基于運行速度的山區公路改擴建設計選線研究

曾 舜，張 恒

(招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067)

改擴建工程項目較新建項目有其特殊性。它主要針對已有道路進行升級改造，其沿線格局已基本形成，如路側兩邊的建筑物、路線的走向、老路路基寬度、主要構造物等[1-2]。因此，改擴建項目的重點是如何在已有老路的基礎上設計出一條既滿足設計標準，又適應現有沿線居民區及重要構造物等的路線[3-4]。

本文在運行速度預測及評價基本流程與模型的基礎上，針對改擴建過程中經常遇到的特殊路段進行路線方案的研究，并根據特殊路段路線方案研究結果，利用安全評價模型，驗證路線設計的安全性和合理性。

1 運行速度預測及評價

1.1 運行速度的預測步驟

1) 劃分典型路段：典型路段是指彎坡組合、平曲線、縱坡、直線，劃分標準如下：

直線段：R∈[1 000,+∞]，I∈(-3%，3%)；

縱坡段：R∈[1 000,+∞]∪I≤-3%；

平曲線段：R∈1 000∪I∈(-3%，3%)；

彎坡組合段：R<1 000∪I≤-3%,R<1 000∪I>3%。

以各個基本路段的起、終點，以及平曲線和彎坡組合段的中間點，作為運行速度預測的特征點。

2) 根據劃分后的典型路段，結合國家與行業規范，建立起相對應的初始運行速度預測模型。

3) 結合研究路段的交通量、行車道、交叉口、平面視距等影響因素對初始運行速度進行修正，得到實際運行速度模型，本文主要針對小客車進行研究[5-6]。

1.2 直線運行速度預測模型

1) 初始運行速度

初始運行速度v0和期望速度vg均采用JTG B 05—2015《公路項目安全性評價規范》中的推薦值[7-8]，如表1、表2所示。

表1 初始運行速度推薦值 km/h

表2 期望速度推薦值 km/h

2) 直線段上的汽車行駛特性

在直線段，車輛一般會加速行駛至期望速度后不再增大，隨后穩定在該速度行駛。

由此，推得直線段上運行速度模型為：

式中：vs為期望車速，m/s；v0為初速度，m/s；a0為加速度，m/s2；S為直線段長度，m。

1.3 縱坡段運行速度預測模型

在縱坡段，當上坡時，由于重力、摩擦力等綜合作用，車輛的運行速度會降低；當下坡時，車輛的運行速度會增加，但是駕駛員會刻意地控制速度保持在期望速度的范圍[9]。縱坡段運行速度預測模型按照表3的模型進行預測。

1.4 平曲線段運行速度預測模型分析與選取

平曲線路段的運行速度模型宜從曲中點分段，分別對曲中點和曲線出口的運行速度進行預測。曲中點和曲線出口的運行速度模型按照表4的模型進行預測[10]。

表3 縱坡的運行速度預測模型

表4 平曲線路段運行速度預測模型

1.5 彎坡組合路段運行速度預測模型

當汽車進入上坡曲線段時，會根據坡度的大小以及曲線半徑的大小進行減速。當汽車離開上坡曲線段時，若下一路段的平曲線半徑比較大，坡度比較小，則一般會適當地加速以彌補速度損失；反之，當前方路段的線形條件比較苛刻時，汽車往往會繼續減速以適應苛刻的線形[10]。彎坡組合路段運行速度預測模型可采用表5中的預測模型。

表5 彎坡組合路段運行速度預測模型

2 改擴建基本路段的劃分及路線設計

針對山區改擴建工程的特點，從改擴建路線設計的角度，對山區改擴建工程路線設計進行基本路段的劃分，針對不同基本路段的特點，分析討論改擴建路線設計時應采取的方法。

2.1 針對老路平縱指標較好路段

老路平縱指標較好路段是指老路平面、縱面指標較高，順直，不存在連續彎道等不良路段[11]。針對老路平縱指標較好路段，改擴建路線設計時相對簡單，基本沿老路布設，可分為以下2種路段。

2.1.1 老路兩側居民區密集

針對老路兩側居民密集區路段，改擴建路線設計時應盡量沿老路布設，且路線設計的中線、縱坡應與老路盡量擬合，不應大填大挖；針對老路寬度不滿足改擴建技術標準要求路段，路線設計時應盡量按照單側加寬[12]。一方面不改變沿線居民的出行習慣，另一方面可減少拆遷，控制項目投資。

如某省道K17+800～K18+220路段，老路路線平縱指標較好，縱坡為1.6%，且老路兩側居民建筑物密集，改擴建路線設計時平面、縱面盡量擬合老路，如圖1所示。

圖1 老路平縱指標較好路段路線設計示意

2.1.2 老路兩側無居民區

針對老路兩側無居民區且路線平縱指標較好路段，改擴建路線方案設計時應盡量采用單側加寬[8]，根據沿線實際情況選擇適宜加寬的一側。如某省道K19+640～K20+000路段，路線平縱指標較好，平面為直線，縱坡為0.9%，由于老路右側橫坡較陡，且老路右側存在平交路口，因此采用左側加寬，如圖2所示。

2.2 針對連續彎道路段

針對連續彎道路段改擴建路線設計，應根據現場具體的實際地形、地貌等情況，靈活選取技術標準[13]。對于現場地形條件比較好的路段，宜采用技術標準比較高的路線，截彎取直；對于老路現場地形比較復雜，沿線控制物較多的路段，不應把技術指標選取太高，而是應根據地形，合理進行路線設計，但要保證前后段的協調性，將路線標準的提高與構造物增加引起的造價進行權衡比較，將工程規?？刂圃诤侠淼姆秶鷥取?/p>

圖2 路線平縱指標較好路段路線設計示意

如某省道K1+400～K2+000路段，老路存在連續彎道，且彎道半徑較小，嚴重影響行車舒適性以及行車安全，路線設計時將標準提高，減少彎道數量，增加彎道半徑，截彎取直，如圖3所示。

圖3 老路連續彎道路段路線設計示意

2.3 臨河路段

山區一般山脈眾多，重巒疊峰，綿延縱橫，山高谷深。因此，路線很多都是沿溪線，一側是高山，一側是深谷，路線的修筑空間有限，同時限制了路基寬度，如圖4所示。在路線設計時，要在擋墻與挖方之間進行權衡，以期得到最優的路線方案以及最經濟的投資。

對于路側邊坡巖性較好路段，可以適當進行開挖，坡比放緩，適當增加防護，對路基進行拓寬；對于沿河一側，如若擋墻高度在15 m以下，且靠山一側邊坡巖性較差，不適宜開挖，應選擇浸水式擋墻，從沿河側對路基進行拓寬。所以，針對沿河路段，主要是高擋墻與挖方邊坡安全性的綜合比較，根據實際地形地貌條件，選擇適應的方案。

圖4 老路沿河路段

如某省道K14+000～K14+800段，路線右側為高山，左側為河流，由于路線右側高山巖性較好，適宜開挖，且左側河流側邊坡較陡，如若采用左側加寬，擋墻高度較高，圬工量較大，因此改擴建路線方案采用右側加寬，對山體進行適當開挖，如圖5所示。

圖5 老路臨河路段路線設計示意

2.4 老路縱坡較大路段

對于老路縱坡較大路段，一般可采取2種方式進行設計：一是對老路進行低填高挖，降低路線縱坡[14]；二是采用新線，提前將路線的標高進行抬高，以避免縱坡較大或回頭彎路段。

如某省道回頭彎路段，老路由于縱坡較大設置一處回頭彎，改擴建路線設計時為了避免設置回頭彎，提高路線指標，路線設計開始提前提高路線標高，避開了回頭彎路段，路線平面比較順直，縱坡也滿足規范要求，如圖6、圖7所示。

2.5 過城鎮路段

改擴建線路經過城鎮時，應綜合分析城鎮段老路的實際現狀。如果城鎮段老路兩側建筑物退讓距離較大，兩側的距離滿足改擴建路基寬度拓展，則改擴建路線應盡量沿老路布設，不改變沿線居民出行習慣；如果城鎮內部道路目前現狀道路已難以滿足交通需求，且城鎮具有遠期規劃，則建議改擴建路線方案應采用新線。一方面分流過境交通，減輕城鎮內部交通壓力，另一方面照顧城鎮遠期規劃，促進新片區的開發，堅持“近村而不進村”的原則，處理好城鎮段老路與改擴建線位搭接問題；一方面分流過境交通，另一方面又能方便沿線居民的出行，兼顧城鎮遠期發展[15]。

圖6 老路回頭彎路段

圖7 老路回頭彎路段路線設計示意

綜合考慮以上因素，對此城鎮路段改擴建線路采用新建方案，沿城鎮西北側半山腰通過，一方面分流過境交通，減輕城鎮內部交通壓力；另一方面照顧城鎮遠期規劃，促進新片區的開發。

3 基于運行速度的線形評價標準

我國交通部的《公路項目安全性評價指南》推薦采用前后2個典型基本路段的運行速度間的差值|Δv85|作為評價指標[8]，其標準如表6所示。

Lamm等[11-12]提出設計速度和運行速度差值作為評價設計線形的標準，如表7所示。

表6 線形協調性評價標準 km/h

表7 線形連續性評價標準 km/h

4 實例分析

本文選取的工程實例是貴州省遵義市鳳岡縣省道S304洋溪口至新民段改擴建工程，老路為三級公路，設計速度30 km/h，路基寬度6.5 m～7.5 m；改擴建的設計標準為二級公路，設計速度40 km/h，路基寬度10.0 m，路線全長38.030 km。根據工可階段的交通量預測結果，主線遠期交通量為7 043 pcu/d。本文針對全線進行評價，根據上述對改擴建路段的劃分，提取30個典型路段進行安全性評價分析，其中囊括了平縱指標較好路段、臨河路段、縱坡路段、城鎮路段等。

根據上文提出的運行速度模型，對省道S304洋溪口至新民段進行運行速度預測，得到預測結果如圖8所示。

圖8 運行速度預測值分布

根據本文提出的線形協調性和線形連續性評價標準，結合30個典型路段的運行速度預測值，對S304洋溪口至新民段改擴建工程進行安全性評價，并根據評價結論，針對性提出路線調整方案策略。

分析表6可知，對本項目的改擴建，由三級公路提級改造為二級公路的30個典型路段中，其中有19個路段的線形不需要調整，6個路段需要調整路線縱坡坡度，5個路段需要調整平面半徑。根據表6的調整方案對路線進行調整，使路線設計更安全、經濟、舒適。

表8 S304洋溪口至新民段線形評價及調整方案

5 結束語

1) 基于運行速度的選線評價模型適用于老路改擴建路線設計，尤其是山區低等級公路改造。

2) 本文模型在鳳岡縣省道S304洋溪口至新民段改擴建工程應用中，針對30個典型路段分別給出了評價結果及相應的改善措施，有效地指導了路線設計，使之更安全、經濟、舒適。

3) 本文提出的基于運行速度的選線評價模型需要在路線設計中提出典型的路段，容易出現選擇不具代表性的問題，后期應對模型進行改進，使典型路段的挑選更具科學性。