高速公路路線設計指標及安全性評價分析

李 剛，林海晶

(1.北京中咨華安交通科技發展有限公司,北京 100000；2.內蒙古虹安交通研究院有限公司,內蒙古 呼和浩特 010000)

0 引 言

經過多年的快速發展，基礎交通設施網逐漸成型，高速公路作為帶動當地經濟發展和區域交流的重要設施，其建設規模也逐年擴大。同時，交通安全事故的發生概率和數量也不斷提高。高速公路線形設計的好壞會直接影響行車安全性，良好的線形能在很大程度上改善行車環境、降低工程預算等。不良的線形會導致交通事故頻發，造成人員傷亡和直接經濟損失。為了降低交通事故率，改善道路服務水平，越來越多的學者開始重視線形組合和安全評價，如王璐[1]總結了道路平、縱、橫線形設計中的重要敏感指標，并基于駕駛模擬仿真試驗分析了各個指標對行車安全的影響程度，提出來了-車-路綜合線形安全評價模型。史揚等[2]基于實測數據，重點分析了長大下坡路段交通安全影響因素,提出以車輛加速度為指標來評價道路安全。因此，研究道路線形設計指標選用及安全評價研究具有十分重要的工程意義。

1 高速公路基本線形指標

高速公路線形指標數量較多，每個指標都會對行車安全產生或多或少的影響，但每個指標的影響程度又不完全相同。基于此，可將公路線形指標分為主要指標和次要指標，本文進行指標分析只針對主要線形指標。

1.1 平面線形指標

公路平面線形由直線、圓曲線、緩和曲線組成，故平面線形指標主要有直線長度、圓曲線半徑、緩和曲線長度等。

1.2 縱斷面線形指標

公路縱斷面線形指標主要有縱坡坡度、坡長、豎曲線等。

2 高速公路路線設計實例分析

2.1 實例分析

濟寧至商丘高速公路作為山東省高速公路網絡“十四五”規劃中青島至商丘的重要路段，與濰坊至濟寧公路銜接，可形成膠東半島經濰坊、濟寧、商丘的重要運輸通道，本項目的實施，完善了魯南通道高速公路網，將成為山東東部地區與中原經濟區南部地區連接的主要通道。增強了魯南地區快速客運通道與大能力貨運通道的能力，進一步提升了與中原地區乃至長江經濟帶的通達能力。本項目是濟棗菏都市區中的東北至西南向重要運輸通道，對推動山東半島城市群空間組織模式由軸帶集聚向網絡化發展轉變以及產業協同發展，進一步優化魯南地區交通網絡布局，提升綜合運輸服務能力和水平，與周邊省市實現互聯互通，提升濟棗菏都市區融合發展具有積極地推動作用。

2.2 技術標準

根據工可報告，本項目采用如下設計標準：

(1)公路等級：高速公路。

(2)設計速度：120 km/h。

(3)設計荷載：公路-Ⅰ級。

(4)設計洪水頻率：特大橋1/300，其余橋涵、路基1/100。

(5)路基寬度：新建六車道斷面，路基寬度34.5 m。

(6)地震動峰值加速度系數：0.05 g、0.1 g。

2.3 設計指標運用情況

平面設計應充分結合地形、地物，在盡量減少工程量的基礎上，盡量采用較高的標準，設計中特別考慮了橋梁位置、路基橫斷面布置等。本項目路線增長系數為1.056，共設平曲線17個，平均每千米0.289個，最小圓曲線半徑2 860 m，最小緩和曲線長度330 m，平曲線最小長度1 350 m，最小轉角11°35′，直線最大長度4 274 m，平曲線占路線長度的75.521%。最大縱坡1.91%(450 m)，最小縱坡0.3%，凸型豎曲線半徑最小值17 000，凹形豎曲線半徑最小值12 000。

2.4 設計指標安全性評價分析

(1)長直線指標分析

直線長度：直線具有距離短、易布設、視距良好、駕駛員操作簡便等特點，但直線段事故發生概率并不小。相關研究表明，直線段長度不宜過短，尤其是兩圓曲線間的直線，同向圓曲線間的直線長度宜不小于行車速度的6倍，反向圓曲線間的直線長度宜不小于行車速度的2倍，當地形受到限制時可以適當降低標準。同時，路線長度也不宜過長，這是因為長直線和地形協調性較差，還容易使駕駛員視覺疲勞，注意力分散，難以目測與其他車輛的相對距離，使駕駛人員產生盡快駛離的急躁情緒，危及行車安全。路線設計規范并沒有對直線段最大長度進行控制，但實際設計時一般控制小于20倍設計速度，超過此長度則需要采取相應的安全措施。

本項目路線最大長度為4 274 m，超過20倍設計速度較多，需結合運行速度分析，在相應段落設置提醒和警示標志，提高行車安全性。

(2)短直線指標分析

同向圓曲線間插入較短的直線，容易把直線和圓曲線看成反向彎的錯覺，破壞了線型的連續性，從而導致駕駛人員判斷失誤，造成交通事故。反向圓曲線之間設置過短的直線將不利于超高橫坡的平穩過渡，最終影響行車安全。鑒于此，本項目反向圓曲線間最短直線長度采用308 m，滿足2倍設計速度要求。

(3)圓曲線半徑指標分析

圓曲線在平面線形中發揮了圓潤導線交點的作用，確保汽車通行的連續性。圓曲線半徑是圓曲線的最關鍵參數，直接決定了汽車在彎道行駛的受力。圓曲線半徑在設計時應確保車輛受力平衡，不會因受到較大的離心力而橫向滑移，甚至沖出行車道。公路最小圓曲線半徑R計算可按照公式(1)

(1)

式中：V為行車速度，km/h；i為超高橫坡坡度，%；μ為橫向力系數。橫向力系數和超高橫坡值越大車輛越容易發生滑移和側翻。

平曲線半徑的選定，除要與彎道本身所在位置的地形、地物條件相適應，使曲線沿理想的位置通過外，還要考慮與彎道前后的線形標準相協調。本項目設計最小半徑2 860 m，最大半徑8 000 m，根據公路最小圓曲線半徑公式計算得出計算半徑為772～1 417 m，上下行設計半徑均大于以運行速度計算的計算半徑，說明在運行速度條件下，本項目的設計曲線半徑均可以滿足安全性的行車條件。

(4)回旋線指標分析

回旋線是道路平曲線要素之一，公路圓曲線和直線相接的地方會出現突變點，需要設置緩和曲線(回旋線)來過渡。當圓曲線半徑小于不設超高的最小圓曲線半徑時，應設置回旋線。緩和曲線不僅要確保車輛在轉彎過程中實現不同曲率的過渡，還不能影響駕駛的舒適感和線形的美觀流暢，同時也要考慮超高、加寬過渡斷長度。本項目為設計速度120 km/h的高速公路，當圓曲線半徑小于5 500 m時，需設置回旋線。本項目圓曲線最小半徑2 860 m，回旋線長度最小長度330 m，按照運行速度檢驗，滿足規范要求。

(5)最小轉角指標分析

根據視覺需要，當曲線轉角小于等于7°時，會使駕駛人員誤以為曲線長度比實際要短。容易產生錯覺，造成交通事故。新建高速公路設計時，轉角宜不小于10°。本項目最小轉角為11°35′，不存在小偏角曲線路段。

(6)平曲線最小長度

過短的平曲線長度，會使駕駛人操作困難，不利于行車安全；同時，當離心加速度變化率超過一定數值時，會對乘客的心理的生理造成一定的影響。實踐表明，行駛時間過短，會使駕駛員操作不便，3 s行程是駕駛人員在平曲線上操作方向盤最合理的時間。經過對比分析，本項目的平曲線長度均大于規范值，滿足要求。

(7)縱坡坡度、坡長

道路縱坡坡度和坡長受地形起伏干擾較大，既會影響車輛爬坡能力和行車安全，還會影響工程造價、運營期間的運輸成本等。公路縱坡坡長過長或過短都會對車輛的安全行駛造成影響，過短的坡長會導致縱斷面起伏變化快、駕駛員頻繁改變操作。上坡路段坡長較大會降低車輛爬坡能力，導致行車速度衰減而溜車。下坡路段坡長較大容易出現超速現象或頻繁踩剎車而造成剎車失靈，嚴重影響行車安全。

經核查，本項目最大縱坡為1.91%(450 m)，滿足規范要求。

(8)豎曲線

豎曲線主要是用來緩和變坡點附近的縱坡坡度突變，一般是選擇大半徑圓曲線來實現。道路豎曲線包括凹形豎曲線和凸形豎曲線兩種，其設計指標均是曲線的半徑和弧長，取值大小和道路等級、停車視距等密切相關。

經核查，本項目凸型豎曲線半徑最小值17 000，凹形豎曲線半徑最小值12 000，滿足規范要求。

2.5 公路線形指標組合分析

設計人員在進行平面設計時，要同時兼顧縱斷面及橫斷面設計指標。公路線形組合首先要滿足行車安全，還要與沿線生態、社會環境相協調，盡量減少拆遷，確保土石方平衡和節約工程造價。同時，公路線形組合屬于有機整體，各技術指標必須相互適應，以正確引導駕駛員安全舒適通過，提高道路通行能力和服務水平。

(1)平面線形組合

在高速公路起終點樁號確定之后，平面線形存在若干個組合。但是平面線形也不能隨意拼接，首先要確保直線長度、圓曲線半徑、緩和曲線長度等設計指標滿足規范要求；其次在設計指標滿足規范的前提下，再進行指標優化，選出行車舒適、安全的最優平面線形。比如規范中推薦選擇半徑較大的圓曲線來實現路線轉彎，且轉角不宜過小等。

(2)縱斷面線形組合

公路縱斷面線形設計應盡可能地順應地形起伏，確保視覺連續的要求。公路縱斷面線形由直線與豎曲線兩種基本元素組成，其中國內豎曲線設計通常選擇較大半徑的圓曲線(尤其是相鄰縱坡間差值較小時)。

《公路路線設計規范》(JTG D20—2017)規定，當設計行車速度超過60 km/h時，為了充分確保安全視距，應設計較大的豎曲線半徑和弧長，最小豎曲線半徑應滿足表1。

表1 豎曲線最小半徑規定值

(3)平、縱組合設計

高速公路平、縱組合設計時，只要豎曲線取值滿足規范要求，通常都不會影響行車舒適感與安全視距，但要注意互通區范圍內的豎曲線半徑取值；當公路平曲線和豎曲線存在部分或全部重疊時，應滿足“平包豎”要求，以確保駕駛員有良好的道路感知，準確判斷公路走向。

經核查，本項目平縱組合總體較好，基本上實現了平包豎，在小半徑豎曲線處，豎曲線半徑為平曲線半徑的2～10倍，基本上實現了平曲線與豎曲線的平衡，但本項目存在圓曲線包含豎曲線(即豎曲線全部落在圓曲線范圍內)或豎曲線長度過小的線型，建議有條件時進行平縱面優化。

3 結 語

詳細探討了高速公路平面和縱斷面基本設計指標和組合方法，主要得到以下幾方面結論：(1)高速公路平面線形指標主要有直線長度、圓曲線半徑、緩和曲線長度等，其中直線長度不宜過短或過長，圓曲線半徑在設計時應確保車輛受力平衡，緩和曲線能實現不同曲率的過渡；(2)高速公路縱斷面線形指標主要有縱坡坡度、坡長、豎曲線等，坡度和坡長不宜過大，豎曲線宜選擇半徑較大的圓曲線；(3)高速公路路線設計過程中，要注意平縱組合設計。