高速公路小半徑圓曲線橫凈距分析及改善措施研究

商曉儒

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

高速公路的建設(shè)可以帶動道路沿線經(jīng)濟的大力發(fā)展,有利于改善當?shù)氐某鲂袟l件,但隨著高速公路里程逐年增加,隨之而來交通事故率也不斷攀升,影響高速公路安全性的主要因素有人為因素、道路因素和車輛因素[1],在高速公路設(shè)計過程中可以盡量避免因道路因素產(chǎn)生的安全性問題,據(jù)統(tǒng)計,我國高速公路交通事故發(fā)生在曲線段的概率高達36%[2],而停車視距則是曲線段中最為重要的一項設(shè)計指標,即使停車視距滿足相關(guān)要求,其曲線段橫凈距也有可能不夠,將對行車安全性產(chǎn)生極為不利的影響,因此對高速公路橫凈距的研究顯得尤為重要。

目前很多學者對高速公路曲線段視距進行了研究。田華等[3]根據(jù)多個高速公路項目實例,研究了停車視距檢驗和改進設(shè)計方法,提出了將中央分隔帶綠化型改為硬化型、移動混凝土防撞護欄位置等措施改善視距。楊永紅等[4]建立了三維動態(tài)視距模型,建議在左轉(zhuǎn)處加寬橫凈距,在視線不足的左轉(zhuǎn)處增設(shè)視線誘導(dǎo)安全設(shè)施,確保小客車在實際超車道行駛安全。張慧杰等[5]研究了80km/h設(shè)計速度下圓曲線半徑與加寬值的關(guān)系,提出了移動護欄、移動標識線等措施滿足停車視距的要求。從以上研究可以看出,目前尚未提出高速公路不同設(shè)計速度和不同圓曲線半徑的橫凈距加寬值、基于橫凈距要求的圓曲線半徑、適用于不同情況下的解決措施。

現(xiàn)對80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計速度下不同圓曲線半徑的實際橫凈距和基于橫凈距要求的最小圓曲線半徑進行計算,確定不同設(shè)計速度和圓曲線半徑下的橫凈距加寬值,提出適用于不同情況下解決橫凈距不足的措施,為高速公路行業(yè)同類問題提供一定的參考。

1 實際橫凈距值

1.1 整體式斷面實際橫凈距值

目前我國處于高速公路建設(shè)的高峰期,一般選用雙向四車道的高速公路建設(shè)標準居多,設(shè)計速度采用80km/h、100km/h或120km/h不等,根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》[6](JTG D20—2017)相關(guān)要求,對于整體式路基,選用橫斷面各部件尺寸一般值,其中車道寬度選用3.75m,土路肩寬度選用0.75m,不同設(shè)計速度下的左側(cè)路緣帶寬度及C值選用見表1。

表1 不同設(shè)計速度下左側(cè)路緣帶寬度及C值

整體式路基斷面以設(shè)計速度為100km/h的路基標準橫斷面為例,見圖1。

圖1 整體式斷面標準橫斷面圖(單位:cm)

對于整體式路基斷面,左側(cè)實際橫凈距由C值、左側(cè)路緣帶寬度和一半內(nèi)側(cè)車道寬度組成,右側(cè)實際橫凈距由一半外側(cè)車道寬度和右側(cè)硬路肩組成。由圖1可得出不同設(shè)計速度下整體式路基斷面左側(cè)實際橫凈距值和右側(cè)實際橫凈距值,見表2。

表2 整體式不同設(shè)計速度下實際橫凈距值

1.2 分離式斷面實際橫凈距值

分離式路基斷面,選用橫斷面各部件尺寸一般值,其中車道寬度選用3.75m,右側(cè)硬路肩寬度均采用3m,不同設(shè)計速度下的左側(cè)硬路肩寬度見表3。

表3 不同設(shè)計速度下左側(cè)硬路肩寬度

分離式路基斷面以設(shè)計速度為100km/h路基標準橫斷面為例,見圖2。

圖2 分離式斷面標準橫斷面圖(單位:cm)

對于分離式路基斷面,左側(cè)實際橫凈距由左側(cè)硬路肩和一半內(nèi)側(cè)車道寬度組成,右側(cè)實際橫凈距由一半外側(cè)車道寬度和右側(cè)硬路肩組成。由圖2可以得出不同設(shè)計速度下分離式路基斷面左側(cè)實際橫凈距值和右側(cè)實際橫凈距值,見表4。

表4 分離式不同設(shè)計速度下實際橫凈距值

由表2和表4可以看出,雖然整體式斷面和分離式斷面實際橫凈距的計算方式略有不同,但實際橫凈距的計算結(jié)果一致, 80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計速度下左側(cè)實際橫凈距分別為2.625m、2.875m和3.125m,80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計速度下右側(cè)實際橫凈距均為4.875m。

2 基于橫凈距值要求的最小圓曲線半徑

為探究橫凈距、圓曲線半徑和停車視距之間的關(guān)系,僅就停車視距小于圓曲線長度的情況進行研究,橫凈距、圓曲線半徑和停車視距之間的關(guān)系見圖3。

圖3 橫凈距計算關(guān)系圖

由圖3可以得出橫凈距的計算公式,見式(1)和式(2):

(1)

(2)

式中:h為橫凈距要求值(m);Rs為平曲線內(nèi)側(cè)汽車行駛軌跡半徑(m);γ為視距線對應(yīng)圓心角(°);S為停車視距(m)。

設(shè)計速度80km/h、100km/h和120km/h對應(yīng)的停車視距分別為110m、160m和210m。結(jié)合式(1)和式(2)可以計算出不同設(shè)計速度和圓曲線半徑下的橫凈距要求值,見表5。

表5 不同設(shè)計速度和圓曲線半徑的橫凈距要求值

由表5可以看出,右側(cè)實際橫凈距在80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計速度下均能滿足橫凈距要求,左側(cè)實際橫凈距若要滿足橫凈距要求,在80km/h設(shè)計速度下,圓曲線半徑需大于576m,在100km/h設(shè)計速度下,圓曲線半徑需大于1113m,在120km/h設(shè)計速度下,圓曲線半徑需大于1764m,若對應(yīng)設(shè)計速度下的圓曲線半徑未達到上述要求,則需采取一定措施解決橫凈距不足的問題,建議在高速公路設(shè)計過程中,80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計速度下的圓曲線最小半徑應(yīng)分別大于576m、1113m和1764m。

3 橫凈距加寬值

影響橫凈距加寬值的主要因素為設(shè)計速度和圓曲線半徑大小,在高速公路設(shè)計過程中,有時受地形、地質(zhì)和生態(tài)紅線等限制,設(shè)置的圓曲線半徑較小,會對內(nèi)側(cè)車道的視距產(chǎn)生不良的影響,致使圓曲線內(nèi)側(cè)橫凈距不足,因而需要對橫凈距不足側(cè)進行加寬設(shè)計,由式(1)和式(2)計算出不同設(shè)計速度和圓曲線半徑的橫凈距加寬值,見表6～表8。

表6 80km/h設(shè)計速度不同圓曲線半徑的橫凈距加寬值

表7 100km/h設(shè)計速度不同圓曲線半徑的橫凈距加寬值

表8 120km/h設(shè)計速度不同圓曲線半徑的橫凈距加寬值

由表6～表8可以看出,80km/h、100km/h設(shè)計速度下,在圓曲線半徑分別達到一般最小值400m、700m的情況下,右側(cè)實際橫凈距均能滿足橫凈距要求值,無需進行加寬處理,僅需對左側(cè)橫凈距加寬。120km/h設(shè)計速度下,在圓曲線半徑大于1130m情況下,右側(cè)實際橫凈距均能滿足橫凈距要求值,僅需對左側(cè)橫凈距加寬,即使圓曲線半徑達到一般最小值1000m,但小于1130m,則仍需對右側(cè)橫凈距進行加寬處理。

在高速公路設(shè)計過程中,建議80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計速度下左右側(cè)橫凈距加寬值不應(yīng)小于表6～表8中的數(shù)值,才可以滿足橫凈距的要求。

4 橫凈距改善措施

4.1 壓縮路基斷面尺寸的措施

可以采取壓縮中分帶、壓縮車道或硬路肩寬度,同時增加左側(cè)路緣帶寬度的措施,來增加實際橫凈距,以滿足橫凈距的要求。

4.1.1壓縮中分帶寬度

目前高速公路中分帶寬度多為2m或3m,在滿足中分帶護欄設(shè)置寬度和中分帶內(nèi)通信光纜等設(shè)施的寬度需求情況下,可以適當縮減高速公路中分帶的寬度,同時增加左側(cè)路緣帶的寬度,以增加實際橫凈距,進而滿足橫凈距要求。

4.1.2壓縮內(nèi)側(cè)行車道寬度

目前80 km/h以上設(shè)計速度的車道寬度為3.75m,對于以通行小型或中型客車為主的高速公路,通過重新繪制交通標線將內(nèi)側(cè)車道寬度變?yōu)?.5m,同時左側(cè)路緣帶可以加寬0.25m,則實際橫凈距也就增加了0.25m。若橫凈距加寬值小于0.25m,則可以滿足橫凈距的要求。

4.1.3壓縮右側(cè)硬路肩寬度

目前,設(shè)計時速80 km/h及以上的高速公路,右側(cè)硬路肩的寬度為3m,高速公路硬路肩作為應(yīng)急搶險車道,應(yīng)盡量減少對其壓占,對于主要用于小型客車通行的高速公路,硬路肩的寬度不應(yīng)小于2.5m。可應(yīng)用交通標線重新劃分橫斷面尺寸,將硬路肩寬度調(diào)整為2.5m,同時左側(cè)路緣帶寬度增加0.5m,則實際橫凈距也就增加了0.5m。若橫凈距加寬值小于0. 5m,則可以滿足橫凈距的要求。對于壓縮右側(cè)硬路肩的段落,須在該段落起終點一定距離范圍內(nèi)設(shè)置硬路肩禁止停車標志。

應(yīng)注意的是在不滿足橫凈距要求的段落,圓曲線兩端的緩和曲線應(yīng)進行寬度的過渡,寬度應(yīng)采用線性漸變,且漸變率不應(yīng)大于1/100。對于橫凈距加寬值較大的情況,可以采用壓縮中分帶、壓縮車道或硬路肩組合的措施解決橫凈距不足的問題。

優(yōu)點:(1)無需加寬路基及路面,工程規(guī)模及投資較小;(2)僅需重新繪制交通標線,設(shè)計和施工難度較低。

缺點:(1)壓縮路基橫斷面尺寸,影響高速公路的通行能力;(2)路線線形不連續(xù)。

壓縮路基斷面尺寸的措施已在沈陽繞城高速公路改擴建工程中實施,采用的是適當壓縮硬路肩的方法,效果良好。

4.2 優(yōu)化中央分隔帶護欄措施

在中央分隔帶寬度不變和護欄防護等級不下降的前提下,可通過護欄和防眩措施的布置形式或結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化來增加圓曲線內(nèi)側(cè)的橫凈距,不同方法對比如下:

(1)基于布置形式角度來說,護欄單排布置優(yōu)于雙排布置。

(2)基于變形能力角度來說,護欄的剛度越大優(yōu)勢越明顯。

(3)基于結(jié)構(gòu)尺寸角度來說,護欄橫向布置所需的寬度越小,則優(yōu)勢越大;物理防眩光比植物防眩光具有更明顯的優(yōu)勢。

一般來說采用單排布置形式、選用斷面尺寸越小、剛度越大的護欄,則可以向后移動的寬度就更大,對增加圓曲線內(nèi)側(cè)的橫凈距的貢獻也越明顯。因此,在相同的防護等級下,可以采取將雙排分設(shè)式波形梁鋼護欄的布置形式改為組合式波形梁鋼護欄、單排雙坡混凝土護欄、梁柱鋼護欄等措施。也可以將一般的植物防眩光措施改為防眩光板或防眩光網(wǎng)等物理防眩光措施。

優(yōu)點:(1)工程規(guī)模及造價較低;(2)設(shè)計和施工較為簡單;(3)路線線形較為連續(xù)。

缺點:(1)可增加的橫凈距寬度范圍有限;(2)防眩效果和美觀度較差。

調(diào)整護欄及防眩措施的布置形式和結(jié)構(gòu)型式對橫凈距寬度的增加量有所限制,因此對于橫凈距加寬值較小的情況,優(yōu)化中央分隔帶護欄措施較為適用,但對于橫凈距加寬值較大的情況,優(yōu)化中央分隔帶護欄措施則不適用。

優(yōu)化中央分隔帶護欄措施已在京哈高速公路沈陽至四平段改擴建工程中實施,將植物防眩改為防眩板,效果良好。

4.3 加寬路基的措施

對于實際橫凈距不滿足橫凈距要求的曲線段落,可以加寬斷面尺寸以增大實際橫凈距,加大左側(cè)路緣帶或左側(cè)硬路肩寬度,進而增加實際橫凈距,以滿足橫凈距要求。

4.3.1整體式路基斷面

對于整體式路基或橋梁斷面,建議采用中分帶位置不變,加寬左側(cè)路緣帶的加寬方式,進而加寬實際橫凈距,以滿足橫凈距的要求。

4.3.2分離式路基斷面

對于分離式路基或橋梁斷面,建議采用平面設(shè)計線位置不變、加寬左側(cè)硬路肩的方式,進而加寬實際橫凈距,以滿足橫凈距的要求。

無論是整體式斷面還是分離式斷面,圓曲線段落加寬均為等寬加寬,即一段圓曲線內(nèi)加寬的數(shù)值一定,但在圓曲線兩端的緩和曲線段落需要對寬度進行過渡,應(yīng)采用線性漸變的方式,且漸變率不應(yīng)大于1/100。

優(yōu)點:(1)對于圓曲線段落等寬加寬,設(shè)計和施工難度較小;(2)適用于橫凈距加寬值大的情況。

缺點:(1)在曲線兩端的緩和曲線段落,路線線形不連續(xù);(2)需加寬路基,具有較大的工程建設(shè)規(guī)模和投資。

加寬路基的措施已在赤峰至綏中高速公路(G4515)凌源(蒙遼界)至綏中段中應(yīng)用,整體式采用加寬左側(cè)路緣帶,分離式采用加寬左側(cè)硬路肩的方法,但該項目目前尚未通車。

4.4 視距輔助線的措施

對于實際橫凈距不滿足橫凈距要求的曲線段落,在曲線內(nèi)側(cè)或外側(cè)設(shè)置視距輔助線,將視距輔助線和原平面設(shè)計線當作間距較小的分離式路基段落,可以理解為加大圓曲線半徑,以減小橫凈距的要求值,進而解決實際橫凈距不滿足橫凈距要求的問題。

4.4.1曲線內(nèi)側(cè)視距輔助線

在原平面設(shè)計線曲線內(nèi)側(cè)設(shè)置視距輔助線,把曲線內(nèi)側(cè)視距輔助線視為中央分隔帶中心線,左幅的新的平面設(shè)計線則為曲線內(nèi)側(cè)增設(shè)的視距輔助線,右幅新的平面設(shè)計線仍為原平面設(shè)計線。

4.4.2曲線外側(cè)視距輔助線

在原平面設(shè)計線曲線外側(cè)設(shè)置視距輔助線,原平面設(shè)計線仍當作中央分隔帶中心線,左幅新的平面設(shè)計線仍為原平面設(shè)計線,右幅新的平面設(shè)計線則為曲線外側(cè)增設(shè)的視距輔助線。

無論是曲線內(nèi)側(cè)視距輔助線還是曲線外側(cè)視距輔助線,視距輔助線均需按路線線形順接至兩端的原路路線線形,且視距輔助線與原平面設(shè)計線間的間隙需滿鋪路面,利用路面交通標線劃分。

優(yōu)點:(1)相比于加寬左側(cè)路緣帶或左側(cè)硬路肩的措施,路線線形連續(xù);(2)適用于橫凈距加寬值大的情況。

缺點:(1)需設(shè)計兩個平面線形,路線線形變化,具有較大的設(shè)計和施工難度;(2)具有較大的工程建設(shè)規(guī)模和投資。

視距輔助線的措施已在本溪至集安高速公路(G9111)本溪至桓仁(寬甸)段中應(yīng)用,但該項目目前尚未通車。

5 結(jié)論

以標準橫斷面為例,研究了80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計速度下的實際橫凈距、基于橫凈距要求的最小圓曲線半徑、橫凈距加寬值和橫凈距改善措施等,主要有以下結(jié)論:

(1)80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計速度下左側(cè)實際橫凈距分別為2.625m、2.875m和3.125m,右側(cè)實際橫凈距均為4.875m。

(2)基于橫凈距要求, 80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計速度的圓曲線半徑分別不應(yīng)小于576m、1113m和1764m。

(3) 80km/h、100km/h和120km/h設(shè)計速度的左側(cè)橫凈距加寬值不應(yīng)小于表6～表8中數(shù)值。80km/h、100km/h設(shè)計速度圓曲線半徑值大于一般最小值時,則右側(cè)橫凈距無需加寬,120km/h設(shè)計速度圓曲線半徑值小于1130m時,右側(cè)橫凈距則需加寬。

(4)采取壓縮路基斷面尺寸、優(yōu)化中央分隔帶護欄、加寬路基和視距輔助線等措施可以解決橫凈距不足的問題。

(5)對于通行小客車為主的高速公路,推薦采取壓縮路基斷面尺寸的措施。對于橫凈距加寬值較小的情況,推薦采用優(yōu)化中央分隔帶護欄的措施。對于橫凈距加寬值較大的情況,可根據(jù)項目實際情況,選用加寬路基措施或視距輔助線措施。