道路線形設計指標選用及安全評價研究

摘要 為保證道路工程的線形設計水平，該文從直線長度、圓曲線半徑、超高加寬、回旋線長度等方面分析了平面線形指標的選用，從縱坡坡度、豎曲線半徑等方面分析了縱斷面線形指標的選用，從路拱橫坡、路肩寬度等方面分析了橫斷面線形指標的選用，同時基于運行速度，對某二級公路的線形的安全性進行評價，研究成果可為道路路線設計提供理論指導。

關鍵詞 公路工程；設計指標；道路線形；安全評價

中圖分類號 U412 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0041-03

0 引言

道路工程是我國基礎設施投資的重要組成，其建設里程逐年增加，隨之而來的交通事故也越來越多，且很多事故都與道路線形不合理有關。道路工程屬于三維線性構造物，由平面、縱斷面、橫斷面線形共同組成，任何一種線形不合理都會影響駕駛員的心理、視距等，從而引發交通事故，同時諸多道路項目在設計時只考慮線形指標是否滿足規范，而不重視線形的安全性，因此結合規范進一步研究道路線形設計指標選用及安全評價具有重要意義。

1 道路線形關鍵設計指標選用

1.1 線形指標類型

道路線形指標選擇應具有一定的靈活性。《公路靈活性設計指南》中指出道路線形指標要盡量滿足規范要求，但也要考慮道路運行條件、周邊環境、經濟成本等制約因素，如果某一線形指標提高需對周邊環境產生嚴重破壞或耗費較大的成本，則經專家論證后線形指標可適當突破規范[1]。

《公路路線設計規范》（JTG D20—2017）是我國道路線形設計的強制性準則，其對平面、縱斷面、橫斷面線形有系統的分類，如表1所示：

1.2 平面線形指標選擇

（1）直線長度

直線能以最短距離來連接道路上的兩個控制點，但直線線形缺乏變化，難于與地形相適應，尤其是在山嶺重丘區的公路，采用直線線形會導致工程量大、對自然環境破壞大等問題。

當直線長度過長時，會使駕駛員產生心理煩躁，注意力不集中，容易超速行駛等問題，根據相關研究，在不需超車的條件下，車速超過97 km/h持續3 min就會使駕駛員煩躁。路線線形設計規范對直線最大長度未給出明確值，僅規定“直線長度不宜過長”。該文認為直線長度應結合地形、環境設置，且不宜超過20V（V為設計速度，單位km/h，下同）。如布線條件受限，必須采用大于20V的長直線，應在沿線增加駕駛警示標志[2]。

同時，相鄰圓曲線以直線徑向相接時，其長度不宜過短，否則會形成“斷臂”曲線，破壞線形的連續性。當V≥60 km/h時，同向圓曲線間最小直線長度應大于6V，反向圓曲線間最小直線長度應大于2V；當V<60 km/h時，最小直線長度可適當放寬。

（2）圓曲線半徑

各級公路在方向改變的地方都需設計圓曲線，與轉角大小無關，車輛經過圓曲線時，其運行速度會降低。在小半徑曲線附近，車輛運行速度降低快，事故率高，主要原因在于：一方面，曲線半徑小，使駕駛員視距受限，一旦前方遇到突發狀況，駕駛員無法及時作出正確反應；另一方面，車輛在小半徑曲線路段受到離心力大，當離心力超過車輛輪胎與路面摩阻力，車輛容易側翻或滑移。

為了保證行車安全，需控制圓曲線半徑R。R的理論計算公式見式（1）：

R≥ V2 127（u+f） （1）

式中：R——圓曲線半徑（m）；V——設計速度（km/h）；u——超高橫坡（%）；f——橫向力系數，取0.5～0.6。

道路線形指標選擇前，設計速度是已知的，故圓曲線最小半徑取決于超高橫坡和橫向力系數，公路上超高橫坡一般取4%、6%、8%、10%，橫向力系數應小于0.1（駕駛員轉彎感受不到曲線存在）。將上述參數代入式（1），并將計算結果取整，可得到圓曲線半徑規范值，如表2所示[3]：

（3）圓曲線超高和加寬

當道路路拱橫坡發生變化，必須設置超高過渡段，對于沒有中間帶的低等級道路，可將外側車道繞中心線旋轉或繞內側車道邊緣旋轉；對于有中央分隔帶的高速公路或一級公路，可沿中央分隔帶邊緣旋轉，如圖1所示。超高過渡宜采用線性過渡方案，并盡量在回旋線全長范圍或某一區段范圍內完成，且縱向漸變率要大于1/330[4]。

對于二級及以下的低等級公路，當圓曲線半徑R≤250 m時應在曲線內側進行加寬。以雙車道道路為例，其加寬可劃分為3類，具體加寬值應結合道路功能、車輛類型等確定，并滿足以下要求：當二級公路發揮干線功能時應選用第3類加寬值；當二級公路發揮集散功能或三級公路選用第3類加寬值（考慮鉸接車）或第2類加寬值（不考慮鉸接車）均可；四級公路或等外路，可選用第1類加寬值。

（4）回旋線長度

道路的直線與圓曲線間或大、小半徑圓曲線間需設計緩和曲線，以實現線形過渡，動態調整車輛行駛軌跡。根據《公路路線設計規范》（JTG D20—2017），緩和曲線宜選用回旋線，且長度不宜過短，從理論角度來看，道路回旋線長度可利用式（2）計算：

Ls= v 3.6 t （2）

式中：Ls——回旋線長度（m）；t——車輛在緩和曲線上的行駛時間，一般取3 s。

當道路設計速度為40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h時，代入式（2）可得回旋線的最小長度計算值，取整后即為規范值，如表3所示：

1.3 縱斷面線形指標選用

（1）縱坡坡度

縱斷面的最小縱坡要能滿足路面排水要求，其取值不宜小于0.3%，且與橫坡合成后的合成坡度不宜小于0.5%。否則，應對邊溝開展縱坡排水設計。

縱斷面的最大縱坡計算主要是依據車輛爬坡能力確定，并在高海拔地區進行適當修正，見式（3）和式（4）[5]：

i=λD?f （3）

D=（f+i）+aδ g （4）

式中：i——最大縱坡（%）；λ——海拔修正系數；

f——摩擦力系數；D——動力因子；a——加速度（m/s2）；

δ——慣性力系數；g——重力加速，取9.81。

跨徑<30 m的小橋，其縱坡可隨路線縱坡設計，而大中橋的縱坡不宜超過4%。當橋梁處于交通量大的路段或易積雪結冰路段，縱坡需適當減小，同時隧道段最大縱坡需考慮汽車廢氣排放量，一般不超過3%。

（2）豎曲線半徑

豎曲線是縱斷面線形設計關鍵，可用于緩和縱坡突變，提高行車舒適性和安全性，豎曲線包括凹形豎曲線和凸形豎曲線兩類，宜采用大半徑圓曲線。因此，豎曲線的設計與圓曲線類似，主要控制半徑大小。以凸形豎曲線為例，如果其半徑過小，駕駛員經過曲線頂點時會存在視線盲區，并產生“懸空感”，為了保證行車安全，凸形豎曲線的最小半徑要滿足表4所示：

1.4 橫斷面線形指標選用

（1）路拱橫坡

傳統的道路路拱多采用2.0%的雙向橫坡，這對于路面寬度較小的低等級公路排水是有效的，但對于路面較寬的高速公路或一級公路而言，單向排水路徑過長，排水效果有待商榷。鑒于此，該文提出來一種新型路拱設置方式，即在道路縱坡>0.3%時，可在中央分隔帶兩側各增設一條路拱線，橫坡分別朝向中央分隔帶和路面外側，如圖2所示：

（2）路肩寬度

合理的路肩寬度能供車輛緊急停車、避險，體現出了寬容性設計理念，相關研究表明：硬路肩寬度增加會提高行車安全性，但當硬路肩寬度超過某一臨界值后，行車安全性基本不再變化。在道路線形設計時，應結合設計速度、道路功能等確定硬路肩寬度，具體要求如下：對于高速公路和一級公路（干線功能），硬路肩宜取3.0 m；對于一級公路（集散功能）和二級公路，硬路肩宜取1.5 m或0.75 m；對于三級公路和四級公路，可不設計硬路肩。

2 道路線形安全性評價

研究對象為某省內的國道項目，其路線全長32.5 km，設計標準為二級公路，設計速度為60 km/h，設計荷載為公路-Ⅱ級，橫斷面為雙車道，寬8.5 m，設置2%的雙向橫坡，路面為瀝青路面。該道路是省內交通網的重要規劃之一，沿線存在多處自然保護區和村鎮，建設用地緊張，征地拆遷困難，為打造示范性道路工程，在確定路線設計方案后，擬從線形指標和線形協調性兩方面開展安全性評價。

2.1 線形設計指標評價

利用緯地道路軟件V8.0導出了該道路的關鍵線形指標，并將其與規范值進行對比，見表5：

2.2 線形協調性評價

車輛在道路上的運行速度不一定等于設計速度，線形設計指標可能不適用，從而導致安全事故，根據《公路項目安全性評價規范》（JTG B05—2015），可將路線按縱坡、圓曲線半徑劃分為若干個評價單元（平直、平曲線、縱坡、彎坡組合等），并基于運行速度預測結果來評價路線安全性。當運行速度與設計速度差值絕對值|ΔV85|小于20 km/h，線形安全性好；反之，線形安全性不良，需繼續優化線形指標或設置警示標志。

以該公路的彎坡組合路段為例，不同路段的運行速度見圖3：

該公路在A～E路段的運行速度均大于設計速度，其與設計速度的差值分別為5 km/h、0 km/h、6 km/h、2 km/h、10 km/h，均小于20 km/h，說明線形安全性好。

3 結論

該文主要依據現行路線設計規范研究了道路線形指標的選用方法及安全性評價方法，研究成果表明：第一，道路平面線形中的直線長度和圓曲線不宜過大或過小，并需結合等級、功能等選擇合理的超高旋轉軸和加寬類別。第二，道路縱斷面最小坡度不宜小于0.3%，最大縱坡宜結合車輛爬坡能力確定，且豎曲線半徑不宜過小。第三，在公路路面較寬、且縱坡>0.3%時，可通過增設路拱線優化橫坡，以提高道路排水效果。第四，道路線形安全性可基于線形指標和運行速度進行評價，并將運行速度與設計速度的差值控制在20 km/h內。

參考文獻

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[2]張爍，郎君，鞠永高.山區公路長隧道路段安全評價及線形優化研究[J].公路與汽運，2020（3）：42-45.

[3]梁士帥.基于運行速度與車路耦合的彎坡路段線形安全研究[D].重慶：重慶交通大學，2018.

[4]甘辛欣，王磊，王更，等.我國干線公路線形設計中的安全性評價研究[J].河南科技，2017（11）：135-137.

[5]劉巖，楊洋.基于道路三維線形指標的安全評價研究[J].現代交通技術，2014（2）：53-56+71.

收稿日期：2024-03-29

作者簡介：劉勤勤（1990—），女，本科，工程師，從事道路設計工作。