毛嘉川（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031）

基于三維線形運(yùn)行速度的山區(qū)旅游公路線形安全性評價

毛嘉川
（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031）

公路線形設(shè)計的安全性評價常采用運(yùn)行速度作為評價指標(biāo)，針對山區(qū)旅游公路的復(fù)雜線形及車型構(gòu)成，運(yùn)行速度的計算工況應(yīng)有針對性，計算手段也需改進(jìn)。將洪雅—峨眉山旅游公路作為分析對象，以“三維線形條件下的復(fù)雜道路重載車輛行駛速度解算模型體系”為計算手段，針對長大縱坡路段左、右線的交通特點，分別解算并繪制了三維線形條件下典型車型和典型駕駛模式的運(yùn)行速度曲線；分析了平縱面線形參數(shù)的協(xié)調(diào)性和安全性，提出線形修改建議；對于線形調(diào)整困難的情況，采用仿真模擬碰撞對混凝土護(hù)欄進(jìn)行防護(hù)等級加強(qiáng)；同時檢查了避險車道的設(shè)置。研究結(jié)果表明，綜合道路空間線形、車型、駕駛員等因素進(jìn)行系統(tǒng)分析和運(yùn)行速度預(yù)測，能更接近實際地評價和改善山區(qū)公路的線形設(shè)計。

山區(qū)公路；旅游公路；三維線形；運(yùn)行速度；公路安全評價；大型車輛

0 引言

隨著我國旅游業(yè)的發(fā)展，為提升旅游質(zhì)量、便捷性和通達(dá)性，很多著名景區(qū)修建或擴(kuò)建了景區(qū)道路，包括景區(qū)內(nèi)道路以及連通景區(qū)入口和附近城鎮(zhèn)的道路，即旅游公路。與一般公路相比，山區(qū)旅游公路具有明顯的特殊性：道路順適地形線形復(fù)雜，車輛行駛經(jīng)常處于較不利狀態(tài)；小客車和旅游大客車是交通組成的主要部分，發(fā)生交通事故人員傷亡較大，社會影響巨大；交通流具有明顯的周期性、季節(jié)性和短時性。因此，山區(qū)旅游公路的安全問題極為重要。

目前，關(guān)于旅游公路安全性的研究大多側(cè)重于設(shè)計人員主觀性的經(jīng)驗介紹、定性分析等，從旅游公路的設(shè)計理念、設(shè)計原則、主要技術(shù)措施等方面進(jìn)行探討，對均衡考慮環(huán)境保護(hù)、景觀布局與構(gòu)思、技術(shù)指標(biāo)選取、路線平縱設(shè)計與平縱組合、交通安全設(shè)施和運(yùn)營管理提出建議，以及對路側(cè)綠化、護(hù)欄、觀景臺、標(biāo)志牌等的具體技術(shù)細(xì)節(jié)加以介紹[1-6]。山區(qū)旅游公路線形較復(fù)雜、旅游大客車較多，有關(guān)線形安全性評價的研究較少，一般依據(jù)《公路項目安全性評價指南》（JTG/T B05—2004），采用運(yùn)行速度計算，只對路線平縱幾何參數(shù)進(jìn)行評價，其運(yùn)行速度是按平面、縱面分別計算，并對彎坡路段進(jìn)行修正；國外的設(shè)計方法也是以設(shè)計速度作為線形控制要素，用運(yùn)行速度V85對相鄰曲線單元的半徑分布進(jìn)行一致性檢驗[7]。這種運(yùn)行速度計算比較貼近高速環(huán)境下的公路行駛特性，卻沒有體現(xiàn)出駕駛?cè)朔较蚩刂菩袨榈挠绊?。目前，基于三維線形運(yùn)行速度解算技術(shù)手段，采用定性與定量相結(jié)合的方法來評價公路線形設(shè)計的研究報道還較少見。本文將以存在典型長大縱坡路段的洪雅—峨眉山旅游公路為分析對象，計算三維線形條件下代表車型的運(yùn)行速度，根據(jù)速度曲線的變化特征分析汽車在上坡路段、下坡路段以及曲線路段的行駛安全性和交通服務(wù)水平，進(jìn)而實施有針對性的線形參數(shù)改進(jìn)和安全設(shè)施評估。

1 工程概況

洪雅—峨眉山旅游公路定位為旅游快速通道，建成后將與連接峨眉山、周公山、瓦屋山的三山環(huán)線結(jié)合，形成川西南的黃金旅游復(fù)線之一。路線總體呈南北走向，結(jié)合地形條件沿山體西側(cè)和南側(cè)環(huán)山布設(shè)，主線設(shè)計范圍為K25+800—K47+580，起終點高差達(dá)669.702m。設(shè)計速度采用60km/h，按雙向四車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，整體式路基寬21m，分離式路基寬10.25m。K33+000—K37+000段采用分離式路基，其中左線于ZK36+550處設(shè)1座337m隧道；右線于K33+130、K36+620處分別設(shè)置長990m、290m的2座隧道，其余路段采用整體式路基。

右線為長大上坡，連續(xù)上坡段長21.803km，平均縱坡3.07%；左線為長大下坡，連續(xù)下坡段長22.607km，平均縱坡2.962%，屬于典型的山區(qū)長大縱坡路段。平曲線半徑R∈[200m，2220m]，均值半徑為575.58m，平曲線比例為81.2%，直道比例低于20%，絕大部分路段在空間形態(tài)上屬于典型的彎坡組合路段。

根據(jù)峨眉山景區(qū)近年來游客數(shù)量的遞增趨勢，并參考同類著名景區(qū)如華山景區(qū)、張家界景區(qū)、黃山景區(qū)等，道路建成后旅游大客車、小客車必然是主導(dǎo)車型，其余車型按照比例遞減的順序分別是小貨車、中型貨車、大貨車和拖掛車。從行車安全角度分析，大客車、大貨車和小客車是路線設(shè)計及交通安全設(shè)施設(shè)計的控制車型。

2 評價依據(jù)以及計算手段

2.1 評價依據(jù)

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2003）和《公路路線設(shè)計規(guī)范》（JTG D20—2006）的有關(guān)規(guī)定:“高速公路、一級公路在設(shè)計完成后，或運(yùn)營后，或改建時，宜進(jìn)行安全性評價，以提高行車安全性”，針對該公路的線形設(shè)計成果進(jìn)行運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評價。評價流程、評價標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)為《公路項目安全性評價指南》（JTG/T B05—2004），即采用相鄰路段運(yùn)行速度的差值ΔV85作為評價指標(biāo)。

2.2 設(shè)計符合性檢查

洪雅—峨眉山旅游公路采用一級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度為60km/h，平曲線半徑一般值為200m。對設(shè)計的平面幾何要素進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其右線設(shè)48個交點，左線設(shè)53個交點，采用最小平曲線半徑200m/8處；右、左線分別含37、40個變坡點，最大縱坡4%/1處，坡度大部分為2.5%～3.5%，最短坡長為170m。平縱面指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2.3 三維線形運(yùn)行速度的計算手段

本文采用的三維線形運(yùn)行速度計算手段為文獻(xiàn)[8]～[15]中提出的“三維線形條件下的復(fù)雜道路重載車輛行駛速度解算模型體系”。該模型體系共包括通道寬度影響模型、曲線轉(zhuǎn)角影響模型、圓曲線速度模型、長直道速度模型、路面狀態(tài)限制速度模型、縱向加速度（減速度）模型、重車爬坡模型、駕駛習(xí)慣修正模型等一系列的半經(jīng)驗-半理論模型組，給出了復(fù)雜道路空間三維運(yùn)行速度預(yù)測的完整方案。該模型突破了目前預(yù)測重載車輛運(yùn)行速度時需要針對平曲線路段和縱坡路段分別預(yù)測的局限，能夠快速解算且具有較高的計算精度。三維線形條件下汽車行駛速度預(yù)測軟件界面如圖1所示。

圖1 三維線形條件下汽車行駛速度預(yù)測軟件界面

2.4 初始運(yùn)行速度設(shè)定

車輛實際運(yùn)行速度受道路線形、車輛動力性能及駕駛員等各種因素的影響?，F(xiàn)實中，駕駛員在條件允許時傾向于采用較高車速行駛。通過三維線形運(yùn)行速度解算，用運(yùn)行速度差控制來檢查和修正線形，可以獲得連續(xù)、一致的均衡設(shè)計。本文分析了該公路相鄰路段速度，其中設(shè)小客車初始運(yùn)行速度為70km/h，大貨車初始運(yùn)行速度為60km/h。

2.5 運(yùn)行速度計算工況選擇

公路右線屬于長大上坡，左線為長大下坡。對于長大上坡路段，大客車和大貨車由于單位質(zhì)量比較大、功率低，上坡時必然會受到坡度和坡長的影響而出現(xiàn)行駛速度衰減，降低道路的通行能力和服務(wù)水平，為此本文選定輕型貨車、中型貨車和重型貨車三種基本車型為計算對象。

左線屬于長大下坡路段，大型車輛下坡方向行駛時受重力作用更加明顯，行駛速度總能達(dá)到目標(biāo)速度。但隨著重型車輛速度的加快，在未采用輔助行車制動措施時，如果制動持續(xù)時間較長，車輛制動效能將出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，行駛穩(wěn)定性下降。該模型體系運(yùn)用美國的GSRS模型預(yù)測了大客車、中型和重型貨車下坡行駛時的制動器溫度曲線，分析了其對長大下坡安全性的影響。

3 運(yùn)行速度計算及線形安全性評估

3.1 道路平縱面線形計算

使用山區(qū)復(fù)雜道路三維道路模型計算軟件，輸入路線平、縱、橫設(shè)計數(shù)據(jù)，解算得到的平縱面線形及縱面坡度如圖2所示。道路右線行駛方向在25km的全里程范圍內(nèi)均為上坡，左線行駛方向為全程下坡（僅有1處坡度為0.3%的反坡），屬典型的長大縱坡路段。

3.2 右線行駛方向運(yùn)行速度解算及安全性評估

根據(jù)峨眉—洪雅旅游公路的功能定位和交通特點，以小客車、旅游大客車和大貨車為代表車型，進(jìn)行三維運(yùn)行速度解算，然后進(jìn)行基于運(yùn)行速度的線形協(xié)調(diào)性評價。

3.2.1 基于平面和橫斷面的運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評價

基于平面和橫斷面要素的速度解算結(jié)果如圖3所示。由于小客車所占比例大、類型多，且非職業(yè)駕駛員比例高、駕駛風(fēng)格多樣，因此在設(shè)置駕駛模式時，除了常規(guī)的駕駛模式（與V85的含義相對應(yīng)，計算結(jié)果為運(yùn)行速度曲線）之外，還進(jìn)行了侵犯型駕駛模式的速度解算（侵犯型駕駛模式是指在行車過程中表現(xiàn)出追求高速度、小車間距、頻繁占用對向車道以及同側(cè)車相鄰車道等特征的一類駕駛行為，此類駕駛行為具有較強(qiáng)的攻擊性和較高的事故風(fēng)險[16]）。

圖2 道路平面線形以及縱面坡度

圖3 右線方向的運(yùn)行速度曲線（基于平面和橫斷面）

根據(jù)圖3，運(yùn)行速度曲線在標(biāo)注的H1位置迅速降低，且下降幅度較大，尤其是小客車的速度差10km/h＜ΔV85＜20km/h。根據(jù)《公路項目安全性評價指南》中的評價標(biāo)準(zhǔn)，此處運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性雖滿足要求，但協(xié)調(diào)性一般，與駕駛?cè)说淖匀获{駛習(xí)慣以及心理預(yù)期有沖突，可能存在行車安全隱患。因此，條件允許時宜調(diào)整相鄰路段技術(shù)指標(biāo)，使運(yùn)行速度的差值小于或等于10km/h，以提高相鄰路段線形的一致性。H1處的線形參數(shù)及其平面位置如圖4所示，建議將半徑值從200m增大至250～260m。

3.2.2 三維線形條件下的運(yùn)行速度與設(shè)計速度協(xié)調(diào)性評價

右線方向為長大上坡路段，大客車和大貨車上坡時的行駛速度會出現(xiàn)衰減，降低了道路的通行能力與服務(wù)水平，同時還會導(dǎo)致安全隱患，比如小客車追尾。三維線形條件下大型車輛的運(yùn)行速度計算結(jié)果如圖5所示，在動力特性方面，由于大型客車與中型貨車和重型貨車1接近，不再單獨評價。

為了保證道路通行能力，重載車輛的運(yùn)行速度不容許降低過多，設(shè)計速度為60km/h時爬坡的最低容許速度不宜低于40km/h。而K32+900—K33+ 600（圖5中D1）、K36+000—K36+700（圖5中D2）這兩個區(qū)間內(nèi)重型車輛2的行駛速度低于容許值，宜設(shè)置爬坡車道。如受地形和工程造價限制而未設(shè)置爬坡車道，建議在旅游高峰期，實時監(jiān)控路段交通量，必要時分路段、分時段限制貨車通行；同時，在此區(qū)段規(guī)定大型車輛在外側(cè)車道行駛，將內(nèi)側(cè)車道留給小客車，確保通行能力受到的影響最小，同時避免小客車追尾大型車。

圖4 右線平面線形以及參數(shù)調(diào)整建議

圖5 三維線形條件下不同性能貨車的行駛速度曲線

3.3 左線行駛方向運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評估

K33+000—K37+000段采用分離式路基，需單獨計算左線行駛方向的運(yùn)行速度，選擇小客車、大客車、大貨車作為代表車型?；谄矫婧蜋M斷面要素的運(yùn)行速度計算結(jié)果如圖6所示。左線屬于長大下坡路段，下坡方向行駛時車輛會受到重力的作用，行駛速度總能達(dá)到目標(biāo)速度（即基于平面線形和橫斷面要素的運(yùn)行速度），不再進(jìn)行三維線形條件下的速度解算。

3.3.1 三維線形條件下的運(yùn)行速度與設(shè)計速度協(xié)調(diào)性評價

汽車運(yùn)行速度曲線在圖6中標(biāo)注為H′1和H2位置出現(xiàn)了較大的速度差（10km/h＜ΔV85＜20km/h），且之前有較長直線，這兩處的運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性程度屬于一般水平，宜調(diào)整相鄰路段技術(shù)指標(biāo)。建議將H2位置平曲線半徑從原來的200m調(diào)整至240～ 260m，如圖7所示。

3.3.2 避險車道的選址

在解算模型中，制動器溫度達(dá)到預(yù)警值（300oC）的位置（依車型和載重情況）分別是：12km附近、14km附近、18km附近、20km附近、22.5～23km附近。結(jié)合制動器溫度曲線、道路平面線形、汽車運(yùn)行速度曲線進(jìn)行綜合分析，18km附近和22.5～23km范圍的行駛情況非常不利。

設(shè)計在K28+600、ZK33+426.978兩處分別設(shè)置了避險車道。第1處避險車道入口位置與溫度預(yù)警區(qū)間重合；第2處避險車道入口位置則略有偏后，且位于小半徑曲線出口之后，若有條件則應(yīng)調(diào)整至小半徑曲線的入口位置。

圖6 左線行駛方向運(yùn)行速度計算結(jié)果

圖7 左線平面線形以及修改建議

3.4 設(shè)計優(yōu)化對策

根據(jù)以上對左、右線運(yùn)行速度的分別解算，對協(xié)調(diào)性程度一般的H1（與圖7中H′1同一位置）和H2進(jìn)行針對性的設(shè)計優(yōu)化。由于此處地形條件復(fù)雜，線位調(diào)整后工程量增加過大，最終采用不調(diào)整線形而增強(qiáng)交通安全設(shè)施來改善行車安全的方案，即將曲線外側(cè)的路側(cè)波護(hù)欄等級提高。對于旅游公路，大客車是主導(dǎo)車型，而目前主流的旅行大客車的凈車重為12～14t，加上旅客以及行李重量（以50～55人計算），滿載之后的車重為18t左右，上限一般為20t。根據(jù)大客車在一級公路的運(yùn)行速度值（見圖3），經(jīng)計算可得到碰撞能量，使用車輛-路側(cè)設(shè)施數(shù)值碰撞技術(shù)來模擬車輛-護(hù)欄碰撞下的變形及破壞行為，并進(jìn)行防護(hù)能力評估，以有效阻停失控大客車。設(shè)計優(yōu)化的具體對策如下。

（1）小客車運(yùn)行速度曲線在右線行駛方向的JD11（見圖7）位置的運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性一般，宜調(diào)整相鄰路段技術(shù)指標(biāo)，半徑值從200m增加至250～ 260m。因改動線形困難而增強(qiáng)安全設(shè)施，對K42+100—K42+500段采用SA級的混凝土防撞墻。

（2）右線方向?qū)儆诘湫偷拈L大上坡路段，重型貨車在K32+900—K33+600以及K36+000—K36+ 700區(qū)間內(nèi)的爬坡速度低于容許值，宜設(shè)置爬坡車道。受地形限制及基于工程造價的考慮，建議在旅游高峰期實施重載貨車管控，規(guī)定大型貨車在外側(cè)車道行駛，以提高通行能力和行車安全性。

（3）左線屬于長大下坡路段，圖7中JD7（ZK35+700—ZK35+200）位置的運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性一般，宜調(diào)整相鄰路段技術(shù)指標(biāo)，平曲線半徑從200m調(diào)整至240～260m。因改動線形困難（對應(yīng)右線），故采用SA級的混凝土防撞墻。

4 結(jié)論

行車安全性是山區(qū)旅游公路設(shè)計的首要原則，本文以洪雅—峨眉山旅游公路為分析對象，計算了三維線形條件下的典型車型、典型駕駛模式的運(yùn)行速度曲線，分析了平縱面線形參數(shù)的協(xié)調(diào)性和安全性，得到了如下結(jié)論。

（1）原設(shè)計采用的平縱面指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，且平均縱坡控制在3%以內(nèi)并分段均衡布設(shè)。在采用三維運(yùn)行速度解算后，發(fā)現(xiàn)仍有2個區(qū)間運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性一般，需要進(jìn)行優(yōu)化；因線形調(diào)整困難，采用了加強(qiáng)防撞護(hù)欄等級的措施。

（2）長大上坡路段，大客車和大貨車因受坡度和坡長的影響，行駛速度衰減，計算大型車輛運(yùn)行速度以考慮爬坡車道的設(shè)置；長大下坡路段，除運(yùn)行速度解算外還應(yīng)考慮重型車輛制動效能的熱衰退，為此檢查了下坡方向設(shè)置的2處避險車道，認(rèn)為其設(shè)置基本合理。

（3）通過三維線形運(yùn)行速度解算，可以定量評估速度管理措施的必要性；對于困難路段，可對“加大縱坡，減少小半徑曲線”、“控制縱坡，適當(dāng)降低平面線性指標(biāo)”這2種方案進(jìn)行比較。

（4）本文針對山區(qū)公路的線形安全性評價而采用的運(yùn)行速度計算方法在平曲線和縱坡解算方面尚存在局限，還需要綜合考慮“人”、“車”因素以及氣候條件的影響等。

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Safety Evaluation of Mountain Scenic Highway Based on Operating Speed of Three-Dimensional Alignment

MAO Jia-chuan
（China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031，China）

Operating speed is often taken as an evaluation indicator in safety evaluation of highway alignment design.In consideration of the complex alignment and vehicle types of mountain scenic high?ways,the calculation condition of operating speed should be pertinent and the calculation means should also be improved.The operating speed curves of typical vehicle types and typical driving modes under the three-dimensional alignment conditions were predicted respectively by selecting the Hongya—Emei Scenic Highway as the object,applying the"operating speed prediction model system of heavily-loaded vehicles on complex mountainous highways under the three-dimensional alignment conditions",and considering the transport characteristics of the left and right lanes at the long steep grade.The coordination and safety of horizontal and vertical alignment parameters were analyzed,and the suggestions on alignment modification were proposed.In respect of the difficulty in alignment adjustment,analogue simulation collision was adopted to strengthen the protection class of the concrete guardrails.The setting of the truck escape ramps was also checked.The research results show that the alignment design of mountain highway can be evaluated and improved in a more practical way by making an operating speed forecast based on the systematic analysis integrating highway spatial alignment,multiple vehicle types,the driver and other factors.

mountain highway;scenic highway;three-dimensional alignment;operating speed;safety evaluation of highway;large vehicles

U491.2

B

2095-9931（2015）03-0048-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.03.009

2015-03-02

毛嘉川（1971—），男，四川樂山人，高級工程師，學(xué)士，研究方向為公路工程勘測與設(shè)計。

E-mail：630704868@qq.com。