高速公路平縱組合路段設計關鍵技術研究

陳永凱

摘要 平縱組合線形是控制高速公路設計質量的主要因素，是確保車輛行駛安全、平穩、舒適的基礎。鑒于此，文章首先分析了高速公路平縱組合線形的基本形式和設計原則，隨后分析了路拱橫坡、超高過渡段、縱斷等路面排水能力的影響，并得到了不同豎曲線半徑下高速公路排水不暢路段的計算長度，最后利用道路仿真軟件Ucwinroad對不同坡度差下駕駛員的掃視時間與停滯時間的變化規律進行分析，研究成果可為類似的高速公路平縱組合設計提供一定的理論指導。

關鍵詞 高速公路;平曲線;豎曲線;組合形式

中圖分類號 U412.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0094-03

0 引言

隨著我國基礎交通設施的持續完善，高速公路作為推進區域經濟發展和交流的重要紐帶，其設計施工步伐也日益加快。高速公路的路線線形是一種三維立體線形，由平面、縱斷面、橫斷面參數共同確定。由于高速公路的橫斷面指標取值較固定，故平縱組合線形是控制高速公路設計質量的主要因素。目前，國內外學者及工程技術人員也針對公路線形組合設計展開了部分研究，如宋燦燦等[1]依托駕駛仿真試驗模，構建了高速公路平曲線設計的合理性評價指標體系，選擇小波理論和高頻能量比對駕駛員操作負荷展開了探討，并在工程實例中得到了良好的驗證;岳川等[2]以汕昆高速公路龍懷段路線為研究對象，通過力學分析、計算機建模等手段，系統地分析了影響高速公路行車的各種因素及線性組合的合理性和經濟性;豐明潔等[3]依托湖南省永吉高速公路，利用模型駕駛試驗分析了平曲線凸曲線段和平曲線凹曲線段的排水效果和視覺效果，利用多元線性模型對駕駛模擬數據進行整合分析，并結合橫向加速度分布特征得到該高速公路的安全評價函數。因此，研究高速公路公平縱組合線形設計的關鍵技術具有十分重要的工程意義。

1 公路平縱線形組合設計的形式及基本原則

1.1 平縱線形組合形式

高速公路平縱組合線形基本形式包括直直、直凹、直凸、平直、平凹和平凸等[4]，其中直直組合線形坡度單一，視覺舒順，但易產生視覺疲勞，應通過完善標志標線或綠化以誘導視線;直凹組合線形通行條件較好，視距滿足要求，設計時應盡可能避免凹形豎曲線長度過小;直凸組合線形視距問題較大，對設計指標要求較高;平直組合線形為單一坡度的彎坡組合線形，平曲線半徑和縱坡符合規范即可，但應檢查合成坡度是否滿足道路排水;平凹、平凸組合線形較為復雜，不僅線形指標要滿足規范要求，還需解決排水、視距、視覺和超高等問題。

1.2 平縱線形設計的基本原則

高速公路設計速度不同，對平縱組合線形指標要求也各有差異，判斷路線平縱組合的合理性可以從視線引導和合成坡度控制兩方面綜合考慮，具體如下[5]：

1.2.1 線形組合流暢，行車平穩安全

良好的平縱線形組合并不是設計指標高，而是首先確保駕駛員視覺上的連續性，能充分利用自然環境來引導駕駛員視線，緩解疲勞和緊張。高速公路各車道均應有足夠視距，保障行車的平穩連續，使得存在障礙物或迎面來車時，駕駛員可以反應及時。同時，高速公路是一個三維帶狀物，曲線、縱斷面、沿線邊坡等因素均會干擾視距。

和傳統的平面視距計算相比，三維空間視距是基于空間兩點通視原理，計算過程更加直觀，即先確定兩點，其中一點為駕駛人員視點，另一點為具有一定高度的障礙物，隨后判斷兩個空間點的連線間視線是否被遮擋，如圖1所示：

1.2.2 合成坡度控制

高速公路平縱組合線形的合成坡度對車輛行駛的平穩安全、路面排水等有很大的影響，合成坡度過大，可能出現側滑、側翻等安全事故。合成坡度過小，容易導致路面排水不暢。因此，在控制組合線形的合成坡度時，應綜合考慮縱坡值和平曲線半徑。

2 公路平縱組合設計對路面排水的影響

2.1 路拱橫坡和超高過渡段

高速公路的路拱橫坡一般比路肩橫坡小1%～2%，并與氣候、地形等自然條件結合。其中，整體式路基的路拱為雙向橫坡（中間高，兩側低），橫坡大小可根據路面潮濕狀況確定;分離式路基路拱應當盡量選擇單向橫坡（一側高一側低）。

高速公路超高過渡段的外側車道存在一個零坡斷面，此時過渡段漸變率太小可能導致橫坡接近零的路段長度增加。若過渡段的漸變率<1/330，縱坡坡度較小，則合成坡度也較小，會對路面排水的通暢性產生一定程度的不利影響。此外，在高路公路設計期間必須重視合成坡度檢驗，一般當縱坡值大于0.5%，超高過渡段的所有斷面合成坡度均可以滿足路面排水要求，此時可不考慮路基橫斷面的排水影響因素[6]。同時，高速公路路面排水不暢路段長度的計算可按下式：

（1）

（2）

式中：——合成坡度;——超高橫坡;——路線縱坡;——路面排水不暢路段長度;允許的最小合成坡度;——臨界長度。

2.2 縱斷面設計

縱斷面指標（縱坡、豎曲線半徑）選擇的優劣會直接影響到路面排水通暢，其中縱坡是控制合成坡度的關鍵因素，主要原因在于：高速公路路基橫坡大小穩定，即在某一里程范圍內橫坡取值往往是固定的，此時縱斷面坡度提高，道路的合成坡度也隨之增加，增強路面的排水能力。反之，當縱坡小于0.3%時，合成坡度較小，路面排水主要依靠橫坡，容易導致外側車道或硬路肩雨水滯留和侵蝕現象。

對于大半徑的全凹形、全凸形豎曲線，其變坡點處縱坡不滿足《公路路線設計規范》（JTG D20—2017）要求的路段長度大于普通路段，不同豎曲線半徑下高速公路排水不暢路段長度的計算公式如下：

（3）

式中：——滿足要求的最小縱坡長度;——豎曲線半徑;——路線最小縱坡。按照該公式計算出的（路線最小縱坡取0.5%和0.3%）排水不暢路段長度如表1所示：

計算結果表明，不同設計速度下，全凹形、全凸形豎曲線的排水不暢路段長度與豎曲線半徑呈正相關關系。因此，為了提高高速公路排水能力，不能一味地用高指標來提高線形的平坦性和通視性，在路線平縱組合設計時可以適當減小豎曲線的半徑，并盡可能地符合“平包豎”的要求（見圖2）。

3 公路平縱組合設計中的視覺分析

高速公路平縱組合線形的形式不同，駕駛員視覺判斷也各有差異，如果平曲線和縱斷面線形配合不均衡，會使駕駛員在車輛前行期間出現錯覺。利用道路仿真軟件Ucwinroad對不同平縱線性組合下的視覺效果進行分析，并提出了掃視時間與停滯時間的概念。其中，掃視時間指的是駕駛員眨眼或轉移視線的時間間隔，掃視時間越短，駕駛員對外界反應越強烈;停滯時間反映了駕駛員對前方路況辨識時間越長，停滯時間越長，注意力越集中。以豎曲線（凹形或凸形）半徑取400 m，前后坡差從4%逐漸增加到9%時的平縱線形組合開展仿真模擬試驗[7]，得到了不同坡度差下駕駛員的掃視時間與停滯時間的變化規律如圖3、圖4所示：

由圖可知：當平曲線與凸形豎曲線組合時，在前后有坡差的路段，駕駛員的平均掃視時間相對無坡差路段更短。當前后坡差小于3%時，駕駛員的平均掃視時間隨著前后坡差的增加出現了明顯降低趨勢。但當某一路段前后坡差超過3%時，駕駛員的掃視時間處于一種相對穩定的狀態，保持在50 ms左右。這種現象表明：隨著前后坡差的增加，凸形豎曲線會使得駕駛員的視距不斷減小，容易使駕駛員產生緊迫感，當出現突發狀況時，難以及時反應，對行車安全產生不利影響[8]。

試驗結果表明：當坡度差為0%時，駕駛員視線停滯時間較小，平均在1 000 ms以下。當前后坡度差為9%時，最大視線停滯時間為5 235 ms。同時，在行駛時間相同的情況下，隨著坡度差的增加，駕駛員視線停滯時間也隨之增加。這說明隨著坡度差的增大，駕駛員的“茫然感”也持續增加，不利于正確判斷公路實際狀況，可能存在較大事故隱患。

4 結語

該文深入分析了高速公路平縱組合線形設計的基本原則及對路面排水、駕駛員視覺等方面的影響，主要得到以下幾個方面的結論：

（1）高速公路平縱線形組合的基本形式包括類型有直直、直凹、直凸、平直、平凹和平凸等，設計時應控制好合成坡度，并確保線形組合流暢，行車平穩。

（2）高速公路路基橫坡大小較穩定，提高縱坡使合成坡度增大，有利于路面排水。同時縱坡小于0.3%時，合成坡度較小，路面排水主要依靠橫坡，容易導致外側車道或硬路肩雨水滯留和侵蝕現象。

（3）高速公路平縱線形組合時，不能一味地用高指標來提高線形的平坦性和通視性，還要適當減小豎曲線半徑來提高路面排水能力，并盡可能地符合“平包豎”的要求。

（4）隨著坡度差的增加，駕駛員視線停滯時間和平均掃視時間也隨之增加。但當前后坡差超過3%時，駕駛員的平均掃視時間基本保持在50 ms左右。

參考文獻

[1]宋燦燦， 郭忠印， 喬亞丹. 高速公路平曲線標志標線組合設計評價指標[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2018（7）： 913-919+981.

[2]岳川. 高速公路平縱組合路段設計技術研究[D]. 西安： 長安大學， 2018.

[3]豐明潔， 王婷， 王雪松， 等. 山區高速公路平縱組合路段設計安全評估[J]. 北京工業大學學報， 2018（6）： 919-925.

[4]楊帆. 高速公路縱面線形指標及其組合與交通安全關系研究[D]. 西安： 長安大學， 2018.

[5]張晴. Frenet框架下的公路幾何線形空間特性[D]. 長沙： 中南大學， 2014.

[6]孟祥海， 王丹丹， 張志召. 高速公路平縱組合路段運行速度分析與預測[J]. 交通運輸系統工程與信息， 2014（2）： 150-157.

[7]謝春林， 郭俊峰. 高速公路平縱組合線形評價的研究[J]. 交通科技， 2010（3）： 70-72.

[8]程文， 郭忠印， 孔令旗. 路線線形與道路安全關系的研究[J]. 合肥工業大學學報（自然科學版）， 2002（5）： 703-706.