（道路与铁道工程专业论文）山区高速公路平纵线形组合设计合理性研究.pdf

t h e r a t i o n a l i t ya n a l y s i so fm o u n t a i n o u se x p r e s s w a y f l a tv e r t i c a la l i g n m e n td e s i g n ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i uh a i q i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gs h a o w e i c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 舢6 川川i0删3m 7 川-舢y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 刽双 o 年厂月卜日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 利海织 矽声年多月口日 导师签名： 彩匆。铭 i ) pfo 年6 具f ob 摘要 随着山区高速公路的快速发展，因道路沿线自然条件的限制作用，造成山区高速公 路线形设计较为困难，在道路线形设计不当路段容易导致发生交通事故。山区高速公路 线形设计多受周围地形、地质条件的制约，会出现道路平纵线形组合不当的设计，严重 危及汽车的行驶安全。我国现行公路技术标准中规定的平面、纵断面及平纵组合设计技 术指标，现在已成熟应用于平原微丘区高速公路，而山区高速公路建设刚刚起步，很多 技术标准还是基于平原微丘区高速公路的设计标准。在山区高速公路线形设计中，设计 人员无章可循，导致道路平纵线形组合设计无法控制。因此，对山区高速公路平纵线形 组合设计的研究，对合理控制组合路段内的平面、纵断面设计指标，保障组合路段上的 行车安全是非常必要的，同样是迫切需要解决的实际问题。 本论文通过收集大量的相关数据资料，及国内外研究理论的基础上，对山区高速公 路平纵线形组合设计及组合路段内平面、纵断面设计技术指标值进行了统计分析研究。 通过对试验路段的设计资料的收集，依据平纵组合原则，选取相应的试验路段；通过对 山区高速公路平纵线形组合路段内的交通事故数据量和汽车在组合路段上受到的合成 加速度进行分析，确定研究山区高速公路平纵线形的合理组合设计应以平纵组合路段行 车加速度为主要控制因素的原则。 本论文具体分析了汽车在平纵组合路段上的行驶速度变化，汽车在平纵组合路段上 的受力状态，分别研究了汽车在平面、纵断面上的行车受力情况。由于道路平纵线形的 组合设计，出现了汽车平面受力状态与纵断面受力状态的合成作用，因此，提出道路线 形组合路段行车合成加速度模型。利用数理统计的方法，对该模型计算出的组合路段合 成加速度值做离散化处理，建立合成路段的交通事故数据与合成加速度离散值之间的关 系。结合试验路段的设计资料及交通事故数据资料，验证了组合路段行车加速度离散值 与交通事故数量的相关性，并可实现利用合成加速度离散值对道路线形组合设计合理性 进行定性评价。 关键词：山区高速公路、平纵组合路段、合成加速度、组合路段行车合成加速度模 型、合成加速度离散值、组合路段评价指标 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o u n t a i n o u se x p r e s s w a y , t h er e s t r i c t i v ee f f e c to ft h e n a t u r a lc o n d i t i o n sa l o n gt h er o a dr e s u l t s i nam o r ed i f f i c u l tm o u n t a i n o u se x p r e s s w a y a l i g n m e n td e s i g na n dt h el o c a t i o no ft h ei m p r o p e rr o a da l i g n m e n td e s i g nc a ne a s i l yl e a d t o t r a f f i ca c c i d e n t s m o u n t a i n o u se x p r e s s w a ya l i g n m e n td e s i g ni sm o s t l yc o n d i t i o n e db yt h e s u r r o u n d i n gt e r r a i na n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，s oi t w o u l da p p e a ri m p r o p e rc o m b i n a t i o no f p l a n ea n dv e r t i c a ld e s i g n , w h i c hs e r i o u s l yj e o p a r d i z e s t h es a f e t yo fc a rd r i v i n g c h i n a s c u r r c n tt e c h n i c a ls t a n d a r d ss t i p u l a t e di nr o a dp l a n e ，v e r t i c a la n dc o m b i n a t i o no fb o t hd e s i g n ， i sn o we x p e r t l yu s e di np l a i nh i l l a r e ae x p r e s s w a y , w h i l et h em o u n t a i n o u se x p r e s s w a y c o n s t n l c t i o nh a si u s ts t a r t e d ，al o to ft e c h n i c a lc r i t e r i ai sb a s e do np l a i nh i l la r e ah i g h w a y d e s i g ns t a n d a r d s a tt h eh i g h w a ya l i g n m e n td e s i g n ，t h ed e s i g n e rw i t h n or u l e sc a nn o tc o n t r o l p l a n ea n dv e r t i c a la l i g n m e n tc o m b i n a t i o no fr o a dh o r i z o n t a la n dv e r t i c a la l i g n m e n td e s i g n t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fc o m b i n a t i o no fp l a n ea n dv e r t i c a la l i g n m e n td e s i g n ，t h er e a s o n a b l e c o n t r o lo ft h ep l a n ea n dv e r t i c a la l i g n m e n td e s i g ns t a n d a r d si nt h ec o m b i n a t i o no f s e c t i o n s a n de n s u r i n gr o a ds a f e t yi se s s e n t i a l ，a n da tt h es a m et i m ei st h eu r g e n tp r a c t i c a lp r o b l e m s w h i c hn e e dt os o l v e t h ep a p e rb yc o l l e c t i n gal a r g en u m b e ro fr e l e v a n td a t a , a n db a s e d o nh o m ea n da b r o a d r e s e a r c ht h e o r ys t u d ya n da n a l y z es t a t i s t i c a l l yt h ec o m b i n a t i o no fp l a n ea n dv e r t i c a la l i g n m e n t d e s i g ni nm o u n t a i n o u se x p r e s s w a ya n d t h ev a l u e so fi tw i t h i nt h ec o m b i n a t i o nr o a ds e c t i o n s b yc o l l e c t i n gt h ed e s i g ni n f o r m a t i o no f t h et e s ts e c t i o n ，b a s e do nt h ep r i n c i p l e so fp l a n ea n d v e r t i c a lc o m b i n a t i o r 塔，s e l e c tt h ec o r r e s p o n d i n gt e s ts e c t i o n s ；t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e a c c i d e n td a l a a i l dt l l ec o m b i n a t i o no fa c c e l e r a t i o ni n t h ec o m b i n a t i o nr o a ds e c t i o n s ， d e t e 肌i n ep f i n c i p l et h a tt h es t u d yo fh ec o m b i n a t i o no fp l a n ea n d v e r t i c a la l i g n m e n td e s i g ni n m o u n t a i n o u se x p r e s s w a ys h o u l dm a k e a c c e l e r a t i o na sc o n t r o l l i n gf a c t o r s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef o r c es t a t eo fv e h i c l e si nt h ec o m b i n a t i o nr o a ds e c t i o n s ，a n d p a r t l ys t u d yc o n c r e t e l yd r i v i n gf o r c es i t u a t i o nw h e n t h ev e h i c l e si sr u n n i n go nt h ep l a n ea n d v e r t i c a lr o a d c a rp l a n ea n dv e r t i c a l s t r e s ss t a t es y n t h e s i sa p p e a r e di nt h ep l a n ea n dv e r t i c a l r o a dd e s i g n ，t h e r e f o r e ，t h em o d e lo f t r a f f i cs y n t h e s i so fl i n e a ra c c e l e r a t i o ni nt h ec o m b i n a t i o n r o a ds e c t i o n si sp r o p o s e d u s i n gt h e m e t h o d so fm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，d od i s c r e t e p r o c e s s i n gf o rt h ev a l u eo fs y n t h e t i ca c c e l e r a t i o nb yt h em o d e l ，e s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i p b e 眦e nr o a dt r a f f i ca c c i d e n td a t aa n dd i s c r e t ev a l u e so fs y n t h e s i so fs y n t h e t i c a c c e l e r a t i o ni n t l l ec o m b i n a t i o nr o a ds e c t i o n s c o m b i n ed e s i g ni n f o r m a t i o na n dt r a f f i cd a t ai nt h et e s tr o a d n s e c t i o n , v e r i f yt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nd i s c r e t ev a l u e so fa c c e l e r a t i o na n dt h en u m b e ro ft r a f f i c a c c i d e n t si n t h ec o m b i n a t i o nr o a ds e c t i o n s ，c a nr e a l i z et h ev a l u eo f s y n t h e t i c l i n e a r c o m b i n a t i o no fr o a dd e s i g n e dt oc a r r yo u taq u a l i t a t i v ea s s e s s m e n t k e y w o r d s ：m o u n t a i n o u se x p r e s s w a y ；c o m b i n a t i o no f p l a n ea n dv e r t i c a lr o a ds e c t i o n ；s y n t h e t i c a c c e l e r a t i o n ；d r i v eo nt h ec o m b i n a t i o nr o a ds e c t i o n ss y n t h e t i ca c c e l e r a t i o nm o d e l ：d i s c r e t ev a l u e so f s y n t h e t i ca c c e l e r a t i o n ：p o r t f o l i os e c t i o ne v a l u a t i o n i i i 目录 第一章概述1 1 1山区高速公路发展问题l 1 2 课题背景及意义2 1 2 1课题背景2 1 2 2 研究意义2 1 3国内外高速公路线形组合设计研究现状3 1 3 1 国外目前研究概况3 1 3 2 国内目前研究概况5 1 4 本论文的研究内容6 1 4 1 研究内容6 1 4 2 技术路线7 1 5 本章小结7 第二章山区高速公路线形技术指标组成分析8 2 1山区高速公路的线形设计指标8 2 1 1 平面线形设计指标一9 2 1 2 纵断面设计指标1 2 2 2山区高速公路线形技术指标应用分析1 4 2 2 1平面线形技术指标应用1 4 2 2 2 纵断面线形技术指标应用17 2 2 3 线形技术指标应用分析1 9 2 3 本章小结。2 3 第三章山区高速公路平纵组合设计研究。2 5 3 1山区高速公路线形平纵组合原则2 6 3 1 1 道路线形的连续性及行驶的舒适性2 6 3 1 2 道路线形技术指标的均衡性2 7 3 1 3 适合的合成坡度2 8 3 2目前山区高速公路线形组合设计存在的主要问题。2 8 3 3山区高速公路线形组合设计评价方法3 0 3 3 1 基于车速与高速公路线形的相关性方法3 0 3 3 2 利用“空间视野有效范围”评价高速公路线形3 l 3 4 本章小结一。：3 2 第四章高速公路平纵线形组合路段汽车行驶速度分析3 3 4 1 平纵组合路段的选取原则3 3 v 4 2 特征断面处行车速度变化分析。3 4 4 2 1确定平纵线形组合路段特征断面位置3 4 4 2 2 平纵线形组合路段特征断面处测速方法3 5 4 2 3 平纵线形组合路段特征断面处速度分析3 6 4 3 平纵线形组合路段上汽车连续行驶速度分析。3 9 4 3 1车载g p s 测速仪。3 9 4 3 2 汽车连续行驶速度测速方法4 3 4 3 3 汽车在平纵线形组合路段上连续速度变化分析4 3 4 4 平纵线形组合路段行车加速度。4 9 4 4 1 平纵线形组合路段行车加速度概念4 9 4 4 2 平纵线形组合路段行车加速度的意义4 9 4 5 本章小结一5 0 第五章高速公路平纵组合路段行车加速度研究5 l 5 1平纵组合路段行车加速度5l 5 1 1 平面离心加速度5 l 5 1 2 纵向加速度5 3 5 1 3 组合路段行车加速度5 4 5 2 平纵组合路段行车加速度模型。5 5 5 3 平纵组合路段行车加速度模型离散化计算5 6 5 4 本章小结5 7 第六章平纵组合路段行车加速度模型验证分析5 8 6 1 代表车型原始数据【3 0 ，3 1 1 5 8 6 2 试验路段平纵设计资料一5 9 6 2 1 试验路线概况5 9 6 2 2 路线平面设计资料5 9 6 2 3 路线纵断面设计资料6 l 6 3 平纵组合路段行车加速度模型6 2 6 3 1离心加速度计算公式6 2 6 - 3 2 纵向加速度计算公式。6 2 6 3 3 行车加速度计算公式6 3 6 3 4 行车加速度离散值计算公式6 3 6 4 行车加速度离散值计算结果。6 3 6 5 行车加速度离散值与交通事故的相关性6 6 6 6 基于行车加速度离散值的道路平纵线形组合安全性评价标准7 0 6 7 本章小结7 1 v i 结论：7 3 7 1 本文研究成果7 3 7 2 迸一步需要研究的问题。7 4 参考文献7 6 致谢7 8 v i i 长安大学硕：l 学位论文 第一章概述 近些年高速公路建设规模的不断扩大和高速公路在国民经济建设中作用的日益突 出，社会各界越来越多地关注高速公路建设，并对高速公路的质量提出了更高的要求。 为适应新时期的高速公路建设要求，交通部提出以科学发展观为核心的“安全、环保、 舒适、和谐”和“以人为本，全面协调可持续发展”的高速公路建设新理念。 随着社会经济和公路交通事业的蓬勃发展，我国中东部地区的高速公路网建设已经 基本成型，高速公路建设的重心已由中东部平原微丘区向西部山岭重丘地区转移。山区 高速公路建设的问题即是山区独特的地形、地质、水文、生态、环境气候多变及施工难 度大等较多制约因素。势必增大山区高速公路设计难度，因而在山区高速公路设计中不 得不采用技术规范中的较低技术指标值，使道路设计线形与实际自然地形尽可能相适 应。因此，在山区高速公路设计中难免出现如长大纵坡接小半径圆曲线的不利线形组合 设计，造成不合理的平纵组合设计。 1 1山区高速公路发展问题 高速公路为空间位置中的实体，高速公路线形设计的好坏将直接影响到行驶车辆的 安全。山区高速公路由于受自然条件的制约，平、纵线形各项技术指标值均会采用技术 规范中的较低技术指标值。由于现行规范中采用设计速度作为路线设计的基础设计指标 取值依据，因而各项技术指标值在山区高速公路的设计中应注重道路平、纵线形的组合 设计问题，以满足山区高速公路的线形与山区自然地形相适应，此外对车辆行驶亦具有 较高的行驶安全性。 我国的山区高速公路建设正处于初步建设阶段，目前国内还没有较为成熟的山区高 速公路线形设计技术规范。因此，山区高速公路设计中的平、纵线形设计的位置选取， 设计技术指标值的选取，目前还是以现行交通部颁布的公路路线设计规范【2 j 为设计 依据，因此山区高速公路的设计问题日益突出。公路的线形组合设计既要满足车辆行驶 的力学要求也要满足驾驶员的心理生理要求。车辆行驶的顺适性与驾驶员的舒适性就技 术指标值来讲，两者互有影响。行驶力学要求技术指标值为极限值，而视觉心理要求技 术指标值是比极限值要高的指标。 在山区高速公路的线形设计中，需要考虑到避让不良地形地质路段、路基的稳定性、 第一章概述 土方的填挖平衡、工程造价的经济性，造成山区公路的平纵组合线形考虑因素较多。因 而，为达到山区高速公路建设整体合理的平衡性，在山区高速公路的平纵线形组合设计 中各项技术指标值普遍较小以适应山区高速的特殊地形要求。 1 2 课题背景及意义 1 2 1课题背景 本课题以陕西省山区高速公路为研究对象进行研究。陕西省待建高速公路大部分 位于陕南秦巴山区和陕北黄土沟壑地区，陕西省内的高速公路建设的主战场已由平原区 转向地形地质条件复杂的陕南、陕北山区。山区复杂的地形、地质、水文条件决定了山 区高速公路具有平纵面指标相对较低，桥隧结构物比例大，路基与桥隧衔接过度频繁， 连续上下坡路段较长；工程规模大，造价高。这些都增加了高速公路设计的难度，经常 出现局部路段虽然设计满足规范要求，但是运营后行车舒适性较差，存在较大的安全隐 患，事故频发；或者由于指标偏高，填挖太大，对自然地形和生态环境破坏大，景观效 果差，甚至诱发较严重的地质病害，极大地威胁着道路设施的安全，进而降低交通运营 的安全性。 准确地把握陕西省山区高速公路的特点、难点，合理掌握技术标准，灵活运用技 术指标，最大限度地降低对公路沿线生态环境的破坏，减少安全隐患，降低交通事故率 是山区高速公路建设中首先要解决的问题。最终提出指导陕西省山区高速公路平、纵线 形组合设计的方法。 1 。2 2 研究意义 根据陕西省自然地理特征和高速公路建设的实际情况，通过理论研究、现场调查、 数理统计与数值分析、实验及计算机仿真的研究方法，对山区高速公路平纵面指标、平 纵合理组合设计等关键技术指标进行较为系统的研究，提出适合陕西省山区高速公路特 点的合理指标，为陕西省高速公路建设的快速、健康、持续发展提供技术保障。 本论文研究意义：研究适合于山区高速公路的平、纵线形组合的设计方法。结合山 区高速公路的特点，并基于线形安全设计和线形设计一致性的方法，提出适合于山区高 速公路平、纵线形组合设计合理性的评价指标，为陕西省山区高速公路灵活和合理运用 平纵技术指标提供技术支持。 2 长安大学硕二i ：学位论文 1 3国内外高速公路线形组合设计研究现状 1 3 1 国外目前研究概况 为降低山区高速公路平纵组合路段的交通事故，改善平纵线形组合的安全状况，国 外的专家学者们进行了大量的研究工作。目前国外对平纵线形组合设计指标的研究主要 集中在线形安全设计和线形设计一致性方面。 日本早期利用线形图检查评价【4 】：该法将路线平面线形图用曲率图表示，将纵断面 线形图用坡度图表示，通过比较两图的零点位置就可以简单地检查出平、纵线形组合设 计的好坏。在线形图上如果零点位置一致或接近，则平、纵线形配合不好，反之，当零 点相互交错，则立体线形良好。该法简单、有效，但对于经验丰富的设计者不用该图也 可判断出平、纵线形设计的质量。 日本、美国、英国、德国等从安全性方面评价线形设计：该法是根据调查收集到的 交通事故资料，分别建立直线、圆曲线、缓和曲线、纵坡( 上下坡) 、竖曲线、视距等线 形要素与事故率的表格或回归曲线和公式，找出相对比较安全的数值或范围，用以指导 线形设计或评价线形设计的安全性。 美国联邦公路局( f h w a ) 研究出“交互式公路安全设计模型( i n t e r a c t i v eh i g h w a y s a f e t yd e s i g nm o d e l ，缩写为i h s d m ) ”。该模型【5 】是建立在大量观测数据基础上的统计 模型，综合考虑了人、车、路之间的相互影响，目的是建立一个与c a d 集成在一起的 公路安全设计和评价系统，帮助设计人员从公路安全的角度评价设计方案。 美国的l a m m e t a l 提出了类似于德国的测算模型【6 】，即采用平曲线的曲率度( c ) 作为 确定运行车速的主要变量；k r a m m e s e t a l 在利用平面线形数据建立运行车速测算模型方 面进行了为更深入的研究，结合l a m m e t a l 和瑞士模型的优点。上述研究建立了以平曲 线半径为主要变量的运行车速测算公式，同时研究认为在竖曲线上行驶的小客车的运行 车速受竖曲线曲率和陡坡的影响，载重汽车的运行车速受陡坡坡度和坡长的影响。 i h s d m 模型中建立了平面线形和纵面线形组合路段( 位于直坡段的平曲线、位于直线 段的竖曲线、平曲线与竖曲线的组合路段) 的小客车和载重汽车的运行车速测算模型， 并对其进行相关性分析和模型验证。 2 0 0 1 年，j e s s e n e t a l 建立了一个预测特殊点的第8 5 和9 5 位运行速度方程。这些特 殊点指竖曲线上视距受限制的点和一些控制点。在这些控制点上，假设驾驶员是按照期 望速度行驶的。在n e b r a s k a 的双车道的郊区公路上他们收集了7 0 个凸形竖曲线的运行 第一章概述 速度。这个方程是以设置的限速值、平均日交通量等为依据的。另一个预测运行速度的 方法就是由f i t z p a t r i c k 于2 0 0 3 年提出的应用一系列的有关限速的回归方程。这个方程 假设限速是确定运行速度的仅有的因素。 利用驾驶员工作量评价线形设计：驾驶员工作量模型主要是针对驾驶员驾驶汽车过 程中的感知、反应与决策等过程的脑力劳动并对其量测。这些过程所需时间的多少对行 车安全是至关重要的，往往决定着执行过程的结果。通常，驾驶员沿着公路操纵车辆所 需处理的信息越少，可以自由地保持视觉闭塞状态的时间越长，其工作量越小；相反， 驾驶员所需处理的信息量越大，需要观察路面的时间越长，其脑力劳动越高，则工作量 越大。 美国m e s s e r 建立了一个基于公路几何学评价驾驶员工作量的模型。初步的评价显 示，这种工作量的估计对公路危险路段具有较好的控制作用。但该程序是人工操作，基 本上是主观评价而不是客观评价，难以对模型进行验证，从而限制了其可信度。 为了改变上述驾驶员工作量估计中主观评价的不足，在s h a f e r 开发的驾驶员工作量 模型程序中，采用了视觉闭塞法( t h ev i s i o no c c l u s i o nm e t h o d ) 的客观方法来评价驾驶 员工作量。该法认为，一般情况下，驾驶员自由地闭塞其视觉，只有在有必要获取信息 时才发挥视觉作用，视觉处于紧张状态。在一定长度路段上驾驶员不能闭塞视觉所需要 的时间反映出驾驶员驾驶车辆所需的脑力劳动量。 在公路设计一致性评价中使用的驾驶员工作量包括平曲线上驾驶员工作量和直线 上驾驶员工作量。平曲线上驾驶员平均工作量模型使用弯曲度数( 偏转角) 作为预测变 量，其回归公式如式1 1 所示： w l = 0 1 9 3 + 0 0 1 6 d ( 1 1 ) 式中：w r 平曲线上驾驶员平均工作量，d 一弯曲度数( o ) 。 直线上驾驶员平均工作量观测值为0 1 7 6 ，即直线段非视觉闭塞时间只为1 7 6 。 利用驾驶员工作量模型评价公路线形设计的方法与基于运行速度的方法相似，以驾驶员 工作量的变化作为评价指标。 h a s s a n y 提出用运行速度结合3 d 视距模型及汽车动力性能来评价线形安全与一致 性 7 , 8 1 。方法如下：用现有的运行速度模型预测运行速度，用现有的3 d 视距模型结合汽 车动力性来预测最大安全允许速度，将这两个速度进行比较，如果运行速度小于最大安 全允许速度，则线形是安全的；如果运行速度大于最大安全允许速度，则线形是不安全 的。但是由于运行速度模型没有专门针对夜间的，因此，有关夜间行车安全性还有待研 4 长安大学硕：i ：学位论文 究。 利用p v s d 来进行平纵组合设计【9 】：国外常用的平、纵曲线组合设计的规定很多， 其中比较流行的有美国的从s h t o 和加拿大的t a c 所提倡的p v s d 设计法。p v s d 即 英语p r e v i e ws i g h td i s t a n c e 的缩写，是指汽车驶入曲线前必须的视距，它的确定是在考 虑了圆曲线半径、缓和曲线参数、竖曲线半径等线形条件及驾驶员和汽车的实际情况后 提出的，并且在平纵曲线组合设计中将以p v s d 为依据来确定竖曲线上不宜作为圆曲线 起点的区域，并将此区域定义为视觉盲区。这种方法既考虑了实际行车速度，又考虑了 驾驶员心理和生理的需要，因此，比较符合汽车在平纵组合曲线上的行驶情况，比较贴 切实际。但是p v s d 法中关于凸竖曲线上的视距计算方法比较片面，计算模型仅仅考虑 了竖曲线的半径值，而没有考虑竖曲线的长度以及坡度的变化。而i o a n n i s t a i g a n i d i s 在 1 9 9 8 年所提出的计算模型【lo 】就分析的比较全面，综合考虑了竖曲线的自身性质。 1 3 2 国内目前研究概况 国内对平纵线形组合设计指标的研究很多，主要是通过各种试验或收集的数据，从 汽车动力性能、驾驶员生理心理、事故与指标的关系等方面判定线形的优劣，对现行公 路工程技术标准和公路路线设计规范【2 l 中的某一平纵面指标进行修正。 郑柯通过对驾驶员心理生理反应分析，定量的确定出了高速公路平、纵线形的一些 主要指标值【1 1 1 ，包括长顺直路段后连接的圆曲线半径及对应的入口端缓和曲线长度；不 同半径平曲线组合时其中间所夹的直线段长度及与其对应的顺行车方向第2 个平曲线 入口端的缓和曲线长度；弯坡路段上在不同车速下与各纵坡对应的圆曲线半径值。 潘晓东应用检测人体生理反应信息对山区公路的平面线形进行了研究，得到了圆曲 线半径、行车视距、平曲线转角和平曲线长度的组合等与驾驶员行车时心理生理反应需 求之间的关系模型【l2 1 ，进而指导公路线形设计。 裴玉龙建立了交通事故与圆曲线半径、曲线转角、纵坡度和竖曲线之间的关系，提 出了高速公路最小圆曲线半径的建议值、平曲线转角的安全值为2 0 0 ( 安全范围为1 5 0 2 5 0 ) ，曲线转角不应该小于7 0 ，建议最大纵坡不能超过6 ，同时综合考虑道路设计的最 小纵坡和安全纵坡范围为0 3 - - 一2 之间，同时提出凸形竖曲线比凹形竖曲线有更大的 事故率1 1 3 j 。 邹健通过分析道路线形与交通安全的关系，给出了道路平面、纵面指标与安全的模 型【1 4 】，同时给出了山岭重丘区各级公路直坡路段和弯坡路段各项极限技术指标，指导公 5 第一章概述 路设计。 吴峰用车辆三维动力学模型和轮胎模型【1 5 】，研究得出了汽车在上、下坡安全行驶时 的圆曲线最小半径。提出的在不同纵坡度、超高横坡度、路面附着系数和设计车速下的 圆曲线最小半径，很好地补充了现行公路路线设计规范对圆曲线最小半径的规定。 吴德华在汽车动力性能分析和工程经济技术论证的基础上，通过理论分析和现场调 查的方法，分析了陕西公路建设对陕西路域生态、水土流失的影响。在此基础上提出陕 西公路建设生态环境保护的政策策略，研究了陕西公路交通量适应性，提出适合陕西地 区的各级公路相应的远景设计交通量，在分析陕西公路现有线形指标的基础上，提出了 适合陕西地区的公路建设标准，以优化陕西地区的公路设计【m 】。 陈磊通过考虑西部地区的地理、社会、经济情况，给出西部公路路线设计和合理的 标准采用建议；通过对汽车行驶理论分析，借鉴国内外研究成果，给出西部山区纵坡设 计标准的修改建议【埘。 石飞荣以陕西几条山区高速公路的交通量资料为基础，通过研究公路最大纵坡及坡 长限制与汽车性能、通行能力、爬坡车道设置的关系得出高速公路车辆上、下行的最大 纵坡及坡长限n t l 8 】，供山区高速公路纵坡设计及标准修订参考。 交通部2 0 0 4 年发布并实施的公路项目安全性评价指南【3 j ，是我国第一部关于 运行车速理论的法规性文件，指导公路设计者通过运行速度来检验公路线形的一致性。 1 4 本论文的研究内容 1 4 1研究内容 本论文以山区高速公路的平面、纵断面线形为研究对象，具体研究平、纵线形组合 设计技术指标的选用。在对平面线形、纵断面线形的设计技术指标值，山区高速公路上 车辆行驶的速度变化特性，驾驶员反应变化的分别研究基础上，对山区高速公路的平面、 纵断面线形组合设计路段内的设计技术指标进行研究分析。本论文主要依据陕西省已建 山区高速公路的设计技术指标值，及运营期间发生的交通事故资料为研究对象，利用现 场调查，事故回归分析的统计计算方法，建立陕西省山区高速公路平、纵线形组合路段 内的交通事故率与线形组合设计的关系，并提出量化平、纵线形组合设计优劣的量化指 标，以指导陕西省以后的山区高速公路的平、纵线形组合设计。 6 长安大学硕士学位论文 1 4 2 技术路线 本论文以山区高速公路平面、纵断面线形组合为研究对象，通过分析研究山区高速 公路的道路特性和道路上行驶车辆的速度变化，山区高速公路的平、纵线形设计技术指 标，运营期间的事故资料，研究分析山区高速公路，提出山区高速公路平、纵线形组合 设计的量化方法，最终实现较好的山区高速公路平、纵线形组合设计。 本论文的研究技术路线如图1 1 所示。 收集山区高速公路平、纵线彤组合设计资料山区高速公路平、纵线形组合设计方法 ，且， 山区高速常采用平面山区高速常采用纵断面山区高速公路甲纵组 线形设计技术指标值线形设计技术指标值合路段行车加速度 ，且 平纵组合路段行车加速度模型 i 山区高速公路事故资料l 墨 平纵组合路段行车加速 度离散值 图1 1 技术路线图 本论文的技术路线如下： 1 ) 分析陕西省山区高速公路的设计特点、设计技术指标值的使用情况。 2 ) 分析山区高速公路平面、纵断面线形的组合设计存在的问题，提出合理的平、 纵线形组合设计方法。 3 ) 提出山区高速公路平、纵线形组合路段内合成加速度模型。 4 ) 利用交通事故资料，及山区高速公路的设计指标值，提出评价山区高速公路平、 纵线形组合设计优劣的量化指标值：组合路段合成加速离散值。 5 ) 采用现场测速的方法检验组合路段合成加速离散值的合理性。 1 5 本章小结 本章详细介绍了本论文的研究背景、及需要研究的内容。在收集到大量的相关资料 的基础上，归纳总结了国内外高速公路平、纵线形组合设计的研究成果及研究现状，提 出了本论文的研究内容及研究方法，并概括介绍了本论文的研究问题及技术研究路线。 7 第二章陕西省山区高速公路线形技术指标组成分析 第二章山区高速公路线形技术指标组成分析 本章从高速公路的平面、纵断面线形的设计技术指标入手，分析高速公路线形设计 的特殊性要求。在分析完高速公路的平面、纵断面线形技术指标后，对陕西省已建山区 高速公路的平面、纵断面线形技术指标值进行统计研究分析。 2 1山区高速公路的线形设计指标 道路是一条处于空间中的三维带状构造物。道路的线形是指道路的空间形状，是道 路构造物的骨架结构。一般由平面、纵断面及横断面三部分组成。公路的平面、纵断面 的线形组合设计称之为公路工程的空间形状设计。公路的平面、纵断面线形组合设计的 基本要求是保证道路线形连续、技术指标均衡、行车安全舒适、驾驶员视觉良好，并与 路段周围的地形相适应，与周围的景观相协调。 公路的平面、纵断面线形组合设计是在公路总体设计的路线规划阶段、选线阶段就 开始，需要在道路的平面设计、纵断面设计、横断面设计以及平纵线形组合设计中体现 出来，并最终以公路的空间立体线形构造展现出来。 公路的线形决定了整个道路的建设规模和投资规模。此外，公路的空间线形对汽车 行驶的安全性、舒适性、经济性及整条道路的通行能力起决定作用。因此，公路的线形 设计是公路建设的经济性、公路运营的安全性的基础。公路的空间线形设计包括对道路 的平面线形设计及纵断面线形设计两部分。其中，路线是指道路中线在空间中的具体位 置，道路的平面线形是指空间的路线在水平面上的投影，道路的纵断面线形是指沿空间 中的道路中线竖直剖切，再沿路线的前进方向展开后的竖向线形。 道路的平面线形由直线、圆曲线及缓和曲线三要素构成；道路的纵断面线形由直线 与竖曲线两要素构成。道路线形设计的实质就是确定道路平面线形及纵断面线形的要素 值。由于在道路线形设计时，各设计组成要素的取值不同，几何要素取值的不合理，及 平面、纵断面线形的不良组合设计，均可能导致道路上设计不合理路段产生交通事故。 道路的线形组合设计需要考虑车辆行驶的安全性及舒适性要求，汽车行驶的动力学 及运动学要求。汽车在行驶的过程中，驾驶员主要通过视觉( 8 0 ) 、听觉( 1 4 ) 与 触觉( 2 ) 等感官接受外部信息【1 9 1 。因此，车辆在道路上行驶的过程中，驾驶员主要 通过视觉来获取前方道路上的道路信息，在经过大脑处理信息后，驾驶员再做出相应的 8 长安大学硕士学位论文 操作反应。在驾驶员作出操作反应前，需要道路前方有足够的视距长度来收集前方道路 的信息。道路的线形设计中需要考虑线形变化的连续性，道路线形变化一定要适应驾驶 员的驾驶期望要求，不能出现与期望相悖的线形变化( 如凸形竖曲线的变坡点与s 型曲 线拐点叠加的不利组合) 。 判断一条公路线形组合设计的优劣，主要取决于公路线形是否满足线形组合设计要 求。从根本上讲，公路线形组合设计问题就是对道路的平面、纵断面及横断面设计指标 的取值问题，及平面线形与纵断面线形的组合设计问题。 首先对公路线形组合设计的基本( 平面及纵断面) 设计指标进行分析。 2 1 1 平面线形设计指标 道路的平面线形设计是道路空间线形设计中的一项，平面线