運行速度及其在公路路線設計中的應用分析

何自珩

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430056）

0 引言

公路路線設計是公路建設的關鍵內容，設計速度作為路線設計的主要參數，一般采取路段固定值，并且在此基礎上獲取關聯性參數，如超高、視距、縱坡、平豎曲線半徑等。采取設計速度作為路線設計依據會導致公路設計指標限制因素增多、加大公路設計成本和行車安全不穩定性。考慮設計速度難以適應實際路線需求及駕駛特點，以車輛實際運行速度為核心的路線設計具有重要社會經濟意義，該設計模式能夠有效均衡路線設計不同參數，提升交通設計人性化功能。

1 運行速度主要影響因素

1.1 平面

1.1.1 直線

直線是路線設計平面基本構成內容，直線段具備行車線視野開闊、方向明確、距離較短的交通特點。直線路線難以和地形、生態相互適應，且直線長度與路線設計質量密切相關，當直線長度過小，則或造成整體線形連續性、協調性破壞；直線路線設計過長，則或造成行駛人員交通疲勞，易產生安全事故。直線上的車輛運行速度主要受直線段坡長、長度兩個因素影響。

1.1.2 圓曲線

圓曲線設計能夠快速通過路段障礙物，避免土方開挖回填等建設成本較大的施工活動。圓曲線設計參數不合理則會造成局部區域車輛減速、加速等行為，增大交通風險，如圓曲線設計轉角過大，則會造成較大的通行時間；圓曲線設計轉角過小，則會造成路段急轉彎，降低運行速度。運行速度受到圓曲線半徑影響較大；緩和曲線則主要發揮曲率過渡作用，不同的設計曲率則需要不同運行速度，車輛在緩和曲線路段表現為變速行駛[1]。基于設計速度的緩和曲線設計一般假定為等速行駛，不能夠與實際路線特點相匹配，針對緩和曲線運行速度的適應性分析則需要重點考慮緩和曲線長度、緩和系數、相連圓曲線參數等。

1.2 縱面

路線縱斷面設計主要包括豎曲線（凹形、凸形豎曲線）和勻坡線兩部分，車輛運行速度受縱斷面設計參數的影響極大。不同縱斷面設計坡長和坡度下，車輛運行速度差異性明顯，上坡段縱斷面坡度越大，運行速度越低，坡度越小，運行速度則越大；下坡段則與之相反。此外，坡度一定時，上坡路段的坡長越大會造成運行速度不斷減小，下坡路段坡長越長則會造成運行速度不斷增大。縱斷面豎曲線半徑對運行速度的影響同樣不可忽視，豎曲線半徑越小，運行速度則相對較小；反之則越大。豎曲線設計半徑超過一定限制范圍時，設計半徑對運行速度幾乎不產生影響，可將豎曲線簡化為平坡線進行處理。

1.3 車輛性能

公路車輛種類較多，如大貨車、客車、小轎車等，不同類型車輛面臨的公路交通環境不同，運行速度差異性極大。同類別車輛性能不同時，其運行速度也不同。公路設計所針對的代表性車輛主要分為載重汽車、小客車、拖掛車幾種類別，在開展路線設計時，則主要分析中型載重汽車、小客車[2]。

2 工程概況

湖北省某山區擬新建一條低等級公路，起點位于臨近村落處，終點銜接于國道。該山區公路建設場地地形較為復雜，地面高程變化較大，場地障礙物數量較多，采取二級公路技術標準設計，路線設計起終點K0+000～K2+800，設計全長為2.8 km，設計車速60 km/h，路面設計寬度7.5 m，路基設計寬度12 m，雙向二車道。路線初步設計中，平面、縱面線形指標如下：平曲線設計數量為10 個，最小半徑65 m，最大半徑1 500 m，最小長度則為102 m，平曲線占總長度比例達到了48%；縱面設計中存在11 個變坡點，最大縱坡為5.6%，最小縱坡為0.3%，豎曲線占總長度比例達到了21%。

3 基于運行速度的路線指標評價

3.1 單元路段劃分

運行速度理論應用前提需要對路線進行單元段劃分，不同單元段的劃分主要依據不同縱坡坡度、平曲線半徑進行開展，總體上可以將完整路線劃分為直線、縱坡線、平曲線、平縱組合四種單元段。不同單元段的劃分標準如下：路線相鄰曲線中間存在過渡段，且過渡段長度不超過120 m 時，則可以將該段路線作為直線段；路線設計曲率半徑超過600 m，縱坡設計坡度大于3%時，則將該路段視為縱坡段；路線設計曲率半徑不超過600 m，且縱坡設計坡度不大于3%時，則將該段視為平曲線段；路段設計曲率半徑不超過600 m，縱坡設計坡度超過3%時，則按平縱組合段處理[3]。運行速度需要結合不同類別單元段開展計算分析，設計路線不同單元段劃分如表1所示。

表1 段落劃分統計

3.2 運行速度計算

直線路段上的車輛運行速度較為穩定，一般以期望行駛速度為運行速度上限值。當初始運行速度小于期望速度時，車輛表現為加速行駛狀態，直至期望速度才開始勻速穩定運行。期望速度計算公式可按式（1）進行計算[4]：

式中，V——直線路段期望速度（運行速度）（m/s）；Vc——車輛初始速度（m/s），可通過特定位置現場車輛監測獲取；a——車輛加速度（m/s2），小客車為0.15～0.5 m/s2，大貨車為0.2～0.25 m/s2；S——直線路段距離（m）。

縱坡段運行速度和路段長度、坡度兩個參數密切相關，項目針對現場縱坡段8 t 載重噸位、功率重量比在9～10 kW/t 之間的標準車型行駛車速進行監測統計，獲取如圖1 所示上下坡路段不同坡長、坡度運行速度變化規律（其余坡長、坡度下的運行速度可依據圖中參數進行線形插入法計算獲取）；平曲線段的車輛運行速度基本保持不變，項目以平曲線中部位置標準車型監測車速作為運行速度。不同路段標準車型運行速度計算統計如表2所示[5]。

圖1 上下坡路段不同坡長、坡度運行速度

表2 標準車型運行速度統計

3.3 指標評價

3.3.1 連續性

考慮合理的路線設計需要能夠有效引導行車視線、提升通行穩定性，公路路線需要保持其線形連續性。不連續路線設計主要具備以下特點：銜接路段的線形指標增大、減小幅度過大；單個指標和設計指標之間存在明顯差異；路段內部指標變化幅度較大。技術指標穩定性較差是不連續路段線形質量主要影響因素。運行速度下的路線設計需要重點分析路線銜接連續性，路線連續性指標可以采取相鄰路段的運行速度差a來表征。山區公路設計指標、交通環境較為嚴格，設計車速也要低于其他等級公路，該文對路線連續性指標評價進行以下設定：運行速度差a小于10 km/h 時，速度協調性及路線連續性好；運行速度差a在10～20 km/h 時，運行速度協調性及路線連續性較好；a大于20 km/h 時，運行速度協調性及路線連續性不良。項目針對大貨車開展運行速度差a的計算分析，獲取如圖2 所示變化規律。結果表明，路線相鄰路段運行速度差少部分小于10 km/h，路線連續性良好。大部分分布在10～15 km/h以內，路線連續性相對一般，該路段處需要進行技術指標二次調整，減小運行速度差[6]。

圖2 相鄰路段運行速度差

3.3.2 速度協調性

公路路線設計中對路線相關幾何要素進行設計，需要明確公路行車安全所需要的設計參數最小值和極限值。公路行駛階段，行車速度主要取決于行車動態環境，在采取設計極限值進行路線設計時，容易造成環境較大的限制性，引發駕駛員錯誤的行車判斷，造成安全事故。項目采取運行速度和設計速度差值進行路線設計質量指標評價。速度協調性需要符合一定范圍（＜20 km/h），以便確保行車幾何設計參數的匹配，當差值大于20 km/h，則需要開展路線安全評估工作[7]。項目獲取如圖3 所示不同路段運行速度和設計速度差變化規律。研究結果表明，路段1、3、7、8、9、10 的運行速度要小于設計速度（60 km/h），路段線形指標不需要進行優化；路段2、4、5、6、11、12、13 的運行速度要大于設計速度，但是差值仍舊控制在20 km/h 之內，同樣不需要開展路線安全性分析；其中，13 路段的運行速度要大于設計速度13.1 km/h，速度協調性較差，應該在該路段處設置限制標志，避免交通安全事故。

圖3 不同路段運行速度和設計速度差

4 結論

采取固定的設計速度開展公路路線設計容易忽略行車動態性，造成建設成本及行車安全風險的增大。基于運行速度理論的公路路線設計能夠從根源上進行路線設計參數的優化，避免設計速度路線設計應用中的缺陷。該文依托湖北省某山區公路開展運行速度在公路路線設計中的應用研究，獲取以下研究結果：公路線形連續性基本滿足要求；存在少數幾處路段路線設計連續性、協調性質量一般；設計中需要對部分參數進行二次優化，布置交通安全標志，以此提升路線設計水平。該文所做研究有助于運行速度理論應用推廣。