高速公路平纵组合路段设计关键技术研究

2022-04-15陈永凯

交通科技与管理 2022年7期

陈永凯

摘要平纵组合线形是控制高速公路设计质量的主要因素，是确保车辆行驶安全、平稳、舒适的基础。鉴于此，文章首先分析了高速公路平纵组合线形的基本形式和设计原则，随后分析了路拱横坡、超高过渡段、纵断等路面排水能力的影响，并得到了不同竖曲线半径下高速公路排水不畅路段的计算长度，最后利用道路仿真软件Ucwinroad对不同坡度差下驾驶员的扫视时间与停滞时间的变化规律进行分析，研究成果可为类似的高速公路平纵组合设计提供一定的理论指导。

关键词高速公路;平曲线;竖曲线;组合形式

中图分类号 U412.3 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0094-03

0 引言

随着我国基础交通设施的持续完善，高速公路作为推进区域经济发展和交流的重要紐带，其设计施工步伐也日益加快。高速公路的路线线形是一种三维立体线形，由平面、纵断面、横断面参数共同确定。由于高速公路的横断面指标取值较固定，故平纵组合线形是控制高速公路设计质量的主要因素。目前，国内外学者及工程技术人员也针对公路线形组合设计展开了部分研究，如宋灿灿等[1]依托驾驶仿真试验模，构建了高速公路平曲线设计的合理性评价指标体系，选择小波理论和高频能量比对驾驶员操作负荷展开了探讨，并在工程实例中得到了良好的验证;岳川等[2]以汕昆高速公路龙怀段路线为研究对象，通过力学分析、计算机建模等手段，系统地分析了影响高速公路行车的各种因素及线性组合的合理性和经济性;丰明洁等[3]依托湖南省永吉高速公路，利用模型驾驶试验分析了平曲线凸曲线段和平曲线凹曲线段的排水效果和视觉效果，利用多元线性模型对驾驶模拟数据进行整合分析，并结合横向加速度分布特征得到该高速公路的安全评价函数。因此，研究高速公路公平纵组合线形设计的关键技术具有十分重要的工程意义。

1 公路平纵线形组合设计的形式及基本原则

1.1 平纵线形组合形式

高速公路平纵组合线形基本形式包括直直、直凹、直凸、平直、平凹和平凸等[4]，其中直直组合线形坡度单一，视觉舒顺，但易产生视觉疲劳，应通过完善标志标线或绿化以诱导视线;直凹组合线形通行条件较好，视距满足要求，设计时应尽可能避免凹形竖曲线长度过小;直凸组合线形视距问题较大，对设计指标要求较高;平直组合线形为单一坡度的弯坡组合线形，平曲线半径和纵坡符合规范即可，但应检查合成坡度是否满足道路排水;平凹、平凸组合线形较为复杂，不仅线形指标要满足规范要求，还需解决排水、视距、视觉和超高等问题。

1.2 平纵线形设计的基本原则

高速公路设计速度不同，对平纵组合线形指标要求也各有差异，判断路线平纵组合的合理性可以从视线引导和合成坡度控制两方面综合考虑，具体如下[5]：

1.2.1 线形组合流畅，行车平稳安全

良好的平纵线形组合并不是设计指标高，而是首先确保驾驶员视觉上的连续性，能充分利用自然环境来引导驾驶员视线，缓解疲劳和紧张。高速公路各车道均应有足够视距，保障行车的平稳连续，使得存在障碍物或迎面来车时，驾驶员可以反应及时。同时，高速公路是一个三维带状物，曲线、纵断面、沿线边坡等因素均会干扰视距。

和传统的平面视距计算相比，三维空间视距是基于空间两点通视原理，计算过程更加直观，即先确定两点，其中一点为驾驶人员视点，另一点为具有一定高度的障碍物，随后判断两个空间点的连线间视线是否被遮挡，如图1所示：

1.2.2 合成坡度控制

高速公路平纵组合线形的合成坡度对车辆行驶的平稳安全、路面排水等有很大的影响，合成坡度过大，可能出现侧滑、侧翻等安全事故。合成坡度过小，容易导致路面排水不畅。因此，在控制组合线形的合成坡度时，应综合考虑纵坡值和平曲线半径。

2 公路平纵组合设计对路面排水的影响

2.1 路拱横坡和超高过渡段

高速公路的路拱横坡一般比路肩横坡小1%～2%，并与气候、地形等自然条件结合。其中，整体式路基的路拱为双向横坡（中间高，两侧低），横坡大小可根据路面潮湿状况确定;分离式路基路拱应当尽量选择单向横坡（一侧高一侧低）。

高速公路超高过渡段的外侧车道存在一个零坡断面，此时过渡段渐变率太小可能导致横坡接近零的路段长度增加。若过渡段的渐变率<1/330，纵坡坡度较小，则合成坡度也较小，会对路面排水的通畅性产生一定程度的不利影响。此外，在高路公路设计期间必须重视合成坡度检验，一般当纵坡值大于0.5%，超高过渡段的所有断面合成坡度均可以满足路面排水要求，此时可不考虑路基横断面的排水影响因素[6]。同时，高速公路路面排水不畅路段长度的计算可按下式：

（1）

（2）

式中：——合成坡度;——超高横坡;——路线纵坡;——路面排水不畅路段长度;允许的最小合成坡度;——临界长度。

2.2 纵断面设计

纵断面指标（纵坡、竖曲线半径）选择的优劣会直接影响到路面排水通畅，其中纵坡是控制合成坡度的关键因素，主要原因在于：高速公路路基横坡大小稳定，即在某一里程范围内横坡取值往往是固定的，此时纵断面坡度提高，道路的合成坡度也随之增加，增强路面的排水能力。反之，当纵坡小于0.3%时，合成坡度较小，路面排水主要依靠横坡，容易导致外侧车道或硬路肩雨水滞留和侵蚀现象。

对于大半径的全凹形、全凸形竖曲线，其变坡点处纵坡不满足《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）要求的路段长度大于普通路段，不同竖曲线半径下高速公路排水不畅路段长度的计算公式如下：

（3）

式中：——满足要求的最小纵坡长度;——竖曲线半径;——路线最小纵坡。按照该公式计算出的（路线最小纵坡取0.5%和0.3%）排水不畅路段长度如表1所示：

计算结果表明，不同设计速度下，全凹形、全凸形竖曲线的排水不畅路段长度与竖曲线半径呈正相关关系。因此，为了提高高速公路排水能力，不能一味地用高指标来提高线形的平坦性和通视性，在路线平纵组合设计时可以适当减小竖曲线的半径，并尽可能地符合“平包竖”的要求（见图2）。

3 公路平纵组合设计中的视觉分析

高速公路平纵组合线形的形式不同，驾驶员视觉判断也各有差异，如果平曲线和纵断面线形配合不均衡，会使驾驶员在车辆前行期间出现错觉。利用道路仿真软件Ucwinroad对不同平纵线性组合下的视觉效果进行分析，并提出了掃视时间与停滞时间的概念。其中，扫视时间指的是驾驶员眨眼或转移视线的时间间隔，扫视时间越短，驾驶员对外界反应越强烈;停滞时间反映了驾驶员对前方路况辨识时间越长，停滞时间越长，注意力越集中。以竖曲线（凹形或凸形）半径取400 m，前后坡差从4%逐渐增加到9%时的平纵线形组合开展仿真模拟试验[7]，得到了不同坡度差下驾驶员的扫视时间与停滞时间的变化规律如图3、图4所示：

由图可知：当平曲线与凸形竖曲线组合时，在前后有坡差的路段，驾驶员的平均扫视时间相对无坡差路段更短。当前后坡差小于3%时，驾驶员的平均扫视时间随着前后坡差的增加出现了明显降低趋势。但当某一路段前后坡差超过3%时，驾驶员的扫视时间处于一种相对稳定的状态，保持在50 ms左右。这种现象表明：随着前后坡差的增加，凸形竖曲线会使得驾驶员的视距不断减小，容易使驾驶员产生紧迫感，当出现突发状况时，难以及时反应，对行车安全产生不利影响[8]。

试验结果表明：当坡度差为0%时，驾驶员视线停滞时间较小，平均在1 000 ms以下。当前后坡度差为9%时，最大视线停滞时间为5 235 ms。同时，在行驶时间相同的情况下，随着坡度差的增加，驾驶员视线停滞时间也随之增加。这说明随着坡度差的增大，驾驶员的“茫然感”也持续增加，不利于正确判断公路实际状况，可能存在较大事故隐患。

4 结语

该文深入分析了高速公路平纵组合线形设计的基本原则及对路面排水、驾驶员视觉等方面的影响，主要得到以下几个方面的结论：

（1）高速公路平纵线形组合的基本形式包括类型有直直、直凹、直凸、平直、平凹和平凸等，设计时应控制好合成坡度，并确保线形组合流畅，行车平稳。

（2）高速公路路基横坡大小较稳定，提高纵坡使合成坡度增大，有利于路面排水。同时纵坡小于0.3%时，合成坡度较小，路面排水主要依靠横坡，容易导致外侧车道或硬路肩雨水滞留和侵蚀现象。

（3）高速公路平纵线形组合时，不能一味地用高指标来提高线形的平坦性和通视性，还要适当减小竖曲线半径来提高路面排水能力，并尽可能地符合“平包竖”的要求。

（4）随着坡度差的增加，驾驶员视线停滞时间和平均扫视时间也随之增加。但当前后坡差超过3%时，驾驶员的平均扫视时间基本保持在50 ms左右。

参考文献

[1]宋灿灿，郭忠印，乔亚丹. 高速公路平曲线标志标线组合设计评价指标[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2018（7）： 913-919+981.

[2]岳川. 高速公路平纵组合路段设计技术研究[D]. 西安：长安大学， 2018.

[3]丰明洁，王婷，王雪松，等. 山区高速公路平纵组合路段设计安全评估[J]. 北京工业大学学报， 2018（6）： 919-925.

[4]杨帆. 高速公路纵面线形指标及其组合与交通安全关系研究[D]. 西安：长安大学， 2018.

[5]张晴. Frenet框架下的公路几何线形空间特性[D]. 长沙：中南大学， 2014.