提高高速公路限制速度方案研究

田华，冯坚，沈光辉

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530000)

1 工程概况

目前高速公路普遍基于设计速度确定技术指标和最高限制速度。但基于设计速度方法控制的是设计指标的最低值，大部分路段的平纵横指标均高于最低值，设计速度作为最高限制速度不能充分发挥高速公路的运输效率。驾驶员期望速度与限制速度差别较大时，容易造成交通事故。交通强国建设背景下，人民群众对提高高速公路限制速度的要求强烈。但如果不考虑公路基础条件，盲目提高限制速度又降低了安全性。如何确定关键指标和相关工程措施，以确保满足安全前提下提高公路限制速度，是目前急需解决的难题。

目前中国对提高限制速度的关键控制性指标认识不一。有些高速公路甚至盲目地直接确定隧道路段不提速外，其余路段全部提速，给项目后期运营安全带来了极大隐患。该文以某高速公路为实例，对各种论证指标进行计算分析，进而确定不能提速或者采取相应措施后可以提速，确保提高限制速度后的行车安全。

某高速公路设计速度100 km/h，路基宽26 m，双向四车道。路线全长63.6 km，设置3处落地互通、1处枢纽互通，服务区、停车区各1处，特长隧道3座，长隧道1座，中隧道5座，如图1所示。

图1 路段概况图

对于高速公路，一般以原设计速度提高一个等级作为核查标准。初步拟定核查基本限速值为120 km/h，按该速度对全线的平纵面、横向力系数、停车视距、互通服务区、路侧安全净区等指标进行论证计算分析。根据《道路交通安全法实施条例》第七十八条规定“高速公路上行驶的小型载客汽车最高速度不得超过120 km/h，其他机动车不得超过100 km/h”，即大型车最高行驶速度不得超过100 km/h。由于项目设计速度为100 km/h，已满足大型车按最高100 km/h行驶的技术要求，故不再对大型车进行提高限制速度论证。只对小客车按初定核查基本限速值120 km/h进行论证分析。

2 主线平纵面、横向力系数指标

2.1 圆曲线指标

圆曲线最小半径是以汽车在曲线上安全顺适行驶为条件确定。汽车行驶速度提高后，其圆曲线半径大于规范对应速度的最小值即可保证汽车行驶安全舒适性。项目圆曲线半径最小值为R=1 120 m，大于120 km/h时圆曲线最小半径一般值1 000 m[1-2]。圆曲线指标满足小客车120 km/h的运行要求。

2.2 纵坡及坡长指标

项目最大纵坡3%，纵坡坡度均满足核查基本限速值120 km/h时最大纵坡3%的要求。K29+605～K30+605、K40+740～K41+740路段纵坡3%，坡长1 000 m，超过规范[1-2]120 km/h的最大坡长900 m的要求。根据研究[1,3-4]，规范值是根据两轴载重货车的行驶性能为基础提出的最大坡度、最大坡长限制值。小客车由于加速和制动性能均优于两轴载重货车，在小于等于3%的坡度上行驶特性与平直路段上行驶特性类似，在超过800 m长度后其速度基本稳定在100 km/h附近。坡度小于3%时，规范[1-2]限制的最大坡长对小客车不适用。项目3%的纵坡坡长超过仅100 m，对小客车提速至120 km/h行驶无影响。

2.3 竖曲线半径及长度指标

竖曲线是为了缓和车辆动能变化而产生的冲击和保证视距。汽车行驶速度提高后，其竖曲线半径和长度大于规范[1-2]对应速度的最小值即可保证汽车安全行驶。项目最小凸形竖曲线半径为16 000 m(变坡点K35+535，竖曲线长度448 m)；最小凹形竖曲线半径为16 500 m(变坡点K49+155，竖曲线长度396 m)；竖曲线长度最短为348 m(变坡点K45+410)。竖曲线半径、长度大于规范中基本限速值120 km/h的最小值，满足小客车运行要求。

2.4 横向力系数指标

车辆行驶时产生的离心力不能超过轮胎与路面的侧向摩阻力。行驶速度提高时其离心力随之提高，可能会造成车辆横向滑移，影响行车安全，横向力系数(车辆受到的横向力与法向力之比)不能过大。综合车辆行驶舒适性和安全性，横向力系数μ应不大于0.15[5]。横向力系数的计算按式(1)：

(1)

式中：μ为横向力系数；v为核查基本限速值(km/h)，取120 km/h；R为圆曲线半径(m)；i为超高横坡度(%)，正超高时，取“-”，反超高时，取“+”。经计算，当R=1 120 m(超高4%)时，横向力系数最大，为0.061。该项目横向力系数μ均小于0.15，满足小客车120 km/h运行要求。

项目平纵面、横向力系数指标中，仅纵坡坡长超过规范[1-2]要求，而研究[1,3-4]论证表明3%以下坡度和坡长指标对小客车运行影响不大，可以满足小客车提速至120 km/h运行要求。如果坡度大于3%且坡长超过规范[1-2]时，则应根据小汽车或载重汽车上坡、下坡运行速度计算分析，其运行速度应与核查基本速度之差小于20 km/h，方能满足提速要求。

3 停车视距指标

建筑限界规定[1-2,6]，高速公路桥梁、短隧道与路基同宽，中、长、特长隧道断面与路基不同。该项目无短隧道，分路基、桥梁段和隧道段两种不同断面宽度进行小客车120 km/h时停车视距指标论证。小客车速度120 km/h时，停车视距为210 m,驾驶员视点高度取高出路面1.2 m，目标物体(障碍物)取高出路面0.1 m[1-2]。

3.1 路基、桥梁段停车视距核算

整体式路基宽26 m，分离式路基各宽13 m，断面形式如图2、3所示。分为车辆左转和右转分别进行停车视距核算。

图2 整体式路基标准横断面图(26 m)(单位：cm)

图3 分离式路基标准横断面图(13 m)(单位：cm)

3.1.1 路基、桥梁段车辆左转停车视距核算

车辆左转时，阻挡视点与目标之间视线的物体为路基中央分隔带护栏或桥梁内侧护栏[7-9]，见图4。根据规范[1-2]，取驾驶员视点、目标(障碍物)位置均位于靠近中央分隔带一侧行车道中心线上。行车道中心线(视点和目标)至遮挡物(护栏)的距离，即整体式路基现有横净距=行车道宽度/2+路缘带+路侧净距=3.75/2+0.75+0.25=2.875 m，分离式路基现有横净距=行车道宽度/2+左侧硬路肩=3.75/2+1=2.875 m，二者现有横净距相同，均为2.875 m。

图4 路基、桥梁段左转停车视距核算示意图(单位：m)

计算可得，当路线设计中线半径小于1 920 m时，小客车120 km/h左转计算需求横净距大于2.875 m，视线被护栏遮挡，核算结果见表1。起点—终点方向，路基、桥梁段小客车左转停车视距不满足路段总长6 916 m,占总长45 819 m(扣除隧道里程)的15.09%。终点—起点方向，路基、桥梁段小客车左转停车视距不满足路段总长7 046 m,占总长45 631 m(扣除隧道里程)的15.44%。

表1 小客车左转停车视距不满足路段

3.1.2 路基、桥梁段车辆右转停车视距核算

车辆右转时，阻挡视点与目标之间视线的物体为填方路基或桥梁外侧护栏，如图5所示[7-9]。根据规范[1-2]，取驾驶员视点、目标(障碍物)位置均位于靠近右侧硬路肩行车道的中心线上。行车道中心线(视点和目标)至遮挡物(护栏)的距离，即整体式路基和分离式路基现有横净距相同，均为：行车道宽度/2+硬路肩=3.75/2+3=4.875 m。

图5 路基、桥梁段右转停车视距核算示意图(单位：m)

计算可得，当路线设计中线半径小于1 135 m时，小客车120 km/h右转计算需求横净距大于现有横净距4.875 m，视线会被护栏遮挡，核算结果见表2。起点—终点方向，小客车右转视距不满足路段总长445 m，占总长45 819 m(扣除隧道里程)的0.97%。终点—起点方向，小客车右转视距不满足路段总长1 803 m,占总长45 819 m(扣除隧道里程)的3.95%。

表2 小客车右转停车视距不满足路段

3.2 隧道段停车视距核算

项目无短隧道，中、长、特长隧道的建筑限界图如图6所示[2,6]。隧道单洞双车道行车道宽度7.5 m，左侧侧向宽度L左=0.75 m，右侧侧向宽度L右=1.0 m。

图6 隧道建筑限界图(单位：cm)

检修道宽度J=0.75 m，检修道高度d=0.35 m。分为车辆左转和右转分别进行停车视距核算。

3.2.1 隧道段车辆左转停车视距核算

汽车左转时，阻挡视线的物体为检修道或墙体，如图7所示。但由于检修道高度仅为0.35 m，由图7可见：在一定范围内，视点到目标之间的视线仍然会高于检修道高度，即只有墙体会造成遮挡。取驾驶员视点、目标(障碍物)位置均位于靠近左侧硬路肩一侧行车道中心线上，行车道中心线(视点和目标)至遮挡物(护栏)的距离，即现有横净距为3.75/2+0.75+0.75=3.375 m。

计算可得，当隧道路段设计中线半径小于1 629 m时，小客车120 km/h时左转停车视距计算需求横净距大于3.375 m，视线会被墙壁遮挡。核算结果如表3所示。隧道路段，小客车左转时，起点—终点方向不满足视距路段总长810 m,占总隧道里程长度(17 797 m)的4.6%；终点—起点方向不满足视距路段总长1 250 m，占总隧道里程长度(17 721 m)的7.1%。

表3 小客车隧道内左转停车视距不满足路段

3.2.2 隧道段车辆右转停车视距核算

汽车右转时，阻挡视线的物体为检修道或墙体，如图8所示。但由于检修道高度仅为0.35 m，由图8可见：在一定范围内，视点到目标之间的视线仍然会高于检修道高度，即只有墙体会造成遮挡。取驾驶员视点、目标(障碍物)位置均位于靠近右侧硬路肩行车道中心线上，现有横净距为行车道中心线(视线)至遮挡物(检修道)的距离为3.75/2+1+0.75=3.625 m。计算可得，当隧道路段设计中线半径小于1 527 m时，小客车120 km/h时计算需求横净距大于3.625 m，视线会被墙壁遮挡。全线隧道路段半径均大于1 527 m，隧道路段小客车120 km/h时右转停车视距均满足要求。

图8 隧道段右转停车视距核算示意图(单位：m)

小客车速度100 km/h时，小客车停车视距[1-2]为160 m,原道路断面无需加宽，现有横净距均可满足停车视距要求。小客车120 km/h左转时，停车视距[1-2]为210 m,路基、桥梁段左转停车视距范围内视线被中央分隔带护栏遮挡，计算与现有横净距差值从0.457 m至2.027 m；隧道段左转停车视距范围内视线被墙壁遮挡，计算与现有横净距差值为0.061 m。受既有断面限制，中央分隔带或隧道断面无法进行加宽，因此对于左转停车视距不满足路段维持小客车原有100 km/h的限制速度；小客车120 km/h右转时，隧道段右转停车视距均满足。挖方段路基由于设置有盖板边沟和碎落台，现有横净距为8.125 m,该范围内不存在遮挡视线构造物，无需改造可以满足小客车120 km/h右转需求。填方路基、桥梁段有少部分段落右转停车视距不满足，计算与现有横净距差值0.08 m。由于差值较小，ZK42+491～ZK42+990、 K62+360～K63+196段可以采用将土路肩加宽0.08 m后护栏后移的方式满足小客车120 km/h右转需求。

4 互通服务区路段指标

相关研究[10-14]表明：车辆从主线流出至匝道路段，车辆速度和方向变化较为频繁，流出匝道段高速公路事故率较高。小客车120 km/h运行需对互通服务区主线和流出匝道路段指标分别进行核算。

4.1 互通服务区内主线平纵指标核算

互通范围内车辆运行条件复杂且变化频繁，驾驶员需要比正常路段更好的视线条件为车辆操作提供空间。互通服务区范围内主线采用比停车视距更长的识别视距来核查平纵指标，主要核查圆曲线半径、纵坡、竖曲线半径指标，如表4所示。互通范围内主线圆曲线最小半径主要是控制圆曲线外侧变速车道连接部的横坡差，最大纵坡主要是为流出车辆提供平稳减速运行条件，竖曲线最小半径是为了保证识别视距的需求[15-17]。

表4 基于识别视距的互通服务区范围内主线指标要求

经核算，如表5所示，十万山服务区、大菉停车区、华石互通主线圆曲线半径、纵坡、竖曲线半径均可以满足120 km/h车辆行驶要求。其余互通段落由于主线圆曲线半径小，弯道外侧变速车道连接部横坡差过大易导致安全事故，不能满足120 km/h车辆行驶需求。

表5 互通服务区内平纵值

4.2 互通服务区内流出匝道平纵指标核算

速度提高后，重点需要核算从主线高速过渡到匝道低速时流出匝道平纵面能否满足车辆运行状态。车辆从主线分流出至匝道，共经历渐变段用发动机制动减速、减速段用制动器减速和运行速度过渡段再次用制动器减速3个过程[15-17]。在渐变段时车辆从主线逐渐向外驶离，一般长度按变速车道(含路缘带)宽度除以渐变率计算，速度100 km/h(渐变率0.04)和120 km/h渐变率(渐变率0.044)差别不大，对车辆行驶影响不大。

减速段为渐变段终点至分流鼻端的路段，计算如式(2)：

(2)

式中：L为减速段长度；v0为减速段初始速度(km/h)；v1为鼻端通过速度(km/h)；α为减速度(m/s2)。

为保证安全，当车辆制动减速到鼻端时，匝道曲率半径和回旋曲线参数应大于v1的对应值。以单车道为例，计算结果如表6所示。当车辆速度提高至120 km/h时，在减速段长度不改变情况下，其分流鼻端曲率半径R应大于358 m，回旋线参数A应大于95 m。竖曲线半径则根据满足鼻端速度的停车视距计算而得，凸形竖曲线半径最小值为2 200 m，凹形竖曲线半径最小值为2 100 m。

表6 互通服务区内分流鼻端匝道平纵计算值

经核算，各互通、服务区匝道分流鼻端匝道曲率半径、回旋线参数、纵断面竖曲线半径均能满足小客车120 km/h时车辆运行要求。

根据主线和流出匝道平纵指标核算，十万山服务区、大菉停车区、华石互通主线和匝道均可以满足基本限速值120 km/h时车辆运行要求。

5 路侧安全净区指标

基于行车路侧宽容设计理念，为绝大多数因驾驶员过错驶出路外的车辆重返道路提供容错空间，路侧需要保持一定的安全净区宽度。中央分隔带距离行车道较近，安全净区宽度有限，只能设置护栏保证安全。路基右侧现有净区宽度是从最外侧行车道边缘线向外侧延伸至无障碍平缓区域，包括了硬路肩、土路肩和可利用的边坡[5-6]。如果现有净区宽度不能满足计算值，则需要增设护栏进行安全处理。该项目预测年限达到单向年平均日交通量15 630 pcu/d，圆曲线最小半径为1 120 m。根据规范[5-6]计算，结果如表7所示。在圆曲线半径大于1 100 m时，速度120、100 km/h路侧计算安全净区宽度相同。

表7 路基右侧计算安全净区宽度

整体式路基中央分隔带宽度为2 m，根据要求[5-6]均设置了中央分隔带护栏。分离式路基之间局部路段宽度大于12 m，均位于隧道进出口路段，为保证安全设置了左侧护栏，行驶速度100 km/h和120 km/h均满足安全要求；受基本农田保护政策和总用地控制，公路右侧土路肩外填方路段一般坡度最缓为1∶1.5,均陡于车辆可行驶返回的坡度1∶4,边坡上不能行车，不能作为有效宽度[5-6]。公路右侧填方路段的现有净区宽度为硬路肩3 m+土路肩0.75 m=3.75 m，满足不了最小9 m的路侧计算净区宽度，为保证安全均设置了右侧护栏，满足100 km/h和120 km/h行驶要求；对于挖方路段，一般路段的现有净区宽度为硬路肩3 m+土路肩0.75 m+盖板边沟宽度0.6 m+碎落台宽度1.9 m=6.25 m，挖方路段均设置了盖板边沟可以满足行驶速度100 km/h和120 km/h的路侧安全净区宽度要求。

6 限速方案调整配套措施

100 km/h设计速度的高速公路提速至120 km/h时，尚需要对提速路段的相关附属设施进行调整；对于核查小客车右侧停车视距不满足的填方路段，由于计算需求，横净距与实际横净距差值较少，ZK42+491～ZK42+990、 K62+360～K63+196段采用将土路肩加宽护栏后移0.08 m的方式满足小客车120 km/h右转需求。对于互通服务区，虽然主线和匝道指标可以满足计算值要求，但容错率降低，增设纵向减速标线、视线诱导标等标志标牌降低安全风险。隧道洞口路段增加设置横向振动减速标线以及彩色防滑铺装；设计速度100、120 km/h时，交通标志的字高、反光等级、护栏等级标准一致，对涉及时速的相关标志牌、标线文字内容进行更换后可以满足120 km/h行驶要求。按120 km/h的“建议车速”设置建议车速交通标志，待3年验收期后再根据实际运行车速和事故率确定是否更改为禁令限速标志。

7 总体限速方案

经过对平纵面、横向力系数、停车视距、互通服务区、路侧安全净区等指标进行核算，对有条件提速到核查基本限速值120 km/h的路段进行了论证。特长隧道、隧道群等段落因受通风、照明等技术指标、运行特征等条件的制约，无法通过标志、标线等交安工程的调整改造彻底消除安全风险，仍然保留为原设计100 km/h的限速路段。结合最小限速区间不得小于5 km，最终确定限速方案中一般路段，采用分车型限速，小客车限速120 km/h，大型车100 km/h；特殊路段所有车型限速100 km/h。最终方案如表8所示。

表8 限速路段设置

8 结论

(1) 高速公路平纵面、横向力系数、停车视距、互通服务区、路侧安全净区等指标为提高限制速度的控制性指标，经计算分析满足或者经改善道路基础条件后满足车辆提速后行驶条件方能提高限制速度。

(2) 圆曲线半径、竖曲线半径和长度应大于提高限制速度后规范对应的最小值，才能保证汽车行驶安全舒适性；纵断面坡度和坡长指标应根据汽车上坡、下坡运行速度进行计算，汽车运行速度变化不超过20 km/h，才能满足提高速度要求；提高速度后计算横向力系数应不大于 0.15。

(3) 车辆停车视距是保证行车安全的重要措施。车辆左转时视线被中央分隔带护栏或隧道墙壁遮挡，受既有断面限制，中央分隔带或隧道断面一般无法进行加宽，左转停车视距不满足的路段无法提速；车辆右转时视线被路侧护栏或隧道墙壁遮挡，由于右侧硬路肩宽度，现有横净距比左转时宽，对于路基填方段可采用将土路肩加宽后护栏后移的方式满足小客车提速需求，对于挖方段可采用设置盖板边沟或者增设护栏的方式满足提速需求。

(3) 互通服务区需要对主线和减速匝道运行条件进行核算，可以分析车辆在既有条件下流出主线后条件是否与提高速度后的运行速度适应。互通范围内主线圆曲线最小半径是控制圆曲线外侧变速车道连接部的横坡差，最大纵坡是为流出车辆提供平稳减速运行条件，竖曲线最小半径是为了保证识别视距的需求。匝道分流鼻端匝道曲率半径、回旋线参数、纵断面竖曲线半径需要满足车辆鼻端通过速度要求。

(4) 基于行车路侧宽容设计理念的路侧安全净区要求，行车方向左侧靠近中央分隔带，路侧安全净区宽度难以满足，只能设置中央分隔带护栏保证安全；行车方向右侧有硬路肩、土路肩、盖板边沟、碎落台等，填方段可以设置护栏保证安全，挖方段可以通过设置盖板边沟、加宽碎落台等措施满足提速后路侧安全净区要求。如因养护等原有考虑不设置盖板边沟，则需要设置护栏保证安全。