高速公路不良线形组合下防眩改善方案研究

刘安辉, 朱欢

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司, 贵州 贵阳 550000)

夜间行车对驾驶员最大的影响因素是光线照明,若防眩设施设置不合理,驾驶员因受对向来车强光灯眩光影响,视觉机能降低,极有可能引发交通事故[1]。早期修建的山区高速公路线形指标较低,平纵组合复杂。JTG D81—2017《公路交通安全设施设计规范》、JTG D20—2017《公路路线设计规范》对视距及防眩设施设置的要求单一[2-3],实际工程中通常按照固定高度和间距进行全线防眩板设置,难以满足不同线形组合、运行速度及中央分隔带宽度条件下防眩需求。尤其是小半径平曲线路段的停车视距较紧张[4-5],防眩设施的设置比直线路段要求更严格[6-7]。已有学者对公路弯道停车视距计算模型及防眩设施设置进行了研究[8-11],但未得出统一结论形成标准规范。依据实际工况提出符合不同线形组合的防眩设施间距及高度设置参考值并进行有针对性的防眩设计,对公路设计及交通安全具有重要意义。

1 工程概况

贵州省G60沪昆(上海—昆明)高速公路贵新段原为汽车专用(一级)公路,路基宽度21.5 m,双向四车道,后纳入高速公路管理。该路段提升为高速公路后,限速方案调整为小车100 km/h、其他车型80 km/h,由于交通流量增大,运行速度提升,事故频发,后期陆续进行了一系列安全设施改造提升。

下坝枢纽至大良田互通段夜间事故发生频率较高,该路段平纵线形显著低于JTG D20—2017《公路路线设计规范》规定的设计速度80 km/h下一般值(见表1),不良线形组合路段共计20处,长度占比约32%,综合线形指标较差(见图1)。

图1 贵新高速公路不良平纵线形典型路段

表1 贵新段线形指标选用情况及规范一般值

经现场调查,既有防眩设施多处存在高度不足、间距较大的问题,未能有效减少眩光现象;夜间行车时,对向来车强光灯产生的眩光严重干扰驾驶员的正常驾驶行为,驾驶舒适度降低,甚至引发交通事故。

2 防眩设施高度分析

从道路纵断面看,设置防眩设施的路段主要包括平直路段、直坡路段(上坡或下坡)、凹形竖曲线路段、凸形竖曲线路段,其中凹形竖曲线与小半径平曲线组合情况下,下坡车辆灯光与平曲线夹角最大,光线更易透过中央分隔带射入对向车道。

目前,对单一平曲线或竖曲线路段防眩高度的研究较多。对于平曲线路段,基于停车视距对防眩设施高度进行取值,防眩设施的设置易导致中央分隔带外侧超车道行车视距不足,中央分隔带越窄、平曲线半径越小,影响越大。因此,对于设置防眩设施的平曲线路段应进行停车视距分析,确保视距范围内无遮挡驾驶员视线的障碍物。可根据图2所示平面几何关系确定平曲线路段防眩设施高度限值,计算公式如下:

图2 平曲线路段防眩设施高度计算简图

(1)

(2)

(3)

式中:D为驾驶员至障碍物的直线距离(m);Rs为车辆行驶轨迹的半径(m);γ为驾驶员与障碍物通视直线与车辆行驶轨迹半径的夹角;h2为驾驶员视线高度(m);h为障碍物高度(m);S为驾驶员至障碍物的弧长距离(m)。

对于单一凹曲线路段,特别是小半径凹形竖曲线路段,两车在竖曲线底部相向行驶时,某两处的驾驶员互相能以高于防眩设施高度的角度看到对向车的前灯。在凹形竖曲线路段设置防眩板,可根据图3所示几何关系及特征点A、B、C的坐标计算驾驶员与防眩设施间的水平投影距离S1、对向来车与防眩设施间的水平投影距离S2,公式如下:

i1、i2为路线纵坡坡度图3 凹形竖曲线路段防眩示意图

(4)

(5)

式中:xA、yA,xB、yB,xC、yC分别为特征点A、B、C的平面坐标。

设特征点A、B、C的绝对高程分别为zA、zB、zC,任一桩号处中央分隔带防眩板的有效高度hp为:

(6)

式中:h1为汽车前照灯高度(m)。

平曲线-凹形竖曲线组合路段为上述线形组合路段。如图4所示,当两车均位于平曲线-凹形竖曲线内部时,防眩设施的防眩高度须同时满足平曲线路段和凹形竖曲线路段防眩要求。假定平曲线路段防眩高度为hp,凹形竖曲线防眩高度为hs,则平曲线-凹形竖曲线组合路段防眩板的有效防眩高度h应满足如下条件:

图4 平曲线-凹形竖曲线路段防眩设施示意图

hp≥h≥hs

3 防眩设施设置间距分析

平曲线路段曲线半径越小,防眩板的遮光角越大,防眩板设置间距越小。防眩板设置间距过大,不能满足防眩需求;过小则工程量增加,不经济。应结合线形条件对平曲线路段防眩板间距进行适当调整和优化。

JTG D81—2017《公路交通安全设施设计细则》中防眩设施设置间距建议值为0.5～1.0 m。参考文献[11],平曲线路段遮光角β按下式计算:

(7)

式中:R为平曲线半径(m);B3为车辆与防眩板之间的横向距离(m);β0为直线路段遮光角,β0=tan-1(d/L);d为防眩板宽度(m);L为防眩板纵向间距(m)。

如图5所示,根据平曲线路段防眩板遮光角、间距与宽度的关系,可推导出平曲线路段防眩板间距L计算公式:

图5 平曲线路段防眩设施设置间距计算示意图

(8)

根据平曲线半径,按式(8)可计算不同平曲线路段防眩板设置间距。

4 方案设计及应用

视距和线形组合是影响防眩板设置的关键因素。贵新段中央分隔带宽度仅1.5 m,且须设置护栏防护设施,为增大车辆与防眩板间的横向净距,拆除原分设型波形护栏,采用单片式混凝土护栏顶部安装防眩板方式,设计方案见图6。该方案在不降低中央分隔带护栏防护等级的条件下增加了单侧横向净距约20 cm,在同等视距要求下增大了无妨碍视线范围。

图6 贵新高速公路整体式混凝土护栏顶部设置防眩板示意图(单位:m)

综合考虑结构稳定性及经济性,防眩板横向宽度增大,工程投资、风荷载对防眩板的作用力增大,横向净距相应减小;防眩板过窄时,须减小防眩板间距、增加防眩板数量以达到防眩要求,相应工程量增大。该项目按照规范推荐值选取防眩板宽度为20 cm。选取典型不良线形组合路段计算防眩设施高度及间距,结果见表2。

表2 贵新段防眩设施设置优化

由表2可知:防眩板设置高度的下限为1.75～1.91 m,则防眩板的最低高度为0.75～0.91 m。为方便施工,推荐设置高度为0.95 m的防眩板,设置间距按表2取整。防眩板实施效果见图7。

图7 防眩板实施效果

采用BIM软件建模对防眩设施设置优化路段进行漫游仿真,仿真结果见图8。根据仿真结果和现场检测结果,防眩板的夜间防眩效果得到有效提升。

图8 贵新高速公路BIM建模仿真漫游效果图

图9 转序段开口间距与服务水平的关系

5 结语

山区高速公路线形指标较差,不良线形组合路段多,为减少因防眩设施设置不合理导致的交通事故,通过对平曲线、竖曲线路段防眩设施设置高度和间距的分析,得到道路在不同线形组合条件下防眩设施设置计算模型。结合贵新高速公路既有中央分隔带宽度和护栏的实际情况,设计采用整体式混凝护栏顶部设置防眩板方案,增加路侧横向净距;根据道路设计参数,提出不同线形条件下防眩板设置指标值,防眩板的夜间防眩效果得到有效提升。