（道路与铁道工程专业论文）基于运行速度的双车道公路线形设计方法研究.pdf

摘要 公路设计是以满足汽车安全行驶要求为前提的，公路线形设计应遵循宽容性 原则，驾驶员操作上的小过错不应以生命为代价。传统的以设计速度为依据的公 路线形设计方法，实际上是对公路线形设计最低限度应采用指标的控制，难以实 现设计线形的连续性与均衡性。因此，有时尽管线形指标均满足了路线设计规范 要求，但部分路段仍然事故频发，这种现象在我国各级公路上都不同程度地存在。 本文针对当前我国公路线形设计存在的问题，提出了基于运行速度的公路线形设 计方法研究课题，旨在从线形设计的角度减少道路交通事故的发生，实现安全行 车的要求。 本文从双车道公路运行速度影响因素的分析入手，在学习借鉴国内外已有研 究成果的基础上，系统地提出了双车道公路运行速度计算方法，对双车道公路的 期望车速、直线加速度、短直线临界长度、曲线运行速度预测模型等指标和预测 模型进行了重大改进，以便更好地适应双车道公路运行速度预测的要求；通过分 析双车道公路线形设计要求以及各等级公路运行速度的变化规律，提出了以线形 连续性作为线形设计最基本的控制要求，并根据双车道公路实际情况提出了基于 设计速度分级的速差控制原则，通过对甘肃省多条双车道干线公路运行速度的实 地观测，结合交通事故统计资料的分析，验证了该速差控制标准的有效性和可靠 性。在此基础上，提出了基于运行速度的双车道公路线形设计方法，该方法在传 统设计方法的基础上，增加了运行速度预测及线形设计修改流程，并以运行速度 检查道路平、纵面线形设计质量，指导线形指标取值，确保了所设计道路线形的 连续性与均衡性，为提高道路行车安全性奠定了良好的基础。 关键词：双车道公路；运行速度；线形设计方法；连续性；均衡性 a b s t r a c t h i g h w a ya l i g n m e n td e s i g ni sb a s e do nt h et h ep r e m i s eo fs a f ed r i v i n go fv e h i c l e s ， h o w e v e ri ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v ei t sc o n t i n u i t ya n db a l a n c eb e c a u s ei ti sa c t u a l l ya c o n t r o lo fi t sm i n i m u mi n d i c a t o r s e v e nt h o u g hi t ss p e c i f i c a t i o n sc a nm e e tc u r r e n t t e c h n i c a ls t a n d a r d s ，i ti ss t i l la c c i d e n t - p r o n e ，ap h e n o m e n o nt ov a r y i n gd e g r e e so nt h e r o a da ta l ll e v e l si no u rc o u n t r y o nt h ei s s u eo fc h i n a sc u r r e n ts i t u a t i o na n de x i s t i n g p r o b l e m so fh i g h w a yl i n e a rd e s i g n , t h ep a p e rd e a l sw i n lt h er e s e a r c hw o r ko fi t s m e t h o d sb a s e do nt h er t m n i n gs p e e d t h er e s e a r c hi si n t e n d e dt ou s et h er u n n i n gs p e e d t oc h e c kt h eq u a l i t yo fh i g h w a yh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld e s i g n ，t og u i d el i n e a ri n d e x v a l u e s ，t or e d u c et r a f f i ca c c i d e n t sf r o mt h ea n g l eo fl i n e a rd e s i g na n da l li na l lt oa c h i e v e t h eb a s i cr e q u i r e m e n t sf o rs a f ed r i v i n g t h r o u g ha n a l y z i n gt h ei m p a c to ft h es p e e df a c t o r , l e a r n i n gf r o mt h er e s e a r c hr e s u l t s a th o m ea n da b r o a da n ds t a r t i n gf r o mt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h et w o - l a n eh i g h w a y , s y s t e m a t i c a l l yt h ep a p e rp r o p o s e st h em e t h o d so ft w o l a n eh i g h w a yr u n n i n gs p e e d c a l c u l a t i o na n dm a k e sg r e a ti m p r o v e m e n ti np r e d i c t i o ni n d i c a t o r sa n df o r e c a s t i n g m o d e l so ft h ee x p e c t e ds p e e d ，l i n e a r a c c e l e r a t i o n , t h ec r i t i c a ll e n g t ho fs h o r ts t r a i g h t l i n ea n dt h ec u r v es p e e d ，t h ei m p r o v e m e n tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft w o - l a n e h i g h w a yr u n n i n gs p e e df o r e c a s t i n g ；s e c o n d l y , t h r o u g ha n a l y z i n gt h eh i g h w a yl i n e a r d e s i g nr e q u i r e m e n t sa sw e l la st h es p e e dc h a n g e so nt h er o a da ta l ll e v e l s ，t h ep a p e r p r o p o s e st ot a k el i n e a rc o n t i n u i t ya st h eb a s i cc o n t r o lp r i n c i p l eo fl i n e a rd e s i g n , a n di n a c c o r d a n c ew i t l lt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft w o - l a n eh i g h w a y , t h ep a p e rd e a l sw i t ht h e c o n t r o lp r i n c i p l eo fs p e e dd i f f e r e n c eb a s e do nt h ed e s i g ns p e e dc l a s s i f i c a t i o n , 谢mt h e a p p l i c a t i o no fs a f e t y a s s e s s m e n tb yt h eh i g h w a yi ng a n s up r o v i n c ea n dw i t ht h e c o m b i n a t i o nw i t l lt h es t a t i s t i c a la n a l y s i so ft r a f f i ca c c i d e n td a t a , t h ev a l i d i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h es p e e dd i f f e r e n c ec o n t r o ls t a n d a r d sa r ep r o v e d ；f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h e l i m i t a t i o n so ft h ed e s i g ns p e e di nh i g h w a yl i n e a rd e s i g n , t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h e h i g h w a yl i n e a rd e s i g nm e t h o do nt h eb a s i so fr t m n i n gs p e e d ，m e a n w h i l et h ep r o c e s so f m o d i f i c a t i o no fl i n e a rd e s i g ni sa d d e dt ot h ec u r r e n td e s i g nm e t h o d s ，a n dt h ea e r i a l r u n n i n gs p e e di st a k e na st h eb a s i sf o rt h ei n d i c a t o rv a l u e st oe n s u r et h ec o n t i n u i t ya n d b a l a n c eo fl i n e a rd e s i g n k e yw o e d s ：t w o - l a n eh i g h w a y ；o p e r a t i n gs p e e d ；a l i g n m e n td e s i g nm e t h o d ； c o n t i n u i t y ；b a l a n c e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名；日期：年月日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不 限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权 利。 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期： 年月日日期：年 月 日 0 0 0 0 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名： 日期：年月日 指导教师签名： 日期：年月日 第一章绪论 1 1 线形设计重要性 第一章绪论弟一早三百下匕 公路运输在整个国民经济中一直发挥着重要的作用。近年来，随着我国改革 开放的逐步深入，社会经济持续快速增长。城市与城市、地区与地区之间的经济 交往同益频繁，城乡居民出行大幅度增加，客货流动量急剧上升，其中很大部分 要通过公路实现快速、高效、安全的“点点”运输。但是，我国原有公路里 程较少、等级偏低，已无法满足交通量迅速增长的需要，并已日渐成为制约整个 ，国民经济快速发展的“瓶颈”。为解决这一矛盾，交通部于八十年代末丌始了全 国范围的大规模公路建设，截至目前我国的公路网骨架已逐步形成和完善。然而， 随着公路通车罩程的逐年增长，我国公路交通事故也呈现出逐年上升的趋势，交 通安全形势异常严峻。 在“人一车一路一坏境”组成的动态交通系统中，“人”是中心，“路”是基础， “车”是纽带，三者在交通系统中的作用都很重要，但是在对交通事故的分析中 人们经常将事故归咎于“人为造成”。事实上，除部分事故纯粹是由于驾驶员粗 心驾驶等主观原因引起的以外，有相当一部分事故是人为操作不当与困难的行驶 条件共同引起的，而困难的行驶条件则与公路路线形设计有密切的关系。因此， 作为交通事故发生的主要影响因素之一，公路线形对交通安全的影响不可忽视。 公路线形作为公路工程的骨架，它不仅决定了公路的走向和具体位置，还对 公路运营阶段的使用质量有重要影响，即行驶的安全性、舒适性和经济性。因此， 公路线形设计时应综合考虑汽车行驶的安全性、舒适性，以及与周围环境的和谐。 根据公路等级及功能，正确运用技术指标保持线形连续、均衡，使公路线形平、 纵、横三方面协调，确保行驶安全、舒适，以提高公路线形设计质量和建设水平。 1 2 课题研究的背景及意义 目前我国公路线形设计采用设计速度作为线形设计的主要控制因素。设计速 度是指气候正常，交通密度小，汽车运行只受公路本身线形要素、路面附属设施 等条件件影响时，具有中等驾驶技术的驾驶员能保持安全行驶的最大速度。如果 只从线形要素考虑，也就是一条公路受限路段所能安全行驶的最大速度。作为设 计参数，它规定了最低设计标准，是一个定值。一条公路的设计速度确定以后， 第一章绪论 与此相关的公路线形设计指标也随之确定。设计中只要一条公路所采用的最小指 标大于其设计速度对应的最小指标，则认为该公路的线形设计符合技术标准规定。 采用设计速度作为设计控制参数，实际上是规定了公路线形设计最低限度应采用 的指标。 一条公路的受限路段一般很少，而大多数为非受限路段，其线形指标高于受 限路段，可以容许汽车以高于设计速度的车速行驶。从设计控制的角度看，在这 些非受限路段，公路的平、纵、横以及其他相关指标就没有依据确定。我国技术 标准规定路线设计的基本要求是根据公路的等级及其使用任务和功能，合理的利 用地形，j 下确的使用技术标准，保证线形设计的连续性，安全性和均衡性，在条件 许可时尽量采用较高的技术指标。从原则上讲，这种要求是非常必要的，但在具 体设计中设计人员是难以把握的。比如与设计速度有关的平曲线半径，缓和曲线 长度，超高值，视距，竖曲线半径等指标的取值，在非受限路段无依据确定，导 致各技术指标取值不合理、相互组合不协调、高低指标之间无过渡等问题，很难 实现公路线形的连续性和均衡性。尽管公路线形设计指标均满足现行技术标准， 但部分路段事故率仍然居高不下，这种现象在我国各级公路上都不同程度地存在。 显然以设计速度作为公路线形设计的依据具有其不足的一面。 近年来美国等其他一些国家发现基于运行速度的设计方法更能够保证道路线 形的连续性，并在高等级公路线形设计中得到应用。其核心是以运行速度作为线 形设计的基本依据，在初始平面线形和纵坡设计的基础上，通过“运行速度预测模 型推算各路段运行速度，并以“设计控制原则 为标准检验和修证平纵线形设计， 然后根据路段线形和运行车速最终确定曲线超高、缓和曲线、竖曲线等设计指标。 相对于基于设计速度的线形设计方法，这种设计方法具有两点明显的相对优势。 一是该方法根据实际车速确定设计指标，使设计要素值能够满足车辆安全行驶的 要求，同时解决了设计要素之间的相容性问题：二是通过采用“设计控制原则”，保 证了在一个设计区段内行车速度的连续性和一致性。因此，运行车速设计法是从车 辆行驶要求和驾驶人行为特性的实际出发，以运行速度作为线形指标取值的基本 依据，能够充分保证公路线形与车辆实际行驶速度的协调，从线形设计的角度提 高公路的安全水平。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 从2 0 世纪3 0 年代美国提出设计速度的概念至今，基于设计速度的路线设计方 第一章绪论 法已被广大设计人员所掌握。但是，经过多年来的设计实践发现，这种设计方法 本身存在一定的缺陷。由于设计速度对某一特定路段而言是一个固定值，用于规 定路段的最低设计标准。但在实际的驾驶过程中，驾驶员总是随着公路线形、车 辆动力性能以及驾驶员特性等各种条件的改变而采用不同的行车速度，只要条件 允许，驾驶员总是倾向于采用较高的速度行驶。而运行速度与设计速度的不一致， 常常是事故发生的隐患。随着公众对公路交通安全问题重视程度的不断提高，针 对设计速度法存在的主要问题，美国、德国、澳大利亚等发达国家对公路线形、 运行速度与安全的关系进行了广泛深入的研究，提出了以运行速度为基础的路线 设计方法。在初始线形设计的基础上，通过“运行速度预测模型”推算路段运行 速度，并以“设计控制原则”为标准检验和修正平纵线形设计，保证线形设计的连 续性与均衡性。其中运行速度预测模型与设计控制原则是运行速度设计法的基础， 各幽都进行了广泛深入的研究，取得了大量的研究成果。 美国学者l e i s c h 最早提出运行速度的概念，并用来评价公路平面和纵断面几 何线形一致性h5 | 。该方法认为单独使用设计速度作为公路线形设计的控制因素可 能会导致非期望的几何设计出现。为了实现车辆运行速度与设计速度的一致性， 他的研究成果建议一个优良的公路线形设计应满足如下条件： 一条路线的小客车平均速度变化不应超过1 6 k m h ； 连续路段中所采用的设计速度变化量不应超过1 6 k m h ； 一般路段上大货车的平均速度和小客车的平均速度相差不应超过1 6 k m h 。 美国学者l a m m 等人以3 2 2 个曲线路段的车速数据为依据，对k ，与平曲线的关系 进一步研究后，认为平曲线半径是影响运行速度的最显著参数。其测算模型为： 孓，_ 9 4 3 9 8 一百3 1 8 8 鱼 式中：k 。曲线上的8 5 位车速即运行速度( k m h ) ： 足平曲线半径( m ) 。 另外，l a m m 在对2 6 1 个双向双车道路段的平曲线要素与蚝，进行统计分析后，认 为具有相似平曲线线形要素特征路段上的运行速度具有相对的稳定性“1 。同时还 发现在转角、平曲线半径、车道宽度、路肩宽度、同平均交通量等因素中，平曲 线长度和半径对k ，的影响最大。相应的运行速度预测模型为： v 。- 9 5 7 8 0 0 7 6 c c r 式( 1 2 ) c c 尺= 去c 莩每+ 莩每， 式中：c c r 相似特征路段上每单位长度的角度变化之和； 厶路段总长度( m ) ； 第一章绪论 4 厶相似特征路段内圆曲线i 的长度( 1 1 1 ) ： 相邻缓和曲线j 的长度( m ) ； 足圆曲线i 的半径( m ) 。 根据运行速度k ，与c c r 的关系，并通过对交通事故的分析，l a m m 提出当 一2 0 k m h 时( 为设计速度k m h ) ，公路线形设计为极不连续的设计。 美国学者k r a m m e s 等人采集在自由流状态下，分布于纽约、俄勒冈、宾西法尼 亚、德克萨斯和华盛顿5 个州共1 3 8 个平曲线上车辆运行速度数据，推荐的模型为盯 ： k 5 = 1 0 2 4 5 - 1 5 7 d + 0 0 0 3 7 l - 0 1 i 式( 1 4 ) 式中：d 曲率； 三曲线长度( m ) ； 卜转角( 。) 。 1 9 8 8 年美国联邦公路局开始研究“交互式公路安全设计模型( i h s d m ) 9 9 0 该模 型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| 日j 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系统，帮助设计人员从公 路安全的角度评价设计方案n 玎羽。 如图1 1 所示，i h s d m 是将八个子模型都以可独立工作的c a d 软件包，集成在一 起构成的系统。当设计者用c a d 软件完成公路平、纵、横设计后，激活i h s d m 主系 统，选择一种设计车辆，调用车辆动态模型获得运行速度图和加速度图，并检查 路线设计方案，不符合安全审计规范的地点将被标注出来，用c a d 调整设计方案； 调用车速一致性模型检查线形要素及其组合，如果某些路段速度产生突变或速差 过大，再用c a d 调整设计方案。i h s d m 将公路安全评价和c a d 集成的思想，既保障了 设计线形的连续性与均衡性，又方便了设计方案的修改，代表了公路线形设计未 来的发展方向。 图1 1i h s d m 结构图 f i g 1 it h es y s t e mo fi h s d m 第一章绪论 澳大利亚是最早在公路线形设计中采用运行速度概念的国家扭3 ，通过对小半径 平曲线车辆运行速度的研究，认为平曲线半径是影响运行速度的关键因素。公式 1 5 为幕函数形式表达的运行速度测算模型。 圪s = a r 6 式( 1 5 ) 式中：k ，运行速度( k m h ) ： 足平曲线半径( m ) ； 口，b 模型参数。 希腊学者k a n e l a i d i s 等人对双车道公路平面线形与车速的关系进行了研究， 认为运行速度不仅是公路设计的一个基本要素，而且是实现平面线形设计一致性 的基本工具。通过5 8 个曲线段数据分析，得到回归模型为m 3 ： 圪5 _ 1 2 9 8 8 一等 式( 1 6 ) v 代 瑞士采用理论速度模型分析平面线形的一致性四3 。这种方法类似于美l e i s c h 方法，引入与运行速度相似的项目设计速度，根据速度的突变检查公路设计不一 致的位置。其中项目设计速度根据速度预测模型得到，而速度预测模型的主要参 数则是路线平纵面线形指标。如果项目设计速度超过传统的设计速度，则以项目 设计速度作为评价视距、超高和缓和曲线长度的依据。假定在同一平曲线一e 速度 不变的前提下，根据统计研究确定了项目设计速度的标准值，按不同平曲线半径 列表供查。在相邻平曲线上或平曲线与直线之f 8 】，项目设计速度的变化量一般不 超过2 0 k m h ( 1 2 m p h ) ，但对于设计速度更小( 小于4 5 m p h ) 的公路，其速度变化量 的临界值为l o k m h ( 6 m p h ) 。 德国定义的运行速度是干燥和潮湿路面状况下自由流状态小客车的8 5 位车 速。德国设计指南中采用了与美国和瑞士不同的车速预测方法驯，引入平面曲度 的概念，即路线平曲线任一时刻累计偏角的绝对值除以路线长度。用公式表示为： f 一i 口f l 式( 1 7 ) 一 式中：k 曲度( 。k m ) ； 口任一时刻曲线的偏角( o ) ； 三路线长度( k i n ) 。 经过研究，建立曲度、路面宽度b 与运行速度的关系如图1 2 所示。直接查图 即可得至0 运行速度。 第一市绪论 6 k m 1 l0 j ： 驶 速 叟 0 曲度 3 6 0 图1 2 曲度、路面宽度b 与运行速度关系 f i g 1 2t h er e l a t i o n s h i pa b o u tk 、ba n dv 8 5 德国设计指南中规定，任何给定路段的预测运行速度应不超过其设计速度 2 0 k m h ，要求一条连续路段上相邻线形单元之间的运行速度差允许最大限制值为 l o k m h ，以确保公路线形设计的一致性。如果特定路段不能达到这一限定要求， 平面线形设计必须进行调整。 1 3 2 国内研究现状 我国的交通运输业起步比发达国家要晚一些，随着我国道路交通安全形势的 日益严峻，以及运行速度概念在国外公路线形设计中的应用，国内不少学者也先 后开始了对公路运行速度的研究，并取得了大量的研究成果。 交通部规划研究院张剑飞和范振宇等学者给出了标准条件下高速公路直线路 段( 含大半径曲线) 小客车和大货车的运行速度值。建立了小半径曲线运行速度 与半径的关系模型，并根据外业调查数据标定了模型参数。同时对运行速度应用 于我国道路设计的设计方法进行了初步探讨们。 同济大学高建平与郭忠印通过对车辆运行特征的实地观察和运行速度的现场 观测，标定了车辆运行速度和加速度与公路线形之间的关系模型n 5 1 。 同济大学杜博英通过对运行速度进行回归分析，以运行速度和速度梯度为变 量，建立了高速公路事故预测模型6 。： i = v ( 3 8 4 1 e _ o 6 ) v 23 4 t - - ( 1 一) 式中：i 事故率； 第章绪论 v 车辆运行速度； 矿车辆平均运行速度。 同济大学梁夏对高速公路的各线形指标( 如平曲线半径、缓和曲线参数、曲 线转角、竖曲线半径等) 按大小区间进行分类，并采用数理统计的方法对各类指 标的事故率进行比较分析，获得了在一定的置信度下各类指标对道路安全的相对 差异，从而评价各线形要素对道路安全的影响n 7 1 。 同济大学孔令旗对高速公路几何线形与运行速度的关系进行研究，提出了基 于人工神经网络的高速公路运行速度预测模型，并在预测模型的基础上提出了运 行速度预测流程，建立了运行速度与道路安全性的评价模型口。 北京工业大学罗江涛、刘小明、任福f 同等学者在研究国内外道路交通安全评 价方法的基础上，运用灰色系统理论建立了道路交通安全灰色评价方法。 北京工业大学钟小明、荣建、郑柯、刘小明等学者以驾驶员信息采集处理模 型为基础，研究典型小客车、中型车等在高速公路多种路段的运行速度规律，并 建立了相关路段的自由流运行速度模型，参与并制定了高速公路运行速度设计 方法和标准。 长安大学杨少伟教授提出基于可能速度的道路线形设计方法，该设计方法中 采用可能速度差作为线形设计评价指标，并提出了各级公路利用可能速度进行公 路线形评价的评价标准。提出在初定路线平、纵面各技术指标基础上，根据汽车 动力性能和平、竖曲线的允许速度建立可能速度预测模型并以可能速度作为线形 设计的基本依据。假设一条公路横向、轴向及竖向加速度是连续的，分别建立各 自加速度模型和加速度指标模型，得到横向允许速度、轴向行驶速度和竖向允许 速度计数式。轴向行驶速度是汽车本身动力决定的，但又受横向和竖向允许速度 的限制，因此取三者之中最小值作为可能速度的预测值。 1 3 3 国内外研究评述 随着公众对公路交通安全问题重视程度的不断提高，针对设计速度法存在的 主要问题，美国等发达国家提出了以运行速度为基础的路线设计方法。在我国这 种设计理念和方法正逐渐被重视并在高等级公路设计中得到实际应用。运行速度 设计法中速度预测模型与设计控制原则是基础，速度预测结果是否准确，速度控 制标准是否合理都决定了线形设计的质量。 纵观以上国内外研究成果，国外的运行速度预测模型与评价标准大多是针对 小客车的运行速度来建立的，不能很好描述大中型卡车的运行速度特性。此外，国 外预测模型并没有考虑路段连接情况对运行速度的影响，因而其对于我国公路运 第一章绪论 行速度预测的实用性还不确定。我国公路项目安全性评价指南中推荐的预测 模型是考虑了不同的车型以及路段连接情况建立的两阶段回归模型，该预测模型 更符合我国车辆速度变化规律，但是其主要适用于高等级公路运行速度预测。对 于一般双车道公路，由于运行环境的差异较大，预测结果的准确性较差。此外， 通过在双车道公路安全性评价中的应用，笔者发现指南推荐的评价标准与事故的 吻合程度较低，不能很好的反映公路线形的安全状况。因此，本文将针对一般双 车道公路实际情况，建立适用于双车道公路的运行速度预测方法与速度控制标准 标准，并以此为基础提出基于运行速度的双车道公路线形设计方法。 1 4主要研究内容及创新点 1 4 1论文研究的主要内容 本文提出基于运行速度的公路线形设计方法的研究，是为寻求一种科学、合 理的线形设计方法，指导公路线形设计，作为平、纵、横以及超高、视距和沿线 设施等设计的依据。解决采用设计速度产生的技术指标耿值的盲目性和行车的安 全性问题，本文以双车道公路为主要研究对象，需要研究下列主要内容： 提出双车道公路运行速度预测方法，并根据实测数据进行检验； 提出双车道公路线形设计控制原则： 提出基于运行速度的双车道公路线形设计方法。 1 4 2 论文研究的创新点 本文的主要创新点主要有以下两个方面： 根据对双车道公路平直路段( 包括长下坡路段) 运行速度的研究，提出双 车道公路期望车速预测模型，方便新建双车道公路运行速度测算时期望车速的确 定。 通过分析公路线形设计要求与双车道公路运行速度变化情况，提出基于设 计速度分级的速差控制原则。 第二章运行速度设汁法的设计步骤与控制原则9 第二章运行速度设计法的设计思路与控制标准 公路线形设计是以汽车的行驶特性为主要依据的，一个连续的公路线形设计 应该既能够满足汽车运动轨迹特征、汽车动力学特性，还要符合驾驶员的视觉和 心理的要求。这样的线形设计有助于驾驶员减缓疲劳，使得紧张的神经得以放松， 保证行车安全。相对于设计速度法，基于运行速度的线形设计方法更能够保障设 计线形的连续性与均衡性，本章将重点探讨其设计思路与设计控制标准。 2 1 运行速度设计法设计思路与步骤 设计速度是指当气候条件良好、交通密度小，2 汽车运行只受公路本身条件影 响时，中等驾驶员能保持安全顺适行驶的最大行驶速度。它是公路设计时确定线 形指标的最关键参数，设计速度一经选定，公路的所有相关要素，如超高、视距、 纵坡大小、竖曲线半径等指标均与其配合以获得均衡设计。从2 0 世纪5 0 年代我国 开始引入设计速度的概念至今，基于设计速度的路线设计方法已被所有设计人员 所掌握。但是，经过多年来的实践发现，这种设计方法本身存在一定的缺陷。因 为设计速度对于特定路段而言是一个固定值，用于规定某一路段的最低设计标准， 但在实际的驾驶行为中，没有一个驾驶员自始至终地去恪守这一固定车速。实际 的行驶速度总是随着公路线形、车辆动力性能及驾驶员特性等各种条件的改变而 变化。只要条件允许，驾驶者总是倾向于采用较高的速度行驶。国内外观测数据 研究表明，当设计速度高时，运行速度低于设计速度；而当设计速度低时，运行 速度往往高于设计速度。运行速度和设计速度的不一致性，常常是事故发生的隐 患。针对设计速度法存在的主要问题，德国、法国等欧洲国家和美国、澳大利亚 等发达国家广泛运用了以运行速度概念为基础的路线设计方法。 运行速度是指当交通处于自由流状态，且天气良好时，在路段特征点上测定 的第8 5 个百分位上的车速。运行速度是美国、德国、澳大利亚等国家提出并进行 应用研究的，它是公路平、纵线形指标顺畅与否、安全与否的最终反映。国外通 过大量的实况速度调查表明，将运行速度作为公路连续性评价的依掘，并且采用吆 作为运行速度进行线形设计，能够满足各指标取值协调和线形设计均衡的基本要 求。 基于运行速度的设计方法的设计思路是以运行速度作为线形设计的基本依 据。在初始平面线形和纵坡设计的基础上，通过“运行速度测算模型”推算各路段 运行速度，并以“设计控制原则”为标准检验和修正平纵线形设计，然后根据路段 第一二章运行速度设计法的设计步骤与控制原则 1 0 线形和运行车速最终确定曲线超高、缓和曲线、竖曲线等设计指标。这种设计方 法相对于设计速度法具有以下几点明显的优势n 3 1 ： 避免了设计速度作为一个固定值并用来进行公路线形设计的盲目性和不具 体性； 运行速度根据平纵面线形指标预测得到，依据运行速度确定的线形设计要素 满足了车辆的行驶要求，解决了设计要素间的相容问题； 考虑了影响实际行驶车速的各种因素，如道路本身条件、驾驶员、汽车、路 侧自然景观和环境等因素； 通过速度变化控制原则，保证各路段速度的一致性，不会出现速度突变点， 从而保证公路线形是连续的。 基于运行速度的公路线形设计法主要有以下几个步骤，如图2 2 所示。 线形初步设计 根据公路等级与地形等条件，按公路技术标准要求初步设计出与地形相适应 且经济合理的路线平、纵、横技术指标，作为运行速度预测与线形设计修改的基 础。 运行速度的预测 根据初步设计的路线平、纵、横技术指标，按照运行速度预测方法预测路线 双向运行速度并绘制运行速度分布图。 线形设计修改 根据运行速度预测结果，修改存在问题路段线形指标，以保证公路线形的连 续性与协调性，同时兼顾公路建设的经济性要求。 重新标定运行速度 根据修改后线形指标，重新计算公路沿线运行速度，并作为其他设计指标确 定的依据。 线形设计检查 根据标准、规范检查线形设计结果，并最终确定路线技术指标。 与现行公路线形设计步骤相比( 图2 1 ) ，基于运行速度的公路线形设计方法 的设计步骤是在现行设计步骤基础上增加了运行速度预测、标定以及线形设计修 改的过程，保证了线形设计同时满足规范、线形连续性与均衡性要求。虽然线形 设计工作量与工程建设费用，相对于设计速度法可能会有一定程度的增加，但能 够从线形设计的角度提高公路行车的安全性与舒适性。 第二章运行速度设汁法的设汁步骤j 拧制原则1 l 该雨董厦丽蔡硐 一。1一一+一。一 图2 1 现行公路线形设计步骤 f i 9 2 1t h ee x i s t i n gh i g h w a ya l i g n m e n t s t e p s 2 2 运行速度设计法设计控制指标 2 2 1 公路线形设计要求 运行速度预测 专 线形设计修改 占 运行速度标定 。 占 线形设计检杏 由 图2 2 基于运行速度的线形设计步骤 f i 9 2 2b a s e do nt h es p e e do ft h el i n e a rd e s i g n d e s i g ns t e p s 一条设计优良的公路，应该是连续不断地展现在驾驶员的眼f ； ，能够自然地 引导驾驶员的视线，满足驾驶员的心理和生理要求，减少驾驶员的无谓操作、疲 劳和紧张心理，增加驾驶员和乘客的安全感和舒适感。连续性对于公路设计是非 常重要的，而且是最根本的要求。连续性设计是指公路几何条件既不违背驾驶员 的期望，也不违背驾驶员安全地操作和驾驶汽车的能力，即连续的公路设计能确 保驾驶员沿着路线以他所期望的速度行驶。 公路线形设计要给驾驶员足够的反应和判断的时间和空间，使驾驶员对前方 路况有个明确的了解，获取必要的信息，采用期望的速度连续的行驶。例如，在 大半径圆曲线和小半径圆曲线之间插入足够长的缓和曲线，长直线与小半径平曲 线之间应插入中等半径平曲线进行连续性过渡，使驾驶员能够很容易地判断线形 正在逐步的变差，以便采取换档、减速等相应的措施，可以确保驾驶员能从容而 安全地驾驶车辆行驶，而不至于因为线形指标的突然变化，增加驾驶员的恐慌心 理异致驾驶员手忙脚乱，甚至发生交通事故。公路线形的不连续主要有以下特征。 第一二审运行速度设计法的设计步骤b 控制原则 1 2 连续公路上线形指标有着很大的增大或者减小 在连续的公路e ，线形指标有过大的增加，汽车行驶速度必然也增加，容易 在指标增大路段的末端形成过大的速差，危及到行车的安全。相反，在连续的公 路上线形指标有过大的减小，汽车行驶速度也随之下降，在指标减小路段的起始 处容易产生过大的速差，同样对安全行车不利。 某些路段线形指标有着很大的变化率 比如较长直线紧接长度较短缓和曲线、半径相差较大的同向或反向圆曲线之 间未设缓和曲线或缓和曲线很短。这些平面线形组合产生曲率突变，属线形不连 续，最终反映的是行驶速度在很短的距离内突变。 在平均指标和单个指标之间有着很大的差别 平均技术指标和单个指标间相差过大，也就是线形的突变，单个技术指标高 出平均值很多时，汽车将加速行驶，在单个技术指标的末端出现过大的速差，相 反，单个指标低于平均值很多时，在单个指标的首端形成过大速差，过大的速差 对安全行车极为不利。 公路线形设计的不连续最终是通过驾驶员驾驶汽车和乘客的感受表现出来， 是由线形指标的变化引起的，而线形指标的大小直接决定运行速度的大小。线形 指标的变化是否符合驾驶员的期望，汽车的行驶速度是否符合安全行车的要求， 决定了公路线形的连续性，最终由运行速度的大小和变化直接描述。因此，运行 速度的连续与否，直接反映了公路线形的连续性，决定了公路线形设计质量的优 劣、汽车行驶的安全性和乘客感觉的舒适性。 2 2 2 线形设计控制指标 线形设计评价标准至关重要，用不同的评价标准评价同一条公路的线形设计， 也许会得出截然相反的结论。国外对线形的评价研究较多，取得了大量的研究成 果，我国在分析和跟踪欧美等国家道路安全评价成果的基础上，结合我国国情对 交通事故与公路线形指标、交通事故与运行速度、公路线形指标与运行速度等关 系也进行了深入研究，并提出了相应的评价指标与评价标准，其中应用最为广泛 的是基于运行速度差的评价方法，采用的速差量与评价标准主要有以下两种。我 国公路项目安全性评价指南中，对线形连续性和均衡性的评价采用的也是这 两项指标。 采用第一种速差量，通过相邻线形单元运行速度的比较，可以表现运行速度 的变化情况。按行车顺适要求，相邻线形单元间运行速度的变化应小而缓，即运 行速度应是连续的。运行速度连续，说明路线平面、纵断面线形或平纵组合线形 第二章运 ，速度设汁法的改汁步骤j 拎制原则1 3 良好、得当，公路线形设计质量是好的，驾驶员驾驶汽车从容，满足汽车顺适行 驶的要求。从行车安全考虑，相邻线形单元l 日j 运行速度的变化不过大、不过急， 即运行速度不产生突变，此时认为运行速度是连续的，线形设计成果是比较好的， 汽车行驶是安全的；但运行速度的变化过大、过急，从而产生突变，汽车行驶就 不安全，容易发生交通事故，说明公路线形设计质量不好，应该进行修改。因此， 采用相邻线形单元间运行速度变化量完全可以评价线形设计的质量和汽车行驶的 安全性。 采用第二种速差量，通过与设计速度的比较，可以表现运行速度相对于设计速度 的变化幅度。从汽车行驶的平稳性考虑，运行速度相对于设计速度升高或降低量 不应过大。升高量过大即超速过多，遇到满足设计速度的小半径平曲线或平面交 叉l 或行人过路等情况，可能发生减速不及而造成的交通事故。相反，降低就是 受限，由于上坡行驶中纵坡过大、过长，使运行速度f 降并可能低于设计速度， 降低量过大就会形成压车行驶，使快车受阻，超车的机率大大增加，而对该路段 反向下坡行驶的汽车又会形成超速行驶， 超速的行驶状况，对安全行车极为不利， 量也不能过大。 这种同一路段上坡车辆超车、下坡车辆 应该控制运行速度低于设计速度的速差 表2 1 基于车速差的线形设计评价标准 t a b 2 1l i n e a rd e s i g ne v a l u a t i o nc r i t e r i ab a s e do nt h es p e e do ft h em a r g i n 线形发计质量 圪5 7 一5 ( k m ，h 一5 一圪砌h 。1 好1 01 0 由 1 0 2 01 0 - 2 0 差2 02 0 2 2 3 设计控制指标的选择 为了保障公路线形的连续性，采用相邻线形单元i 日j 运行速度变化量作为设计 控制指标是可行的，这是一种相对比较，完全可以参照国内外的评价标准建立适 应我国公路实际情况的线形设计控制标准。但是对于公路线形设计的均衡性，本 文认为，采用圪。一“， 2 0 k m h 的规定作为控制指标在我国应用中还有一些困难， 而且也不现实。我国地域辽阔，公路绵延千旱，所经地形变化万千，除了单纯的 平原地形外，条公路可能会遇到几种地形分类，各种地形条件下可以选用不同 的技术指标，允许的行驶速度变化较大：我国标准规定，一条公路可根据交通量等 情况分段采用不同的公路等级，同一等级公路可根据地形条件选用不同的设计速 第一二章运行运度设计法的设计步骤与控制原则 1 4 度，按不同设计速度设计的各路段长度不宜过短，高速公路不宜小于1 5 k m ，一级、 二级公路不宜小于l o k m ，在规定长度内地形不可能一成不变，有些段落只能采用 较低指标，而有些段落可采用较高指标，导致行车速度变化范围较大。比如平原 地区的双车道公路，平纵线形受地形限制较少，运行速度较高，多数会超过设计 速度在2 0 k m h 以上。然而山区双车道公路某些路段平纵线形受地形限制较大，运 行速度较低但某些路段所经地形为数公罩的平缓地形，线形指标较高，甚至可 以全采用直线，且纵坡平缓，运行速度很高，载重车也有可能采用8 0 k m h 左右的 速度行驶。显然，这些情况下强制限定运行速度与设计速度之差不超过2 0 k m h 是 较为团难的，也是不符合实际的。 如果地形条件允许，设计中应该采用较高的平、纵技术指标，允许车辆以较 高速度行驶。高指标的线形设计是符合标准设计要求的，问题的关键是其两端与 低指标之i 日j 的过渡设计，若高低指标之间过渡得当，能获得连续的线形，汽车行 驶是安全的。相反，若没有过渡或过渡不好，就会形成过大的速差，导致不连续 的设计，可能发生交通事故。 根据以上分析，连续的线形设计是最根本的要求，公路设计必须设法保证线 形的连续，只要线形设计是连续的，就能保证从路线设计角度不会引发交通事故， 线形设计的不均衡问题仍然是线形的连续性问题。因此本文将均衡性问题归于连 续性问题解决，采用相邻线形单元间运行速差作为线形设计控制指标，不强制限 定运行速度与设计速度差值，但在曲线路段需检验车辆高速行驶时的横向稳定性。 2 3