永蓝高速公路爬坡车道设计.docx

文章编号 : 10082844X ( 2008 ) 0220026205永蓝高速公路爬坡车道设计吴长安(湖南永蓝高速公路有限公司 , 湖南 永州425000 )摘要 : 结合永蓝高速公路工程爬坡车道的具体设计 ,分析了永蓝高速公路的基本路段及特定纵坡路段 ,当通行能力 、运行安全 、服务水平等受到影响时 ,应设置爬坡车道的条件 ,阐 述了爬坡车道的设计方案 。关键词 : 爬坡车道 ; 特定纵坡 ; 交通量 ; 运行速度 ; 通行能力中图分类号 : U 412. 36文献标识码 : B在公路纵坡较大的路段上 ,载重车爬坡时需克服较大的坡度阻力 ,使输出功率与车重之比值降低 , 车速下降 ,大型车与小汽车的速差变大 ,超车频率增 加 ,当载重车的混合率大时 ,必将降低小型车的行驶 自由度 ,影响上坡路段的通行能力 ,在双车道高速公路上表现尤为突出 ,使高速公路服务水平降低 ,这时 应设置爬坡车道 。设爬坡车道后 ,将易受坡度影响 的低速车分流于爬坡车道上行驶 ,这样既增加路段 的通行能力 ,发挥经济效益 ,又避免了强行超车 ,保 证了运行安全 。湖南永州至蓝山 (湘粤界 ) 高速公路位于湖南省南部 , 全长 145. 146 km , 是二连浩特至广州国家 高速公路湖南境内的一段 ,是湖南省“五纵七横 ”高 速公路主骨架的重要组成部分 ,本项目的建设同时 将泉 (州 )南 (宁 )和厦 (门 )成 (都 ) 2 条国家高速公 路连接起来 ,有效地促进省级高速公路网的衔接 ,形成湖南省以及内地省份通往珠江三角洲地区的南北 大通道 。本文以永蓝高速公路为例 ,阐述了高速公 路爬坡车道的分析设计过程 。表 1 上坡方向容许最低速度( km h - 1 ) 上坡路段的设计通行能力小于设计小时交通量时 ,宜设置爬坡车道 。 经设置爬坡车道与改善主线纵坡不设爬坡 车道技术经济比较论证 ,设置爬坡车道的效益费用比 、行车安全性较优时 ,宜设置爬坡车道 。2 ) 我 国公 路 工 程 技 术 标 准 ( JTG B 01 -2003 )规定 :高速公路 、一级公路以及二级公路的连 续上坡路段 ,当通行能力 、运行安全等受到影响时 ,应设置爬坡车道 。在实际运用中 ,要考虑路段内大 型车的爬坡性能和混入率对通行能力的影响 ,并分 析工程投资与运营费用的综合效益 ,以确定是否设 置爬坡车道 。1. 2 特定纵坡路段交通部公路科学研究所 2006年完成的公路通 行能力手册 有关规定 , 所谓特定纵坡路段是指单一的坡度 坡长 ,或者几个上 (或下 ) 坡段组合的等 效坡度 坡长的路段 。由于特定纵坡上坡路段大 ,中型车的车辆换算系数较大 ,导致当量交通量增大 ,使该路段成为基本路段上运行质量较差甚至最差的 部分 。另外 ,当特定上坡路段的设计小时交通量超 过其同向车行道的设计通行能力时 ,还需要设置爬 坡车道 。因此 ,需要对特定纵坡上坡路段进行特别1 爬坡车道的设置条件1. 1 基本路段1 ) 我 国公 路 路 线 设 计 规 范 ( JTG D 20 -2006 )规定 :四车道高速公路 、四车道一级公路以及 二级公路连续上坡路段 , 符合下列情况之一的 ,宜 在上坡方向行车道右侧设置爬坡车道 。 沿连续上坡方向载重汽车的运行速度降低 到表 1的容许最低速度以下时 ,宜设置爬坡车道 。收稿日期 : 2008204212作者简介 : 吴长安 ( 19712) ,男 ,工程师 ,主要从事公路工程建设 。设计速度容许最低速度设计速度容许最低速度120 60100 5580 5060 4040 252期吴长安 :永蓝高速公路爬坡车道设计27分析 。表 2车型比例预测值绝对数 %2 交通组成及交通量2. 1 交通组成根据公路工程技术标准 交通量换算采用小 客车为标准车型 ,各汽车代表车型和车辆折算系数 :小客车取 1. 0; 中型车取 1. 5; 大型车取 2. 0; 拖挂车取 3. 0。 根据永 蓝 高 速 公 路 项 目工 程 可 行 性 研 究 报告 的区域发生集中交通量预测表 ,各车型及其在交通组成中所占比例见表 2。2. 2 设计交通量的预测永蓝项目工程可行性研究报告 通过对区域 公路网交通情况的 OD 调查与分析 , 采用“四阶 段 法 ”进行预测 ,设计交通量按 20 a预测 ,各个特征年总交通量预测值 (AAD T )见表 3。从而 可 计 算 出 相 应 的 单 向 设 计 小 时 交 通 量车型分类2011 年2015 年2020 年2025 年2030 年小客车中型车 大型车 拖挂车30. 6112. 0852. 374. 9431. 3414. 2349. 454. 9832. 0116. 3746. 724. 9035. 7016. 3143. 154. 8438. 0117. 1340. 034. 83表 3 各个特征年总交通量预测值 ( AAD T )( vehd - 1 ) AAD T 2011 年2015 年2020 年2025 年2030 年8 76011 36615 00718 51422 128(DD HV ) :DD HV = AAD T K D式中 : K为设计小时交通量系数 , 取 0. 125; D 为方 向不均匀系 数 , % , 取 50 % 。并 将 DD HV / ( veh h - 1 ) 根 据 交 通 组 成 比 例 换 算 成h - 1 ) ,计算结果见表 4。DD HV / ( p cu 表 4单向设计小时交通量 ( D D HV )2011 年2015 年2020 年2025 年2030 年DDHV /( vehh - 1 )DD HV /( p cuh - 1 )DDHV /( vehh - 1 )DDHV /( p cuh - 1 )DDHV /( vehh - 1 )DDHV /( p cuh - 1 )DD HV /( vehh - 1 )DDHV /( p cuh - 1 )DDHV /( vehh - 1 )DDHV /( p cuh - 1 )5489227101 1829381 5451 1571 8631 3832 216永蓝高速公路的设计速度为 100 km / h,双向 4车道设计 ,车道宽度 3. 75 m ,左侧路缘带宽度 0. 75 m , 右 侧 路 肩 2. 50 m , 查 表 得 VW = 0. 0、VN =- 8. 0, 可 计 算 实 际 条 件 下 的 设 计 速 度 : VR =92 km / h。根据实际条件下的设计速度 VR , 通常取二级服 务水平对应的最大服务交通量 M S F 为设计通行能力 , 得到设计条件所提供的最大服务交通量 : M S F3 爬坡车道的设置3. 1 基本路段根据项目工程可行性研究报告 ,设计速度拟 采用 100 km / h,按双向四车道高速公路技术标准建设 。参照公路工程技术标准 ( J TG B 01 2003 ) ,高速公路应按二级服务水平设计 。3. 1. 1 基本通行能力和设计通行能力 依据公路工程技术标准 ( J TG B 01 2003 ) 及国内有关设计速度对通行能力的影响分析 ,永蓝高速公路每条车道的基本通行能力取值 2 100 p cu h - 1 ln - 1 , 设 计 通 行 能 力 取 值 1 400 p cu h - 1 ln - 1 。3. 1. 2 基本路段的设计通行能力 高速公路路段的通行能力受车道数 、车道和路侧宽度的影响 。高速公路路段的设计通行能力 ,应根据实际行驶速度对设计通行能力值进行修正 。VR = VD +VW +VN式中 : VR 为二级服务水平 , 高速公路路段的实际行 驶速度 , km / h; VD 为设计速度 , km / h;VW 为车道宽 度和路侧宽度对设计速度的修正值 , km / h;VN 为 车道数对设计速度的修正值 , km / h。- 1- 1= 1 320 p cuh ln 。则单向设计通行能力为 M S FD = N M S F = 2 - 11 320 = 2 640 p cuh 。因为 单 向 设 计 通 行 能 力 M S F = 2 640 p cu Dh - 1 大 于 2030 年 单 向 设 计 小 时 交 通 量 ( DD HV )2 216 p cuh - 1 ,所以 ,基本路段采用单向 2 车道可 行 ,不需设置爬坡车道 。3. 2 特定纵坡路段3. 2. 1 特定纵坡路段的分布在本项 目中 对 k14 + 740 k18 + 280 (右 侧 ) 、k57 + 280 k53 + 760 (左侧 ) 、k137 + 840 k140 +105 (右侧 ) 3 段连续上坡路段拟作为重点路段加以 分析 , 3 段纵坡数据见表 5。由于以上 3 段连续上坡路段是一系列连续的组 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 28湖 南 交通 科 技34卷不适用 ,必须采用等效坡度法 。等效坡度法是根据载重汽车在各种坡度上加减速行驶的运行曲线 ,求 算组合坡段的等效坡度 ,使货车在这个坡度上行驶 的终点车速与实际组合坡段的终点车速相同 。根据载 重 车 的 运 行 曲 线 图 (略 ) , 经 做 图 计 算k14 + 740 k18 + 280 段 等 效 坡 度 为 2. 8 %( 3 540 m ) ; k57 + 280 k53 + 760 段 等 效 坡 度 为4. 0 % ( 3 520 m ) ; k137 + 840k140 + 105段等效坡 度为 3. 5 % ( 2 155 m ) 。3. 2. 2 特定纵坡路段交通组成修正系数 fHV的确定在特定纵 坡 路 段 上 , 中 型 车 、大 型 车 (含 拖 挂 车 )的车辆换算系数 E i , 根据坡度 、坡长 、高速公路 车道数及交通量大小确定 , 可查表得 E i , 计算交通 组成修正系数 fHV , 计算结果见表 6。表 5 3段纵坡数据序号路段区间坡度 / %坡长 /m1234k14 + 740 k15 + 480k15 + 480 k16 + 860 k16 + 860 k17 + 660 k17 + 660 k18 + 2803. 2641. 7643. 8102. 6007401 380800620第 1 段5678910k57 + 280 k56 + 820k56 + 820 k56 + 100 k56 + 100 k55 + 600 k55 + 600 k54 + 900 k54 + 900 k54 + 400 k54 + 400 k53 + 7602. 5004. 0002. 5003. 9002. 7003. 800460720500700500640第 2 段111213k137 + 950 k138 + 680k138 + 680 k139 + 350 k139 + 950 k140 + 1053. 0002. 4503. 900730670755第 3 段fHV= 1 / 1 + P i ( E i - 1 ) 式中 : fHV为交 通 组 成 修 正 系 数 ; P i为 中 型 车 、大 型车 、拖挂车 ( i) 交通量占总交通量的百分比 ; E i为车型 i的车辆折算系数 。合坡段 ,美国道路通行能力手册认为对于坡度小于4 %或坡长短于 1 200 m 的坡段 ,平均坡度法较为适 用 。但对于陡于 4 %或较长的纵坡 , 平均坡度法就表 6对应坡度的交通组成修正系数 ( fHV )fHV路段2011 年2015 年2020 年2025 年2030 年k14 + 740 k18 + 280 段 2. 8 % ( 3 540 m )k57 + 280 k53 + 760 段 4. 0 % ( 3 520 m )k137 + 840 k140 + 105 段 3. 5 % ( 2 155 m )0. 3450. 3250. 3380. 3510. 3270. 3430. 3580. 3290. 3480. 3730. 3380. 3620. 3840. 3500. 372PH F15 (辆 / h) 。驾驶员 总 体 特 征 修 正 系 数 fp通 常 在 0. 95 1100之间 , 本项目按驾驶员多为职业驾驶员 , 且熟悉分析路段考虑 , 则 fp取 1100, 计算设计道路和设 计交 通 条 件 所 需 的 最 大 服 务 交 通 量 M S Fd = S F /3. 2. 3 爬坡车道路段的确定1 ) 计算特定上坡路段的设计通行能力是否满 足设计小时交通量的要求 ,计算所需车道数 N 。 计算设计条件所需的最大服务交通量 。 将预测的 单方 向 设 计 小 时 交 通 量 DD HV 通 过15 m in高峰小时 系 数 PH F15 折 算 成 为 15 m in 高 峰小时交通 量 S F, 取 PH F15 = 0. 925, 则 S F = DD HV /( fHVfp ) , 见表 7。 计算设计条件所提供的最大服务交通量 。表 7设计交通条件所需的最大服务交通量 M S F d( p cuh - 1 )M S F d路段2011 年2015 年2020 年2025 年2030 年k14 + 740 k18 + 280k57 + 280 k53 + 760 k137 + 840 k140 + 1051 7191 8241 7552 1882 3482 2392 8323 0822 9133 3513 6983 4533 8934 2714 018由前面 3. 1. 2 条计算已知 : 实际条件下的设计速度 : VR = 92 km / h; VR 所提供的二级服务水平对应的 最 大 服 务 交 通 量 : M S F = 1 320 p cu h - 1 ln - 1 。 根据计算得到纵坡路段所需的设计最大服务交通量 M S Fd 和设计条件下单车道所能提供的最大服务交通量 M S F, 按照 N = M S Fd /M S F 计算设计 特定纵坡路段所需车道数 N , 见表 8。从表 8可得 , 2011年 2015 年 3段上坡路段可不设爬坡车道 , 2020年 2030 年需设置爬坡车道 。 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期吴长安 :永蓝高速公路爬坡车道设计29表 8设计特定纵坡路段所需车道数 NN路段2011 年2015 年2020 年2025 年2030 年k14 + 740 k18 + 280k57 + 280 k53 + 760 k137 + 840 k140 + 1051. 301. 381. 331. 661. 781. 702. 152. 332. 212. 542. 802. 622. 953. 233. 042 ) 验证各坡段上大型车行驶速度是否降低到允许最低速度以下 。 针对本项目的交通组成及设计速度 ,容许最低速度取 55 km / h,取载重汽车 ( 8 kW /1 000 kg) 为标 准货车 。假定标准车辆以 80 km / h的计算行车速度进入以上 3段连续上坡的特定纵坡段 ,根据标准货车在 不同纵坡条件下的运行曲线图 (略 ) ,可得在各变坡 点处 (连续行驶情况下 )车辆行驶速度 ,见表 9。从 表9 看 出 , 载 重 汽 车 运 行 车 速 低 于 或 等 于55 km / h的路段有 5 处 ,第 1 段有 1 处 ,第 2 段有 3处 ,第 3段有 1 处 。货车与小汽车车速相差较大 , 一方面超车频率增加 ,车辆行驶不安全 ;另一方面小 汽车的行驶自由度下降 ,道路交通容量降低 ,为消除 以上现象 ,应设置爬坡车道 ,将大型车从主线交通流中分离出去 ,提高道路的通行能力 。3 ) 综合考虑本项目是国家高速公路网规划 ( 7918网 )中二连浩特至广州的一段 ,是内陆省份与 珠江三角洲经济区域相联系的 最便 捷 的南 北大 通 道 ,以上 3段特定连续上坡路段设计成双车道是无法满足交通要求 ,需设置爬坡车道 ,由于车道数不能 是小数 ,采用取整方 法 , 设 计的 车道 数 为单 向三 车 道 ,因而设计采用增设爬坡车道的简单 4 车道高速 公路设计 。进行设置爬坡车道后道路的通行能力分 析 ,计算饱和度 V / C 值 (见表 10 ) ,其中 V 为最大服( km h - 1 )表 9 各变坡点处车辆行驶速度k54 + 40057- 1- 1 )务交通量 M S Fd /N , ( p cuh ln; C 为基本通- 1- 1 )- 1行能力 , ( p cuhln,取 C = 2 100 p cuhln - 1 ) 。(表 10上坡段设置爬坡车道后的 V / C 值V / C路段2011 年2015 年2020 年2025 年2030 年k14 + 740 k18 + 280k57 + 280 k53 + 760 k137 + 840 k140 + 1050. 270. 290. 280. 350. 370. 360. 450. 490. 460. 530. 590. 550. 620. 680. 64高速公路设计车速 100 km / h,二级服务水平的V / C = 0. 67, 一级服务水平 V / C = 0. 33, 从表 10 中 得 : 只有 k57 + 280 k53 + 760 段设计 2030 年 V / C= 0. 68 0. 67, 设置爬坡车道后 , 3 处上坡路段的服 务水平处均处于一级和二级上限水平 。3. 2. 4 爬坡车道路段的设计第 1段 k14 + 740 k18 + 280 特定连续上坡段 终点接白泥坳隧道 (长度 860 m ,桩号 k18 + 210 )进 口 ,爬坡车道终点设计应考虑隧道横断面的影响 。 第 3段 k137 + 840 k140 + 105 特定连续上坡段起 点 接 小 牛 塘 隧 道 (长 度 574 m , 桩 号 k137 +833 )出口 ,终点接九嶷山特长隧道 (长度 6 385 m ,桩号 k140 + 757 )进口 , k137 + 833 k140 + 757段总 长 2 924 m , 其中高架桥长度为 1 806 m (占总长的62 % ) ,虽然桥梁所占长度比例较大 ,设置爬坡车道 的工程造价比较高 ,增加了一定的设计难度 ,但该项目为国家高速公路的南北大通道 ,为保证该段良好 通行能力和服务水平 ,分析工程投资与运营费用的 综合效益 ,确定在 k137 + 844k140 + 650 右侧设置 爬坡车道 。根据公路路线设计规范 ( J TG D 20 - 2006 )规定 , k14 + 740k18 + 050段和 k53 + 510 k56 + 430 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 段号 变坡点桩号行驶速度段号 变坡点桩号 行驶速度k14 + 740 80 k15 + 480 68一k16 + 860 71k17 + 660 52 k18 + 280 56k57 + 280 80 二k56 + 820 72 k56 + 100 52k55 + 600 60k54 + 900 49二k53 + 760 50 k137 + 950 80k138 + 680 68三k139 + 950 62k140 + 105 4730湖 南 交通 科 技34卷段分别在 k15 + 800、k17 + 250、k53 + 900、k55 + 900等 4 处设置紧急停车带 , k137 + 833 k140 + 757 段 由于高架桥长度占总长的 62 % ,设置紧急停车带难 度较大 ,故不考虑设置 。爬坡车道的终点 ,应设于载重汽车爬经陡坡路段后恢复至“容许最低速度 ”处 ,或陡坡路段后延伸 的附加长度的端部 。第 1、第 2、第 3 段连续上坡路段后的延伸附加长度分别取 350、250、250 m , 爬坡车道分流 、汇流渐变段长度分别取 100 m 和 150 m。 爬坡车道宽度采用 3. 5 m ,爬坡车道不设硬路肩 ,加 设爬坡车道后的路基 (含桥梁 ) 宽度 ( 27. 0 m ) 比正 常路基 (含桥梁 )宽度 ( 26. 0 m )增加 1. 0 m。永蓝高速公路最终设置爬坡车道共 3 段 ,具体 情况见表 11。表 11 爬坡车道设置一览表第 1 渐变段桩号爬坡车道第 2 渐变段桩号路段桩号位置长度 /m起点终点起点终点起点终点k14 + 740 k18 + 160k53 + 510 k56 + 430 k137 + 844 k140 + 650右侧左侧 右侧3 4202 9202 806k14 + 740 k53 + 510k137 + 844k14 + 840 k53 + 660k137 + 964k14 + 840 k53 + 660k137 + 964k18 + 010 k56 + 330k140 + 500k18 + 010 k56 + 330k140 + 500k18 + 160 k56 + 430k140 + 6503. 2. 5 爬坡车道路面的设计永蓝高速公路主线路面采用沥青混凝土路面 , 由于沥青材料的高温稳定性及耐久性较差 ,沥青混 凝土级配及施工工艺不尽合理 ,重载和超载车辆的通行 ,沥青混凝土路面产生车辙现象非常严重 ,特别 在陡坡上坡路段载重货车行驶速度低 ,根据沥青材 料的温度时间换算法则 ,长时间承受荷载与高温条 件是等效的 ,而且时间是累计的 ,用于上坡路段的沥 青混凝土需要有较大的抗车辙能力 。所以本项目的爬坡车道路面与主线路面采用差异设计 ,爬坡车道 采用水泥混凝土路面 。本项目设计的 3段爬坡车道 ,其中 k14 + 740 k18 + 160 段 (右幅 )和 k53 + 510 k56 + 430 段 (左 幅 )设计为水泥混凝土路面 ,其结构组合 : 30 cm 水泥混凝土面板 +透水土工布 + 18 cm 多孔隙水泥稳 定碎石 (强度 6 M Pa ) + 1 cm SB S改性沥青同步碎 石封层 +透层 + 20 cm 4. 5 %水泥稳定碎石底基层+ 15 cm 碎石垫层 。另 k137 + 844 k140 + 650 段 (右幅 )由于高架 桥长度占 62