山区双车道公路路线设计参数的研究

西部交通建设科技项目合同号：2003 318 223 22山区双车道公路路线设计参数的研究研究报告简本交通部公路科学研究院2007 年 01 月1交通部西部交通建设科技项目“山区双车道公路路线设计参数的研究”课题于 2007 年 1 月 7 日在北京通过了鉴定验收。该课题由交通部公路科学研究院主持，共有北京工业大学、中交第一公路勘察设计研究院、中交第二公路勘察设计研究院、重庆市公路局、贵州省交通规划勘察设计研究院 5 家单位参加。公路工程建设项目是一项长久性建筑，公路的平、纵、横空间骨架一旦形成，往往再难改变。我国是一个多山的国家，其中69%为山区，特别是在西部的 12 个省市区中，山区所占的比例更高达 80%以上。相对于平原地区而言，山区的地形、地质、水文等自然条件复杂，生态环境制约较大，限制条件与影响因素众多。公路线形指标的合理与否不仅直接影响到构造物的设置、环境的破坏程度以及建设费用，还关系到驾乘人员行驶的安全性。据近 5 年来的交通事故统计资料：在各种道路交通事故次数与死亡人数中，双车道公路所占比重分别达到 65.5%和 78.8%。因此，要建设出运行安全舒适、工程经济合理、适应周边环境的山区双车道公路，路线设计指标的选择和合理应用就显得尤为重要和极具指导意义。本 项 目 旨 在 通 过 我 国 现 行 标 准 规 范 的 适 应 性 分 析 ， 提 出 适合 我 国 西 部 山 区 交 通 运 行 规 律 的 路 线 设 计 方 法 及 其 关 键 的 设 计参 数 ， 细 化 和 完 善 现 行 标 准 、 规 范 ， 编 制 山 区 双 车 道 公 路 路线 设 计 指 南 ， 提 高 山 区 双 车 道 公 路 路 线 设 计 质 量 。山区双车道公路路线设计参数的研究课题主要研究内容及其成果简介如下。1现行标准和规范适应性分析在总结回顾公路工程技术标准和公路路线设计规范2中有关设计方法和设计参数极限指标发展变化历程的基础上，结合国外发达国家和亚洲、东盟国家的路线设计规范的相关规定，进行了差异性分析，找出了其间的异同点。特别针对我国山区双车道公路，系统分析了现行设计方法、设计技术指标与实际运行情况的匹配性。从国内外路线几何设计参数对比分析看，各国多采用设计速度作为制定公路路线设计基本参数的基础（例如平曲线最小半径、最大坡度和停车视距等） 。这些共同点从一个角度证明了目前在世界各国所采用几何设计标准的合理性。此外，尽管公路路线各几何设计参数取值范围存在着许多相似之处，但由于典型地域和气候特点的不同，国内外在公路路线设计具体指标的规定上略有差异。国外设计参数的选取普遍采用了设计值域的概念，也就是说：在确定设计参数的时候，存在一个取值范围可供设计人员选择。在这个取值范围中的任何选择都是标准和规范认可的，只是低限值偏重于节约造价，公路的使用和安全性能相对较差，而高限值则倾向于较高的公路使用和安全性能，造价相对较高。与国外的设计值域相比，我国大多数的几何设计指标采用的是单一值控制。由于地域覆盖面广，地形与气候特点各异，交通组成、经济发展水平也千差万别，因而，在不同的地形条件和气候条件下，为给公路路线设计人员提供恰当的设计空间，除个别强制性规定条文外，对具体的设计参数指标不宜作单一值的规定，而应给出可行的参考值域，并说明在此范围内的取值原则，供设计人员根据具体情况有针对性的选用。2确定山区双车道公路设计车型及其动力特性3汽车的物理特性以及行驶于公路上各种车辆的组成是公路几何线形设计中有重要意义的控制因素。在公路设计过程中， “设计车辆”是一种虚拟的、选定的车辆，其外廓尺寸、载重量和运行特征不仅是确定公路平、纵线形指标、交叉布置和几何形状的依据，同时与公路系统的安全、高效运营关系密切。因此，正确选择设计车型是本项目研究的关键因素。（1）基于功率重量比和外廓尺寸的车型分类通过对我国山区双车道公路在用车型的调查，项目研究采用基于功率重量比和外廓尺寸双因素聚类分析的车辆分类方法，对数据库中的各类车型进行分析，最终将车型简化为 3 种。根据西部地区的交通组成拖挂车和特大型车在山区公路上比例不足5%，交通组成中多为中型货车。从工程经济性考虑，对于山区双车道公路，当设计速度在 60km/h 以下，地形复杂、地质条件恶劣时，设计车辆考虑小型车和大型车两种，拖挂车和集装箱车不宜作为设计控制用车型。典型车辆的外廓尺寸长度分为小型车6.01.82.0、大型车 12.02.54.0。从考虑公路运输现状和今后五年汽车工业发展出发，建议用于山区双车道公路设计的设计车型和外廓尺寸标准仍采用标准的规定值。表 2.1 双 车 道 公 路 中 ， 以 功 率 载 重 比 和 外 廓 尺 寸 划 分 的 车 辆 类 型车型 车型说明小型车(6.01.82.0)微型面包车及其改装车、越野吉普车、客货两用车、小轿车、轻型货车、中型面包车、多功能商务车等大型车(12.02.54.0) 载货汽车、大客车、重型载货汽车、半拖挂等4（2）纵断面的设计车型选择在山区公路路线设计中，载重汽车的动力性能对于公路使用性能和安全性能的影响很大，且当前载重汽车的动力性能也发生了明显的变化，因此，本研究特别补充了用于公路纵断面设计的载重汽车动力性能标准，以指导公路纵坡和坡长的设计。根据载重吨位与功率比的累计分布曲线图，确定公路纵断面设计的标准车型为功率重量比在 9Kw/t 至 10Kw/t 之间的载重车，载重吨位在 8t 左右。实际车型选择使用大型汽车制造厂的车型，如东风、解放系列车型。功 率 比 直 方 图.00%5.00%10.00%15.00%20.00%25.00%30.00%35.00%40.00%2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15功 率 /重 量 比.00%20.00%40.00%60.00%80.00%100.00%120.00%载 质 量 直 方 图0510152025 0.51.1-1.52.1-2.9 4.1-67.1-7.910.1-13.915-16载 质 量频率（%）020406080100120累积频率（%）图 2.1 载重车功率比和载质量累计分布曲线（3）设计车型的上坡动力性能曲线根据对设计车型的上坡运行试验分析，建立了设计车型的上坡动力性能曲线，该曲线是山区双车道公路纵断面设计的基础。单独建立设计车型的动力性能曲线还不足以指导纵坡设计，设计车型在坡道上的速度折减量与纵坡之间的关系是决定纵坡设计的关键依据。因此，项目研究在大量试验的基础上建立了速度折减量与坡度、坡长之间的关系曲线。501020304050607080900 1000 2000 3000 4000坡 长 (m)速度(km/h)4%5%6%8%372.27% 6%5%4%3%2.2%图 2.2 设计车型的速度坡长曲线图0123456789100 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000110012001300坡 长 (m)纵坡(%) 5km/h 10 15 2 25 30图 2.3 速度折减量与坡长关系曲线图3建立山区双车道公路运行速度模型运行速度是公路设计时确定其几何线形的最关键参数，也是衡量公路平、纵线形指标的顺畅与否、安全与否的指标。因此，运行速度的调查以及预测模型的建立成为本项目的核心内容。（1）山区双车道公路道路交通特点与平原区双车道公路相比，山区双车道公路由于所处的地形6限制，在道路线形和交通环境方面有很大的不同点，具有平曲线半径小、纵断面起伏大、视距不良、路侧安全性差的道路特点，以及双向交通流相互干扰、快慢车速度差明显、纵坡路段对大中型车辆产生巨大影响、运行速度设计更具有针对性的交通特点。根据山区双车道公路的道路交通特性分析，得到影响车辆运行速度的主要因素：公路功能、公路环境、地形条件、几何线形、车辆和驾驶员。针对主要影响因素，本研究以驾驶员在各种影响因素和线形指标下的大量车辆实际行驶速度为基础，建立了路段的运行速度预测模型。（2）公路功能对运行速度的影响我国双车道公路按技术等级分为二、三和四级公路，按公路功能则涵盖了干线公路、集散公路和地方公路三种功能。为研究双车道公路功能对运行速度的影响，按双车道公路的功能，在不同区域选择典型路段，在各类典型路段上观测大量的运行速度数据，对观测数据进行统计分析，发现速度与公路功能具有良好的相关性，不同功能类型的公路，速度分布情况是不一样的。总体上是从干线公路到集散公路再到地方公路，自由流速度是呈下降的趋势。从方便和实用出发，将公路功能对运行速度的修正值取整为 5km/h，并给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）干线公路 0集散公路 -5.0地方公路 -10.07（3）公路环境对运行速度的影响我国的公路交通环境与西方发达国家相比，突出的特点是路侧交通干扰问题。西方发达国家的机动化程度非常高，很少有自行车、农用车在路肩行驶，而这种现象在我国却非常普遍。这些路侧干扰对交通运行产生影响，一定程度上降低了车辆运行速度。公路环境对运行速度的影响主要体现在两个方面：一是路侧横向干扰，一是支路出入口。横向干扰因素分为拖拉机、摩托车、支路车辆、路侧停车、行人、非机动车 6 类，按其在公路两侧每 200 米范围内出现的干扰事件次数确定各项干扰事件的等级。将各干扰事件等级与干扰事件的权重相乘，再将各干扰因素的加权等级值相加，便可得到该路段最终的路侧干扰等级值。双车道公路的横向干扰等级不同，对主线交通的影响也是不同的。为了量化横向干扰对主线车流运行速度的影响，选择了不同横向干扰等级的双车道公路路段进行了研究，得到横向干扰等级与第 85%位速度之间的具体关系。表3.2 横向干扰强度影响折减横向干扰等级 V85速度折减(km/h)1 02 -5.03 -10.04 -15.05 -20.0出入口是公路网中公路与公路或主路与支路之间平面交叉最普遍的形式之一。由于出入口的存在，车辆的运行速度会受到出入口的影响而减速。出入口越复杂，交通越混乱，主线公路车辆8的速度降低得越严重。为了量化出入口设施对双车道公路运行速度的影响程度，引入出入口密度的概念，指道路单位里程内在其两侧设置的出入口设施的个数的总和。根据出入口的实测数据，绘出车辆运行速度与出入口间距的关系图，由关系图计算得到的速度修正值与出入口密度的关系。图3.1 出入口间距与速度的关系表3.3 出入口间距与速度修正值速度修正值（ km/h）出入口间距(km)出入口密度(个/km) 80 km/h 60 km/h 40km/h0.2 5.0 -18.0 -12.5 -6.00.4 2.5 -6.0 -3.5 -3.01.0 1.0 -2.0 -1.0 -1.02.0 0.5 -0.5 -0.5 -0.5（4）地形对路段区间运行速度的影响山区双车道公路中，不同的地形条件主要是指公路的平均曲率和梯度，对运行速度的产生影响。通过对不同地形、不同道路等级、不同的平纵线形组合的路段进行研究，得到运行速度与曲率、梯度和视距的关系。（5）几何线元特征点运行速度9车辆行驶是否安全、顺畅，驾驶员在视觉上、心理上是否感觉良好都取决于公路线形设计，山区双车道公路几何线形与特征点的车辆行驶速度密切相关。通过对试验数据的统计分析，分别建立了平曲线速度影响模型、纵坡速度影响模型、弯坡组合速度影响模型、直线段加减速预测模型、横断面尺寸的速度影响模型。4提出基于驾驶员心、生理反应的路线设计关键参数线形指标的连续与否可以通过驾驶员驾驶汽车和乘客的感觉表现出来。一条设计优良的公路应该能够连续地引导驾驶人员的视觉和满足驾驶人员的心理和生理要求，减少驾驶人员的无谓操作，减轻驾驶人员的疲劳和恐惧心理，增加司乘人员的安全感和舒适感。本项目借助 GPS、几何数据测试系统、人体心电记录仪、测速仪等先进的设备，通过大量的室内试验和室外现场试验，研究适合我国山区双车道公路设计的平、纵线形指标。（1）基于驾驶员心、生理反应的驾驶负荷度标准驾驶员的心率容易检测，用心率来表示驾驶员的心理紧张程度，符合实际而且有一定的规律性，但是不同素质的驾驶员心率是不同的，因为每个人的心理变化是一致的，所以用心率增长率来衡量人的紧张程度。为了定量研究驾驶员紧张程度和实际操作的关系，对驾驶员作了紧张度标准的初步研究，得到检测驾驶员心率增长率与心理紧张度的数据。结合驾驶员舒适性、紧张度和事故分析调查结果，得出基于驾驶员心、生理反应的驾驶负荷度（心率增长率）分级标准。表 4.1 驾驶负荷度分级标准驾驶负荷度 心率增长率 司乘人员感受10分级 N（%）A N40% 超出心理承受点，行驶不稳定，有倾倒的危险以驾驶员舒适度为控制点，对应的心率增长率 30%作为设计采用的关键阈值。具体的评价标准是：舒适性阈值线形连续，心率增长率小于 30%；安全性阈值线形突变、不连续，心率增长率小于 40%。（2）基于驾驶舒适性的路线设计指标0102030405060700 100 200 300 400 500 600 700半 径 (m)心率增长率（）图 4.1 双车道平曲线半径指标与心率增长率关系通过对实测数据进行分析，得到平曲线半径与速度、心率增长率的数学模型，结合驾驶负荷度得到了驾驶舒适性的平曲线半径设计指标。在平曲线半径小于 100m 时，心率增长率大于40%，平曲线半径 280m 时对应的心率增长率为 30%，当平曲线半径大于 600m 时心率增长率小于 20%，因此，曲线半径在280600m 是最佳的。采用实测的心率增长率、坡度、坡长和速度数据，通过回归11的方法建立了下坡行驶的心率增长率模型，据该模型和舒适性阈值，提出不同坡度下的坡长建议值。通过调查直线长度与速度之间关系的数据以及测量试验人员心率变化的方法得到心率变化与圆曲线之间直线长度的关系。建议同向曲线之间的短直线长度不小于 40m。对于山区双车道公路仅从安全角度出发，不影响行车安全的同向曲线间直线长度应不小于 3V。（3）连续长大下坡路段车辆刹车毂温度预测模型目前标准规范对长大下坡指标没有定量化的规定。项目研究通过对最不利情况下的车辆下坡制动试验，分析货车后轮刹车毂温度随坡度、下坡速度和距坡顶距离的变化规律，建立连续长大下坡路段刹车毂温度预测模型，通过该模型，能够从长大下坡制动性能衰减的角度确定平均纵坡的控制指标。（4）货车停车视距在货车制动试验的基础上，确定了不同速度下货车（铰接货车）制动系数，提出了山区双车道公路货车停车视距推荐值。表 4.2 山区双车道公路货车停车视距推荐值设计速度（km/h ）反应时间80 60 40 30 202.5s 125 85 50 35 202.0s 120 80 40 30 15货车停车视距（ m） 1.5s 105 70 35 25 152.5s 145 90 50 35 20铰接货车停车视距 2.0s 130 85 45 30 2012设计速度（km/h）反应时间80 60 40 30 20（ m） 1.5s 120 75 40 25 155确定了满足运行安全性和通行能力的双车道横断面宽度调查结果表明，目前我国西部山区双车道公路应用的技术等级是不一致和不均衡的。例如，同样是通县通乡的公路，在富裕地区与经济落后地区相比，其技术等级可能相差很大，有可能是二级公路，也有可能是四级公路。因此，在公路设计过程中，不仅要考虑公路的功能和通行能力，同时要结合当地的经济发展水平和地形条件等限制，以科学合理地确定双车道公路的横断面尺寸。为此，本研究给出了不同公路功能下的横断面尺寸以及山区双车道公路的通行能力指标。6编制山区双车道公路路线设计指南指南是在总结课题研究成果的基