基于运行速度的山区公路改扩建设计选线研究

曾 舜，张 恒

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

改扩建工程项目较新建项目有其特殊性。它主要针对已有道路进行升级改造，其沿线格局已基本形成，如路侧两边的建筑物、路线的走向、老路路基宽度、主要构造物等[1-2]。因此，改扩建项目的重点是如何在已有老路的基础上设计出一条既满足设计标准，又适应现有沿线居民区及重要构造物等的路线[3-4]。

本文在运行速度预测及评价基本流程与模型的基础上，针对改扩建过程中经常遇到的特殊路段进行路线方案的研究，并根据特殊路段路线方案研究结果，利用安全评价模型，验证路线设计的安全性和合理性。

1 运行速度预测及评价

1.1 运行速度的预测步骤

1) 划分典型路段：典型路段是指弯坡组合、平曲线、纵坡、直线，划分标准如下：

直线段：R∈[1 000,+∞]，I∈(-3%，3%)；

纵坡段：R∈[1 000,+∞]∪I≤-3%；

平曲线段：R∈1 000∪I∈(-3%，3%)；

弯坡组合段：R<1 000∪I≤-3%,R<1 000∪I>3%。

以各个基本路段的起、终点，以及平曲线和弯坡组合段的中间点，作为运行速度预测的特征点。

2) 根据划分后的典型路段，结合国家与行业规范，建立起相对应的初始运行速度预测模型。

3) 结合研究路段的交通量、行车道、交叉口、平面视距等影响因素对初始运行速度进行修正，得到实际运行速度模型，本文主要针对小客车进行研究[5-6]。

1.2 直线运行速度预测模型

1) 初始运行速度

初始运行速度v0和期望速度vg均采用JTG B 05—2015《公路项目安全性评价规范》中的推荐值[7-8]，如表1、表2所示。

表1 初始运行速度推荐值 km/h

表2 期望速度推荐值 km/h

2) 直线段上的汽车行驶特性

在直线段，车辆一般会加速行驶至期望速度后不再增大，随后稳定在该速度行驶。

由此，推得直线段上运行速度模型为：

式中：vs为期望车速，m/s；v0为初速度，m/s；a0为加速度，m/s2；S为直线段长度，m。

1.3 纵坡段运行速度预测模型

在纵坡段，当上坡时，由于重力、摩擦力等综合作用，车辆的运行速度会降低；当下坡时，车辆的运行速度会增加，但是驾驶员会刻意地控制速度保持在期望速度的范围[9]。纵坡段运行速度预测模型按照表3的模型进行预测。

1.4 平曲线段运行速度预测模型分析与选取

平曲线路段的运行速度模型宜从曲中点分段，分别对曲中点和曲线出口的运行速度进行预测。曲中点和曲线出口的运行速度模型按照表4的模型进行预测[10]。

表3 纵坡的运行速度预测模型

表4 平曲线路段运行速度预测模型

1.5 弯坡组合路段运行速度预测模型

当汽车进入上坡曲线段时，会根据坡度的大小以及曲线半径的大小进行减速。当汽车离开上坡曲线段时，若下一路段的平曲线半径比较大，坡度比较小，则一般会适当地加速以弥补速度损失；反之，当前方路段的线形条件比较苛刻时，汽车往往会继续减速以适应苛刻的线形[10]。弯坡组合路段运行速度预测模型可采用表5中的预测模型。

表5 弯坡组合路段运行速度预测模型

2 改扩建基本路段的划分及路线设计

针对山区改扩建工程的特点，从改扩建路线设计的角度，对山区改扩建工程路线设计进行基本路段的划分，针对不同基本路段的特点，分析讨论改扩建路线设计时应采取的方法。

2.1 针对老路平纵指标较好路段

老路平纵指标较好路段是指老路平面、纵面指标较高，顺直，不存在连续弯道等不良路段[11]。针对老路平纵指标较好路段，改扩建路线设计时相对简单，基本沿老路布设，可分为以下2种路段。

2.1.1 老路两侧居民区密集

针对老路两侧居民密集区路段，改扩建路线设计时应尽量沿老路布设，且路线设计的中线、纵坡应与老路尽量拟合，不应大填大挖；针对老路宽度不满足改扩建技术标准要求路段，路线设计时应尽量按照单侧加宽[12]。一方面不改变沿线居民的出行习惯，另一方面可减少拆迁，控制项目投资。

如某省道K17+800～K18+220路段，老路路线平纵指标较好，纵坡为1.6%，且老路两侧居民建筑物密集，改扩建路线设计时平面、纵面尽量拟合老路，如图1所示。

图1 老路平纵指标较好路段路线设计示意

2.1.2 老路两侧无居民区

针对老路两侧无居民区且路线平纵指标较好路段，改扩建路线方案设计时应尽量采用单侧加宽[8]，根据沿线实际情况选择适宜加宽的一侧。如某省道K19+640～K20+000路段，路线平纵指标较好，平面为直线，纵坡为0.9%，由于老路右侧横坡较陡，且老路右侧存在平交路口，因此采用左侧加宽，如图2所示。

2.2 针对连续弯道路段

针对连续弯道路段改扩建路线设计，应根据现场具体的实际地形、地貌等情况，灵活选取技术标准[13]。对于现场地形条件比较好的路段，宜采用技术标准比较高的路线，截弯取直；对于老路现场地形比较复杂，沿线控制物较多的路段，不应把技术指标选取太高，而是应根据地形，合理进行路线设计，但要保证前后段的协调性，将路线标准的提高与构造物增加引起的造价进行权衡比较，将工程规模控制在合理的范围内。

图2 路线平纵指标较好路段路线设计示意

如某省道K1+400～K2+000路段，老路存在连续弯道，且弯道半径较小，严重影响行车舒适性以及行车安全，路线设计时将标准提高，减少弯道数量，增加弯道半径，截弯取直，如图3所示。

图3 老路连续弯道路段路线设计示意

2.3 临河路段

山区一般山脉众多，重峦叠峰，绵延纵横，山高谷深。因此，路线很多都是沿溪线，一侧是高山，一侧是深谷，路线的修筑空间有限，同时限制了路基宽度，如图4所示。在路线设计时，要在挡墙与挖方之间进行权衡，以期得到最优的路线方案以及最经济的投资。

对于路侧边坡岩性较好路段，可以适当进行开挖，坡比放缓，适当增加防护，对路基进行拓宽；对于沿河一侧，如若挡墙高度在15 m以下，且靠山一侧边坡岩性较差，不适宜开挖，应选择浸水式挡墙，从沿河侧对路基进行拓宽。所以，针对沿河路段，主要是高挡墙与挖方边坡安全性的综合比较，根据实际地形地貌条件，选择适应的方案。

图4 老路沿河路段

如某省道K14+000～K14+800段，路线右侧为高山，左侧为河流，由于路线右侧高山岩性较好，适宜开挖，且左侧河流侧边坡较陡，如若采用左侧加宽，挡墙高度较高，圬工量较大，因此改扩建路线方案采用右侧加宽，对山体进行适当开挖，如图5所示。

图5 老路临河路段路线设计示意

2.4 老路纵坡较大路段

对于老路纵坡较大路段，一般可采取2种方式进行设计：一是对老路进行低填高挖，降低路线纵坡[14]；二是采用新线，提前将路线的标高进行抬高，以避免纵坡较大或回头弯路段。

如某省道回头弯路段，老路由于纵坡较大设置一处回头弯，改扩建路线设计时为了避免设置回头弯，提高路线指标，路线设计开始提前提高路线标高，避开了回头弯路段，路线平面比较顺直，纵坡也满足规范要求，如图6、图7所示。

2.5 过城镇路段

改扩建线路经过城镇时，应综合分析城镇段老路的实际现状。如果城镇段老路两侧建筑物退让距离较大，两侧的距离满足改扩建路基宽度拓展，则改扩建路线应尽量沿老路布设，不改变沿线居民出行习惯；如果城镇内部道路目前现状道路已难以满足交通需求，且城镇具有远期规划，则建议改扩建路线方案应采用新线。一方面分流过境交通，减轻城镇内部交通压力，另一方面照顾城镇远期规划，促进新片区的开发，坚持“近村而不进村”的原则，处理好城镇段老路与改扩建线位搭接问题；一方面分流过境交通，另一方面又能方便沿线居民的出行，兼顾城镇远期发展[15]。

图6 老路回头弯路段

图7 老路回头弯路段路线设计示意

综合考虑以上因素，对此城镇路段改扩建线路采用新建方案，沿城镇西北侧半山腰通过，一方面分流过境交通，减轻城镇内部交通压力；另一方面照顾城镇远期规划，促进新片区的开发。

3 基于运行速度的线形评价标准

我国交通部的《公路项目安全性评价指南》推荐采用前后2个典型基本路段的运行速度间的差值|Δv85|作为评价指标[8]，其标准如表6所示。

Lamm等[11-12]提出设计速度和运行速度差值作为评价设计线形的标准，如表7所示。

表6 线形协调性评价标准 km/h

表7 线形连续性评价标准 km/h

4 实例分析

本文选取的工程实例是贵州省遵义市凤冈县省道S304洋溪口至新民段改扩建工程，老路为三级公路，设计速度30 km/h，路基宽度6.5 m～7.5 m；改扩建的设计标准为二级公路，设计速度40 km/h，路基宽度10.0 m，路线全长38.030 km。根据工可阶段的交通量预测结果，主线远期交通量为7 043 pcu/d。本文针对全线进行评价，根据上述对改扩建路段的划分，提取30个典型路段进行安全性评价分析，其中囊括了平纵指标较好路段、临河路段、纵坡路段、城镇路段等。

根据上文提出的运行速度模型，对省道S304洋溪口至新民段进行运行速度预测，得到预测结果如图8所示。

图8 运行速度预测值分布

根据本文提出的线形协调性和线形连续性评价标准，结合30个典型路段的运行速度预测值，对S304洋溪口至新民段改扩建工程进行安全性评价，并根据评价结论，针对性提出路线调整方案策略。

分析表6可知，对本项目的改扩建，由三级公路提级改造为二级公路的30个典型路段中，其中有19个路段的线形不需要调整，6个路段需要调整路线纵坡坡度，5个路段需要调整平面半径。根据表6的调整方案对路线进行调整，使路线设计更安全、经济、舒适。

表8 S304洋溪口至新民段线形评价及调整方案

5 结束语

1) 基于运行速度的选线评价模型适用于老路改扩建路线设计，尤其是山区低等级公路改造。

2) 本文模型在凤冈县省道S304洋溪口至新民段改扩建工程应用中，针对30个典型路段分别给出了评价结果及相应的改善措施，有效地指导了路线设计，使之更安全、经济、舒适。

3) 本文提出的基于运行速度的选线评价模型需要在路线设计中提出典型的路段，容易出现选择不具代表性的问题，后期应对模型进行改进，使典型路段的挑选更具科学性。