥ V2 127（u+f） （1）

式中：R——圓曲線半徑（m）；V——設(shè)計(jì)速度（km/h）；u——超高橫坡（%）；f——橫向力系數(shù)，取0.5～0.6。

道路線形指標(biāo)選擇前，設(shè)計(jì)速度是已知的，故圓曲線最小半徑取決于超高橫坡和橫向力系數(shù)，公路上超高橫坡一般取4%、6%、8%、10%，橫向力系數(shù)應(yīng)小于0.1（駕駛員轉(zhuǎn)彎感受不到曲線存在）。將上述參數(shù)代入式（1），并將計(jì)算結(jié)果取整，可得到圓曲線半徑規(guī)范值，如表2所示[3]：

（3）圓曲線超高和加寬

當(dāng)?shù)缆仿饭皺M坡發(fā)生變化，必須設(shè)置超高過渡段，對于沒有中間帶的低等級道路，可將外側(cè)車道繞中心線旋轉(zhuǎn)或繞內(nèi)側(cè)車道邊緣旋轉(zhuǎn)；對于有中央分隔帶的高速公路或一級公路，可沿中央分隔帶邊緣旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。超高過渡宜采用線性過渡方案，并盡量在回旋線全長范圍或某一區(qū)段范圍內(nèi)完成，且縱向漸變率要大于1/330[4]。

對于二級及以下的低等級公路，當(dāng)圓曲線半徑R≤250 m時應(yīng)在曲線內(nèi)側(cè)進(jìn)行加寬。以雙車道道路為例，其加寬可劃分為3類，具體加寬值應(yīng)結(jié)合道路功能、車輛類型等確定，并滿足以下要求：當(dāng)二級公路發(fā)揮干線功能時應(yīng)選用第3類加寬值；當(dāng)二級公路發(fā)揮集散功能或三級公路選用第3類加寬值（考慮鉸接車）或第2類加寬值（不考慮鉸接車）均可；四級公路或等外路，可選用第1類加寬值。

（4）回旋線長度

道路的直線與圓曲線間或大、小半徑圓曲線間需設(shè)計(jì)緩和曲線，以實(shí)現(xiàn)線形過渡，動態(tài)調(diào)整車輛行駛軌跡。根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017），緩和曲線宜選用回旋線，且長度不宜過短，從理論角度來看，道路回旋線長度可利用式（2）計(jì)算：

Ls= v 3.6 t （2）

式中：Ls——回旋線長度（m）；t——車輛在緩和曲線上的行駛時間，一般取3 s。

當(dāng)?shù)缆吩O(shè)計(jì)速度為40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h時，代入式（2）可得回旋線的最小長度計(jì)算值，取整后即為規(guī)范值，如表3所示：

1.3 縱斷面線形指標(biāo)選用

（1）縱坡坡度

縱斷面的最小縱坡要能滿足路面排水要求，其取值不宜小于0.3%，且與橫坡合成后的合成坡度不宜小于0.5%。否則，應(yīng)對邊溝開展縱坡排水設(shè)計(jì)。

縱斷面的最大縱坡計(jì)算主要是依據(jù)車輛爬坡能力確定，并在高海拔地區(qū)進(jìn)行適當(dāng)修正，見式（3）和式（4）[5]：

i=λD?f （3）

D=（f+i）+aδ g （4）

式中：i——最大縱坡（%）；λ——海拔修正系數(shù)；

f——摩擦力系數(shù)；D——動力因子；a——加速度（m/s2）；

δ——慣性力系數(shù)；g——重力加速，取9.81。

跨徑<30 m的小橋，其縱坡可隨路線縱坡設(shè)計(jì)，而大中橋的縱坡不宜超過4%。當(dāng)橋梁處于交通量大的路段或易積雪結(jié)冰路段，縱坡需適當(dāng)減小，同時隧道段最大縱坡需考慮汽車廢氣排放量，一般不超過3%。

（2）豎曲線半徑

豎曲線是縱斷面線形設(shè)計(jì)關(guān)鍵，可用于緩和縱坡突變，提高行車舒適性和安全性，豎曲線包括凹形豎曲線和凸形豎曲線兩類，宜采用大半徑圓曲線。因此，豎曲線的設(shè)計(jì)與圓曲線類似，主要控制半徑大小。以凸形豎曲線為例，如果其半徑過小，駕駛員經(jīng)過曲線頂點(diǎn)時會存在視線盲區(qū)，并產(chǎn)生“懸空感”，為了保證行車安全，凸形豎曲線的最小半徑要滿足表4所示：

1.4 橫斷面線形指標(biāo)選用

（1）路拱橫坡

傳統(tǒng)的道路路拱多采用2.0%的雙向橫坡，這對于路面寬度較小的低等級公路排水是有效的，但對于路面較寬的高速公路或一級公路而言，單向排水路徑過長，排水效果有待商榷。鑒于此，該文提出來一種新型路拱設(shè)置方式，即在道路縱坡>0.3%時，可在中央分隔帶兩側(cè)各增設(shè)一條路拱線，橫坡分別朝向中央分隔帶和路面外側(cè)，如圖2所示：

（2）路肩寬度

合理的路肩寬度能供車輛緊急停車、避險(xiǎn)，體現(xiàn)出了寬容性設(shè)計(jì)理念，相關(guān)研究表明：硬路肩寬度增加會提高行車安全性，但當(dāng)硬路肩寬度超過某一臨界值后，行車安全性基本不再變化。在道路線形設(shè)計(jì)時，應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)速度、道路功能等確定硬路肩寬度，具體要求如下：對于高速公路和一級公路（干線功能），硬路肩宜取3.0 m；對于一級公路（集散功能）和二級公路，硬路肩宜取1.5 m或0.75 m；對于三級公路和四級公路，可不設(shè)計(jì)硬路肩。

2 道路線形安全性評價

研究對象為某省內(nèi)的國道項(xiàng)目，其路線全長32.5 km，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為二級公路，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級，橫斷面為雙車道，寬8.5 m，設(shè)置2%的雙向橫坡，路面為瀝青路面。該道路是省內(nèi)交通網(wǎng)的重要規(guī)劃之一，沿線存在多處自然保護(hù)區(qū)和村鎮(zhèn)，建設(shè)用地緊張，征地拆遷困難，為打造示范性道路工程，在確定路線設(shè)計(jì)方案后，擬從線形指標(biāo)和線形協(xié)調(diào)性兩方面開展安全性評價。

2.1 線形設(shè)計(jì)指標(biāo)評價

利用緯地道路軟件V8.0導(dǎo)出了該道路的關(guān)鍵線形指標(biāo)，并將其與規(guī)范值進(jìn)行對比，見表5：

2.2 線形協(xié)調(diào)性評價

車輛在道路上的運(yùn)行速度不一定等于設(shè)計(jì)速度，線形設(shè)計(jì)指標(biāo)可能不適用，從而導(dǎo)致安全事故，根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評價規(guī)范》（JTG B05—2015），可將路線按縱坡、圓曲線半徑劃分為若干個評價單元（平直、平曲線、縱坡、彎坡組合等），并基于運(yùn)行速度預(yù)測結(jié)果來評價路線安全性。當(dāng)運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度差值絕對值|ΔV85|小于20 km/h，線形安全性好；反之，線形安全性不良，需繼續(xù)優(yōu)化線形指標(biāo)或設(shè)置警示標(biāo)志。

以該公路的彎坡組合路段為例，不同路段的運(yùn)行速度見圖3：

該公路在A～E路段的運(yùn)行速度均大于設(shè)計(jì)速度，其與設(shè)計(jì)速度的差值分別為5 km/h、0 km/h、6 km/h、2 km/h、10 km/h，均小于20 km/h，說明線形安全性好。

3 結(jié)論

該文主要依據(jù)現(xiàn)行路線設(shè)計(jì)規(guī)范研究了道路線形指標(biāo)的選用方法及安全性評價方法，研究成果表明：第一，道路平面線形中的直線長度和圓曲線不宜過大或過小，并需結(jié)合等級、功能等選擇合理的超高旋轉(zhuǎn)軸和加寬類別。第二，道路縱斷面最小坡度不宜小于0.3%，最大縱坡宜結(jié)合車輛爬坡能力確定，且豎曲線半徑不宜過小。第三，在公路路面較寬、且縱坡>0.3%時，可通過增設(shè)路拱線優(yōu)化橫坡，以提高道路排水效果。第四，道路線形安全性可基于線形指標(biāo)和運(yùn)行速度進(jìn)行評價，并將運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度的差值控制在20 km/h內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]李剛，林海晶.高速公路路線設(shè)計(jì)指標(biāo)及安全性評價分析[J].黑龍江交通科技，2022（5）：29-31.

[2]張爍，郎君，鞠永高.山區(qū)公路長隧道路段安全評價及線形優(yōu)化研究[J].公路與汽運(yùn)，2020（3）：42-45.

[3]梁士帥.基于運(yùn)行速度與車路耦合的彎坡路段線形安全研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2018.

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

[5]劉巖，楊洋.基于道路三維線形指標(biāo)的安全評價研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2014（2）：53-56+71.

收稿日期：2024-03-29

作者簡介：劉勤勤（1990—），女，本科，工程師，從事道路設(shè)計(jì)工作。