基于运行速度的双车道公路线形设计方法研究

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重庆交通大学硕士学位论文基于运行速度的双车道公路线形设计方法研究姓名：张泽良申请学位级别：硕士专业：道路与铁道工程指导教师：屠书荣20100401 摘要公路设计是以满足汽车安全行驶要求为前提的，公路线形设计应遵循宽容性原则，驾驶员操作上的小过错不应以生命为代价。传统的以设计速度为依据的公路线形设计方法，实际上是对公路线形设计最低限度应采用指标的控制，难以实现设计线形的连续性与均衡性。因此，有时尽管线形指标均满足了路线设计规范要求，但部分路段仍然事故频发，这种现象在我国各级公路上都不同程度地存在。本文针对当前我国公路线形设计存在的问题，提出了基于运行速度的公路线形设计方法研究课题，旨在从线形设计的角度减少道路交通事故的发生，实现安全行车的要求。本文从双车道公路运行速度影响因素的分析入手，在学习借鉴国内外已有研究成果的基础上，系统地提出了双车道公路运行速度计算方法，对双车道公路的期望车速、直线加速度、短直线临界长度、曲线运行速度预测模型等指标和预测模型进行了重大改进，以便更好地适应双车道公路运行速度预测的要求；通过分析双车道公路线形设计要求以及各等级公路运行速度的变化规律，提出了以线形连续性作为线形设计最基本的控制要求，并根据双车道公路实际情况提出了基于设计速度分级的速差控制原则，通过对甘肃省多条双车道干线公路运行速度的实地观测，结合交通事故统计资料的分析，验证了该速差控制标准的有效性和可靠性。在此基础上，提出了基于运行速度的双车道公路线形设计方法，该方法在传统设计方法的基础上，增加了运行速度预测及线形设计修改流程，并以运行速度检查道路平、纵面线形设计质量，指导线形指标取值，确保了所设计道路线形的连续性与均衡性，为提高道路行车安全性奠定了良好的基础。关键词：双车道公路；运行速度；线形设计方法；连续性；均衡性 ABSTRACTHighwayalignmentdesignisbasedonthepremiseofsafedrivingofvehicles，howeveritisdifficulttoachieveitscontinuityandbalancebecauseitisactuallyacontrolofitsminimumindicators．EventhoughitsspecificationsCanmeetcurrenttechnicalstandards，itisstillaccident-prone，aphenomenontovaryingdegreesontheroadatalllevelsinourcountry．OntheissueofChina'scurrentsituationandexistingproblemsofhighwaylineardesign,thepaperdealswinltheresearchworkofitsmethodsbasedonthertmningspeed．Theresearchisintendedtousetherunningspeedtocheckthequalityofhighwayhorizontalandverticaldesign，toguidelinearindexvalues，toreducetrafficaccidentsfromtheangleoflineardesignandallinalltoachievethebasicrequirementsforsafedriving．Throughanalyzingtheimpactofthespeedfactor,learningfromtheresearchresultsathomeandabroadandstartingfromtheactualsituationofthetwo-lanehighway,systematicallythepaperproposesthemethodsoftwo—lanehighwayrunningspeedcalculationandmakesgreatimprovementinpredictionindicatorsandforecastingmodelsoftheexpectedspeed，linear．acceleration,thecriticallengthofshortstraightlineandthecurvespeed，theimprovementcanmeettherequirementsoftwo-lanehighwayrunningspeedforecasting；Secondly,throughanalyzingthehighwaylineardesignrequirementsaswellasthespeedchangesontheroadatalllevels，thepaperproposestotakelinearcontinuityasthebasiccontrolprincipleoflineardesign,andinaccordancewitlltheactualsituationoftwo-lanehighway,thePaperdealswiththecontrolprincipleofspeeddifferencebasedonthedesignspeedclassification,谢mtheapplicationofsafetyassessmentbythehighwayinGansuProvinceandwiththecombinationwitllthestatisticalanalysisoftrafficaccidentdata,thevalidityandreliabilityofthespeeddifferencecontrolstandardsareproved；finally,accordingtothelimitationsofthedesignspeedinhighwaylineardesign,thepaperputsforwardthehighwaylineardesignmethodonthebasisofrtmningspeed，meanwhiletheprocessofmodificationoflineardesignisaddedtothecurrentdesignmethods，andtheaerialrunningspeedistakenasthebasisfortheindicatorvaluestoensurethecontinuityandbalanceoflineardesign． KEYWOEDS：Two-lanehighway；Operatingspeed；Alignmentdesignmethod；Continuity；Balance 重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名；日期：年月日重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并进行信息服务(包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等)，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年．月日●●●●●●0●●●●●●●●●●0●●●●●●●●●0●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●0●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊(光盘版)电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布，并按《中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程》规定享受相关权益。学位论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日 第一章绪论1．1线形设计重要性弟一早三百下匕公路运输在整个国民经济中一直发挥着重要的作用。近年来，随着我国改革开放的逐步深入，社会经济持续快速增长。城市与城市、地区与地区之间的经济交往同益频繁，城乡居民出行大幅度增加，客货流动量急剧上升，其中很大部分要通过公路实现快速、高效、安全的“点——点”运输。但是，我国原有公路里程较少、等级偏低，已无法满足交通量迅速增长的需要，并已日渐成为制约整个，国民经济快速发展的“瓶颈”。为解决这一矛盾，交通部于八十年代末丌始了全国范围的大规模公路建设，截至目前我国的公路网骨架已逐步形成和完善。然而，随着公路通车罩程的逐年增长，我国公路交通事故也呈现出逐年上升的趋势，交通安全形势异常严峻。在“人一车一路一坏境”组成的动态交通系统中，“人”是中心，“路”是基础，“车”是纽带，三者在交通系统中的作用都很重要，但是在对交通事故的分析中人们经常将事故归咎于“人为造成”。事实上，除部分事故纯粹是由于驾驶员粗心驾驶等主观原因引起的以外，有相当一部分事故是人为操作不当与困难的行驶条件共同引起的，而困难的行驶条件则与公路路线形设计有密切的关系。因此，作为交通事故发生的主要影响因素之一，公路线形对交通安全的影响不可忽视。公路线形作为公路工程的骨架，它不仅决定了公路的走向和具体位置，还对公路运营阶段的使用质量有重要影响，即行驶的安全性、舒适性和经济性。因此，公路线形设计时应综合考虑汽车行驶的安全性、舒适性，以及与周围环境的和谐。根据公路等级及功能，正确运用技术指标保持线形连续、均衡，使公路线形平、纵、横三方面协调，确保行驶安全、舒适，以提高公路线形设计质量和建设水平。1．2课题研究的背景及意义目前我国公路线形设计采用设计速度作为线形设计的主要控制因素。设计速度是指气候正常，交通密度小，汽车运行只受公路本身线形要素、路面附属设施等条件件影响时，具有中等驾驶技术的驾驶员能保持安全行驶的最大速度。如果只从线形要素考虑，也就是一条公路受限路段所能安全行驶的最大速度。作为设计参数，它规定了最低设计标准，是一个定值。一条公路的设计速度确定以后， 第一章绪论与此相关的公路线形设计指标也随之确定。设计中只要一条公路所采用的最小指标大于其设计速度对应的最小指标，则认为该公路的线形设计符合技术标准规定。采用设计速度作为设计控制参数，实际上是规定了公路线形设计最低限度应采用的指标。一条公路的受限路段一般很少，而大多数为非受限路段，其线形指标高于受限路段，可以容许汽车以高于设计速度的车速行驶。从设计控制的角度看，在这些非受限路段，公路的平、纵、横以及其他相关指标就没有依据确定。我国技术标准规定路线设计的基本要求是根据公路的等级及其使用任务和功能，合理的利用地形，J下确的使用技术标准，保证线形设计的连续性，安全性和均衡性，在条件许可时尽量采用较高的技术指标。从原则上讲，这种要求是非常必要的，但在具体设计中设计人员是难以把握的。比如与设计速度有关的平曲线半径，缓和曲线长度，超高值，视距，竖曲线半径等指标的取值，在非受限路段无依据确定，导致各技术指标取值不合理、相互组合不协调、高低指标之间无过渡等问题，很难实现公路线形的连续性和均衡性。尽管公路线形设计指标均满足现行技术标准，但部分路段事故率仍然居高不下，这种现象在我国各级公路上都不同程度地存在。显然以设计速度作为公路线形设计的依据具有其不足的一面。近年来美国等其他一些国家发现基于运行速度的设计方法更能够保证道路线形的连续性，并在高等级公路线形设计中得到应用。其核心是以运行速度作为线形设计的基本依据，在初始平面线形和纵坡设计的基础上，通过“运行速度预测模型’’推算各路段运行速度，并以“设计控制原则"为标准检验和修证平纵线形设计，然后根据路段线形和运行车速最终确定曲线超高、缓和曲线、竖曲线等设计指标。相对于基于设计速度的线形设计方法，这种设计方法具有两点明显的相对优势。一是该方法根据实际车速确定设计指标，使设计要素值能够满足车辆安全行驶的要求，同时解决了设计要素之间的相容性问题：二是通过采用“设计控制原则”，保证了在一个设计区段内行车速度的连续性和一致性。因此，运行车速设计法是从车辆行驶要求和驾驶人行为特性的实际出发，以运行速度作为线形指标取值的基本依据，能够充分保证公路线形与车辆实际行驶速度的协调，从线形设计的角度提高公路的安全水平。1．3国内外研究现状1．3．1国外研究现状从20世纪30年代美国提出设计速度的概念至今，基于设计速度的路线设计方 第一章绪论法已被广大设计人员所掌握。但是，经过多年来的设计实践发现，这种设计方法本身存在一定的缺陷。由于设计速度对某一特定路段而言是一个固定值，用于规定路段的最低设计标准。但在实际的驾驶过程中，驾驶员总是随着公路线形、车辆动力性能以及驾驶员特性等各种条件的改变而采用不同的行车速度，只要条件允许，驾驶员总是倾向于采用较高的速度行驶。而运行速度与设计速度的不一致，常常是事故发生的隐患。随着公众对公路交通安全问题重视程度的不断提高，针对设计速度法存在的主要问题，美国、德国、澳大利亚等发达国家对公路线形、运行速度与安全的关系进行了广泛深入的研究，提出了以运行速度为基础的路线设计方法。在初始线形设计的基础上，通过“运行速度预测模型”推算路段运行速度，并以“设计控制原则”为标准检验和修正平纵线形设计，保证线形设计的连续性与均衡性。其中运行速度预测模型与设计控制原则是运行速度设计法的基础，各幽都进行了广泛深入的研究，取得了大量的研究成果。美国学者Leisch最早提出运行速度的概念，并用来评价公路平面和纵断面几何线形一致性¨H5|。该方法认为单独使用设计速度作为公路线形设计的控制因素可能会导致非期望的几何设计出现。为了实现车辆运行速度与设计速度的一致性，他的研究成果建议一个优良的公路线形设计应满足如下条件：①一条路线的小客车平均速度变化不应超过16km／h；②连续路段中所采用的设计速度变化量不应超过16km／h；③一般路段上大货车的平均速度和小客车的平均速度相差不应超过16km／h。美国学者Lamm等人以322个曲线路段的车速数据为依据，对K，与平曲线的关系进一步研究后，认为平曲线半径是影响运行速度的最显著参数。其测算模型为：孓，_94．398一百31．88鱼式中：K。——曲线上的85％位车速即运行速度(km／h)：足——平曲线半径(m)。另外，Lamm在对261个双向双车道路段的平曲线要素与蚝，进行统计分析后，认为具有相似平曲线线形要素特征路段上的运行速度具有相对的稳定性“1。同时还发现在转角、平曲线半径、车道宽度、路肩宽度、同平均交通量等因素中，平曲线长度和半径对K，的影响最大。相应的运行速度预测模型为：V。‘-95．78—0．076CCR式(1．2)cC尺=去c莩每+莩每，式中：CCR——相似特征路段上每单位长度的角度变化之和；厶——路段总长度(m)； 第一章绪论4厶——相似特征路段内圆曲线i的长度(111)：￡．——相邻缓和曲线j的长度(m)；足——圆曲线i的半径(m)。根据运行速度K，与CCR的关系，并通过对交通事故的分析，Lamm提出当‰一％≥20km／h时(％为设计速度km／h)，公路线形设计为极不连续的设计。美国学者Krammes等人采集在自由流状态下，分布于纽约、俄勒冈、宾西法尼亚、德克萨斯和华盛顿5个州共138个平曲线上车辆运行速度数据，推荐的模型为盯{：K5=102．45-1．57D+0．0037L-0．1I式(1．4)式中：D——曲率；’三——曲线长度(m)；卜——转角(。)。1988年美国联邦公路局开始研究“交互式公路安全设计模型(IHSDM)990该模型是建立在大量观测数据基础上的统计模型，综合考虑了人、车、路之|’日J的相互影响，目的是建立一个与CAD集成在一起的公路安全设计系统，帮助设计人员从公路安全的角度评价设计方案n玎Ⅱ羽。如图1．1所示，IHSDM是将八个子模型都以可独立工作的CAD软件包，集成在一起构成的系统。当设计者用CAD软件完成公路平、纵、横设计后，激活IHSDM主系统，选择一种设计车辆，调用车辆动态模型获得运行速度图和加速度图，并检查路线设计方案，不符合安全审计规范的地点将被标注出来，用CAD调整设计方案；调用车速一致性模型检查线形要素及其组合，如果某些路段速度产生突变或速差过大，再用CAD调整设计方案。IHSDM将公路安全评价和CAD集成的思想，既保障了设计线形的连续性与均衡性，又方便了设计方案的修改，代表了公路线形设计未来的发展方向。图1．1IHSDM结构图Fig．1．IThesystemofIHSDM 第一章绪论澳大利亚是最早在公路线形设计中采用运行速度概念的国家扭3，通过对小半径平曲线车辆运行速度的研究，认为平曲线半径是影响运行速度的关键因素。公式1．5为幕函数形式表达的运行速度测算模型。圪s=aR6式(1．5)式中：K，——运行速度(km／h)：足——平曲线半径(m)；’口，b——模型参数。希腊学者Kanelaidis等人对双车道公路平面线形与车速的关系进行了研究，认为运行速度不仅是公路设计的一个基本要素，而且是实现平面线形设计一致性的基本工具。通过58个曲线段数据分析，得到回归模型为m3：圪5_129．88一等式(1．6)V代瑞士采用理论速度模型分析平面线形的一致性四3。这种方法类似于美Leisch方法，引入与运行速度相似的项目设计速度，根据速度的突变检查公路设计不一致的位置。其中项目设计速度根据速度预测模型得到，而速度预测模型的主要参数则是路线平纵面线形指标。如果项目设计速度超过传统的设计速度，则以项目设计速度作为评价视距、超高和缓和曲线长度的依据。假定在同一平曲线一E速度不变的前提下，根据统计研究确定了项目设计速度的标准值，按不同平曲线半径列表供查。在相邻平曲线上或平曲线与直线之f8】，项目设计速度的变化量一般不超过20km／h(12mph)，但对于设计速度更小(小于45mph)的公路，其速度变化量的临界值为lOkm／h(6mph)。德国定义的运行速度是干燥和潮湿路面状况下自由流状态小客车的85％位车速。德国设计指南中采用了与美国和瑞士不同的车速预测方法¨驯，引入平面曲度的概念，即路线平曲线任一时刻累计偏角的绝对值除以路线长度。用公式表示为：F一∑I口fl式(1．7)■～一￡式中：K——曲度(。／km)；口．——任一时刻曲线的偏角(o)；三——路线长度(kin)。经过研究，建立曲度、路面宽度B与运行速度的关系如图1．2所示。直接查图即可得至0运行速度。 第一市绪论6kM1l0}J：驶速．『叟0曲度360图1．2曲度、路面宽度B与运行速度关系Fig．1．2TherelationshipaboutK、BandV85德国设计指南中规定，任何给定路段的预测运行速度应不超过其设计速度20km／h，要求一条连续路段上相邻线形单元之间的运行速度差允许最大限制值为lOkm／h，以确保公路线形设计的一致性。如果特定路段不能达到这一限定要求，平面线形设计必须进行调整。1．3．2国内研究现状我国的交通运输业起步比发达国家要晚一些，随着我国道路交通安全形势的日益严峻，以及运行速度概念在国外公路线形设计中的应用，国内不少学者也先后开始了对公路运行速度的研究，并取得了大量的研究成果。交通部规划研究院张剑飞和范振宇等学者给出了标准条件下高速公路直线路段(含大半径曲线)小客车和大货车的运行速度值。建立了小半径曲线运行速度与半径的关系模型，并根据外业调查数据标定了模型参数。同时对运行速度应用于我国道路设计的设计方法进行了初步探讨¨们。同济大学高建平与郭忠印通过对车辆运行特征的实地观察和运行速度的现场观测，标定了车辆运行速度和加速度与公路线形之间的关系模型n51。同济大学杜博英通过对运行速度进行回归分析，以运行速度和速度梯度为变量，建立了高速公路事故预测模型¨6。：I=V(3．841E_O．6)×V234t--(1一％)式中：I——事故率； 第～章绪论V——车辆运行速度；矿——车辆平均运行速度。同济大学梁夏对高速公路的各线形指标(如平曲线半径、缓和曲线参数、曲线转角、竖曲线半径等)按大小区间进行分类，并采用数理统计的方法对各类指标的事故率进行比较分析，获得了在一定的置信度下各类指标对道路安全的相对差异，从而评价各线形要素对道路安全的影响n71。同济大学孔令旗对高速公路几何线形与运行速度的关系进行研究，提出了基于人工神经网络的高速公路运行速度预测模型，并在预测模型的基础上提出了运行速度预测流程，建立了运行速度与道路安全性的评价模型口⋯。北京工业大学罗江涛、刘小明、任福F同等学者在研究国内外道路交通安全评价方法的基础上，运用灰色系统理论建立了道路交通安全灰色评价方法。北京工业大学钟小明、荣建、郑柯、刘小明等学者以驾驶员信息采集处理模型为基础，研究典型小客车、中型车等在高速公路多种路段的运行速度规律，并建立了相关路段的自由流运行速度模型，参与并制定了《高速公路运行速度设计方法和标准》。长安大学杨少伟教授提出基于可能速度的道路线形设计方法，该设计方法中采用可能速度差作为线形设计评价指标，并提出了各级公路利用可能速度进行公路线形评价的评价标准。提出在初定路线平、纵面各技术指标基础上，根据汽车动力性能和平、竖曲线的允许速度建立可能速度预测模型并以可能速度作为线形设计的基本依据。假设一条公路横向、轴向及竖向加速度是连续的，分别建立各自加速度模型和加速度指标模型，得到横向允许速度、轴向行驶速度和竖向允许速度计数式。轴向行驶速度是汽车本身动力决定的，但又受横向和竖向允许速度的限制，因此取三者之中最小值作为可能速度的预测值。1．3．3国内外研究评述随着公众对公路交通安全问题重视程度的不断提高，针对设计速度法存在的主要问题，美国等发达国家提出了以运行速度为基础的路线设计方法。在我国这种设计理念和方法正逐渐被重视并在高等级公路设计中得到实际应用。运行速度设计法中速度预测模型与设计控制原则是基础，速度预测结果是否准确，速度控制标准是否合理都决定了线形设计的质量。纵观以上国内外研究成果，国外的运行速度预测模型与评价标准大多是针对小客车的运行速度来建立的，不能很好描述大中型卡车的运行速度特性。此外，国外预测模型并没有考虑路段连接情况对运行速度的影响，因而其对于我国公路运 第一章绪论行速度预测的实用性还不确定。我国《公路项目安全性评价指南》中推荐的预测模型是考虑了不同的车型以及路段连接情况建立的两阶段回归模型，该预测模型更符合我国车辆速度变化规律，但是其主要适用于高等级公路运行速度预测。对于一般双车道公路，由于运行环境的差异较大，预测结果的准确性较差。此外，通过在双车道公路安全性评价中的应用，笔者发现指南推荐的评价标准与事故的吻合程度较低，不能很好的反映公路线形的安全状况。因此，本文将针对一般双车道公路实际情况，建立适用于双车道公路的运行速度预测方法与速度控制标准标准，并以此为基础提出基于运行速度的双车道公路线形设计方法。1．4主要研究内容及创新点1．4．1论文研究的主要内容本文提出基于运行速度的公路线形设计方法的研究，是为寻求一种科学、合理的线形设计方法，指导公路线形设计，作为平、纵、横以及超高、视距和沿线设施等设计的依据。解决采用设计速度产生的技术指标耿值的盲目性和行车的安全性问题，本文以双车道公路为主要研究对象，需要研究下列主要内容：①提出双车道公路运行速度预测方法，并根据实测数据进行检验；②提出双车道公路线形设计控制原则：③提出基于运行速度的双车道公路线形设计方法。1．4．2论文研究的创新点本文的主要创新点主要有以下两个方面：①根据对双车道公路平直路段(包括长下坡路段)运行速度的研究，提出双车道公路期望车速预测模型，方便新建双车道公路运行速度测算时期望车速的确定。②通过分析公路线形设计要求与双车道公路运行速度变化情况，提出基于设计速度分级的速差控制原则。 第二章运行速度设汁法的设计步骤与控制原则9第二章运行速度设计法的设计思路与控制标准公路线形设计是以汽车的行驶特性为主要依据的，一个连续的公路线形设计应该既能够满足汽车运动轨迹特征、汽车动力学特性，还要符合驾驶员的视觉和心理的要求。这样的线形设计有助于驾驶员减缓疲劳，使得紧张的神经得以放松，保证行车安全。相对于设计速度法，基于运行速度的线形设计方法更能够保障设计线形的连续性与均衡性，本章将重点探讨其设计思路与设计控制标准。2．1运行速度设计法设计思路与步骤设计速度是指当气候条件良好、交通密度小，2汽车运行只受公路本身条件影响时，中等驾驶员能保持安全顺适行驶的最大行驶速度。它是公路设计时确定线形指标的最关键参数，设计速度一经选定，公路的所有相关要素，如超高、视距、纵坡大小、竖曲线半径等指标均与其配合以获得均衡设计。从20世纪50年代我国开始引入设计速度的概念至今，基于设计速度的路线设计方法已被所有设计人员所掌握。但是，经过多年来的实践发现，这种设计方法本身存在一定的缺陷。因为设计速度对于特定路段而言是一个固定值，用于规定某一路段的最低设计标准，但在实际的驾驶行为中，没有一个驾驶员自始至终地去恪守这一固定车速。实际的行驶速度总是随着公路线形、车辆动力性能及驾驶员特性等各种条件的改变而变化。只要条件允许，驾驶者总是倾向于采用较高的速度行驶。国内外观测数据研究表明，当设计速度高时，运行速度低于设计速度；而当设计速度低时，运行速度往往高于设计速度。运行速度和设计速度的不一致性，常常是事故发生的隐患。针对设计速度法存在的主要问题，德国、法国等欧洲国家和美国、澳大利亚等发达国家广泛运用了以运行速度概念为基础的路线设计方法。运行速度是指当交通处于自由流状态，且天气良好时，在路段特征点上测定的第85个百分位上的车速。运行速度是美国、德国、澳大利亚等国家提出并进行应用研究的，它是公路平、纵线形指标顺畅与否、安全与否的最终反映。国外通过大量的实况速度调查表明，将运行速度作为公路连续性评价的依掘，并且采用吆作为运行速度进行线形设计，能够满足各指标取值协调和线形设计均衡的基本要求。基于运行速度的设计方法的设计思路是以运行速度作为线形设计的基本依据。在初始平面线形和纵坡设计的基础上，通过“运行速度测算模型”推算各路段运行速度，并以“设计控制原则”为标准检验和修正平纵线形设计，然后根据路段 第一二章运行速度设计法的设计步骤与控制原则10线形和运行车速最终确定曲线超高、缓和曲线、竖曲线等设计指标。这种设计方法相对于设计速度法具有以下几点明显的优势n31：①避免了设计速度作为一个固定值并用来进行公路线形设计的盲目性和不具体性；②运行速度根据平纵面线形指标预测得到，依据运行速度确定的线形设计要素满足了车辆的行驶要求，解决了设计要素间的相容问题；③考虑了影响实际行驶车速的各种因素，如道路本身条件、驾驶员、汽车、路侧自然景观和环境等因素；④通过速度变化控制原则，保证各路段速度的一致性，不会出现速度突变点，从而保证公路线形是连续的。基于运行速度的公路线形设计法主要有以下几个步骤，如图2．2所示。①线形初步设计根据公路等级与地形等条件，按公路技术标准要求初步设计出与地形相适应且经济合理的路线平、纵、横技术指标，作为运行速度预测与线形设计修改的基础。②运行速度的预测根据初步设计的路线平、纵、横技术指标，按照运行速度预测方法预测路线双向运行速度并绘制运行速度分布图。⑧线形设计修改根据运行速度预测结果，修改存在问题路段线形指标，以保证公路线形的连续性与协调性，同时兼顾公路建设的经济性要求。④重新标定运行速度根据修改后线形指标，重新计算公路沿线运行速度，并作为其他设计指标确定的依据。⑤线形设计检查根据《标准》、《规范》检查线形设计结果，并最终确定路线技术指标。与现行公路线形设计步骤相比(图2．1)，基于运行速度的公路线形设计方法的设计步骤是在现行设计步骤基础上增加了运行速度预测、标定以及线形设计修改的过程，保证了线形设计同时满足规范、线形连续性与均衡性要求。虽然线形设计工作量与工程建设费用，相对于设计速度法可能会有一定程度的增加，但能够从线形设计的角度提高公路行车的安全性与舒适性。 第二章运行速度设汁法的设汁步骤‘j拧制原则1l该雨董厦丽蔡硐一—。————1’一一‘—’——’——～—+——一。一图2．1现行公路线形设计步骤Fi92．1Theexistinghighwayalignmentsteps2．2运行速度设计法设计控制指标2．2．1公路线形设计要求运行速度预测专‘线形设计修改占运行速度标定。占线形设计检杏由．图2．2基于运行速度的线形设计步骤Fi92．2Basedonthespeedofthelineardesignsteps一条设计优良的公路，应该是连续不断地展现在驾驶员的眼f；{『，能够自然地引导驾驶员的视线，满足驾驶员的心理和生理要求，减少驾驶员的无谓操作、疲劳和紧张心理，增加驾驶员和乘客的安全感和舒适感。连续性对于公路设计是非常重要的，而且是最根本的要求。连续性设计是指公路几何条件既不违背驾驶员的期望，也不违背驾驶员安全地操作和驾驶汽车的能力，即连续的公路设计能确保驾驶员沿着路线以他所期望的速度行驶。公路线形设计要给驾驶员足够的反应和判断的时间和空间，使驾驶员对前方路况有个明确的了解，获取必要的信息，采用期望的速度连续的行驶。例如，在大半径圆曲线和小半径圆曲线之间插入足够长的缓和曲线，长直线与小半径平曲线之间应插入中等半径平曲线进行连续性过渡，使驾驶员能够很容易地判断线形正在逐步的变差，以便采取换档、减速等相应的措施，可以确保驾驶员能从容而安全地驾驶车辆行驶，而不至于因为线形指标的突然变化，增加驾驶员的恐慌心理．异致驾驶员手忙脚乱，甚至发生交通事故。公路线形的不连续主要有以下特征。 第一二审运行速度设计法的设计步骤b控制原则12①连续公路上线形指标有着很大的增大或者减小在连续的公路E，线形指标有过大的增加，汽车行驶速度必然也增加，容易在指标增大路段的末端形成过大的速差，危及到行车的安全。相反，在连续的公路上线形指标有过大的减小，汽车行驶速度也随之下降，在指标减小路段的起始处容易产生过大的速差，同样对安全行车不利。②某些路段线形指标有着很大的变化率比如较长直线紧接长度较短缓和曲线、半径相差较大的同向或反向圆曲线之间未设缓和曲线或缓和曲线很短。这些平面线形组合产生曲率突变，属线形不连续，最终反映的是行驶速度在很短的距离内突变。③在平均指标和单个指标之间有着很大的差别平均技术指标和单个指标间相差过大，也就是线形的突变，单个技术指标高出平均值很多时，汽车将加速行驶，在单个技术指标的末端出现过大的速差，相反，单个指标低于平均值很多时，在单个指标的首端形成过大速差，过大的速差对安全行车极为不利。公路线形设计的不连续最终是通过驾驶员驾驶汽车和乘客的感受表现出来，是由线形指标的变化引起的，而线形指标的大小直接决定运行速度的大小。线形指标的变化是否符合驾驶员的期望，汽车的行驶速度是否符合安全行车的要求，决定了公路线形的连续性，最终由运行速度的大小和变化直接描述。因此，运行速度的连续与否，直接反映了公路线形的连续性，决定了公路线形设计质量的优劣、汽车行驶的安全性和乘客感觉的舒适性。2．2．2线形设计控制指标线形设计评价标准至关重要，用不同的评价标准评价同一条公路的线形设计，也许会得出截然相反的结论。国外对线形的评价研究较多，取得了大量的研究成果，我国在分析和跟踪欧美等国家道路安全评价成果的基础上，结合我国国情对交通事故与公路线形指标、交通事故与运行速度、公路线形指标与运行速度等关系也进行了深入研究，并提出了相应的评价指标与评价标准，其中应用最为广泛的是基于运行速度差的评价方法，采用的速差量与评价标准主要有以下两种。我国《公路项目安全性评价指南》中，对线形连续性和均衡性的评价采用的也是这两项指标。采用第一种速差量，通过相邻线形单元运行速度的比较，可以表现运行速度的变化情况。按行车顺适要求，相邻线形单元间运行速度的变化应小而缓，即运行速度应是连续的。运行速度连续，说明路线平面、纵断面线形或平纵组合线形 第二章运{，速度设汁法的改汁步骤’j拎制原则13良好、得当，公路线形设计质量是好的，驾驶员驾驶汽车从容，满足汽车顺适行驶的要求。从行车安全考虑，相邻线形单元l’日J运行速度的变化不过大、不过急，即运行速度不产生突变，此时认为运行速度是连续的，线形设计成果是比较好的，汽车行驶是安全的；但运行速度的变化过大、过急，从而产生突变，汽车行驶就不安全，容易发生交通事故，说明公路线形设计质量不好，应该进行修改。因此，采用相邻线形单元间运行速度变化量完全可以评价线形设计的质量和汽车行驶的安全性。采用第二种速差量，通过与设计速度的比较，可以表现运行速度相对于设计速度的变化幅度。从汽车行驶的平稳性考虑，运行速度相对于设计速度升高或降低量不应过大。升高量过大即超速过多，遇到满足设计速度的小半径平曲线或平面交叉L]或行人过路等情况，可能发生减速不及而造成的交通事故。相反，降低就是受限，由于上坡行驶中纵坡过大、过长，使运行速度F降并可能低于设计速度，降低量过大就会形成压车行驶，使快车受阻，超车的机率大大增加，而对该路段反向下坡行驶的汽车又会形成超速行驶，超速的行驶状况，对安全行车极为不利，量也不能过大。这种同一路段上坡车辆超车、下坡车辆应该控制运行速度低于设计速度的速差表2．1基于车速差的线形设计评价标准Tab2．1Lineardesignevaluationcriteriabasedonthespeedofthemargin线形发计质量圪57．一％5(．／km，h一％5一圪／砌·h。1好≤10由10—2010-20差≥202．2．3设计控制指标的选择为了保障公路线形的连续性，采用相邻线形单元I．日J运行速度变化量作为设计控制指标是可行的，这是一种相对比较，完全可以参照国内外的评价标准建立适应我国公路实际情况的线形设计控制标准。但是对于公路线形设计的均衡性，本文认为，采用圪。一“，>20km／h的规定作为控制指标在我国应用中还有一些困难，而且也不现实。我国地域辽阔，公路绵延千旱，所经地形变化万千，除了单纯的平原地形外，～条公路可能会遇到几种地形分类，各种地形条件下可以选用不同的技术指标，允许的行驶速度变化较大：我国标准规定，一条公路可根据交通量等情况分段采用不同的公路等级，同一等级公路可根据地形条件选用不同的设计速 第一二章运行运度设计法的设计步骤与控制原则14度，按不同设计速度设计的各路段长度不宜过短，高速公路不宜小于15km，一级、二级公路不宜小于lOkm，在规定长度内地形不可能一成不变，有些段落只能采用较低指标，而有些段落可采用较高指标，导致行车速度变化范围较大。比如平原地区的双车道公路，平纵线形受地形限制较少，运行速度较高，多数会超过设计速度在20km／h以上。然而山区双车道公路某些路段平纵线形受地形限制较大，运行速度较低．但某些路段所经地形为数公罩的平缓地形，线形指标较高，甚至可以全采用直线，且纵坡平缓，运行速度很高，载重车也有可能采用80km／h左右的速度行驶。显然，这些情况下强制限定运行速度与设计速度之差不超过20km／h是较为团难的，也是不符合实际的。如果地形条件允许，设计中应该采用较高的平、纵技术指标，允许车辆以较高速度行驶。高指标的线形设计是符合标准设计要求的，问题的关键是其两端与低指标之I’日J的过渡设计，若高低指标之间过渡得当，能获得连续的线形，汽车行驶是安全的。相反，若没有过渡或过渡不好，就会形成过大的速差，导致不连续的设计，可能发生交通事故。根据以上分析，连续的线形设计是最根本的要求，公路设计必须设法保证线形的连续，只要线形设计是连续的，就能保证从路线设计角度不会引发交通事故，线形设计的不均衡问题仍然是线形的连续性问题。因此本文将均衡性问题归于连续性问题解决，采用相邻线形单元间运行速差作为线形设计控制指标，不强制限定运行速度与设计速度差值，但在曲线路段需检验车辆高速行驶时的横向稳定性。2．3运行速度设计法设计控制标准2．3．1设计控制标准制定的依据设计控制标准制定将直接影响线形设计的结果和质量，也将对公路建成后车辆的实际运行速度和运营质量产生影响。设计控制标准的制定需要满足以下3点要求。①保证线形的连续性相邻线形单元间运行速度差值应控制在一个可接受的范围内，从而保证行车安全，并使驾驶员能够采用一种连贯的驾驶方式行车。②合理的建设成本相邻路段车速差控制值的取定将直接对线形设计指标产生影响。严格的车速差控制虽然会使线形标准提高，使行车更为舒适和安全，但是常常会造成工程建设成本的增加： 第一二章运行速度设计法的设汁步骤弓摔制原则15③分车型控制我国公路交通中包括多种车型的交通量，其中小客车交通量比重最大，机动性能好，速度快，是设计控制的首要对象。另外，大货车机动性能(包括减速性能)比较差(尤其当其满载甚至超载时)，在设计阶段有必要同时对大货车的运行车速变化加以控制。2．3．2设计控制标准国内外的研究中，相邻线形单元间速差控制标准的取值如表2．2所示“们。表2．2国内外速差控制标准Tab2．2Speeddifferencecontrolstandardsathomeandabroad由表2．2可知，德国和澳大利亚线形设计中对于车速差值的控制较为严格，严格的车速差控制虽然会使线形标准提高，使行车更为舒适和安全，但从控制工程建设成本的角度考虑，更严格的车速控制，必然造成建设成本的增加。而对于我国一般双车道公路，工程建设的经济性也是必须考虑的因素。我国和美国对于线形设计中运行速度差值的控制则较为宽松，只要相邻线形单元问运行速度差值小于20km／h，即认为该处线形设计是连续的，这样的控制标准相对于双车道公路线形设计又显得过于宽松。我国双车道公路设计等级包括二级、三级、也有四级，设计速度范围为20km／h至80km／h，各级道路条件的差异很大，相应的运行速度和速差变化范围也是非常大的。表2．3)b笔者通过对甘肃省多条双车道公路车速观测得到的速差检验表，由表2．3可知，设计速度较高的平原区双车道公路(60km／h或80km／h设计速度)，由于地形限制小线形指标较高，其运行速度是较高的，因此部分线形单元间速差超过20km／h是较为常见的，因此20km／h的速差控制能够起到控制线形设计的作用：但是对于设计速度低的山区双车道公路(30km／h或40km／h设计速度)，由于其本身的设计速度与运行速度都较低，即使在线形不连续的路段，相邻线形单元间的速度差也很少会超过20km／h，因此，《指南》中速差控制标准不能充分保证双车道公路的 第二帝运行速度设计法的设计步骤10控制原则16连续性，特别是设计速度较低的山区双车道公路。表2．3速差检验表Tab．2．3Speeddifferencechecklist设计速度线形单元间数(个)(krn／h)△矿<1010曼AV<1212≤△y<1515蔓AV<1818≤AV<20△矿≥203038473O40169172093l608311149638016212171298合计4524458331812国内很多学者在对双车道公路线形连续性的检验中都发现了现行标准的问题，并提出了相应的评价标准。江苏大学的刘志强等学者在对设计速度为40km／h的双车道公路做了大量研究后得到以下结论H51：①△V85、<10km／h：运行速度协调性好，线形连续性好，事故率低，基本不存在事故多发地点：②10km／h<△V85<15km／h：运行速度协调性较差，线形连续性较差，事故率有所增加，事故多发地点比较多：条件允许时宜适当调整相邻路段技术指标，使运行速度的差值小于或等于10km／h：③△V85≥15km／h：运行速度协调性差，线形连续性差，事故率很高，事故多发地点比较密，相邻路段需要重新调整平、纵断面设计。显然以上结论针对双车道公路车速低的实际情况对现行标准做了一定的调整，以兼顾设计速度较低的双车道公路线形连续性检验。根据笔者对甘肃省多条双车道公路的速差检验与事故资料收集，汇总得到各路段速差与事故对照表如下，由表2．49知，双车道公路的事故分布情况与公路设计速度以及相邻线形单元间速差都有密切的关系，具体表现为：①随着相邻线形单元间速差的增大(在速差分布范围内)，事故发生的次数逐渐增加。②事故的集中分布情况与设计速度密切相关，事故多发路段速差随着设计速度变化而变化。以设计速度40km／h和80km／h的公路为例，设计速度40km／h的公路，事故多发路段的速差基本在15km／h以上，速差小于15km／h的路段则基本不发生事故；设计速度80km／h的公路，随着设计速度的提高，事故多发路段的速差也随之 第-二章运行速度设汁法的设汁步骤’i拧制原则J7提高，基本集中予20km／h以上，速差小于20km／h的路段则基本不发生事故，相对于设计速度40km／h的公路，速差介于15km／h至20km／h的路段正是其事故多发路段。由此呵见，速差并不是判断线形连续与否的唯一条件，即使在速差相同的情况下，事故的发生情况还与设计速度有关。表2．4速差与事故对照表Tab．2．4Speeddifferenceandaccidenttablei52计速度事故数(次)(kin／h)△y<1010≤AV<1212≤△y<1515≤△y<1818S△矿<20△矿≥20300l94040O12139l60lO128·980O01316合计l2122026通过以上分析可知，速差并不是判断线形连续与否的唯一条件，在速差相同的情况下，判断线形连续与否还要考虑其设计速度。因此，本文认为在双车道公路存在多种设计速度情况下，其连续性控制标准不宜完全采用一个固定值，而是需要与设计速度相对应，根据不同设计速度双车道公路运行速度的实际情况，灵活制定评价标准，兼顾双车道公路线形设计连续性与工程建设经济性的要求，参考瑞士以设计速度划分速差控制标准区间的方法，本文提出双车道公路线形连续性控制标准，如表2．5N示。表2．5双车遭公路线形连续性控制标准Tab2．5Two·lanehighwayalignmentcontinuitycontrolstandards公路等级～二级公路二级公路四级公路设计速度(km／h)8060403020控制指标2018王512(km／h) 第三章设计路段运行速度预测模型与预测方法18设计路段运行速度的获取是运行速度法设计线形的基础和关键，《公路项目安全性评价指南》中推荐了两种运行速度预测方法，即我国交通部公路科研所“公路运行速度”课题研究成果和澳大利亚运行速度预测方法。相对于澳大利亚运行速度预测方法，第一种方法是基于我国公路车辆运行速度观测结果而提出的，比较符合我国车辆运行速度变化的规律，但它的适用范围仅限于高速和一级公路。通过在现有双车道公路运行速度预测中的应用，笔者发现用这种方法预测得到的运行速度与实测速度之间存在较大的差异。针对这一情况，结合甘肃省双车道公路运行速度的测量数据，本章将在第一种方法基础上建立适应于双车道公路的运行速度预测方法，确保双车道公路线形设计阶段车速预测结果的准确性。3．1运行速度影响因素分析3．1．1道路交通系统组成要素分析道路交通系统是一个由人、车、路和道路交通环境构成的动态系统。系统中，驾驶员从道路环境中获取信息，这种信息综合到驾驶员的大脑中，经判断形成动作指令，指令通过驾驶操作行为，使汽车在道路上产生相应的运动，运动后汽车的运行状态和道路环境的变化又作为新的信息反馈给驾驶员，如此循环往复，完成整个行驶过程。应该说交通事故是道路交通不可避免的产物，不发生任何交通事故的可能性是不存在的。道路交通事故是人(驾驶员、行人)、车(机动车、非机动车)、路、环境共同作用的结果¨引。人、车、路这三个道路交通基本要素必须相互协调，才能达到整个系统安全、快速、经济、舒适的要求。在三要素中，驾驶员是环境的理解者及指令的发出和操作者，在信息的搜集、处理、判断的某一个环节上发生差错，就可能引起交通事故，因此他是系统的核心，路和车的因素必须通过人才能起作用，其可靠性对交通安全有决定性影响。但驾驶员作为能动性很强的人存在，个体差异大，不易客观定量的描述驾驶员的驾驶行为。进～步的分析表明，道路因素是引发事故的更深层次的原因，会直接或间接的诱发交通事故，它与驾驶员因素相互作用而引发事故的比重达到30％。因此，作为交通运输的基础设施和车辆行驶的基本条件，道路对交通安全的 第三章'发汁路段运行速度预测模型’j预测方法19影响不容忽视。道路是一条复杂的三维带状物，它的各个组成部分都有可能对运行速度产生影响。由于道路条件中线形是影响运行速度的主要因素，本文主要考虑线形要素与运行速度的关系。3．1．2平面线形要素与运行速度的关系①直线对运行速度的影响直线是道路平面线形的基本要素之一，具有方向明确、布线容易、节省路线长度、便于设计、方便施工等特点，往往被使用较多。但直线也有线形呆板，不易弓地形地物、周围风景相协调的缺点，不易保证道路线形的连续性。直线对交通安全的影响来自驾驶员的视觉反应和心理承受能力，德国的研究成果表明，驾驶员在直线上正常行驶超过70秒钟后就会感到单调。如果不需要超车，试验表明4．8km(即在时速97km／h下行驶3m分钟的行程)的直线就会使驾驶员感到烦躁，甚至打瞌睡，带来灾难性的后果。由于视距良好，易于操作，驾驶员容易超速行驶，在驶出长直线末端进入曲线时，仍然有较高的车速，容易发生事故。因此直线不宜过长，直线一般不长于20倍设计速度，否则会带来不利影响心⋯。过长的直线还容易使驾驶员产生趋驶心理，想尽快驶出直线段，不知不觉中造成超速行驶。因此，过长的直线会导致运行速度在一定程度上失控，运行速度远远大于设计速度。一般来说，直线过长或过短都会使事故率偏高。直线长度过短使得驾驶员转弯操作频繁，工作强度大而造成心理紧张，同时因为线形变化过快给驾驶员提供的反应时I硎比较短而诱发事故。另外，长度过短在线形组合上不合理，容易造成视线误导在同向曲线I．日J形成“断背曲线”，对安全极为不利。②平曲线对运行速度的影响在理想状态下，就小客车和大型货车而言，平曲线半径及其连接的线形是影响运行速度的主要因素。一般平曲线半径与运行速度是正相关的关系，即平曲线半径越大，运行速度越快。由于小客车的动力性能较好，受平曲线半径的影响比较明显，而大货车由于运行速度通常较低，受平曲线半径的影响相对较小。由于平曲线所连接的线形是运行速度的主要影响因素之一，所以将平曲线在曲中点分为两段，平曲线要素及其组合对运行速度的影响就可分为以下几种情况：1)入口接直线：经过直线进入半径R=600m以下的曲线，无论对小客车还是对大型货车而言‘，从入13到曲中总体上表现为有不同程度的减速，并且半径越小相对入口速度而言速度降低幅度越大。2)入13接曲线：由一个曲线进入另一个半径更小的曲线，小客车和大型货车从入口到曲中也同样表现为减速，半径越小减速幅度越大；由一个曲线进入另一 第三帝设计路段运行速度预测模型与预测方法个半径更大的曲线，小客车和大型货车从入口到曲中通常表现为加速或匀速。3)出口接直线：对小客车和大型货车来说．相对曲中点来说通常有一定程度的加速或者相对曲中速度略有回升，并可能超过入口车速。4)出口接曲线：对小客车和大型货车来说，通常要看在该路段所接的曲线半径与当前曲线半径大小的关系。如果前方曲线半径比当前曲线半径大，那么通常是加速或匀速：如果前方曲线半径比当前曲线半径小，那么通常是减速或匀速，减速量的大小与前方曲线半径大小有直接的关系，其减速幅度通常随前方曲线半径增大而减小。总体而言‘，同等条件下．小客车速度变化幅度比大货车要大，这是由于小客车的车速比大货车车速高的原因。3．1．3纵断面线形要素与运行速度的关系①坡度对运行速度的影响根据基本的行车原理，纵断面线形指标中最直接影响车速的是纵坡坡度与坡长，对于坡度这一指标而言，上坡与下坡对于车辆速度变化的作用机理是不同的。+小客车在坡度3％以下的坡道上行驶时，速度只受到轻微的影响；但随着纵坡坡度的增大，车辆进入上坡坡段后，速度变化与进坡道前的初速度有关，但总体上呈现下降的趋势。随坡度的增加，小客车减速的幅度将逐步增大。有关研究表明，在前500m减速幅度比较大，500m平均减速15～25km／h；而后500m平均减速为8～15km／h左右。在运行800m以后，速度逐新趋于平稳。载重汽车在上坡道上由于坡度阻力和车辆本身性能的限制，速度有不同程度的损失，坡度越大损失越多，从2％"--8％的范围内速度损失基本在6--．一44km／h之间比4|。在长大上坡行驶时，车辆运行速度平均下降幅度基本在20km／h心刳。在通常的情形下，道路有一定的下坡坡度时，车速将增大。在一定的区间内，随着下坡坡度的增大，速度提高的幅度也随之增大，当纵坡过大时，速度增加量将下降，并且在某～个坡度上，速度变化值将趋于平缓。小客车在下坡时，有明显的加速过程，下坡车速超过115km／h，一般加速便趋于平缓。大货车在下坡时，也有明显的加速过程。有关研究表明，前300m增幅比较大，平均增速13～15km／h之间。随坡度的增大，大货车的速度增幅有增大的趋势，在800m以后，速度趋于平缓，基本保持在60一--80km／h阻引。②坡长对运行速度的影响车辆在下坡路段加速行驶时，其行车速度随坡长的增加是逐渐递增的，当增加到一定程度后速度呈稳定状态，此稳定速度可视为期望车速。每一纵坡当坡长增大到一定值后，其速度不再增大，因此每一纵坡都有一个稳定速度和达到稳定速度的坡长，而且纵坡越大稳定速度越小，达到稳定速度的坡长也就越短，纵坡 第三章设计路段运行速度预测模型与预测方法越小，稳定速度越大，达到稳定速度的坡长就越长。此外，对于同一纵坡，车辆在减速上坡时所达到的稳定速度和加速下坡时所达到的稳定速度不一致，减速上坡的稳定速度要远小于加速下坡的稳定速度∞"。③弯坡组合对运行速度的影响不同形式平曲线和纵坡(坡度>2％)组合形成的弯坡路段是公路线形的重要组成部分。汽车在弯坡路段上行驶时，运行速度受平曲线与纵坡的综合作用。一般来说，在进入半径600m以下的上坡曲线时，车辆进入曲线后到曲中前都有不同程度的减速，减速幅度与曲线半径和坡度有关，通常是半径越小减速量越大，坡度越陡减速量越大。下坡进入曲线时，通常小半径弯道(R<300)会有明显的减速，而且半径越小、坡度越陡减速量越大，这说明驾驶员能够意识到弯坡路段高速行车对行车安全不利影响，因而在下陡坡进入弯道时，大多数驾驶员会降低车速进入弯道。驶出弯坡路段时，如果前方是上坡路段，且相对当前曲线半径，前方为半径明显较大的曲线或直线，通常不会有明显的减速，坡度较小时甚至小幅加速；但如果前方为半径更小的弯道，则会进一步减速或匀速行驶。如果前方是下坡路段，且相对当自订曲线半径，前方为半径明显较大的曲线或直线，通常会有明显的加速：但如果前方为半径更小的弯道，则会进一步减速或匀速行驶。3．1．4横断面要素与运行速度的关系①路面宽度对运行速度的影响一般来说，在其他条件相同的情况下，在3．75m的车道上行驶的车辆的车速要明显高于在3．5m的车道上行驶的车辆的运行速度。有调查表明，双车道的路面宽度如大于6m，其事故率比5．5m的路面低的多。在较宽路面上，驾驶员的心理紧张程度没有窄路面那样紧张。尤其是在会车的时候，如路面宽度较窄，汽车的运行速度将减少很多，不利于车辆运行的经济性，而且宽路面也相对安全心⋯。②路肩宽度和结构对运行速度的影响一般情况下，路肩较宽可以给驾驶员以较大的操作空间，不仅可以缓解驾驶员在曲线路段超车或错车时的心理紧张程度，增加驾驶员的安全感，而且还可以给故障车辆提供临时停靠的地点，不致阻塞交通，有利于行车安全。紧急情况下，路肩还可以作为事故车辆救援的备用道。在路肩较宽的路面上行驶时，驾驶员能保持更高的速度。国内研究表明，对于3．25m的外侧车道，当路肩宽度小于1m时，对运行速度的影响最大。同时，当外侧路肩宽度大于1．5m时，对运行速度的影响不大。当车道宽度从3．25m增至3．5m时，路肩宽度对运行速度的影响相对减弱姑引。此外，路肩的结构对车辆的行驶安全也极为重要。车辆-一旦离丌路面进入土 第三章设计路段运行速度预测模型与预测方法质路肩，由于路肩结构与路面结构差异较大，车辆很容易失去控制而发生危险。这说明修建硬质路肩将有利于交通安全，可减少事故或降低事故的严重程度“引。③路侧环境对运行速度的影响在分析运行速度的影响因素时，双车道公路与高速公路一个主要不同点即为高速公路为全封闭系统，横向干扰很小：而双车道公路一般未封闭，车辆行驶时横向干扰较大，对运行速度的影响不容忽视。当路侧出现横穿马路的机动车辆或行人时，双车道公路上行驶的车辆的运行速度必会受到较大的影响，一旦驾驶员来不及采取有力安全措施控制速度，就非常容易引发事故。因此驾驶员在横向干扰大的路段上行驶时，一般都会将车速控制在一定范围内。3．2期望车速的确定期望车速是运行速度预测的关键参数，对运行速度预测和线形安全性评价的影响非常大，我国《公路项目安全性评价指南》(JTG／TB05-2004)中推荐的运行速度预测方法，其期望车速的取值为小客车120km／h，大货车75km／，与双车道公路的实测期望车速相去甚远(对双车道公路而言，上述期望车速取值明显偏高)，这在很大程度上影响了双车道公路运行速度预测的精度。由于双车道公路与高速公路或一级公路的行车环境差异较大，在进行双车道公路运行速度预测时，有必要对其代表车型的期望车速数值进行重新确定。3．2．1期望车速的定义及形成过程分析期望车速是指车辆行驶过程中在不受或基本不受其他车辆约束的情况下，驾驶员心目中希望达到的最高安全行驶速度‘2盯。调查发现，每个驾驶员在驾车过程中，其心目中都或明或暗地存在着一个“目标车速”，这个“目标车速”实际上就是期望车速。驾驶员对期望车速的选择首先取决于道路条件和所驾驶的车型，在这两个条件确定后，期望车速会随驾驶员的性别、年龄、气质、驾驶技术熟练程度及驾车风格等不同在一定范围内发生波动，但道路条件始终是驾驶员选择期望车速的基础和关键，不会因驾驶员个体的差异而发生改变。从心理学角度分析，驾驶员期望车速的形成过程大致可以分为初定、调整、确定和保持四个阶段。图3．1期望车速形成过程Fig3．1Theprocessofexpectationspeedformation 第_三章设汁路段运行速度预测模型‘j预测方法23①初定阶段：驾驶员确定心目中期望车速的初始阶段。当驾驶员驾车驶入某一条道路时，首先获取的是道路等级状况，驾驶员会根据行驶道路的横断面尺寸和车型等要素判断后确定一个仞始期望车速。②调整阶段：驾驶员对已经初步确认的期望车速进行调整的阶段。此阶段的特点是驾驶员通过对所行驶道路的线形及交通环境等相关情况作进一步观察后，决定是否对已确定的初始期望车速进行调整以及调整的幅度大小。③确定与保持阶段：驾驶员对已调整过的期望车速实施记忆保持的阶段。在此阶段，驾驶员对经过调整后确认的期望车速进行记忆保持，并以此期望车速为目标对所驾驶车辆的实际行车速度进行调控。在实际行驶过程中，当驾驶员感觉行车条件或交通环境发生变化而需要调整心目中的期望车速时，会按照图3．1中虚线的指向，重新确定新的期望车速。通过以上期望车速形成过程的分析，不难看出，道路条件对期望车速的影响主要是横断面尺寸、线形指标、路面状况和交通环境四个方面，其中横断面尺寸和车型是影响驾驶员期望车速选择的重要因素，线形和交通环境则是驾驶员调整期望车速的重要考虑因素。N．RASHEVSKY最先提出公路最大安全运行速度预测模型出9|，如式3．1所示，国内不少学者将其引入到高速公路期望车速的预测中”01。匕=(S—so一6一OLo)／Or式中：圪为期望车速，m／s：S为路基宽度，m：So为车辆宽度，m：艿为车辆与行人问距，m：Lo为车辆长度，m：乡为车辆侧偏角，rad：f为驾驶员的反应时间，S。该模型综合考虑了横断面尺寸和车型对期望车速的影响，得出的结果可认为是初始期望车速。高速公路由于线形指标较高且路侧封闭，对上述公式计算出的初始期望车速可以不作调整，直接用作驾驶员期望车速使用。但对于双车道公路，由于运行环境条件与高速公路明显不同，驾驶员在初定期望车速后还要根据路段内的交通环境和线形等，对初始期望车速进行调整并作记忆保持。3．2．2道路线形的影响及其修正道路线形作为道路的重要组成部分会对驾驶员期望车速的选择产生重要影响。如果公路的某个线形单元为急弯陡坡或平纵面线形组合不良，驾驶员驾车至这些线形单元时，常常会因为紧张而引起心率急速加快；如果在整个路段范围内这样的线形单元较多，驾驶员在驾驶过程中必然会处于持续紧张状态，从而影响到驾驶员心目中的期望车速确定。心率作为衡量驾驶员心理紧张程度的指标，能很好地反映车速、道路线形对驾驶员行车紧张性的影响。根据现有研究成果‘=”1，心率增长率为40％是心理高度紧 第三帝设计路段运行速度预测模型与预测方法24张的阈值。因此，在分析线形与驾驶员期望车速的关系时，可以将40％的心率增长率作为判断驾驶员心理是否紧张的界限。根据《指南》中运行速度计算对线形单元的划分要求，将路线划分为直线段、平曲线段、弯坡组合段和纵坡段四种线形单元；其中直线路段驾驶员的心率增长率较小，对驾驶员的期望车速选择不会产生影响。纵坡坡度对驾驶员心理的影响分为上坡和下坡两种情况，理论上在线形设计标准范围内，上坡不会给驾驶员的行车带来心理紧张。因此，对于影响驾驶员期望车速选择的弯坡组合以及纵坡路段，只需要考虑下坡的情况。平曲线段、弯坡组合段以及纵坡路段的驾驶员心率增长率模型如表3．1所示[31lea根据心率增长率模型以及调查路段中位运行速度，可以得出各种线形单元下驾驶员心率增长率达N40％的线形指标临界值，具体是：①平曲线段：半径小于120米；②弯坡组合段：坡度与半径比值<0．02；③纵坡段：各坡度情况下，坡长临界值见表3．2。表3．1心率增长率模型Tab3．1Modelofheartrategrowth线形单元类型心率增K率模型平曲线路段N=-11．565ln(R)一O．03565V+96．523(R=O．864)弯坡绍合路段N=-0．6651+0．336V+0．011￡+9．427(R=0．942)纵坡路段N=24．385+140．6i／，．+0．217V(R=0．855)表3．2纵坡路段临界坡长Tab3．2Limitedslopelengthofslopesections坡度／％34567临界坡长／m700500450400350根据以上驾驶员一tl,率增长率模型，可以定性地确定在整个路段范围内哪些线形单元会对驾驶员的期望车速选择产生影响。为了量化线形对于期望车速的影响，本文以这些线形单元占路段总长度的比例A作为衡量线形质量的指标。，2A=■1．{Li一=17式(3．2)式中：，为驾驶员心率增长率超过40％的线形单元长度，m：L为路段长度，m。笔者实测了多条双车道公路长直线路段(包括山区长下破路段)最大稳定行驶速度，观测时段选择在交通量较小(不大于300辆／h)的自由流交通时段，在剔除 第二．$&*路&t行速度颅■横型～m月I方法了有横向干扰以及路面破损，‘重的路段后，对各观测路段期望车速差值r和线形质量参数A进行回归分析，图32、图33分别为小客车与大货车期望车速差值回归曲线圈，从圈中可以看出，两种车型期望车速差值T变化规律基本相同，大货车期单车速差值变化幅度相对较小，最终得到线形修正模型如表33所示。固32小客车回归曲线F1妇2Carsregression⋯oD10⋯∞∞^(~]图33太赞车回归曲线F1933TruckregressionⅢe表33线形修正模型Tab3]Linearcorrectionmodel丰刚线形修止模刑小客车f：_o0008A3+OA53A2—0．1415A十O4052(R=0936)人贷乍7．=_o0“13A3+OQ244A20．2148A+08531(R=0923)323交通环境的影响及其修正我国双车道公路主要采用施划标线的方式分隔主线交通与路肩上的交通干扰事件。这种分隔方式必然造成主线车辆受路肩交通的影响较大。横向_F扰小的路段，驾驶员期望车速选择基本不受影响。横向干扰大的路段，则会对驾驶员期望车速选择和正常的驾驶行为构成干扰，从而使整个路段的车辆稳定运行速度降低。横向干扰因素可分为六类，即拖拉机、支路车辆、路侧停车、行人、非机动车以及街道化程度等。为了量化横向干扰，这里将各类横向干扰因素分为五个等级具体描述如表34所示。根据各影响因素的权重和级别，横向干扰级别(FRIC)可按F式计算‘“1：FR庀1-／nt(O25×TRA+02×EEV+018×PSV+0l5×PED+012×SMV十010x￡U+05)式(33)∞"m0O{ml一“- 第三帝设计路段运行速度预测模型与预测方法26为了量化横向干扰对主线车辆驾驶员期望车速选择的影响，我们选择平原区观测路段作为研究对象，横向干扰强度涵盖所有等级，此时线形对驾驶员期望车速选择的影响较小，驾驶员期望车速选择主要受横断面尺寸，车型以及横向干扰影响i图3．4为小客车初始期望车速与实测速度的差值(Z)分布散点图，大货车初始期望车速与实测速度的差值乃与正基本相同。从图3．4中可以看出五随横向干扰等级的增加而增大，两者之间有很强的线形相关性，当干扰等级为l时，期望车速基本不受横向干扰的影响；横向干扰每增加一个等级，期望车速就会下降大约5km／h。根据这一结论，同时借鉴现有的研究成果u珏1，可以大致得到横向干扰等级与驾驶员期望车速调整量之间的关系，如表3．5所示。表3．4各类横向干扰因素分级类别拖拉秽LTRA史路车辆EEV路侧停车PSV行人PEDlibeL动车SMV街道化程度LU级别辆／(200m·h)人／(200m·h)辆／(200m·h)(％)1≤2≤1≤2≤6≤50≤202≤414>8>24≤200804％降{氐8km／h／1000m与坡长的关系曲线进行调整坡度≤4％增力115km／h／500m至期望速度增加8km／h／500m至期望速度卜．坡坡度>4％增加8km／h／500m至期望速度增加10km／h／500m至期望速度禽、√型舞0O200400600800100012001400坡长(m)—-一5km／h——-10km／hnil,l=15km／la—--20km／h·—_25km／h-—_30km／h图3．7速度折减量与坡长的关系曲线图Fig3．7Toreducethespeedoffoldingandtherelationshipbetweenslopelengthcurve-．-．208642●_■，I● 第pU帝皋十运行速度的线彤设计方法第四章基于运行速度的线形设计方法基于运行速度的公路线形设计法的核心是改变传统设计方法以设计速度作为线形设计主要控制因素的做法，以路段实际运行速度作为线形指标取值的依据。其具体的应用方法是首先根据选定的公路等级与地形条件，按公路技术标准要求初步确定出与地形相适应且经济合理的平、纵、横技术指标，其次应用运行速度预测模型预测公路沿线运行速度，并结合地形条件修改线形设计，最后重新标定运行速度并作为其他设计指标确定的依据。本章将详细介绍上述各设计流程的具体操作方法。4．1运行速度预测基于运行速度的线形设计方法的基础是运行速度的获取，而运行速度的大小是根据路线平面、纵断面技术指标预测得到的。因此在线形设计时首先需要根据公路设计等级与地形等条件，按公路技术标准要求初步确定出与地形相适应且经济合理的公路线形，作为运行速度预测基础。初定平纵面线形的目的是预测运行速度，因此在初定平纵面线形时需要确定的主要是与运行速度预测相关的技术指标。公路平面线形由直线、圆曲线及缓和曲线构成，平面组成要素对运行速度的预测都有直接的影响。直线的长度和圆曲线半径的大小对运行速度的影响最大，缓和曲线主要起曲率与运行速度的过渡变化作用，但缓和曲线作为平面线形三要素之一，其长度对圆曲线半径与直线长度均有影响，因此线形初步设计时平面线形三要素都是必须确定的。公路纵断面是由直坡段、竖曲线构成，直坡对运行速度影响最大，包括直坡的坡度和长度，竖曲线对运行速度影响较小，线形初步设计时可不必确定其指标大小。此外，路基宽度是决定期望车速的关键参数，在线形初步设计时，需根据设计等级确定其路基宽度。本文参考澳大利亚《公路设计指南》和我国《公路项目安全性评价指南》(JTG／TB05-2004)，根据第三章对各类线形单元运行速度预测模型的研究，整合出双车道公路运行速度预测方法，具体应用流程如图4．1所示。在运行速度预测时首先应将预测路段划分为若干线形单元，线形单元划分参考《指南》中的划分方法，具体划分原则如表4．1所示。根据曲线半径和纵坡坡度的大小将路线划分为直线段、纵坡路段、平曲线路 第四章基于运行速度的线形设计方法43段和弯坡组合路段四种线形单元类型。其中，纵坡小于3％的直线段和半径大于600m的大半径曲线白成一段；其余小半径曲线段和纵坡坡度大于3％、坡长大于300m的纵坡路段以及弯坡组合段，作为独立单元分别进行运行速度测算。线形单元的划分可按以下步骤进行：·①仅考虑平面线形将整条道路分为直线(半径≥600m的曲线视为直线)和曲线(半径<600m)砖类；②考虑纵坡的影响，将直线进一步分为直线段和纵坡段(纵坡坡度>3％)；③根据纵坡坡度的不同将曲线段划分为平曲线段和弯坡组合段，其中平曲线段坡度范围为f∈[一2％，2％】，弯坡组合段坡度范围为f∈[一8％，一2％】u【2％，8％】。表4．1线形单元划分表Tab4．1LinearunitdivisionTAble线形单元类型划分依据直线段纵坡坡度小于3％，、卜径大于600m纵坡路段纵坡坡度人丁3％，半径人丁600m平曲线路段纵坡坡度小丁．2％。、I，径小lj：600m弯坡纲合路段纵坡坡度人『．2％，半径小J：600m对预测路段划分线形单元后，即可对预测路段的运行速度进行预测，具体的计算流程如下：①确定路段期望车速，对于己建公路，可实测其平直路段最大稳定行驶速度作为期望车速。新建公路则需根据道路相关参数，按期望车速预测模型，分别估算大货车和小客车的期望车速；②根据路段的设计车速，确定初始运行速度，《指南》中给定了在高等级公路公路运行速度预测时的初始运行速度，给定的公路设计速度范围为60km／h至120km／h，对于设计速度60km／h以下的双车道公路其初始运行速度则未作规定。根据现场实测数据分析，参考《指南》中设计速度与初始运行速度问的关系，本文推荐双车道公路设计速度与初始运行速度％之间的对应关系表4．2所示。③确定初始运行速度后，即可根据各类型线形单元运行速度预测模型，预测各线形单元特征点运行速度；④根据预测得到的各线形单元特征点运行速度绘制运行速度断面图。 第pq章皋于运行速度的线形设计方法表4．2设计速度与初始运行速度％之间的对应关系表Tab4．2Designofthespeedandtheinitialspeedofthecorrespondingrelationships设计速度(km／h)2030406080小客车3545557585初始运行速度％大货车2025355060’图4．1双车道公路运行速度预测模型整合Fi94．1Two·lanehighwayrunningspeedforecastmodelintegration采用前述双车道公路运行速度预测方法获得沿线运行速度后，需要绘制运行速度断面图，方便运行速度的调整与线形设计的修改，运行速度断面图的绘制包括以下几个步骤：①收集资料在绘制设计路段运行速度断面图之前，应收集相关设计资料，主要包括：1)公路等级、设计速度、主要技术指标等；2)直线、曲线及转角表； 第四章基于运行速度的线形设计方j：左453)路线平面设计图(应带地形图)；4)路线纵断面设计图。②确定绘图比例1)横坐标：公路罩程桩号，可采l：1000～1：5000的比例绘制：2)纵坐标：运行速度。采用lcm：5km／h-lcm：20km／h的比例绘制。③填写桩号按照前述运行速度计算方法的要求，完整的桩号应包括：设计路段起、终点，平曲线ZH、HY、YH、HZ点以及纵断面变坡点，另外增加百米桩及公罩桩。④绘制路线平面示意图路线平面示意图应按其主点桩号绘制，左、右转表示及标注与公路纵断面图中方法相同(曲率图)。⑤绘制路线纵断面示意图路线纵断面示意图用向上(上坡)和向下(下坡)的斜线示意，斜线上方标注纵坡度(上坡为正，下坡为负)，下方标注坡长，在变坡点位置以短直线划分纵坡。⑥标注运行速度值运行速度值是根据前述预测模型，在路线平面和纵断面的基础上计算获得。按绘图比例和各计算点桩号对应的运行速度值，点绘出运行速度断面图。4．2线形设计修正线形设计修改一般流程是通过逐个调整线形设计存在问题路段线形指标，降低速差以满足线形连续性要求，但是由于运行速度是连续的，影响各线形单元运行速度的主要因素不仅只是其自身线形指标，还包括其前后连接线形要素，因此每修改一个突变点处线形指标，都需重新计算该突变点后各线形单元运行速度后，彳‘能进行下一个突变点线形指标的调整，当平、纵线形改动内容较多时，重新计算工作量较大，且难以兼顾双向运行速度的连续性，线形修改过程较繁琐。因此，本文建议线形设计修改时，改变上述线形修改流程，逐一完成运行速度调整与速度协调性检验后，根据调整后运行速度反算确定平纵线形指标，以运行速度控制线形指标的确定，最终只需重算一次全线运行速度即可。相对于传统线形修改流程，上述修改流程较为简单，计算工作量较小，同时能够满足双车道公路线形设计的要求。 第叫章皋十运行速度的线形设计方法4．2．1运行速度调整为了保证公路线形的连续性，需要在运行速度断面图或运行速度计算表上，根据前述的线形连续性控制标准，按正向和反向分别逐一检查每个运行速度断面，视速差量大小分别处治。根据速差量的大小，本文将所有运行速度断面分为以下三个类型。①行车不安全点对于相邻线形单元间运行速度差大于或等于控制标准的地点都应列为行车不安全点。行车不安全点速差量超限，运行速度突变过大，容易产生因制动减速不及而引发的交通事故，从路线设计的角度给行车安全造成隐患，作为设计者有责任修改并消除此类点。②线形设计不理想点对于相邻线形单元间运行速度差大于或等于lOkm／h至小于控制标准的地点，应列为线形设计不理想点。此类点按前述控制标准往小取的原则，应属于行车安全的范围，但接近控制标准的突变点还是有可能引发个别交通事故，从线形设计的角度，这些点应视为设计不理想的位置，设计中应尽量给予修改。③不修点对于相邻线形单元间运行速度差小于lOkm／h的地点，对汽车行驶一般不构成危险，能保证安全行驶，本文划归为不修点，认为公路线形设计是理想的，设计质量是好的。运行速度的调整应参照地形条件在运行速度断面图或运行速度计算表中直接调整，运行速度调整时线形连续性是基本的控制原则，而地形条件也是速度时必须考虑的一个重要因素。对于行车不安全点，即使地形条件对平纵线位限制较大，也必须将速差量降低到连续性控制标准之内，保证公路运行的安全。对于地形限制不严，运行速度调整不会导致工程建设成本过度增加的路段，行车不安全点和线形设计不理想点的速差量，则应尽可能的控制在lOkm／h以内。运行速度的调整主要有提高和降低两种方法，提高是指提高曲线中部运行速度以减小速差，降低是指降低曲线入口运行速度以减小速差，两种方法可以单独使用也可以同时使用，具体使用时应根据地形条件确定运行速度调整的方法，当地形对曲线线位限制较小时，可直接抬高曲线中部运行速度以满足连续性要求，但地形对曲线线位限制较大时，则应该考虑降低的方法或抬高与降低同时使用，且应先根据地形条件调整线形指标，试算曲中运行速度可以调整的范围，再调整曲线入口运行速度。 第四章基于运行速度的线形设计方法474．2．2速度与线形指标协调性检验通过对突变点处运行速度的调整，能够将速差控制在连续性控制标准以内，保证线形设计的连续性，但是运行速度对于线形指标的协调性是无法得到保障的。以长F坡路段为例，由于坡度的存在，其运行速度在直线路段必然是持续增加，在曲线路段则是进入曲线时减速，出曲线时保持匀速或加速，因此整个路段运行速度必然较高，加速到一定程度后以期望车速行驶，要将其运行速度控制在(杉，+20)km／h以内是非常困难的，也没有实际意义。通过对相邻线形单元间速差的限制，虽然能够保证其运行速度连续性，但是在曲线路段，如果曲线设计指标较低，而车辆运行速度较高，就会造成速度与线形指标之间的不协调，影响曲线行驶的横向稳定性，严重时甚至危及行车安全，因此本文建议，在完成运行速度调整后，应检验曲线路段线形指标与速度问的协调性。由于横向力系数是反映汽车在曲线上行驶的横向稳定性的重要参数，因此速度协调性检验可按以下方法进铲1矿2。∥2蒜一ih式(4．1)式中：足为平曲线半径，速差未超限路段，采用原曲线半径，速差超限路段，采用调整后曲线半径；v为曲线中部(曲中点或变坡点)运行速度，速差未超限路段，采用原曲中运行速度，速差超限路段，采用调整后运行速度；L超高值；u为横向力系数。由于线形初步设计时未确定曲线超高，在速度协调性检验时，超高值可以取最大超高。根据试验分析，当∥<0．15时，可以保证汽车在潮湿的道路上以较高的速度安全行驶，因此，速度协调性检验时横向力系数的最大值不宜超过0．15，当横向力系数计算值大于0．15时，应调整其线形指标。4．2．3确定线形指标运行速度由平纵线形指标计算获得，由于运行速度与线形指标问的对应关系，完成运行速度调整与速度协调性检验后，需计算出与调整后运行速度相对应的线形指标。根据各线形单元存在的问题不同，线形指标的计算主要有以下两种方法。①速差超限的线形单元对于速度调整量较大的线形单元，运行速度调整后，就应根据运行速度预测模型计算其线形指标，便于速度协调性的检验；速度调整量较小的线形单元，则可在速度协调性检验完成后再计算其线形指标。线形指标计算时需根据线形单元划分原则，确定线形单元类型，再按照运行速度预测模型计算。由于运行速度受多因素影响，因此线形指标计算时，应根据地形条件，确定线形指标计算时主要 第pU章皋十运行速度的线形设计方法48的修改要素。以弯坡组合路段为例，双车道公路入口直曲的弯坡路段运行速度预测模型如式4．2所示。Vm=一39．034+0．605I／／刀+12．4181n％洲一0．327inDwl式(4·2)式中：‰为曲中运行速度，％为入口运行速度，％Dw为圆曲线半径，l‘nDwl为纵坡坡度。由式4．2可知，弯坡路段曲中运行速度受入口运行速度、圆曲线半径以及纵坡坡度三因素共同影响，当曲中点与曲线入口间速差超限时，可以通过调高曲中或降低入口运行速度以减小速差，速度的调整在运行速度调整阶段完成。当确定通过提高曲中运行速度以减小速差，入口运行速度保持不变时，则可以通过调整圆曲线半径以及纵坡，或者两个同时调整，以满足调整后曲中点运行速度。相对于圆曲线半径，纵坡对曲中运行速度的影响相对较小，因此圆曲线半径应作为线形指标反算时主要的修改要素。当纵断面地形限制较严时，应保持坡度不变，通过调整圆曲线半径以改变曲中运行速度。纵断面地形限制不严时，则可同时调整圆曲线半径与纵坡。②速度与线形指标不协调的线形单元速度与线形指标不协调的线形单元包括两种，一种是其速差未超限，只是运行速度过高，横向力系数较大；另一种是速差超限，通过对突变点处运行速度的调整，速差已控制在允许速差范围以内，但横向力系数仍然超标。因此此类线形单元线形指标计算时只要满足横向稳定性要求即可。由公式4．1可知，式中影响横向力系数的主要参数有曲中运行速度、半径以及超高，由于线形初步设计时未确定曲线超高值，在线形指标反算时，超高值仍然采用最大超高，不影响线形指标的反算。曲中运行速度与曲线半径是影响横向力系数大小的主要因素，可以通过调整曲线半径与曲中运行速度满足横向稳定性的要求，但曲线半径同时也是影响曲中运行速度的主要参数，因此，此类线形单元指标计算时一般情况下应将半径作为主要的修改要素。无论平曲线还是弯坡组合路段，半径的改变必然造成曲中运行速度的改变。曲中运行速度随半径的增加而增加，但不会超过曲线入口速度，且随着半径的增大，曲线长度发生变化，曲线入口运行速度保持不变或减小，但不会小于曲中运行速度。因此，圆曲线半径增大后，其曲中运行速度的变化范围应在原曲线入口速度与曲中速度之间。为方便线形指标的计算，本文将曲中与曲线入口运行速度的均值，定义为曲中目标运行速度，以此目标运行速度反算半径值，计算公式如式4．3所示，此目标运行速度一般会略高于曲中实际运行速度，但由于半径计算时横向力系数与超高值均采用的是最大值，因此采用略高的曲中运行速度确定半径值，对车辆在曲线路段行驶的横向稳定性是有利的。 第四章基于运行速度的线形设计方法49尺：匕：127qu+‘)式中：R为反算确定的半径值，m；V为曲中目标运行速度，km／h；∥为横向力系数，取0．15；‘为超高值，取最大超高。4．2．4重新标定运行速度由运行速度预测模型可知，公路各线形单元运行速度受与之相连线形影响，当一个线形单元线形指标改变时，其后各线形单元运行速度也会因此而发生改变：此外，由于公路的双向行驶，一个线形单元具有正反向不同的运行速度，调整线形指标会导致其正反向运行速度的改变，则其反向与之相连线形单元运行速度必然也随之改变。因此在完成线形设计修改后，应重新计算其运行速度，并检验其相邻线形单元Iq速差与曲线行驶横向稳定性，当检验结果满足要求后，则可最终确定全线运行速度并作为其他设计指标确定的依掘。4。3其他设计指标确定方法通过对线形设计的修改以及运行速度的重新标定，可以确定公路沿线各断面点运行速度以及与运行速度预测相关的主要线形指标。在以上线形修改流程中，线形指标的确定更多的是基于行车安全的考虑，但行车的舒适性也是线形设计的一个基本要求。因此本文采用运行速度作为超高、+缓和曲线、竖曲线等其他设计指标确定的依据，通过控制横向力系数、轴向减速度以及竖向离心力等影响行车舒适性的关键参数的取值，保证设计线形的行车舒适性。4．3．1确定曲线超高汽车在曲线上行驶时除受重力的影响以外，还会受到离心力的作用，其作用点在汽车的重心，方向水平背离圆心。由于离心力的影响，会产生两种不稳定情况：横向滑移和横向倾覆。将横向力与重力分解，可得：横向力E=BCOS—Gsin口式(4．4)竖向力f=只sin口+GCOSa式(4．5)其中，横向力是汽车行驶的不稳定因素；但单从横向力值的大小无法判断不同重量汽车的稳定性，一般采用横向力系数，即单位车重的横向力来反映稳定程度，其计算方法如式4．6Pfi示，将该式稍作变化即可得超高计算公式如下。 第pq常摹十运行速度的线形设计方法50砧=L一‘式(4．6)127尺”．矿2％2丁而一∥式(4．7)式中：R为平曲线半径，m：∥为横向力系数：v为设计速度，km／h：‘超高值。“值的大小对舒适性影响很大，该值越大，汽车行驶的稳定性越差。对于乘客来说，∥值的增大，会感到不舒适，掘试验，乘客随∥值的变化其心理反应如下：当血<0．10时，不感到有曲线存在，很平稳：当∥=0．15时，已感到有曲线存在，尚平稳：当∥=0．20时，已感到有曲线存在，稍感不稳定：当∥=O．35时，感到有曲线存在，不稳定：当“≥0．40时，非常不稳定，有倾车的危险感。有研究指出，∥的舒适界限为∥≤0．15。鉴于此，我国的公路设计时采用的∥值为0．10-0．15，由于人们对道路使用性能的要求越来越高，为达到安全性和舒适性的双重目的，本文采用∥=O．15作为超高计算时横向力系数的最大值。式4．7中的v在现行标准中为设计速度，对于某一等级某一设计速度的公路其值是一个定值。事实上，无论上坡行驶还是下坡行驶，无论哪一等级公路，无论是载重车还是小客车，大多数情况下并非以设计速度行驶。有些载重车可能低于设计速度行驶，但大多数情况下是以超过设计速度行驶。在曲线上超过设计速度行驶就存在超高不足的问题，无法满足行车舒适性的要求，甚至危及行车安全。在通过运行速度标定，已确定公路各线形单元运行速度的情况下，本文将超高计算公式中v采用运行速度，这样确定的超高值就可以避免超高不足的问题。考虑积雪冰冻地区以及慢车安全行驶的要求，计算出的超高值应在最大超高值‘，m舣，与最小超高值‘。m蛐之间，超过f^。懈，时采用最大超高值，小于厶。蛐，时采用最小超高值路拱横坡。最终可得超高计算公式如下i．彤％2存嚣一∥式(4．8)式中：‘为超高值，‘川。)≤厶≤‘fm舣)；∥为横向力系数，∥≤0．15：R为平曲线半径，111；圪为曲线中部运行速度，km／h。超高计算时横向力系数∥可按0．15计算，当超高计算值大于规范中规定的超高值时，采用计算值；当超高计算值小于规范中规定的超高值时，采用规范值。4．4．2缓和曲线长度检验作为公路平面线形要素之一的缓和曲线，由于车辆要在缓和曲线上完成不同曲率的过渡行驶，所以要求缓和曲线有足够的长度，以使司机能从容地打方向盘， 第四章基于运行速度的线形i殳计方法乘客感觉舒适，线形美观流畅，圆曲线上的超高和加宽的过渡也能在缓和曲线内完成。所以，应规定缓和曲线的最小长度。现行标准中缓和曲线最小长度的确定，主要从以下三个方面考虑1471：①离心加速度变化率汽车行驶在缓和曲线上，其离心加速度将随着缓和曲线曲率的变化而变化，若变化过快，将会使旅客有不舒适的感觉。按离，t二,DN速度变化率控制的缓和曲线最小超度计算公式如下：t=壶式中：，．为缓和曲线长度，m：'，y-,j设计速度，km／h；离一t：,DH速度变化率，m／s3，取值一般控制在0．6m／s3。②超高渐变率式(4．9)R为圆曲线半径，m：吼为由于缓和曲线上设有超高缓和段，如果缓和段太短，则会因路面急剧地由双坡变为单坡而形成一种扭曲的面，对行车和路容均不利。超高过渡段上，路面外侧逐渐抬高，从而形成一个“附加坡度”，当圆曲线上的超高值一定时，这个附加坡度就取决于缓和段长度。附加坡度，或称超高渐变率，太大和太小都不好，太大对行车不利，太小对排水不利。《规范》规定了适中的超高渐变率，由此可导出计算缓和段最小长度的公式：，E7AiZ，=—￡p式(．4．10)式中：，．为缓和曲线长度，m：B。为旋转轴至行车道(设路缘带时为路缘带)外侧边缘的宽度；△i为超高坡度与路拱坡度代数差，％：P为超高渐变率，即旋转轴线与行车道外侧边缘线之间的相对坡度。③行驶时问缓和曲线不管其参数如何，都不可使车辆在缓和曲线上的行驶时间过短而使司机驾驶操纵过于匆忙。一般认为汽车在缓和曲线上的行驶时间至少应有3s，于是缓和曲线的最小长度为：fj=者式(4．11)式中：，。为缓和曲线长度，m：v为设计速度，km／h：。考虑上述影响缓和曲线长度的各项因素后，《标准》制定了各级公路缓和曲线最小长度，如下表所示“舳。 第pU帝基于运行速度的线形设计方法表4．3缓和曲线最小长度表Tab4．3TransitioncurveMinimumlengthtable四级公路等级高速公路一级公路二级公路三级公路公路％1201008010080608060403020(km／h)，’^mln10085708570507050352520(m)由上表可知《标准》只是对缓和曲线最小长度做了规定，在平面线形设计时，为了使线形协调，缓和曲线实际采用的长度与圆曲线长度之比一般为l：1～1：2。然而缓和曲线除了曲率过渡变化作用以外，也起到运行速度过渡变化的胙用。根据对车辆运行速度的观测，车辆的加减速运动基本在缓和曲线上完成，+在囱曲线中部保持匀速运动。汽车由直线或者大半径曲线进入下一个曲线时，需要减速行驶，以确保车辆在圆曲线上行驶的安全。当相邻线形单元之间的速度差一定时，减速段较长的路段，由于车辆有足够的距离来减速进入弯道，则运行速度变化较为平缓，车辆行驶安全而舒适；反之则由于减速段长度不足而难以充分减速，或者不得不采用较大的减速度进入弯道，显然，这两种情况都会造成驾乘人员的不适，甚至可能危及到行车安全。因此，为满足行车安全与舒适的要求，应限制缓和曲线上的减速度。如果将汽车在缓和曲线上的变减速运动按匀减速运动处理，则其减速度可按以下方法计算：a=(t—v：,o)／25．92，。式(4．12)则缓和曲线长度可按以下方法计算：t=(蠢一吒)／25．92a式(4．13)式中：‘一为缓和曲线长度长度，m；Vm为曲线中部运行速度，km／h；v，。为曲线入口运行速度，km／h，a为减速度，m／r。根据国内外学者的研究成果，减速度与车辆运行的舒适性存在以下关系：①lal≤1．3所／s2一舒适②1．3m／s22．5聊／s2一较差根据以上对应关系可知，当减速度laI≤1．3m／s2时，行车的安全性与舒适性是能够得到充分保障的，因此本文以Ia|=1．3m／s2作为缓和曲线长度计算时减速度的采用值，则基于减速度的缓和曲线长度计算公式如下： 第四章基于运行速度的线形设计方法t=糍当相邻断面点I'日J运行速度较接近时，由上式计算出的缓和曲线长度可能小于《标准》确定的最小缓和曲线长度，此时缓和曲线长度根据圆曲线长度灵活选择，满足标准即可；当相邻断面点间运行速度相差较大时，由上式计算出的缓和曲线长度大于《标准》规定的最小缓和曲线长度，则采用上式计算值作为最终确定的缓和曲线长度。4．4．3设置竖曲线公路纵断面线形由直坡段与竖曲线两个部分组成，在两个直坡段的转折处，为保证行车安全、舒适以及视距的需要而设置竖曲线。对于竖曲线的设计要求，主要包括竖曲线半径与长度两个方面。①凹形竖曲线最小半径凹形竖曲线主要从限制离心力、夜间行车前灯光束照射的要求以及在跨线桥下视距的保证三个方面计算确定其最小半径。研究表明：汽车在凹形竖曲线上的行车视距一般都能得到保证，设竖曲线的目的主要为了缓和行车时车辆受到的冲击与颠簸。因此限制凹形竖曲线上离心力大小是确定其最小半径的关键“71。汽车在曲线上行驶时，其所受到的离心力为：F：皇鉴式(4．15)则竖曲线半径：，．zK2—127口F—／G)式(4．16)式4．16中的，／G是单位车重所受到的离心力，跟据国内外资料，将，／G控制在0．028ffP可满足行车舒适性的需求，带入式中即可得：。’，2式(4．17)A、min127×0．0283．6式中：心i。为凹形竖曲线最小半径，珊；y为变坡点处运行速度，km／h。②凸形竖曲线最小半径凸形竖曲线主要从限制失重不至过大和保证纵面行车视距两方面来计算确定最小半径。前者与凹形竖曲线的情况一致，后者则是汽车安全行驶的保证。通常凸形竖曲线最小半径是按停车视CgsJJ,于竖曲线长度L的条件作为控制要求制定出来的，则可得凸形竖曲线最小半径计算公式如下：由抛物线公式可知：心沪—(o619v+万最一3 第pq章皋十运行速度的线彤设计方法54式中：心汹为凸形竖曲线最小半径，m；’，为变坡点处运行速度，km／h。③竖曲线最小长度限制竖曲线最小半径的两个主要因素，即限制离心力过大和满足视距的要求，同样制约竖曲线最小长度的确定。当坡度角很小时，即使采用较大的竖曲线半径，竖曲线长度也很短，这样容易使司机产生变坡很急的错觉，乘客也感到不适，故还应限制车辆在竖曲线上行驶的时间不过短。这个限制按汽车3秒行程长度来进行计算的，即：，．：与：上式(4．19)“”3．61．2式中：乙；。为竖曲线最小长度，m；’，为变坡点处运行速度，km／h。由以上三式可知，速度是确定竖曲线最小半径的关键参数。汽车在公路上行驶时，驾驶员是根据公路的几何条件和汽车的动力性能来控制行驶速度的，只要条件允许，驾驶员是倾向于采用较高的速度行驶。在这种情况下若采用设计速度作为竖曲线设计的依据，则可能造成竖曲线上竖向离心力过大或者视距要求得不到保证。因此，本文建议竖曲线设计时，根据各变坡点运行速度确定其最小竖曲线半径与最小竖曲线长度，在可能的情况下应选用较大的竖曲线半径，以满足行车安全与舒适的需求，当平曲线与竖曲线组合时，宜按照“平包竖”原则设置竖曲线，且平曲线应稍长于竖曲线。 第五章J衄用实例分析5．1工程概况第五章应用实例分析为了验证前述基于运行速度的公路线形设计方法的有效性与可行性，本文选择武务路石桥至浩口段作为实例进行分析。武隆至贵州务川三级公路改建工程位于渝东南重丘地区，路线起于武隆县江口镇(与国道319线相接)，止于彭水县与贵州务川县交界地塘口村(垭口)，中间主要经过马鞍山(隧道)、牛盆(石桥水库)及石桥、贾角、浩口、大垭等乡镇，全长37公罩。由于武隆至贵州务川既有公路所处区域山高坡陡，地形条件十分复杂，气候也比较恶劣，现有公路不仅等级低，弯急、坡陡、路况差，而且现有公路全线回头曲线多达40多处，最大纵坡达13％以上，有多处平曲线半径小于10米；路面为简易泥结碎石结构，表面凹凸不平，晴通南阻，汽车的平均行驶速度不足20公里／小时。严重制约了重庆(武隆)和贵州(务川)两省(县、市)经济社会的发展。根据《武隆至贵州务川三级公路改建工程可行性研究报告》确定的建设原则和标准，本路等级为三级公路，设计速度V=40Km／h，路基宽度8．5m，按一阶段施工图设计深度进行路线勘测设计。施工图设计采用的主要技术指标如表5．1所示。表5．1武务路主要技术标准Tab5．1MainTechnicaIStandardsofWUWUroad指标名称单位采用标准值备注(实际采用值)地形类别山岭重丘区公路等级级计算行车速度Km／h40平曲线最小、卜径mfi0．0(同头曲线30)同头曲线、卜径／>31．8m最大纵坡／最短坡长％／m7．0／125凼难路段纵坡放宽到8％路基／路面宽度m8．5／(2×3．5)加州十．路肩宽0．75m路面结构类利高级舣层沥青混凝七沥青混凝t面层厚度9cm 第五章应用实例分析565．2运行速度预测由于本路段原线形设计与地形相适应且经济合理，平纵面线形指标相对较为均衡，同时为了方便与原线形设计的对比，文中省略线形初步设计过程，以原线形设计作为初步确定的线形设计指标，具体平纵线形指标见附图A。采用前述双车道公路运行速度预测方法预测其双向运行速度，其中速度差量较大的路段如表5．2所示，全线运行速度见附图A。表5．2速差检验表Tab5．2Speeddifferencechecklist止向速度止向速差反向速度反向速差突变点序号特征点桩号(km／h)K0+126．156470}—141K0+1935063-17K0+260．9458}80●K0+486．0673}—-122K0+5506167-13K0+611．8263}80K2+748．285972{3K2+80755}65—15K2+865．605980K5+524．077054}-144K5+5905646—14K5+653．0757{605．3运行速度调整由表5．2可知，本路段有四处运行速度突变点，速差量在10km／h以上，突变点处桩号分别为K0+193、K2+807、KO+550和K5+590，为了方便称其为l、2、3、4号突变点，速差量依次为17km／h、15km／h、13km／h、14km／h。根据连续性控制原则，设计速度40km／h的双车道公路，其相邻线形单元问运行速度差值必须控制在15km／h以内，因此1、2号突变点处线形设计是不连续的， 第五章应用实例分析存在严重的安全隐患，必须修改其线形设计以满足安全行车的要求；3、4号突变点速差量虽然小于15km／h，但较为接近上限值，是线形设计不理想点，宜结合地形情况，对该处线形设计稍作修改，将速差限制在lOkm／h以内。本路段反向为连续下坡，由于坡度的存在，车辆反向运行速度持续增加，当曲线路段线形指标较低时，就会产生过大的速差，从而威胁行车安全。1号突变点位于连续下坡路段前方，地形平坦，线形单元类型为平曲线，平曲线入口处运行速度为80km／h(期望车速)，而该处平曲线半径仅60米，显然／ii能适应这么高的入口运行速度而产生过大的速差。因此，为保证1号突变点处线形的连续性，其平曲线运行速度至少应提高至lJ65km／h以上或者降低平曲线入口运行速度，然而由于该处地形平坦，平曲线前方由直线连接，纵坡仅0．3％，如果要降低平曲线入口运行速度，需将直线段纵坡调整至1J3％以上，将直线段改为纵坡段，但是由于直线段长度较短，运行速度降低的幅度不大，而路堤填筑高度则会有大幅度增加，因此，对于1号突变点，本例采用提高平曲线曲中运行速度的方法，以满足线形连续性要求。虽然l号突变点处平曲线为R=60m绕内侧山包的暗弯，但此处地表横坡度并不大，适度增加半径挖方工程量不会大幅增加，因此，将平曲线曲中运行速度暂定为70km／h，将曲中点与曲线入口间速差缩小为lOkm／h，并按照平曲线运行速度预测模型反算确定其半径为195米。2号突变点位于连续下坡路段中部，线形单元类型为弯坡组合路段，弯坡入口与变坡点njJ运行速度差值已经达到15km／h，是行车不安全路段。这里可以通过调整变坡点与弯坡入口运行速度，满足线形连续性要求。由于该弯坡路段前方为长直线路段，且纵面为连续下坡，因此从K3+214．93至K2+865．60(弯坡入口)其运行速度均为期望车速80km／h，要降低弯坡入口运行速度较为困难，只能通过抬高变坡点运行速度以减小速差。此外该弯坡组合段’(JDll)与JDIO处弯坡组合段l'日J通过一短直线连接，该短直线长度仅25米，根据《标准》规定，反向曲线间直线最小长度以不小于设计速度2倍为宜，因此，可以通过调整该弯坡路段缓和曲线长度与圆曲线半径，将两反向基本型曲线组合为s-a曲线，经计算分别将该处圆曲线半径调整为234．17米，缓和曲线长度调整为50米，变坡运行速度相应的提高到76km／h，满足线形连续性要求。3、4号突变点虽然速差并未超限，但发生事故的几率仍较大，因此，可根据地形情况修改该处线形设计以保证行车安全。3号突变点位于连续下坡路段木端，线形单元类型为弯坡组合路段，弯坡入口处运行速度为80km／h，但由于原路线设计时，因为是旧路改建项目，为利用旧路采用与旧路相同的圆曲线半径，而旧路设计等级较低，所以造成弯坡入口与变坡点间速差较大。4号突变点处的情况与3号突变点相似，虽然由于位于连续下坡路段前端，入口运行速度相对较低，但是 第五章府用实例分析由于旧路圆曲线半径过小，该处速差仍然较大。由于3、4号突变点处地形对平面线位限制不严，为保证这两个路段行车的安全性，将3号突变点处运行速度调整为70km／h，4号突变点处运行速度调整为55km／h，并根据弯坡运行速度预测模型计算，确定其平曲线半径分别为150米和130米。5．4速度与线形指标协调性检验通过对突变点处运行速度的调整，能够将速差控制在连续性控制标准以内，保证线形设计的连续性，但是运行速度与线形指标间的协调性是无法得到保障的。当曲线路段运行速度较高而线形指标较低时，就会造成速度与线形指标之间的不协调，影响曲线行驶的横向稳定性，严重时甚至危及行车安全，因此在完成突变点处运行速度调整后，应检验曲线路段线形指标与速度间的协调性，本路段检验结果如下表所示。表5．3速度协调性检验表Tab5．3Speedcoordinationchecklist曲中运行速度(km／h)?卜径横向力系数曲线编号止向反向(Irll)止向反向QXl5370195O．030．12QX26370150O．13O．18OK365721700．120．16Qx46272130O．150．23QX560742170．050．12QX667752500．060．1QX765732050．08O．12OX8’70793300．04O．07QX96872235．7O．070．09QXl058651500．10O．14QXll5876234．17O．030．11QXl35975195．320．060．15QXl45976230．75O．040．12QXl55975220．930．040．12 QXl766701650．130．15OXl869773000．040．08QX20747l3100．060．05QX216l521000．150．135．5确定线形指标由于在运行速度调整过程中对各突变点运行速度调整的幅度均较大，因此在运行速度调整阶段就完成其线形指标的反算，在此只需反算速度与线形指标不协调线形单元线形指标即可。由上表可知，根据速度协调性检验，2、3、4号曲线由于反向运行速度过高，即使采用最大超高计算，其横向力系数仍大于O．15，运行速度与线形指标间协调性较差，曲线行驶的横向稳定性难以保证，需按照横向稳定性要求反算确定其线形指标，半径反算结果如表5．4所示。其中2号曲线正是3号突变点所在的线形单元，虽然已调整其运行速度与线形指标，但协调性检验仍不满足要求，因此采用表5．4中半径值作为其最终确定的半径值。表5．4半径反箅表T-ab5．4Counter．balancesheetofradIius入口运行速度曲中运行速度目标运行速度、扛径反算值曲线编号曲中桩号(km／h)(111)QX2K0+550807075193QX3K0+841．19807276198OX4K1+090．68757273．51655．6重新标定运行速度由运行速度预测模型可知，公路各线形单元运行速度受与之相连线形影响，当一个线形单元线形指标改变时，其后各线形单元运行速度也会因此而发生改变：此外，由于公路的双向行驶，一个线形单元具有正反向不同的运行速度，调整线形指标会导致其『F反向运行速度的改变，则其反向与之相连线形单元运行速度必然也随之改变。因此在完成线形设计修改后，应重新计算其运行速度，并检查各 第五章应用实例分析断面间速差，并以重新标定的运行速度作为作为其他设计指标确定的依据。本路段线形设计修改后，重新标定的全线运行速度见附图B．由附图B可知，通过线形设计修改，原线形设计中4个运行速度突变点已经消除，速差量均控制在lOkm／h以内，能够充分满足行车安全的要求，与原线形设计相比，通过线形设计修改，其线形连续性得到大幅度提高。此外，通过与原运行速度的对比，线形指标改变的线形单元，虽然其运行速度发生改变，但对其他线形单元运行速度影响不大，运行速度发生变化仅限于自i『后与其相邻的几个断面，而其他断面运行速度则基本维持不变。因此，在线形设计修改时，完全可以先逐个调整有问题路段线形指标，最后重新计算一次运行速度即可，省略传统线形修改方法中，反复计算运行速度的工作。5．7确定其他设计指标通过以上线形设计修改与运行速度标定，可以准确的获得路段各断面运行速度，以及与运行速度相关的主要线形指标。因此，在标定沿线运行速度后，需要根据标定的运行速度确定其他线形初步设计时未确定的设计指标，并最终完成公路线形设计。5．7．1．确定曲线超高本路段设计等级为三级公路，设计车速40km／h，最大超高值‘，。舣，为O．08，最小超高值‘(。in)为O．02(路拱横坡)，采用曲线中部运行速度(取双向运行速度中较大值)确定其超高值如下表所示。表5．5超高计算表Tab5．5SuperelevatioCalculators曲线半径运行速度(km／h)规范超高超高计算超高采用曲线编号(m)正向反向值QXl19558700．05O．05OX219368730．05O．07QX319865740．05O．070．07OX4．16562730．050．08OX521760740．04O．050．05 第五章应用实例分析6lQX625067750．040．030．04QX720565730．04O．050．05QX833070790．0300．03QX9235．768720．040．020．04QXl01505865O．060．07QX“234：175876O．040．04QXl3195．3259750．050．080：08QXl4230．7559760．040．05QXl5220．935975O．040．05QXl71656670O．050．08O．08QXl830069770．03O．010．03QX203107471O．0300．03OX2l13061550．06O．08O．08妒·由表5．5可知，本路段所有圆曲线运行速度均超过设计速度，部分路段运行速度超过设计速度30km／h以上，因此，实际采用的超高值一般会大于规范规定的超高值，部分路段甚至采用最大超高值。若依运行速度行车要求，按现行技术标准规定的超高值大多都存在超高不足的问题，加之目前公路上超速行驶现象比较产重，应用运行速度的方法确定的超高值虽然较大，但为保障车辆曲线路段行驶的横向稳定性与舒适性，采用较大的超高值是合理的。因此，应用运行速度确定圆曲线对应的超高值是合理的，对超速行驶产生的超高不足问题，保证行车更安全舒适是非常有利的，也为公路限速提供了科学依据。5．7．2缓和曲线长度检验作为公路平面线形要素之一的缓和曲线，在线形初步设计阶段已经初步拟定其长度，该长度主要从限制离心加速度变化率、超高渐变率、行驶时间以及线形协调四个方面拟定的，并未考虑其运行速度变化变化的影响，因此需根据已经标定曲线运行速度与减速度控制指标，验算原定缓和曲线长度是否能够满足运行速度均衡变化的要求。根据前述计算方法，计算可得满足车辆减速要求的各缓和曲 第五章廊用实例分析62线长度如表5．6所示。表5．6缓和曲线计算表Thb5．6Transitioncurvecalculators曲线编号正向计算值(m)反向计算值(m)初定值(m)采用值(m)QXl24．4346．714550Qx226．7231．7840QX33．8336．0940QX411．3113．0945Qx510．9527．4250QX66．782340QX73．8931．7835QX823．864．7235+Qx93．654．345QXlO25．5521．5245QXll718．5250QXl312。3313．6245QXl47．129．1445QXl57．122345．45Qxl73．9544．523545QXl812．0213．9835Qx204．36—8．3135Qx2l11．4526．5945由表5．6可知，根据双向运行速度计算的结果，各曲线路段初定的缓和曲线长度基本能够满足运行速度均匀变化的要求，原有的速差超限的曲线路段，通过调整其运行速度以减小速差，其缓和曲线长度基本已能够满足要求，因此这些路段缓和曲线长度不必再作调整，采用原定缓和曲线长度即可。1号与17号曲线处，原定缓和曲线长度略小于缓和曲线计算值，其缓和曲线长度采用计算值，并相应的调整平曲线各特征点桩号。经过调整后各曲线路段缓和曲线长度合理，缓和曲线与圆曲线长度比例均衡，运行速度均匀变化，对保障曲线路段行车安全性与舒适性是非常有利的。 第五章应用实例分析5．7．3设置竖曲线公路纵断面线形由直坡段与竖曲线两个部分组成，在两个直坡段的转折处，为保证行车安全、舒适以及视距的需要而设置竖曲线。其中直坡段的坡度与坡长是运行速度预测的主要参数，在线形初步设计阶段已确定，而竖曲线对运行速度预测影响不大，故在线形初步设计时，未设置竖曲线。在完成各变坡点运行速度标定后，根据其实际运行速度计算确定竖曲线各项指标。按照前述竖曲线设计方法，根据双向运行速度计算可得本示范路段各竖曲线主要参数如表5．7所示。表5．7竖曲线计算表Tlab5．7verticalCHIvecalculators竖曲线编计算最小原设计、卜原没计长采用、I，J径采用长度类型号半径(m)长度(珊)径(m)度(m)(m)SQXl凹130055．83400063．24400063。24。SQX2凹140058．33180079。2180079．2SQX3凹180065．83250046．38360066．78SQX4凸440066．67300065．1450097。65SQX5凹180066．67200080200080SQX6凸440066．673000804500120f，tSQX7凹180065．83250075250075SQX8凸370063．33350075400085．7SQX9凹180066．67250075250075SQXl0凸360062．52500754000120SQXll凹180066．67200068．62200068．62SQXl2凸370063．33250068．624000109．8SQXl3凹140058．33150060150060．SOXl4凸440066．67300060450090SQXl5凹170063．33150051．48200068．64SQXl6凸290058．33200052．66300079SQXl7凹110050．83150060150060本路段原设计等级为三级公路，根据《标准》规定其最小竖曲线半径为450米， 第五幸应用实例分析最小超度为35米。由表5．7计算结果可知，根据双向运行速度计算的最小竖曲线半径与长度远高于《标准》规定值，尽管原线形设计中根据线形平纵组合情况采用了较大的竖曲线指标，但由于本路段反向连续下坡，运行速度较高，仍有部分竖曲线设计指标不能满足要求，对于凹形竖曲线，表现为竖向离心力过大，行车舒适性较差；对于凸形竖曲线，则其行车视距无法保证，影响行车安全。因此需根据平纵组合情况调整不符合要求的竖曲线指标，满足要求的则保持原设计指标不变，最终确定的竖曲线设计指标如表5．7所示。5．8应用效果分析与评价经过以上运行速度设计法线形设计流程，已完成实例路段线形设计，最终确定的示范路段线形指标与运行速度见附图B。与原线形设计成果相比，采用运行速度设计法设计的线形更加平顺、流畅，主要有以下优点：①保证线形连续性公路线形设计的不连续最终是通过驾驶员驾驶汽车和乘客的感受表现出来，是由线形指标的变化引起的，而线形指标的大小直接决定运行速度的大小。因此，运行速度连续与否，直接反映了公路线形的连续性，决定了公路线形设计质量的优劣、汽车行驶的安全性和乘客感觉的舒适性。根据双向运行速度预测结果，实例路段中共有四个速度突变点，速差量在10km／h以上，其中1、2号突变点处速差量超过15km／h，存在严重的安全隐患，3、4号突变点速差量虽然小于15km／h，但较为接近上限值，其线形设计是不理想的。本文根据线形连续性控制原则，并结合各突变点处地形条件与线形组合情况调整速差，在不过分增加工程建设成本的情况下，成功的消除了原线形设计中的运行速度突变点，将全线最大速差控制在lOkm／h以内，充分保证了实例路段的线形连续性，消除了因线形连续性不良而存在的安全隐患，保证了公路运营阶段的使用质量。②保证速度与线形指标间的协调性汽车在公路上行驶时，驾驶员是根据公路的几何条件和汽车的动力性能来控制行驶速度的，只要条件允许，驾驶员是倾向于采用较高的速度行驶。在线形指标较低的曲线路段高速行驶，其行驶的横向稳定性是无法保障的，造成运行速度与线形指标间的不协调。由于本文设计方法并不强制限定设计路段运行速度变化范围，在保证线形连续性的前提下，允许车辆以较高的运行速度行驶，因此在曲线路段需根据实际运行速度检验其行驶的横向稳定性。本路段反向为连续下坡， 第五章应用实例分析65由于坡度的存在，车辆反向运行速度较高，部分曲线路段虽然其速差并未超限，但是由于其线形指标相对较低，而曲线上的运行速度较高，因而其行驶的横向稳定性较差，存在一定的安全隐患。本文根据各曲线路段线形指标与运行速度，逐一计算其横向力系数，并根据计算结果，调整不满足要求曲线路段线形指标，保证了曲线运行速度与线形指标间的协调，消除了因速度与线形指标间的不协调而存在的安全隐患。⑧提高行车的安全性与舒适性本文采用实际运行速度作为线形指标取值的依据，避免了设计速度作为一个固定值用来进行公路线形设计的盲目性和不具体性，保证线形设计要素与实际行车速度相符，从而提高了示范路段行车的安全性。另外本文以运行速度作为实例路段超高、缓和曲线以及竖曲线设计的依据，通过控制横向力系数、轴向减速度以及竖向离心力等影响行车舒适性的关键参数的’取值，保证了行车的舒适性。通过以上分析可知，．基于运行速度公路线形设计方法，是在现行设计方法基础上增加运行速度预测与线形设计修改的过程，以实际运行速度作为线形设计的依据，保证线形设计同时满足规范、线形连续性与均衡性要求。虽然线形设计工作量与工程建设费用，相对于设计速度法可能会有一定程度的增加，但能够从线形设计的角度提高公路行车的安全性与舒适性。 第六章结论与建议公路线形设计是以满足汽车安全行驶要求为前提的，以设计速度为依据的线形设计方法实际上是对公路线形设计最低限度应采用指标的控制，难以实现设计线形的连续性和均衡性。相对于设计速度，运行速度是车辆行驶状况的直接反应，运行速度的连续与否，直接反映了公路线形的连续性，决定了公路线形设计质量的优劣、汽车行驶的安全性和乘客感觉的舒适性。因此本文针对当前我国公路线形设计存在的问题，提出了基于运行速度的公路线形设计方法研究课题，解决采用设计速度产生的技术指标取值的盲目性和行车的安全性问题，从线形设计的角度减少道路交通事故的发生，实现安全行车的要求。6．1主要研究成果①根据设计速度在公路线形设计中的局限性，提出了基于运行速度的公路线形设计方法，在现行设计方法的基础上，增加运行速度预测与线形设计修改步骤，以实际运行速度作为线形指标取值的依据，保证了线形设计的连续性与均衡性。②通过分析运行速度的影响因素，论文系统的提出了双车道公路运行速度计算方法，对直线加速度，短直线临界长度，曲线运行速度预测模型等重要预测指标与模型做了重大改进，以满足双车道公路运行速度预测的要求。此外，提出了双车道公路期望车速确定方法，方便新建双车道公路运行速度测算时期望车速的确定。③通过分析公路线形设计要求，提出以线形连续性作为线形设计基本的控制原则，并根据双车道公路实际情况，提出基于设计速度分级的速差控制标准，兼顾双车道了公路线形设计连续性与工程建设经济性的要求。6．2需进一步研究的问题由于论文写作时间有限，未能充分吸收国内外先进技术标准，本文在以下几个方面在今后的学习与工作中有待进一步深入的研究与拓展。①由于调查样本量有限，运行速度预测模型与连续性控制标准，还需要大量的调查与论证分析作为支撑。②运行速度计算方法中初始运行速度的取值有一定的主观性，有待进一步研究。 第六章结论勺建议67③驾驶员自身的生理心理状况、道路本身的结构物(如隧道)、路侧自然景观、道路周围环境以及交通条件、气候条件等因素对运行速度的影响需进一步研究。④在基于数字地面模型(DTM)的路线CAD系统基础上，根据运行速度预测模型、评价指标模型和线形修改模型，实现可视化CAD修改技术。 致谢68致谢本论文是在导师屠书荣教授的悉心指导和严格要求下完成的。论文的顺利完成，倾注了导师大量心血。在此成文之际，谨向恩师表示最诚挚的谢意和最衷心的祝福!在近3年的研究生学习期间，恩师在生活上给予了作者无微不至的关怀，并给作者提供了宝贵的学习机会和良好的学习环境。恩师的谆谆教导，学生铭记于心。恩师渊博的学识、严谨的治学态度和优良的工作作风亦使作者深受启发，必将对作者在以后的学习和工作中改进工作态度，提高知识水平有着积极的影响。写到这里，两年多与屠老师一起出差学习的场景历历在目，恩师的耐心指导和无私帮助将使作者终生受益终生。对恩师的厚爱，作者感激不尽!感谢在研究生学习过程中，高建平教授、田文玉教授等多位老师的帮助和教导，他们严谨的治学态度和对科学研究的探索精神给我留下深刻的印象，在此向他们致以由衷的谢意!感谢在学习过程中提供诸多帮助的熊竹、李博修、侯涛、胡明、张宏、于鹏辉等同门和同学!感谢家人对我的支持、理解与鼓励，正是他们使我坚定了信心，克服了重重困难，实现了求知的理想。在论文研究过程中，参考了大量的文献资料，在此向所有参考文献的作者和文献的出版者致以衷心的感谢! 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附录A砖昂南申銮+事态古8黠龄爵阊菇嘶彳亍隧涛蚤尉匾蒋凰蓄15lj窭压最游置叫互龆串2游#荣媾筵海赫嚣瞬辱黼g：8：若：吕：8：秦：秣笤：荟：言：莒：●r：X：：．：Il／IlIlIl／IIl，I审＼、iIIlIIIIlIIIIIfIlIfIl^天誊宦Il—卜一厶《oM卜j上、X+∽∞o，≮L№＼IjIl<：Ill’I一弘lI，IlI—。IJ、Il刀’V’、llIIIIX塞]IlIjIlI>IJlJIlI一。【-窖II：I．Il＼Il·I十一×朱IlI一4、J·-一一．b-,2J"lll∽r旷L八乙门刀lI一兽I．I昌IlI天I一∽一(J．--I-幻．)ILn×：‘l‘I口叫：：：：：IIlIo—JII一含bc，Il：：<>：L—o’＼IlIlIJI：：：IlIlIfIlI1)IlIlIlI·IIlI>IlIl春：--J妻IlI：，』I：：：：IlI_．一{：：：：：Il‘：I、Jlo‘-¨‘o∞一∞＼：：《：I——1耋--I-；E刀：：：：：IIl《：．2．‘陪。嚣待}占#1二虽‘演i闭淹-'I-II∞鲁]乞一昌I兽：：上、J^l系o 附录A74盎强意潞斟每匿卸串i捧b霜熔避浔矾奇W群鞫!}A，、№lul^l∽Ior乙o∞1‘鲁：荟：三：蓉：。l。IoI。I。I，·。I●I‘、-，)IVIl、Il占薹念l为吕|。I＼、lI■I瑟剖狎一岛天№∽土oIlב●J'I●fI卜3叫lIl>‘明·-JIJJUIfI。，、JI，、1VlI动厶一(—∽划|．IlIlj{I‘III×┃天┃o┃臼oCI┃i屋／∞刁g＼爵IX+┃I┃┃Xl_4仍一∞┃━━━━砧}：宅△《∽g苷)F'j西葛烈砧龄褰洵黪 附录A77j宣囹奄聂潞置孰-燕j銎龆j≯{藩}嚼舞车辩海随萄柳猕氟了}X^∽|．瞽：吕。I含：g：8：爿：棒：昌：京，I云：蓉：∽蜘o+天吾1趸(J1IiIlqpIoL门‘’I上L‘I‘为上-oI0-、一◇葛孓‘o‘／IlI1矿I：：奔·>IIlfIlIlI刀艺／l．J．，又．JUI：：：：：‘F=一iI二》竺尚7呈隧}钎ii·U∽▲ILJL一IlI一卜、)I天如IcJlIl+譬Il：：‘：：f(一一l●l口～Il一oi一“J刃IIlI．I一∞lIoIl-∞lIIn≮IVlIlIJIlIfIlI一^lI刀lIIlI凶Il8I髫Il●IlIj矗i{：：i!』帅C一蒹IJI潦：妊确IW、lII，llJII』J一(门∞IlI工f，∽IlIyl，，I刀II／‘J‘IIIIl‘／I，／II‘I天r智Il／I—IlILI^。^I．。||l||lj||；弦—一～||||||||cJl、一【-垫lI；；!NIl、-i-一Cb∽∞olIJ～II妁‘I‘‘IlIlII、lI占‘萋X箸辩|．I＼2><口Ih．J×-"-Ia、出。_昌召塌天∽吕IlIlIlI卜)、一一-、JIl<'I)I-F"·-卜jU‘)lI—r、JIlIlIlIlfIlIlIlIlI一‘．一lIlI‘IlIlIlIlIlI一．．10lIlIlI：fIl九IlIlII，II／旦I蠹lI：J：1I：《；：占：lII。I由UlI召I譬rI兽卜-uJIlJIlIlIlI>I‘口J●IlIlIl二!。ⅥN蓝占glI＼lI；』lI穆：一缮*寻l●I上：<)llI爿II_lI夏卜仰／lIlIg一'h％／刃III>l<》lIl占剧舌I天IlIU∽I爪IIlIYlYIlIlI＼iI4＼IIlIl欠Ij、II，lI：：：·：I刀：：：：lIlIlI’箸卢lI1lI兰l—’：II凸Il‘^：：：：-雯室—IIl∽l：：：lI＼Cjl鬻o吕o·—J≮l1．IJiJ＼J、Il小一、JIl}IlIlIlI·lI＼IIl、|—C口KI-Ij+-Ⅺ、)』I一‘DI雾lI召‘IlIlI蕈IlI 附录B82瘟固诮潞尉叫互丑窜孕冷；舞譬}舞烁赫湃；甚=打腕^}鳓导们至冒：g：言：笤：鲁：召l∞：8：莓：云：营：ll-。n占蓁鬻IlIlIlI—r、j＼IlIlIlIlIfI刀IlIIIIlI啸IlX昌l∽I}}-雯I‘)I<：IlIlIfI萄昌"-0叫I尚装I·>、j、＼IIIIIIlIIIIII‘o’一‘，I葛。划．▲CJ刁fI，‘◆犬厂葛各b-鏊伫IlI<)E。◆。∽I凸L-C：)o一【J17；‘II‘>II◇IlI《CI《：IlIl《>万＼／。II!I{I!l；I＼▲-I-凹A∽臼一o’7≮．1厶譬-I-∽蓁4--．b-Fr-[Jr^二’叫仔}饕暑}占孓n：习。一1扣*K-_∞U∞一。--Jo当牙∞o．＼∞70lIll_|、一万A+至∽∞+o’XJ、埝-翘l一‘D∞口一N—^---'4lI—b们∽C)芏烈C)为IlI1II茸#nJ∞—C：)蒿斟||||9K4占g．尕+8。炜龄舔莉砒踯予亍酶河髯副圆 附录B83盛强意潞鱼嘲匹汀串i务}霸炼嬷．灞随勰溅诽辫=翟}C—至A∽～¨{．oo．oo．q：苦小汛l兽．鲁J占I譬l：凹吴一mC，pVlI—I—l—l天蜀CC3IlIyIlIlJIllIIIJ∽+oIlr日卜、0～IIo∽．hlJIJ∽ilj{Ilm’‘’!崩l'’I‘IlI口IlIl』IlI6lIlI～，’‘>llIlIlIlIlIlIlIlIJIJIJIlIlIg良l1IlIlf厶卜0o刃¨-兰¨’U·Jf¨loL撼们II；耳·o一0"1天∽+NU七or、0t客■乎“Iht’I"--4．IlIlIlIlIJI}I，I涵；IJI海一llo_^cJl+一．h葛刃lI!IIIlIlIoIlIlIuo天C)IlI仙∽I‘‰●、’IlIiI，I’IlcJl+oI：l：I／／I＼J～—LIIlIlIlI+A’×竺o】．iI。、{_cJlII8审．o一‘．，1U、口7∽瓜(刀II1望l犬r葛‘一n给J。+、LoI凸l垒卜仍cJlcool、IlI吣{Il＼IIl≥●IlIj◆IJIJI罕IlIlIlI器一‘、—JlIlIlIl罟IlI叫lIfIlIlIlIlI—00IlfIJlI}I艿IlI竿一∞II．I．、Ⅳ^一Il●兽lI鐾lIlIlI1．INIlIlJIJIJIlI材}南母再∽-o。0-1(5+口。u黠_；争蓦莉耐郦苛泌涛孽尉盈荣If京题 在学期间发表的论著及取得的科研成果发表论文【1】侯涛，张泽良，李博修．干线公路期望车速确定方法研究．交通科技与经济．2009【2】屠书荣，张泽良．舣午道公路期望车速计算方法研究．重庆交通大学学报．2010参加的科研项目：【1】甘肃省干线公路安全性评价研究．2008【2】人理州滇西中心城市综合交通规划．2009