基于三维线形运行速度的山区旅游公路线形安全性评价

毛嘉川（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031）

基于三维线形运行速度的山区旅游公路线形安全性评价

毛嘉川
（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031）

公路线形设计的安全性评价常采用运行速度作为评价指标，针对山区旅游公路的复杂线形及车型构成，运行速度的计算工况应有针对性，计算手段也需改进。将洪雅—峨眉山旅游公路作为分析对象，以“三维线形条件下的复杂道路重载车辆行驶速度解算模型体系”为计算手段，针对长大纵坡路段左、右线的交通特点，分别解算并绘制了三维线形条件下典型车型和典型驾驶模式的运行速度曲线；分析了平纵面线形参数的协调性和安全性，提出线形修改建议；对于线形调整困难的情况，采用仿真模拟碰撞对混凝土护栏进行防护等级加强；同时检查了避险车道的设置。研究结果表明，综合道路空间线形、车型、驾驶员等因素进行系统分析和运行速度预测，能更接近实际地评价和改善山区公路的线形设计。

山区公路；旅游公路；三维线形；运行速度；公路安全评价；大型车辆

0 引言

随着我国旅游业的发展，为提升旅游质量、便捷性和通达性，很多著名景区修建或扩建了景区道路，包括景区内道路以及连通景区入口和附近城镇的道路，即旅游公路。与一般公路相比，山区旅游公路具有明显的特殊性：道路顺适地形线形复杂，车辆行驶经常处于较不利状态；小客车和旅游大客车是交通组成的主要部分，发生交通事故人员伤亡较大，社会影响巨大；交通流具有明显的周期性、季节性和短时性。因此，山区旅游公路的安全问题极为重要。

目前，关于旅游公路安全性的研究大多侧重于设计人员主观性的经验介绍、定性分析等，从旅游公路的设计理念、设计原则、主要技术措施等方面进行探讨，对均衡考虑环境保护、景观布局与构思、技术指标选取、路线平纵设计与平纵组合、交通安全设施和运营管理提出建议，以及对路侧绿化、护栏、观景台、标志牌等的具体技术细节加以介绍[1-6]。山区旅游公路线形较复杂、旅游大客车较多，有关线形安全性评价的研究较少，一般依据《公路项目安全性评价指南》（JTG/T B05—2004），采用运行速度计算，只对路线平纵几何参数进行评价，其运行速度是按平面、纵面分别计算，并对弯坡路段进行修正；国外的设计方法也是以设计速度作为线形控制要素，用运行速度V85对相邻曲线单元的半径分布进行一致性检验[7]。这种运行速度计算比较贴近高速环境下的公路行驶特性，却没有体现出驾驶人方向控制行为的影响。目前，基于三维线形运行速度解算技术手段，采用定性与定量相结合的方法来评价公路线形设计的研究报道还较少见。本文将以存在典型长大纵坡路段的洪雅—峨眉山旅游公路为分析对象，计算三维线形条件下代表车型的运行速度，根据速度曲线的变化特征分析汽车在上坡路段、下坡路段以及曲线路段的行驶安全性和交通服务水平，进而实施有针对性的线形参数改进和安全设施评估。

1 工程概况

洪雅—峨眉山旅游公路定位为旅游快速通道，建成后将与连接峨眉山、周公山、瓦屋山的三山环线结合，形成川西南的黄金旅游复线之一。路线总体呈南北走向，结合地形条件沿山体西侧和南侧环山布设，主线设计范围为K25+800—K47+580，起终点高差达669.702m。设计速度采用60km/h，按双向四车道一级公路标准建设，整体式路基宽21m，分离式路基宽10.25m。K33+000—K37+000段采用分离式路基，其中左线于ZK36+550处设1座337m隧道；右线于K33+130、K36+620处分别设置长990m、290m的2座隧道，其余路段采用整体式路基。

右线为长大上坡，连续上坡段长21.803km，平均纵坡3.07%；左线为长大下坡，连续下坡段长22.607km，平均纵坡2.962%，属于典型的山区长大纵坡路段。平曲线半径R∈[200m，2220m]，均值半径为575.58m，平曲线比例为81.2%，直道比例低于20%，绝大部分路段在空间形态上属于典型的弯坡组合路段。

根据峨眉山景区近年来游客数量的递增趋势，并参考同类著名景区如华山景区、张家界景区、黄山景区等，道路建成后旅游大客车、小客车必然是主导车型，其余车型按照比例递减的顺序分别是小货车、中型货车、大货车和拖挂车。从行车安全角度分析，大客车、大货车和小客车是路线设计及交通安全设施设计的控制车型。

2 评价依据以及计算手段

2.1 评价依据

根据《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）和《公路路线设计规范》（JTG D20—2006）的有关规定:“高速公路、一级公路在设计完成后，或运营后，或改建时，宜进行安全性评价，以提高行车安全性”，针对该公路的线形设计成果进行运行速度协调性评价。评价流程、评价标准的依据为《公路项目安全性评价指南》（JTG/T B05—2004），即采用相邻路段运行速度的差值ΔV85作为评价指标。

2.2 设计符合性检查

洪雅—峨眉山旅游公路采用一级公路标准，设计速度为60km/h，平曲线半径一般值为200m。对设计的平面几何要素进行检查，发现其右线设48个交点，左线设53个交点，采用最小平曲线半径200m/8处；右、左线分别含37、40个变坡点，最大纵坡4%/1处，坡度大部分为2.5%～3.5%，最短坡长为170m。平纵面指标均满足规范要求。

2.3 三维线形运行速度的计算手段

本文采用的三维线形运行速度计算手段为文献[8]～[15]中提出的“三维线形条件下的复杂道路重载车辆行驶速度解算模型体系”。该模型体系共包括通道宽度影响模型、曲线转角影响模型、圆曲线速度模型、长直道速度模型、路面状态限制速度模型、纵向加速度（减速度）模型、重车爬坡模型、驾驶习惯修正模型等一系列的半经验-半理论模型组，给出了复杂道路空间三维运行速度预测的完整方案。该模型突破了目前预测重载车辆运行速度时需要针对平曲线路段和纵坡路段分别预测的局限，能够快速解算且具有较高的计算精度。三维线形条件下汽车行驶速度预测软件界面如图1所示。

图1 三维线形条件下汽车行驶速度预测软件界面

2.4 初始运行速度设定

车辆实际运行速度受道路线形、车辆动力性能及驾驶员等各种因素的影响。现实中，驾驶员在条件允许时倾向于采用较高车速行驶。通过三维线形运行速度解算，用运行速度差控制来检查和修正线形，可以获得连续、一致的均衡设计。本文分析了该公路相邻路段速度，其中设小客车初始运行速度为70km/h，大货车初始运行速度为60km/h。

2.5 运行速度计算工况选择

公路右线属于长大上坡，左线为长大下坡。对于长大上坡路段，大客车和大货车由于单位质量比较大、功率低，上坡时必然会受到坡度和坡长的影响而出现行驶速度衰减，降低道路的通行能力和服务水平，为此本文选定轻型货车、中型货车和重型货车三种基本车型为计算对象。

左线属于长大下坡路段，大型车辆下坡方向行驶时受重力作用更加明显，行驶速度总能达到目标速度。但随着重型车辆速度的加快，在未采用辅助行车制动措施时，如果制动持续时间较长，车辆制动效能将出现热衰退现象，行驶稳定性下降。该模型体系运用美国的GSRS模型预测了大客车、中型和重型货车下坡行驶时的制动器温度曲线，分析了其对长大下坡安全性的影响。

3 运行速度计算及线形安全性评估

3.1 道路平纵面线形计算

使用山区复杂道路三维道路模型计算软件，输入路线平、纵、横设计数据，解算得到的平纵面线形及纵面坡度如图2所示。道路右线行驶方向在25km的全里程范围内均为上坡，左线行驶方向为全程下坡（仅有1处坡度为0.3%的反坡），属典型的长大纵坡路段。

3.2 右线行驶方向运行速度解算及安全性评估

根据峨眉—洪雅旅游公路的功能定位和交通特点，以小客车、旅游大客车和大货车为代表车型，进行三维运行速度解算，然后进行基于运行速度的线形协调性评价。

3.2.1 基于平面和横断面的运行速度协调性评价

基于平面和横断面要素的速度解算结果如图3所示。由于小客车所占比例大、类型多，且非职业驾驶员比例高、驾驶风格多样，因此在设置驾驶模式时，除了常规的驾驶模式（与V85的含义相对应，计算结果为运行速度曲线）之外，还进行了侵犯型驾驶模式的速度解算（侵犯型驾驶模式是指在行车过程中表现出追求高速度、小车间距、频繁占用对向车道以及同侧车相邻车道等特征的一类驾驶行为，此类驾驶行为具有较强的攻击性和较高的事故风险[16]）。

图2 道路平面线形以及纵面坡度

图3 右线方向的运行速度曲线（基于平面和横断面）

根据图3，运行速度曲线在标注的H1位置迅速降低，且下降幅度较大，尤其是小客车的速度差10km/h＜ΔV85＜20km/h。根据《公路项目安全性评价指南》中的评价标准，此处运行速度协调性虽满足要求，但协调性一般，与驾驶人的自然驾驶习惯以及心理预期有冲突，可能存在行车安全隐患。因此，条件允许时宜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，以提高相邻路段线形的一致性。H1处的线形参数及其平面位置如图4所示，建议将半径值从200m增大至250～260m。

3.2.2 三维线形条件下的运行速度与设计速度协调性评价

右线方向为长大上坡路段，大客车和大货车上坡时的行驶速度会出现衰减，降低了道路的通行能力与服务水平，同时还会导致安全隐患，比如小客车追尾。三维线形条件下大型车辆的运行速度计算结果如图5所示，在动力特性方面，由于大型客车与中型货车和重型货车1接近，不再单独评价。

为了保证道路通行能力，重载车辆的运行速度不容许降低过多，设计速度为60km/h时爬坡的最低容许速度不宜低于40km/h。而K32+900—K33+ 600（图5中D1）、K36+000—K36+700（图5中D2）这两个区间内重型车辆2的行驶速度低于容许值，宜设置爬坡车道。如受地形和工程造价限制而未设置爬坡车道，建议在旅游高峰期，实时监控路段交通量，必要时分路段、分时段限制货车通行；同时，在此区段规定大型车辆在外侧车道行驶，将内侧车道留给小客车，确保通行能力受到的影响最小，同时避免小客车追尾大型车。

图4 右线平面线形以及参数调整建议

图5 三维线形条件下不同性能货车的行驶速度曲线

3.3 左线行驶方向运行速度协调性评估

K33+000—K37+000段采用分离式路基，需单独计算左线行驶方向的运行速度，选择小客车、大客车、大货车作为代表车型。基于平面和横断面要素的运行速度计算结果如图6所示。左线属于长大下坡路段，下坡方向行驶时车辆会受到重力的作用，行驶速度总能达到目标速度（即基于平面线形和横断面要素的运行速度），不再进行三维线形条件下的速度解算。

3.3.1 三维线形条件下的运行速度与设计速度协调性评价

汽车运行速度曲线在图6中标注为H′1和H2位置出现了较大的速度差（10km/h＜ΔV85＜20km/h），且之前有较长直线，这两处的运行速度协调性程度属于一般水平，宜调整相邻路段技术指标。建议将H2位置平曲线半径从原来的200m调整至240～ 260m，如图7所示。

3.3.2 避险车道的选址

在解算模型中，制动器温度达到预警值（300oC）的位置（依车型和载重情况）分别是：12km附近、14km附近、18km附近、20km附近、22.5～23km附近。结合制动器温度曲线、道路平面线形、汽车运行速度曲线进行综合分析，18km附近和22.5～23km范围的行驶情况非常不利。

设计在K28+600、ZK33+426.978两处分别设置了避险车道。第1处避险车道入口位置与温度预警区间重合；第2处避险车道入口位置则略有偏后，且位于小半径曲线出口之后，若有条件则应调整至小半径曲线的入口位置。

图6 左线行驶方向运行速度计算结果

图7 左线平面线形以及修改建议

3.4 设计优化对策

根据以上对左、右线运行速度的分别解算，对协调性程度一般的H1（与图7中H′1同一位置）和H2进行针对性的设计优化。由于此处地形条件复杂，线位调整后工程量增加过大，最终采用不调整线形而增强交通安全设施来改善行车安全的方案，即将曲线外侧的路侧波护栏等级提高。对于旅游公路，大客车是主导车型，而目前主流的旅行大客车的净车重为12～14t，加上旅客以及行李重量（以50～55人计算），满载之后的车重为18t左右，上限一般为20t。根据大客车在一级公路的运行速度值（见图3），经计算可得到碰撞能量，使用车辆-路侧设施数值碰撞技术来模拟车辆-护栏碰撞下的变形及破坏行为，并进行防护能力评估，以有效阻停失控大客车。设计优化的具体对策如下。

（1）小客车运行速度曲线在右线行驶方向的JD11（见图7）位置的运行速度协调性一般，宜调整相邻路段技术指标，半径值从200m增加至250～ 260m。因改动线形困难而增强安全设施，对K42+100—K42+500段采用SA级的混凝土防撞墙。

（2）右线方向属于典型的长大上坡路段，重型货车在K32+900—K33+600以及K36+000—K36+ 700区间内的爬坡速度低于容许值，宜设置爬坡车道。受地形限制及基于工程造价的考虑，建议在旅游高峰期实施重载货车管控，规定大型货车在外侧车道行驶，以提高通行能力和行车安全性。

（3）左线属于长大下坡路段，图7中JD7（ZK35+700—ZK35+200）位置的运行速度协调性一般，宜调整相邻路段技术指标，平曲线半径从200m调整至240～260m。因改动线形困难（对应右线），故采用SA级的混凝土防撞墙。

4 结论

行车安全性是山区旅游公路设计的首要原则，本文以洪雅—峨眉山旅游公路为分析对象，计算了三维线形条件下的典型车型、典型驾驶模式的运行速度曲线，分析了平纵面线形参数的协调性和安全性，得到了如下结论。

（1）原设计采用的平纵面指标满足现行规范要求，且平均纵坡控制在3%以内并分段均衡布设。在采用三维运行速度解算后，发现仍有2个区间运行速度协调性一般，需要进行优化；因线形调整困难，采用了加强防撞护栏等级的措施。

（2）长大上坡路段，大客车和大货车因受坡度和坡长的影响，行驶速度衰减，计算大型车辆运行速度以考虑爬坡车道的设置；长大下坡路段，除运行速度解算外还应考虑重型车辆制动效能的热衰退，为此检查了下坡方向设置的2处避险车道，认为其设置基本合理。

（3）通过三维线形运行速度解算，可以定量评估速度管理措施的必要性；对于困难路段，可对“加大纵坡，减少小半径曲线”、“控制纵坡，适当降低平面线性指标”这2种方案进行比较。

（4）本文针对山区公路的线形安全性评价而采用的运行速度计算方法在平曲线和纵坡解算方面尚存在局限，还需要综合考虑“人”、“车”因素以及气候条件的影响等。

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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，四川乐山人，高级工程师，学士，研究方向为公路工程勘测与设计。

E-mail：630704868@qq.com。