山區(qū)雙車道公路路線設(shè)計(jì)參數(shù)的研究

1、西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目合同號(hào)：2003 318 223 22山區(qū)雙車道公路路線設(shè)計(jì)參數(shù)的研究研究報(bào)告簡(jiǎn)本 交通部公路科學(xué)研究院2007年01月交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目“山區(qū)雙車道公路路線設(shè)計(jì)參數(shù)的研究”課題于2007年1月7日在北京通過了鑒定驗(yàn)收。該課題由交通部公路科學(xué)研究院主持，共有北京工業(yè)大學(xué)、中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院、中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院、重慶市公路局、貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院5家單位參加。公路工程建設(shè)項(xiàng)目是一項(xiàng)長(zhǎng)久性建筑，公路的平、縱、橫空間骨架一旦形成，往往再難改變。我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，其中69%為山區(qū)，特別是在西部的12個(gè)省市區(qū)中，山區(qū)所占的比例更高達(dá)80%以上。相對(duì)

2、于平原地區(qū)而言，山區(qū)的地形、地質(zhì)、水文等自然條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境制約較大，限制條件與影響因素眾多。公路線形指標(biāo)的合理與否不僅直接影響到構(gòu)造物的設(shè)置、環(huán)境的破壞程度以及建設(shè)費(fèi)用，還關(guān)系到駕乘人員行駛的安全性。據(jù)近5年來的交通事故統(tǒng)計(jì)資料：在各種道路交通事故次數(shù)與死亡人數(shù)中，雙車道公路所占比重分別達(dá)到65.5%和78.8%。因此，要建設(shè)出運(yùn)行安全舒適、工程經(jīng)濟(jì)合理、適應(yīng)周邊環(huán)境的山區(qū)雙車道公路，路線設(shè)計(jì)指標(biāo)的選擇和合理應(yīng)用就顯得尤為重要和極具指導(dǎo)意義。本項(xiàng)目旨在通過我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的適應(yīng)性分析，提出適合我國(guó)西部山區(qū)交通運(yùn)行規(guī)律的路線設(shè)計(jì)方法及其關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，細(xì)化和完善現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，編制山區(qū)雙車道

3、公路路線設(shè)計(jì)指南，提高山區(qū)雙車道公路路線設(shè)計(jì)質(zhì)量。山區(qū)雙車道公路路線設(shè)計(jì)參數(shù)的研究課題主要研究?jī)?nèi)容及其成果簡(jiǎn)介如下。1現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范適應(yīng)性分析在總結(jié)回顧公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)參數(shù)極限指標(biāo)發(fā)展變化歷程的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家和亞洲、東盟國(guó)家的路線設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行了差異性分析，找出了其間的異同點(diǎn)。特別針對(duì)我國(guó)山區(qū)雙車道公路，系統(tǒng)分析了現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與實(shí)際運(yùn)行情況的匹配性。從國(guó)內(nèi)外路線幾何設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比分析看，各國(guó)多采用設(shè)計(jì)速度作為制定公路路線設(shè)計(jì)基本參數(shù)的基礎(chǔ)（例如平曲線最小半徑、最大坡度和停車視距等）。這些共同點(diǎn)從一個(gè)角度證明了目前在世界各國(guó)所

4、采用幾何設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的合理性。此外，盡管公路路線各幾何設(shè)計(jì)參數(shù)取值范圍存在著許多相似之處，但由于典型地域和氣候特點(diǎn)的不同，國(guó)內(nèi)外在公路路線設(shè)計(jì)具體指標(biāo)的規(guī)定上略有差異。國(guó)外設(shè)計(jì)參數(shù)的選取普遍采用了設(shè)計(jì)值域的概念，也就是說：在確定設(shè)計(jì)參數(shù)的時(shí)候，存在一個(gè)取值范圍可供設(shè)計(jì)人員選擇。在這個(gè)取值范圍中的任何選擇都是標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范認(rèn)可的，只是低限值偏重于節(jié)約造價(jià)，公路的使用和安全性能相對(duì)較差，而高限值則傾向于較高的公路使用和安全性能，造價(jià)相對(duì)較高。與國(guó)外的設(shè)計(jì)值域相比，我國(guó)大多數(shù)的幾何設(shè)計(jì)指標(biāo)采用的是單一值控制。由于地域覆蓋面廣，地形與氣候特點(diǎn)各異，交通組成、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也千差萬(wàn)別，因而，在不同的地形條件和氣候

5、條件下，為給公路路線設(shè)計(jì)人員提供恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)空間，除個(gè)別強(qiáng)制性規(guī)定條文外，對(duì)具體的設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)不宜作單一值的規(guī)定，而應(yīng)給出可行的參考值域，并說明在此范圍內(nèi)的取值原則，供設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體情況有針對(duì)性的選用。2確定山區(qū)雙車道公路設(shè)計(jì)車型及其動(dòng)力特性汽車的物理特性以及行駛于公路上各種車輛的組成是公路幾何線形設(shè)計(jì)中有重要意義的控制因素。在公路設(shè)計(jì)過程中，“設(shè)計(jì)車輛”是一種虛擬的、選定的車輛，其外廓尺寸、載重量和運(yùn)行特征不僅是確定公路平、縱線形指標(biāo)、交叉布置和幾何形狀的依據(jù)，同時(shí)與公路系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)營(yíng)關(guān)系密切。因此，正確選擇設(shè)計(jì)車型是本項(xiàng)目研究的關(guān)鍵因素。（1）基于功率重量比和外廓尺寸的車型分類通過對(duì)

6、我國(guó)山區(qū)雙車道公路在用車型的調(diào)查，項(xiàng)目研究采用基于功率重量比和外廓尺寸雙因素聚類分析的車輛分類方法，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的各類車型進(jìn)行分析，最終將車型簡(jiǎn)化為3種。根據(jù)西部地區(qū)的交通組成拖掛車和特大型車在山區(qū)公路上比例不足5%，交通組成中多為中型貨車。從工程經(jīng)濟(jì)性考慮，對(duì)于山區(qū)雙車道公路，當(dāng)設(shè)計(jì)速度在60km/h以下，地形復(fù)雜、地質(zhì)條件惡劣時(shí)，設(shè)計(jì)車輛考慮小型車和大型車兩種，拖掛車和集裝箱車不宜作為設(shè)計(jì)控制用車型。典型車輛的外廓尺寸長(zhǎng)度分為小型車6.0×1.8×2.0、大型車12.0×2.5×4.0。從考慮公路運(yùn)輸現(xiàn)狀和今后五年汽車工業(yè)發(fā)展出發(fā)，建議用于山區(qū)雙車道公

7、路設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)車型和外廓尺寸標(biāo)準(zhǔn)仍采用標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。表2.1 雙車道公路中，以功率載重比和外廓尺寸劃分的車輛類型車型車型說明小型車(6.0×1.8×2.0)微型面包車及其改裝車、越野吉普車、客貨兩用車、小轎車、輕型貨車、中型面包車、多功能商務(wù)車等大型車(12.0×2.5×4.0)載貨汽車、大客車、重型載貨汽車、半拖掛等（2）縱斷面的設(shè)計(jì)車型選擇在山區(qū)公路路線設(shè)計(jì)中，載重汽車的動(dòng)力性能對(duì)于公路使用性能和安全性能的影響很大，且當(dāng)前載重汽車的動(dòng)力性能也發(fā)生了明顯的變化，因此，本研究特別補(bǔ)充了用于公路縱斷面設(shè)計(jì)的載重汽車動(dòng)力性能標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)公路縱坡和坡長(zhǎng)的設(shè)計(jì)。根

8、據(jù)載重噸位與功率比的累計(jì)分布曲線圖，確定公路縱斷面設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)車型為功率重量比在9Kw/t至10Kw/t之間的載重車，載重噸位在8t左右。實(shí)際車型選擇使用大型汽車制造廠的車型，如東風(fēng)、解放系列車型。圖2.1 載重車功率比和載質(zhì)量累計(jì)分布曲線（3）設(shè)計(jì)車型的上坡動(dòng)力性能曲線根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)車型的上坡運(yùn)行試驗(yàn)分析，建立了設(shè)計(jì)車型的上坡動(dòng)力性能曲線，該曲線是山區(qū)雙車道公路縱斷面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。單獨(dú)建立設(shè)計(jì)車型的動(dòng)力性能曲線還不足以指導(dǎo)縱坡設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車型在坡道上的速度折減量與縱坡之間的關(guān)系是決定縱坡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵依據(jù)。因此，項(xiàng)目研究在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了速度折減量與坡度、坡長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線。圖2.2 設(shè)計(jì)車型的速度

9、坡長(zhǎng)曲線圖圖2.3 速度折減量與坡長(zhǎng)關(guān)系曲線圖3建立山區(qū)雙車道公路運(yùn)行速度模型運(yùn)行速度是公路設(shè)計(jì)時(shí)確定其幾何線形的最關(guān)鍵參數(shù)，也是衡量公路平、縱線形指標(biāo)的順暢與否、安全與否的指標(biāo)。因此，運(yùn)行速度的調(diào)查以及預(yù)測(cè)模型的建立成為本項(xiàng)目的核心內(nèi)容。（1）山區(qū)雙車道公路道路交通特點(diǎn)與平原區(qū)雙車道公路相比，山區(qū)雙車道公路由于所處的地形限制，在道路線形和交通環(huán)境方面有很大的不同點(diǎn)，具有平曲線半徑小、縱斷面起伏大、視距不良、路側(cè)安全性差的道路特點(diǎn)，以及雙向交通流相互干擾、快慢車速度差明顯、縱坡路段對(duì)大中型車輛產(chǎn)生巨大影響、運(yùn)行速度設(shè)計(jì)更具有針對(duì)性的交通特點(diǎn)。根據(jù)山區(qū)雙車道公路的道路交通特性分析，得到影響車輛運(yùn)

10、行速度的主要因素：公路功能、公路環(huán)境、地形條件、幾何線形、車輛和駕駛員。針對(duì)主要影響因素，本研究以駕駛員在各種影響因素和線形指標(biāo)下的大量車輛實(shí)際行駛速度為基礎(chǔ)，建立了路段的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型。（2）公路功能對(duì)運(yùn)行速度的影響我國(guó)雙車道公路按技術(shù)等級(jí)分為二、三和四級(jí)公路，按公路功能則涵蓋了干線公路、集散公路和地方公路三種功能。為研究雙車道公路功能對(duì)運(yùn)行速度的影響，按雙車道公路的功能，在不同區(qū)域選擇典型路段，在各類典型路段上觀測(cè)大量的運(yùn)行速度數(shù)據(jù)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)速度與公路功能具有良好的相關(guān)性，不同功能類型的公路，速度分布情況是不一樣的?？傮w上是從干線公路到集散公路再到地方公路，自由流速度

11、是呈下降的趨勢(shì)。從方便和實(shí)用出發(fā)，將公路功能對(duì)運(yùn)行速度的修正值取整為5km/h，并給出公路功能的速度修正表。表3.1 不同功能公路速度修正表公路功能速度修正值（km/h）干線公路0集散公路-5.0地方公路-（3）公路環(huán)境對(duì)運(yùn)行速度的影響我國(guó)的公路交通環(huán)境與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，突出的特點(diǎn)是路側(cè)交通干擾問題。西方發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)動(dòng)化程度非常高，很少有自行車、農(nóng)用車在路肩行駛，而這種現(xiàn)象在我國(guó)卻非常普遍。這些路側(cè)干擾對(duì)交通運(yùn)行產(chǎn)生影響，一定程度上降低了車輛運(yùn)行速度。公路環(huán)境對(duì)運(yùn)行速度的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是路側(cè)橫向干擾，一是支路出入口。橫向干擾因素分為拖拉機(jī)、摩托車、支路車輛、路側(cè)停車、行人、非機(jī)動(dòng)

12、車6類，按其在公路兩側(cè)每200米范圍內(nèi)出現(xiàn)的干擾事件次數(shù)確定各項(xiàng)干擾事件的等級(jí)。將各干擾事件等級(jí)與干擾事件的權(quán)重相乘，再將各干擾因素的加權(quán)等級(jí)值相加，便可得到該路段最終的路側(cè)干擾等級(jí)值。雙車道公路的橫向干擾等級(jí)不同，對(duì)主線交通的影響也是不同的。為了量化橫向干擾對(duì)主線車流運(yùn)行速度的影響，選擇了不同橫向干擾等級(jí)的雙車道公路路段進(jìn)行了研究，得到橫向干擾等級(jí)與第85%位速度之間的具體關(guān)系。表3.2 橫向干擾強(qiáng)度影響折減橫向干擾等級(jí)V85速度折減(km/h)102-5.03-10.04-15.05-20.0出入口是公路網(wǎng)中公路與公路或主路與支路之間平面交叉最普遍的形式之一。由于出入口的存在，車輛的運(yùn)行速

13、度會(huì)受到出入口的影響而減速。出入口越復(fù)雜，交通越混亂，主線公路車輛的速度降低得越嚴(yán)重。為了量化出入口設(shè)施對(duì)雙車道公路運(yùn)行速度的影響程度，引入出入口密度的概念，指道路單位里程內(nèi)在其兩側(cè)設(shè)置的出入口設(shè)施的個(gè)數(shù)的總和。根據(jù)出入口的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪出車輛運(yùn)行速度與出入口間距的關(guān)系圖，由關(guān)系圖計(jì)算得到的速度修正值與出入口密度的關(guān)系。圖3.1 出入口間距與速度的關(guān)系表3.3 出入口間距與速度修正值出入口間距(km)出入口密度(個(gè)/km)速度修正值（km/h）80 km/h60 km/h40km/h0.25.0-18.0-12.5-6.00.42.5-6.0-3.5-3.01.01.0-2.0-1.0-1.02

14、.00.5-0.5-0.5-0.5（4）地形對(duì)路段區(qū)間運(yùn)行速度的影響山區(qū)雙車道公路中，不同的地形條件主要是指公路的平均曲率和梯度，對(duì)運(yùn)行速度的產(chǎn)生影響。通過對(duì)不同地形、不同道路等級(jí)、不同的平縱線形組合的路段進(jìn)行研究，得到運(yùn)行速度與曲率、梯度和視距的關(guān)系。（5）幾何線元特征點(diǎn)運(yùn)行速度車輛行駛是否安全、順暢，駕駛員在視覺上、心理上是否感覺良好都取決于公路線形設(shè)計(jì)，山區(qū)雙車道公路幾何線形與特征點(diǎn)的車輛行駛速度密切相關(guān)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，分別建立了平曲線速度影響模型、縱坡速度影響模型、彎坡組合速度影響模型、直線段加減速預(yù)測(cè)模型、橫斷面尺寸的速度影響模型。4提出基于駕駛員心、生理反應(yīng)的路線設(shè)計(jì)關(guān)

15、鍵參數(shù)線形指標(biāo)的連續(xù)與否可以通過駕駛員駕駛汽車和乘客的感覺表現(xiàn)出來。一條設(shè)計(jì)優(yōu)良的公路應(yīng)該能夠連續(xù)地引導(dǎo)駕駛?cè)藛T的視覺和滿足駕駛?cè)藛T的心理和生理要求，減少駕駛?cè)藛T的無(wú)謂操作，減輕駕駛?cè)藛T的疲勞和恐懼心理，增加司乘人員的安全感和舒適感。本項(xiàng)目借助GPS、幾何數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)、人體心電記錄儀、測(cè)速儀等先進(jìn)的設(shè)備，通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)和室外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究適合我國(guó)山區(qū)雙車道公路設(shè)計(jì)的平、縱線形指標(biāo)。（1）基于駕駛員心、生理反應(yīng)的駕駛負(fù)荷度標(biāo)準(zhǔn)駕駛員的心率容易檢測(cè)，用心率來表示駕駛員的心理緊張程度，符合實(shí)際而且有一定的規(guī)律性，但是不同素質(zhì)的駕駛員心率是不同的，因?yàn)槊總€(gè)人的心理變化是一致的，所以用心率增長(zhǎng)率來衡

16、量人的緊張程度。為了定量研究駕駛員緊張程度和實(shí)際操作的關(guān)系，對(duì)駕駛員作了緊張度標(biāo)準(zhǔn)的初步研究，得到檢測(cè)駕駛員心率增長(zhǎng)率與心理緊張度的數(shù)據(jù)。結(jié)合駕駛員舒適性、緊張度和事故分析調(diào)查結(jié)果，得出基于駕駛員心、生理反應(yīng)的駕駛負(fù)荷度（心率增長(zhǎng)率）分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。表4.1 駕駛負(fù)荷度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)駕駛負(fù)荷度分級(jí)心率增長(zhǎng)率N（%）司乘人員感受AN<20%乘客感覺不到曲線存在，非常舒適平穩(wěn)B20%<N<30%駕駛員感到曲線存在，但仍平穩(wěn)舒適C30% <N <40%感覺不舒適、但可以接受DN>40%超出心理承受點(diǎn)，行駛不穩(wěn)定，有傾倒的危險(xiǎn)以駕駛員舒適度為控制點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的心率增長(zhǎng)率30%作為設(shè)

17、計(jì)采用的關(guān)鍵閾值。具體的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是：舒適性閾值線形連續(xù)，心率增長(zhǎng)率小于30%；安全性閾值線形突變、不連續(xù)，心率增長(zhǎng)率小于40%。（2）基于駕駛舒適性的路線設(shè)計(jì)指標(biāo)圖4.1 雙車道平曲線半徑指標(biāo)與心率增長(zhǎng)率關(guān)系通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到平曲線半徑與速度、心率增長(zhǎng)率的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合駕駛負(fù)荷度得到了駕駛舒適性的平曲線半徑設(shè)計(jì)指標(biāo)。在平曲線半徑小于100m時(shí)，心率增長(zhǎng)率大于40%，平曲線半徑280m時(shí)對(duì)應(yīng)的心率增長(zhǎng)率為30%，當(dāng)平曲線半徑大于600m時(shí)心率增長(zhǎng)率小于20%，因此，曲線半徑在280600m是最佳的。采用實(shí)測(cè)的心率增長(zhǎng)率、坡度、坡長(zhǎng)和速度數(shù)據(jù)，通過回歸的方法建立了下坡行駛的心率增長(zhǎng)率模型

18、，據(jù)該模型和舒適性閾值，提出不同坡度下的坡長(zhǎng)建議值。通過調(diào)查直線長(zhǎng)度與速度之間關(guān)系的數(shù)據(jù)以及測(cè)量試驗(yàn)人員心率變化的方法得到心率變化與圓曲線之間直線長(zhǎng)度的關(guān)系。建議同向曲線之間的短直線長(zhǎng)度不小于40m。對(duì)于山區(qū)雙車道公路僅從安全角度出發(fā)，不影響行車安全的同向曲線間直線長(zhǎng)度應(yīng)不小于3V。（3）連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段車輛剎車轂溫度預(yù)測(cè)模型目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)長(zhǎng)大下坡指標(biāo)沒有定量化的規(guī)定。項(xiàng)目研究通過對(duì)最不利情況下的車輛下坡制動(dòng)試驗(yàn)，分析貨車后輪剎車轂溫度隨坡度、下坡速度和距坡頂距離的變化規(guī)律，建立連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段剎車轂溫度預(yù)測(cè)模型，通過該模型，能夠從長(zhǎng)大下坡制動(dòng)性能衰減的角度確定平均縱坡的控制指標(biāo)。（4）貨車停

19、車視距在貨車制動(dòng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了不同速度下貨車（鉸接貨車）制動(dòng)系數(shù)，提出了山區(qū)雙車道公路貨車停車視距推薦值。表4.2 山區(qū)雙車道公路貨車停車視距推薦值 設(shè)計(jì)速度（km/h）反應(yīng)時(shí)間8060403020貨車停車視距（m）2.5s125855035202.0s120804030151.5s10570352515鉸接貨車停車視距（m）2.5s145905035202.0s130854530201.5s120754025155確定了滿足運(yùn)行安全性和通行能力的雙車道橫斷面寬度調(diào)查結(jié)果表明，目前我國(guó)西部山區(qū)雙車道公路應(yīng)用的技術(shù)等級(jí)是不一致和不均衡的。例如，同樣是通縣通鄉(xiāng)的公路，在富裕地區(qū)與經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)相比，其技術(shù)等級(jí)可能相差很大，有可能是二級(jí)公路，也有可能是四級(jí)公路。因此，在公路設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮公路的功能和通行能力，同時(shí)要結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平和地形條件等限制，以科學(xué)合理地確定雙車道公路的橫斷面尺寸。為此，本研究給出了不同公路功能下的橫斷面尺寸以及山區(qū)雙車道公路的通行能力指標(biāo)。6編制山區(qū)雙車道公路路線設(shè)計(jì)指南指南是在總結(jié)課題研究成果的基礎(chǔ)上編寫的，主要包括設(shè)計(jì)控制要素、運(yùn)行速度設(shè)計(jì)檢驗(yàn)流程、路線主要設(shè)計(jì)參數(shù)、爬坡車道和超車道設(shè)計(jì)四大部分內(nèi)容。其中，基于我