道路線型設計對交通安全的影響

申澤鴻

(湖南中大設計院有限公司,湖南 長沙 410075)

1 道路系統組成及交通事故影響因素

1.1 道路交通系統組成

道路交通系統由人、車、路三個因素組成,三者相互影響,相互制約。在車輛行駛過程中,駕駛員先通過路獲取外界信息,經大腦判斷形成動作指令后操作車輛,如此循環往復,完成整個行駛過程。

人是影響道路交通安全的關鍵因素。車輛是由人主導的,環境信息也是向人傳遞;車輛是人的載體,與人的操作行為密切相關;路是車輛的載體,需要為車輛安全行駛提供良好的條件,其線形指標及組合直接影響行車安全性。

1.2 道路交通安全影響因素

道路上交通事故發生的可能性一般是用百萬車公里的事故率Uf表示,計算見公式(1)[2]

(1)

式中:L為道路長度,m;U為在t年內發生的事故數;AADT為年平均日交通量,pcu/d。

道路上交通事故影響因素眾多,按人、車、路三個因素分類統計。人的因素包括生理因素、心理因素;車的因素包括行駛系統、制動系統、電氣系統等;路的因素包括線形指標及組合、道路交叉、路面交通安全設施等。主要分析線形指標及組合對道路交通安全的影響。

2 平、縱線形指標對道路交通安全的影響

2.1 平面線形指標的影響

(1)直線

直線易于駕駛、視距大,是最常用的平面線形之一,但其長度不宜過長或過短。

長直線:駕駛員在長直線行駛時,注意力容易分散,視覺疲勞,會不自覺地用力踩踏油門,車輛容易超速。如果此時遇到突發情況,駕駛員難以及時反應,從而避讓不及時造成車禍。同時,從我國交通事故統計數據來看,長直線路段也更容易出現重大交通事故。但是現行的《公路路線設計規范》(JTG D20-2017),并未對長直線做出具體的限制,設計人員可參考國外的相關指標,比如日本和德國規定直線最大長度≤20倍的設計速度;美國規定直線最大長度≤3 min的設計車速行程。

短直線:為了保證線形連續性,要控制兩曲線間的直線最短長度,否則會讓駕駛員在視覺上產生誤解,容易做出錯誤的操作,導致交通安全事故的發生?！豆仿肪€設計規范》(JTG D20-2017)規定:道路設計速度≥60 km/h時,同向圓曲線間最小直線長度應≥設計速度的6倍,反向圓曲線間最小直線長度應≥設計速度的2倍。此外,對于地形復雜的山區道路,可根據實際情況適當放寬,但需進行安全性評價,并經專家論證可行后方可實施。

(2)圓曲線

道路無論轉角大小,均應在轉彎位置設置圓曲線。一般情況下,曲線半徑越大,駕駛員能充分判斷路況,并合理控制車速。反之,駕駛員在進入曲線后可能因速度過快沖出路面。統計了大量交通事故原因后,得到了圓曲線曲率(曲線半徑的倒數)與交通事故率的關系,見圖1[4]。

圖1 不同曲率下道路交通事故率

由圖1統計可知:隨著曲率的增加,道路交通事故率越來越大,但是事故率增長趨勢并不是呈線性的。曲率在0～1.9、2～3.9、4～5.9、6～9.9、10～14.9、>15區間內,道路交通事故率分別為1.6次/百萬車公里、1.9次/百萬車公里、2.2次/百萬車公里、2.5次/百萬車公里、8.5次/百萬車公里、9.3次/百萬車公里。當曲率<9.9,道路交通事故率增長整體較緩慢;當曲率>9.9,道路交通事故率迅速增加。因此,在設計道路線形時需控制最大曲率,即最小曲線半徑。

由《公路路線設計規范》(JTG D20-2017)可知,道路圓曲線最小半徑與其設計速度密切相關。當設計速率為20 km/h、30 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h時,圓曲線最小半徑分別不小于30 m、65 m、100 m、200 m、400 m、700 m、1 000 m。

此外,圓曲線偏角也不宜過小,否則會使駕駛員產生道路前方是急轉彎的錯覺,從而做出錯誤操作。為了避免交通安全事故,道路平面線形設計時應避免小偏角,確保圓曲線角度>7°。

2.2 縱斷面線形指標的影響

(1)縱坡坡度及坡長

縱斷面坡度及坡長不僅會影響車輛的爬坡效能,進而影響行車安全。一般情況下,縱坡越大、坡長越長,其對行車安全影響越大。在連續上坡路段,車輛要減檔來增加動力輸出,性能較好的小客車速度衰減小,性能較差的載重貨車速度衰減大,兩者相互干擾,產生安全隱患;在連續下坡路段,車輛在自重作用下速度提高,并產生向下慣性力,容易造成剎車失靈等安全事故。此外,長大上、下坡容易導致駕駛員身心理緊張,增加了操作失誤概率[5]。統計了道路縱坡與交通安全事故率的關系,見圖2。

圖2 不同縱坡下道路交通事故率

由圖2統計結果可知:隨著道路縱坡的增加,道路交通事故率也不斷增加。道路縱坡為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%時,道路交通事故率分別為1.2次/百萬車公里、1.4次/百萬車公里、1.6次/百萬車公里、1.8次/百萬車公里、2.2次/百萬車公里、5.5次/百萬車公里、8.9次/百萬車公里。當道路縱坡≤5%,道路交通事故率隨縱坡呈線性正相關。道路縱坡每增加1%,交通事故率增加0.2次/百萬車公里;當道路縱坡>5%,道路交通事故率迅速增加。因此,假設道路在縱斷面設計時,盡量控制縱坡在5%以內。

(2)豎曲線半徑

豎曲線包括凸形豎曲線和凹形豎曲線,主要是用在坡度變化位置,起到線形過渡作用,并用以緩和車輛因動能變化帶來的沖擊。

兩輛相向行駛的車輛通過凸形豎曲線時,駕駛員的視野取決于凸形豎曲線半徑。如果半徑太小,駕駛員視野將受到限制,出現“視野盲區”。當雙方車速過快,到達凸曲線頂點時駕駛員來不及做出操作反應,容易導致車輛撞擊;再比如車輛通過凹形豎曲線時,駕駛員視線貼近地面,可能注意不到對向來車,也會造成兩車相撞。為了確保線形平順過渡和行車安全,建議豎曲線最小半徑(一般值)取值參考表1。

表1 道路豎曲線最小半徑

3 道路線形組合安全性評價

車輛在道路行駛過程中,一方面要考慮平面上的轉彎操作,另一方面要考慮縱斷面上的上、下坡操作。因此,在單獨考慮平面線形與縱斷面線形對交通安全的影響之后,還基于汽車動力學性能對平、縱組合的安全性進行檢驗,以保證道路線形的連續性和均衡性,盡可能地消除道路線形對交通安全的影響。

3.1 工程概況

以某山區道路為研究對象,基于鄰路段運行速度變化率、運行速度與設計速度差值來評價線形平縱組合的安全性。該公路建設標準為二級公路,該道路路線全長5.6 km,設計車速40 km/h,平曲線最大超高5%、最小半徑80 m、最大半徑2 500 m、最小長度100.6 m;縱斷面變坡點12個、最大縱坡4.9%、最小縱坡0.36%。

3.2 安全性評價指標

(1)線形協調性評價

公路的平縱指標選擇都是基于設計速度,但是在道路運營期間,車輛運行速度可能大于或小于設計速度。當運行速度與設計速度相差過大,設計指標難以對車輛行駛提供足夠的安全保障。結合《公路項目安全性評價規范》(JTG B05—2015),可用同一路段運行速度V85和設計速度V設計的差值ΔV來評價路線協調性。ΔV≥20 km/h線形協調性不良;ΔV<20 km/h線形協調性好。

(2)線形連續性評價

傳統線形連續性評價方法是利用相鄰路段的運行速度差值,忽略了比較點間的長度。這樣即使相鄰路段運行速度差值一樣,對行車安全性的影響也可能有很大差異[6]。鑒于此,提出用相鄰路段運行速度變化率C來評價線形連續性,C<0.1線形連續性優良,0.1≤C<0.2線形連續性一般,C>0.2線形連續性差。C值計算見公式(2)

(2)

式中:V1、V2為前點和后點運行速度,km/h;S1、S2為前點和后點里程,m。

3.3 評價路段劃分

根據圓曲線半徑和縱坡坡度將該公路劃分平直路段、平曲線路段、縱坡路段、彎坡組合路段等,具體劃分原則為:平直路段圓曲線半徑>600 m,縱坡<3%;平曲線路段圓曲線半徑≤600 m,縱坡<3%;縱坡路段圓曲線半徑>600 m,縱坡≥3%;彎坡組合路段圓曲線半徑≤600 m,縱坡≥3%。依據以上原則,該公路共劃分出16個評價單元,分別命名為1#～16#路段。

3.4 安全性評價結果分析

不同評價單元的ΔV計算結果見圖3。

圖3 ΔV計算結果

由圖3可知:所有評價路段的ΔV均小于20 km/h,表明線形協調性好。15#路段ΔV最小,僅為1.1 km/h;3#、7#、8#、9#路段的ΔV大于10 km/h,在條件允許時,可適當優化其平縱線形指標,使其設計速度和運行速度差值小于10 km/h。

不同評價單元的C值計算結果見圖4。

圖4 C值計算結果

由圖4可知:C<0.1的評價單元有11段,占比68.7%;0.1≤C<0.2的評價單元有4段,占比25%;C>0.2的評價單元有1段,占比6.3%。12#路段的線形連續性差,應優化該段線形指標。

4 結 語

主要分析了道路平面線形指標、縱斷面線形指標對交通安全事故的影響,并依托某山區公路,分析了其平、縱線形組合的安全性,得到以下幾個方面的結論:(1)道路交通安全受人、車、路等因素影響,可用百萬車公里的事故率表示其嚴重程度。(2)隨著道路曲率和縱坡的增加,其交通安全事故率也不斷增加,建議路線設計時控制好最小圓曲線半徑和最大縱坡。(3)為了保證行車安全,直線長度不宜過長或過短,豎曲線半徑不宜過小。(4)可利用同一路段運行速度和設計速度的差值、相鄰路段運行速度變化率來評價道路線形平、縱組合的安全性。