理論運行速度與公路線形設計及評價方法研究

摘要 為保證公路運營期間的行車安全，該文研究了直線長度、平曲線半徑、縱坡坡度等線形參數對運行速度的影響，明確了平直、平曲線、縱坡、彎坡組合路段劃分原則和理論運行速度預測模型。最后，以某二級公路為研究對象，利用同一路段運行速度V85和設計速度V差值的絕對值ΔV來評價其線形安全，研究成果可供類似項目提供借鑒。

關鍵詞 運行速度；影響因素；分段評價；預測模型；評價結果

中圖分類號 U412 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0031-03

0 引言

近年來，公路工程建設規模越來越大，安全性要求也越來越高，目前公路線形安全性評價大多是基于理論運行速度V85，即在氣候、路況等外部條件比較理想的條件下，車輛第85%分位的行駛速度，其可能大于設計速度，也可能小于設計速度。然而很多設計人員在確定路線線形時重視指標的選擇，而不重視安全性評價，容易引發交通安全事故，甚至造成一定的人員傷亡，因此進一步研究理論運行速度及線形評價方法具有重要的意義。

1 公路運行速度影響因素

從公路線形角度來看，影響運行速度的因素主要有直線長度、平曲線半徑、縱坡坡度及彎坡組合等，具體闡述如下：

（1）直線的影響。

直線具有距離短、方向明確等優勢，是公路設計時最常用的線形之一，直線過長或過短都會影響車輛的運行速度。德國學者經過多年研究，發現駕駛員在直線上連續行駛超過3 min時，內心會感覺單調、出現疲勞感，從而不自覺地超速行駛，而當直線長度過短時，駕駛員需頻繁制動，降低車輛運行速度，以保證行車安全。

（2）平曲線半徑的影響。

一般情況下，平曲線半徑越大，車輛運行速度越快，但是平曲線半徑對不同車型運行速度的影響程度不同。比如小客車的自重較輕，動力性能好，運行速度受平曲線半徑影響大；而大貨車的自重大，動力性能相對較差，運行速度受平曲線半徑影響小。

（3）縱坡的影響。

縱坡對車輛運行速度的影響較大，且上坡段和下坡段的影響機理不同。在上坡路段，車輛會受到驅動力及空氣、路面、慣性等產生的阻力，車輛運行可視作加速度大小固定的勻減速運動，力學方程可用式（1）表達[1]：

T=Rw+Rr+Rl （1）

式中：T——驅動力（kN）；Rw——空氣阻力（kN）；Rr——路面阻力（kN）；Rl——慣性阻力（kN）。

在下坡路段，車輛在自身重力作用下，重力勢能轉化為動能，車輛運行速度會增加，且運行速度增加至一定值后會趨于穩定。比如小客車下坡滑行會穩定115 km/h左右，大貨車下坡滑行會穩定在60～80 km/h。

（4）彎坡組合的影響

在部分山區路段，只能利用“平曲線+縱坡”的方案通過，車輛行駛時會同時受到曲線和縱坡的影響。如果在下坡時遇到曲線，尤其是小半徑曲線，駕駛員會認為這是高危路段，會降低車輛運行時速；如果前方遇到上坡，且平曲線半徑較大，車輛運行速度降低不明顯。

2 公路線形評價流程及要點分析

2.1 公路線形評價流程

公路線形是采用“分段評價”思想，即路線方案初步設計完成后，要先將待評價路段劃分為若干個評價單元，對其運行速度進行預測，再根據《公路項目安全性評價規范》（JTG B05—2015）對運行速度協調性進行評價，具體評價流程如圖1所示：

2.2 公路線形評價單元劃分

由《公路項目安全性評價規范》（JTG B05—2015）可知，公路線形評價單位可依據圓曲線半徑和縱坡，以低等級公路為例（二級公路、三級公路），具體劃分原則如表1所示[2]：

此外，隧道路段是指駛入隧道洞口前200 m至駛出隧道洞口后100 m，互通立交的主線路段為減速車道的漸變段起點至加速車道漸變段終點。

2.3 理論運行速度預測

（1）預測步驟。

公路各個線形評價單元運行速度的預測步驟如下：首先，確定第1個線形評價單元起點的初始運行速度（一般取設計速度），并根據評價單元類型選擇相應的運行速度預測模型，預測第1個線形評價單元終點的運行速度；其次，以第1個線形評價單元終點作為第2個線形評價單元的起點，利用運行速度預測模型預測第2個線形評價單元終點的運行速度；最后，不斷重復上述步驟，直至預測出最后一個分析單元終點的運行速度。

（2）平直路段運行速度預測。

對于短平直路段，可認為其起點和終點的運行速度不變，對于平直路段，需綜合考慮路段長度、車輛加速度、車輛期望速度等進行預測，見式（2）和式（3）[3]：

（2）

a=amin+（amax?amin）（1?vin ve ） （3）

式中：vout、vin——平直路段起點速度和終點速度（km/h）；a、amax、amin——分別為車輛加速度、最大加速度、最小加速度（m/s2）；ve——期望速度（km/h）。

（3）平曲線路段運行速度預測。

由于車輛在平曲線路段的行駛軌跡是不斷變化的，其運行速度預測時應從曲線中點分段，及分別預測曲線中點和曲線出口的運行速度，具體預測模型如表2所示：

（4）縱坡路段運行速度預測。

結合相關研究成果，車輛在上坡和下坡路段的運行速度應根據縱坡坡度進行折算[4]。

比如上坡路段，當縱坡坡度在3%～4%，小客車和大貨車的運行速度應每1 000 m分別降低5 km/h、10 km/h直至最低運行速度；當縱坡坡度＞4%，小客車和大貨車的運行速度應每1 000 m分別降低8 km/h、20 km/h直至最低運行速度。

比如下坡路段，當縱坡坡度在3%～4%，小客車和大貨車的運行速度應每500 m分別增加10 km/h、7.5 km/h直至期望速度；當縱坡坡度>4%，小客車和大貨車的運行速度應每500 m分別增加20 km/h、15 km/h直至期望速度。

（5）彎坡路段運行速度預測。

在彎坡組合路段，車輛運行速度同時受圓曲線、縱坡的影響，因此在預測運行速度時不僅要從曲線中點分段，還要區分上坡、下坡，具體預測模型如表3所示：

3 公路線形評價實例分析

（1）工程概況。

該文研究對象為省道公路，其路線全長32.6 km，起點和終點均與地方道路相接，總體走向為南北向，起訖樁號為K0+000～K32+600，設計洪水頻率為1/50，設計等級為二級公路，雙向兩車道，設計速度為40 km/h，橫斷面寬度為8.5 m（0.75 m土路肩+3.5 m行車道+3.5 m行車道+0.75 m土路肩），橫坡為2%。目前，路線初步設計方案基本確定，最小直線長度為200 m、最小圓曲線半徑為220 m、最小縱坡為0.6%、最大縱坡為5.2%、最小坡長為150 m，為保證路線線形設計質量，擬基于上述運行速度預測方法評價路線協調性。

（2）線形評價標準。

該文利用同一路段運行速度V85和設計速度V差值的絕對值ΔV=|V85?V|來分析線形協調性。當ΔV<20 km/h，說明線形協調性好；當ΔV≥20 km/h，說明線形協調性不良[5]。

（3）線形評價結果。

基于2.2節的原則，將該公路劃分了40個評價單元，運行速度預測的數據量大，受限于篇幅，該文只針對危險性較大的彎坡路段開展分析。該公路沿線共有9處彎坡組合路段，分別編號為A～I，不同路段的運行速度預測結果如圖2所示：

彎坡組合路段的運行速度均小于設計速度。經計算，得到A～I路段的ΔV分別為5.0 km/h、2.0 km/h、1.0 km/h、4.5 km/h、8.0 km/h、15.0 km/h、11.5 km/h、20.5 km/h、7.5 km/h。由此可知：除H路段外，其他路段的ΔV均小于20 km/h，則線形協調性好的路段占比為88.9%。對于線形協調性不良的路段，應調整線形，如布線條件受限，可增加安全保障設施，比如限速標志、危險標識、視線誘導設施等。

4 結論

該文主要分析了公路理論運行速度的影響因素、預測模型，并以某二級公路為研究對象開展案例分析，得到了以下幾個結論：

（1）公路運行速度是V85可能大于或小于設計速度，受直線長度、圓曲線半徑、縱坡等線形參數的影響較大。

（2）公路線形評價前，要先按圓曲線半徑和縱坡將其劃分為若干個平直、平曲線、縱坡、彎坡組合路段，并根據相應的預測模型來預測各個路段起點和終點的運行速度。

（3）公路線形協調性可用ΔV=|V85?V|評價，盡可能將ΔV控制在20 km/h內，否則應調整線形或增加安全保障設施。

參考文獻

[1]伍華勇，賀陽.運行速度及其在公路路線設計中的應用分析[J].交通世界，2023（19）：79-82.

[2]王路.道路線形設計指標選用及安全評價研究[D].南京：東南大學，2017.

[3]李鑫磊.基于車輛行駛仿真的道路線形安全評價研究[D].濟南：山東建筑大學，2016.

[4]龍立敦，符鋅砂，秦濤.基于理論運行速度的公路設計線形安全性實時評價系統設計[J].中外公路，2015（5）：329-333.

[5]趙金鳳.山區高速公路線形使用質量綜合評價研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

收稿日期：2024-04-15

作者簡介：王磊剛（1991—），男，本科，工程師，從事公路勘察設計工作。