采用运行车速理论进行公路线形设计初探

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  【摘 要】本文针对设计车速体系的不足之处,通过对运行车速理论的引入和分析,重点介绍了运行车速理论的相关内容。提出了在基于设计车速的公路线形设计体系中如何运用运行车速理论。
  【关键词】设计车速;运行车速;车速级差;公路线形设计
  Primary exploration of highway alignment design by running speed theory
  Zeng Qing-wei, Yang Kai
  (Jiangsu Province Transportation Science Research Institute Highway Office Nanjing Jiangsu 211112)
  【Abstract】The article speed system design deficiencies, through the introduction of the operating speed theory and analysis, focusing on the operating speed theory of relevant content. Proposed based on a design speed of highway alignment design system, how to run the speed theory.
  【Key words】Design speed; Operating speed; Speed differential; Highway alignment design 
  1. 引言
  众所周知,设计车速、交通量和载重量是设计一条公路的三大控制要素,它们决定了公路的等级、车道数、路面类型以及线形标准。如果说公路等级、车道数以及路面结构类型主要取决于交通量和载重量的话,那么,公路线形标准则主要取决于设计车速。设计车速是公路技术标准的控制要素,直接影响着公路的营运安全与效率。目前,国际上较多采用运行车速和设计车速两种不同的设计体系,其中欧洲,澳大利亚等许多国家采用运行车速体系,包括我国、美国在内的部分国家采用设计车速(美国在实际设计中已经融合了运行车速理论思想)。鉴于目前仍有许多人对运行车速理论不甚了解,当然也就对其优点和不足之处没有研究。这是不利于我们公路线形设计体系发展的。本文主要目的是向广大读者介绍运行车速的相关理论以及它在公路线形设计中的一些运用,从而引发大家对其进行更加系统和深入的思考和研究,发展完善我们的车速设计体系,从而使我们设计出的公路线形更加和谐优美,更加安全和人性化。
  2. 运行车速理论
  通过道路勘测设计的学习,我们已经认识到长直线接小半径平曲线和两半径相差很大的S形平曲线等不利线形组合是车辆运行安全的隐患。但受设计车速体系的制约,该问题一直无法定量化,运行车速理论提供了解释和解决该类问题的方法。有关研究显示,大量的交通事故是由相邻路段较大的运行车速差导致。当相邻路段运行车速差超过某一限值时,路段存在运行安全隐患。而运行车速理论的核心就是通过改善相邻路段指标组合,降低容许运行车速差,从而消除安全隐患。运行车速理论具有充分顾及交通安全的人性化特点,保证线形与实际运行车速紧密协调的优势,是我国公路设计理论和体系的发展方向。因此,即使在现阶段按设计车速理论进行设计的过程中,也可以且应该开展运行车速安全性检验工作。
  2.1 两种车速设计体系。
  人性化的线形设计是基于驾驶人行为、车辆性能和道路交通条件的线形设计,其与车速设计体系密切相关。
  2.1.1 运行车速和设计车速理论。
  设计车速是指在行车条件良好且在控制性路段上,一般驾驶员能够保持安全而舒适行驶的最大速度。作为公路线形设计的基础指标,设计车速用于规定线形的最低设计标准;运行车速是在单元路段上车辆的实际行驶速度,因不同车辆在行驶过程中可能采用不同的车速,通常按统计学中测定的从高速到低速排列的第85个百分点车辆行驶速度作为运行车速,有别于设计车速的人为规定特点。运行车速是一个统计学指标,是单元路段状况决定的客观上车辆实际的行驶速度。
  国外研究资料显示,当设计车速为80Km/h以下时,第85个百分点的车辆实际行驶速度(运行车速)一般比设计车速高10Km/h;当运行车速与设计车速之差大于10~20Km/h时,就容易发生交通事故。
  多年实践显示,“设计车速”方法本身存在一定缺陷。设计车速对一特定路段而言是一个固定的值,而在实际驾驶行为中,没有任何驾驶人自始至终去恪守这一固定车速,实际行驶速度总是随公路线形、车辆动力性能及驾驶人特性等各种条件改变而变化。只要条件允许,驾驶者总是倾向采用较高速度行驶。因此,仅仅依据路段设计车速确定的线形指标不能满足公路使用者安全行车要求。而运行车速具有充分顾及交通安全的人性化优势,具有线形与实际驾驶速度紧紧协调的科学性。
  2.1.2 运行车速设计内容。
  运行车速设计的实质是通过控制相邻路段线形指标的协调,使车辆实际运行速度相对均衡,达到行驶安全和舒适。运行车速设计的主要内容包括:
  (1)两连续平曲线或连续的曲线和直线之间平面指标应均衡,若相邻路段运行车速差超限,应进行调整,或增大低指标或降低高指标。
  (2)按路段实际运行速度相应设置缓和曲线、超高以及超高渐变率等。
  2.2 运行车速检验。
  2.2.1 运行车速理论核心。
  相关研究显示,在公路上行驶的驾驶人是根据自己对车辆性能的了解和对前方公路线形及路况等的直觉判断来调整车速。他们不清楚也不必要清楚行驶路段的设计车速。运行车速理论的核心正是从这种实际行驶状态出发,针对不同车型通过降低相邻路段的容许速度差,也即通过相邻路段所能提供的不同容许速度的级差控制,达到线形协调,消除安全隐患的目的。运行车速理论并不大关注局部指标的高低,甚至这个指标是否突破规范要求底线都不重要。路段运行车速主要受驾驶人行为、车辆状况和公路状况三方面因素影响。
   (1) 驾驶人行为。
   驾驶人在公路的直线段和曲线段行车,会采取不同的驾驶行为。在直线段和半径大于临界半径的曲线段(当曲线半径大于某一临界值R0时,其对车速影响可以忽略,以下简称R0为“临界半径”),驾驶人的行为取决于路段长度、初速度和车辆加速性能。若路段很短,则保持初速度;在较长路段上则会加速直至终速(以下称“直线段运行车速”,对应不同初速度有不同的直线加速特性),然后一直以这一速度行驶。驾驶人在到达曲线后,若曲线半径大于临界半径,则作为直线处理;若小于临界半径,则会在回旋线内减速,直至到达其认为对前方圆曲线安全的速度(以下简称“曲线段运行速度”),并保持该速度匀速行驶。如此循环往复,驾驶人则始终以自己感觉“安全”的速度行驶。
   (2)车辆状况。
  不同车型具有不同的车辆性能(如加速性能,制动性能和几何特性等)。作为我国公路交通中的最主要车型,小客车可用作运行车速检验的标准车型;此外因货车,尤其是大型载重货车的机动性能较差,易出危险,为保证行车安全,大货车应作为验算车型。
  (3) 公路状况。
  公路等级是影响运行车速的关键因素,不同等级的公路因路侧干扰和对向行车干扰的不同,会对驾驶人行为产生不同影响,从而带来运行车速变化;此外,包括路面类型、横断面、路面平整度和纵坡等公路技术特征也会对运行车速产生影响。为研究方便,可定义为高等级公路(高等级或一级公路;双向四车道,车道宽3.75m;平坡;高级路面;路面平整无病害)和普通公路(二、三或四级公路;平坡;高级路面或次高级路面;路面平整无病害)两种标准条件。公路技术特征的变化对运行车速的影响可通过修正标准条件下路段车辆的运行车速获得。
  2.2.2 主要参数确定。
  根据国内外相关研究,小客车在高等级公路曲线段的临界半径R0为600m,运行车速模式为V85=14.71R0.3194,在普通公路曲线段的临界半径R0为500m,运行车速模式为V85=14.391R0.2757;大货车在高等级公路曲线段的临界半径R0为500m,运行车速模式为V85=4.9411R0.4345,在普通公路曲线段的临界半径R0为450m,运行车速模式为V85=8.5028R0.3168。纵坡对小客车的影响较小,可忽略不计;对大货车的影响,当纵坡陡于6%并长于500m,坡顶的运行车速可降低5Km/h,接近下坡坡底时,可增加5km/h,在车辙严重或路面破损的公路上,车辆运行车速可酌情减少5~10Km/h。根据以上运行车速计算模型,很容易计算出各种车型在不同运行车速下的路面线性指标的要求,相关技术指标要求也可以参见公路线形设计规范。
  2.2.3 检验控制原则。
  运行车速检验的目的是获得车辆实际运行车速相对均衡的线形,其实质是控制相邻路段(两连续平曲线或连续的曲线和直线之间)运行车速级差。采用何种控制原则将直接影响线形质量。车速控制越严格,则对线形质量要求越高,成本也越高,反之亦然。
  瑞士的设计检验控制原则要求,两相邻路段小客车运行车速之差不应超过20Km/h,当路段运行车速小于70Km/h时,差值不得大于10Km/h;澳大利亚的设计控制原则要求,两相邻路段运行车速之差不宜超过10Km/h,并与驶入曲线车速有关,驶入速度越高,要求越严格(若驶入速度为90Km/h,运行车速差需小于5Km/h);美国Leisch提出的设计控制原则采用10mile/h(约合16Km/h)。综合上述情况,我国运行车速控制原则建议按下述速度差控制;两相邻路段间小客车运行车速差不大于20Km/h,大货车不大于15Km/h。
  考虑长直线接小半径平曲线的最不利组合,设计中应对高速公路中平曲线半径小于650m的路段,普通公路中平曲线半径小于500m的路段,进行双向运行车速检验。
  2.2.4 改善措施。
  若相邻路段运行车速差超过上述控制值时,首先应考虑通过调整线形,或增大较小的曲线半径,或减小较大的曲线半径(直线可视为具有无穷大半径的曲线),使前后线形组合满足容许车速差的要求。从根本上解决前后线形组合问题。对于线形确实难以调整的特殊困难路段(如老路改建项目,若调整线形将导致大量废弃工程时),则应依次采取以下措施提高安全性:
  (1)改善视距,增加线形诱导标志,使驾驶人主动提前减速。
  (2)增设限速标志,设置减速振荡线,迫使驾驶人被动减速。
  (3)加大曲线超高,降低以较高速度行驶车辆的风险。
  2.2.5 工程案例。
  运用运行车速理论,改善公路线形,消除安全隐患是我们研究运行车速理论的目的所在。下面就“川九路”改建工程为例,看看实际工程中如何运用运行车速理论的。对于老路交通事故多发的不良线形组合路段,运用运行车速理论,改善线形,提高行驶安全性。K14~K15段为大半径(JD39,R=580m)接同向小半径(JD38,R=120m)的不利组合,九寨沟至川主寺方向时有恶性交通事故发生。结合地形条件,设计通过采用降低大半径,提高小半径的方法,减小车速级差(JD38、JD39平曲线半径分别采用200m,250m),达到了运行安全的目的。K45+600~K46段为较大半径曲线接小半径曲线的连续S形曲线,川主寺至九寨沟方向时有发生车辆冲出路外的交通事故。设计进行了裁弯取直处理,从而降低相邻路段的车速差。尽管这些处理措施看似十分简单,实施起来也并不困难,但却实实在在地起到了改善公路线形,消除安全隐患的目的,其理论依据便是运行车速理论。
  3. 对运行车速理论的几点思考
  毫无疑问,运行车速理论的研究与运用对于发展和完善基于设计车速的公路线形设计理论体系有着重大的促进作用。然而,我经过反复思考,觉得若想在实际中系统而全面地运用运行车速理论还必须解决好以下几个问题:
  (1)如何依据运行车速理论来确定公路几何设计参数。我们不难发现,运行车速理论注重的是相邻路段的车速级差,而不关注公路局部指标的高低。这样有人就会问,在线形设计时如何控制车速级差,也就是说如何建立线形指标(圆曲线半径,最大纵坡等)与运行车速的对应关系。
  (2)运行车速理论只给出一个临界半径R0值。首先,我认为R0值的获得需要科学的实验,必须保证其可靠性;其次,临界半径R0的值有没有一个适用范围的限制。
  (3)运行车速本身是一个统计指标,它的值的确定本身就值得研究。如果说,简单用某条实验公路路段上的实测车道数由高到低排列,取第85百分点对应的车辆行驶速度作为运行车速的话,那么这样的运行车速是没有多大代表性的。
  (4)运行车速是在公路建成通车后经实测路段车速获得的一个统计学指标。那么,在公路线形设计阶段(此时路根本不存在),如何运用运行车速理论来确定我们路线线形的各个指标。
  (5)我们知道,一条公路有许多路段组成,而运行车速理论考虑只是任意相邻两路段的车速级差。那么,是否任意两相邻路段的车速级差不超过控制标准就意味着整条公路的线形最优。会不会因为某些路段的线形指标过低而影响整条路的通行能力,而出现局部路段交通受阻的情况。我们不难发现,运行车速理论更多关注的是公路线形的营运安全性,而忽略了整条路的通行能力。
  4. 结语
  综上所述,运行车速理论的提出有助于我们改善公路线形设计,消除安全隐患。但其应用还很有限,这就需要我们广大的公路建设者和科研人员对其进行更加深入更加系统全面的研究。在实际设计中,将设计车速和运行车速有机的结合起来,加以综合考虑,从而更加有效地指导我们的公路线形设计。
  
  
  参考文献
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  [文章编号]1006-7619(2010)08-10-717
  [作者简介] 曾庆伟(1982.3-),男,助理工程师,2005年7月毕业后来到江苏省交通科学研究院工作,主要负责从事路面检测、路面技术服务、路面技术咨询、养护设计、改扩建设计、路面管理系统等业务;杨凯(1980.1-),男,江苏省交通科学研究院工作,主要负责从事路面检测、路面技术服务、路面技术咨询。
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