道路线形对交通安全的影响及评价方法

李晓磊

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

改革开放以来， 我国交通基础设施建设发展迅猛，据统计，截至2019 年年末，我国公路总里程达501.25 万km，其中，高速公路里程14.96 万km，跃居世界第一。然而，随着公路交通的发展， 交通安全问题日益严重，2019 年我国车祸死亡人数为52388 人， 是世界上交通事故死亡人数最多的国家之一。 交通事故的发生是由于系统中各个因素作用的失调，其中道路线形是重要因素之一[1]。

本文主要剖析道路线形及其组合对道路交通安全的影响，并结合具体工程分析如何开展科学的线形设计。

1 道路因素与交通安全的关系分析

长期以来， 我国将大部分交通事故发生的原因归结为人和车的因素， 过分强调人在交通事故中的能动作用， 忽视了道路自身的问题对交通事故的影响。 当交通事故发生时， 更多的是去追究驾驶员的责任，很少溯源到道路的设计及施工。 事实上， 许多交通事故的发生都是由于道路线形设计存在问题， 影响到驾驶员的视觉、 心理和操作， 从而间接导致了交通事故的发生[2]。 并且，对道路线形设计的要求只有如平曲线、竖曲线的半径， 纵坡的坡度和坡长等特定的技术指标， 对于线形组合的使用没有做出具体的规定。 对于道路设计施工的评价也更注重于路面质量和经济效益， 忽视了线形安全性的评价。 因而造成一些公路通车后，经常发生交通事故，形成事故黑点。

2 道路线形设计对交通安全的影响

2.1 平面线形

平面线形是指道路中心在水平面的投影， 直线和圆曲线是平面线形设计中最重要的2 个要素， 对交通安全的影响最显著。

(1)直线

直线是平面线形中使用最多的线形，相对来说，直线线形具有路线短、 行驶受力简单、 建造费用低等优良特性。 在地势比较平缓，无障碍物的情况下，道路的设计人员会优先选择直线线形， 因此直线线形在道路设计中占有很大的比例。 但直线线形的长度设计不够合理也会带来较大的安全隐患。如果直线线路过长，驾驶员长时间直线行驶会导致警惕性放松，产生疲劳感，反应力和感知力有所下降，难以正确处理突发情况。 同时，在直线线路上驾驶员会获得较好的行车视野，便于超车，使得车速不断加快，长距离快速行驶将成为诱发交通事故的潜在威胁，且超速引发的交通事故严重性较高。相反，如果连接两个圆曲线的直线过短， 驾驶员会误认为圆曲线和短直线是同一个曲率的弯道。如图1 所示，当车辆行驶出第一个弯道或进入第二个弯道时还按照之前的转弯角度行驶，会使车辆偏离轨道，进而诱发交通事故。

(2)圆曲线

图1 不合理的短直线设置

圆曲线也是道路线形设计中使用较多的线形， 其适用性强，线形圆滑，使用灵活，在线路中存在障碍物或需要改变线路方向时，就可以使用圆曲线。车辆在圆曲线上行驶时受到离心力的作用，具有向外偏移的趋势，降低了车辆行驶的稳定性， 并且车辆行驶在圆曲线上速度会降低，使得道路中的速度差减小，从而提高了圆曲线上的事故率。 此外，驾驶员在圆曲线上视距会受到影响，特别是在夜晚行车时，灯光无法沿着曲线轨迹照射，驾驶员难以察觉到前方路况， 增加了心理负担， 从而导致事故的发生。 因此实际的道路设计中，在条件允许的情况下，圆曲线半径要尽可能采用较大值， 但不宜超出驾驶员的视距范围。

2.2 纵断面线形

纵断面线形是指延道路直线竖切所得到的线形，主要包括纵坡和竖曲线。

(1)纵坡

纵坡对交通安全的影响主要取决于坡度和长度两个属性。 车辆在大长纵坡上行驶时， 上坡要克服较大的阻力，车辆需要抵档行驶，油耗增加，发动机持续变热，引发水箱沸腾，最终导致熄火[3]。如果坡度较大，且轮胎与地面摩擦力不够，可能会溜车。下坡时为了避免因惯性而导致车速过快， 驾驶员需要频繁制动， 特别是使用气刹的重车，频繁制动会使得刹车鼓发烫，气压降低，影响制动效果，甚至导致制动失效。如果坡度过小就会影响到纵坡的排水，使得横向排水不畅的路段路基渗水，威胁路基的稳定性。纵坡过短意味着道路中的变坡点增多，路面起伏频繁，影响行车的舒适性与安全性。

(2)竖曲线

竖曲线是连接道路转折点处相邻两线形的平滑曲线，它的作用是使车辆行驶平稳，主要分为凸曲线和凹曲线。竖曲线对交通安全的影响主要体现在视距上。图2 为在凸曲线上相对行驶的两车视距的示意图， 相对行驶的两车辆通过凸曲线时， 驾驶员的视距很大程度上取决于凸曲线的半径大小。当半径太小时，驾驶员的视野会出现盲区， 如果车辆通过速度快且没有使用灯光和鸣笛进行相互提醒，就会有产生危险的可能。

凹曲线两侧都是下坡，路程较短，驾驶员考虑到即将上坡， 不会刻意控制车速， 且凹曲线很多布设于桥梁下方，如图3 所示，驾驶员视野靠近路面，又受到桥梁影响，不便于注意到对向坡道上的车，加上凹形线易积水，车速快易打滑，这些不利因素综合很容易引发交通事故。

图2 凸曲线驾驶员视野

图3 凹曲线驾驶员视野

2.3 横断面线形

横断面是道路横向切线所在的平面， 横断面线形设计涉及的要素很多，如行车道、中间带、路肩等[4]，对交通安全的影响也较为复杂， 本文仅从几个方面探讨其对公路交通安全的影响。

(1)宽度

宽度对交通安全的影响主要体现在路面宽度和中间带宽度。 一般来说，路面宽度越宽，道路的舒适性和安全性就越高， 研究表明双车道公路的路面宽度大于6.5 m时，交通事故率会大大降低[5]。但如果宽度设计不合理，过宽的道路会使得驾驶员产生侥幸心理，利用余宽来超车，带来一定的安全隐患。

(2)超高

车辆行驶于曲线时会产生一定的离心力， 影响行驶的稳定性和舒适性， 在平曲线路段设置一定的横坡度可以减少影响，这就是超高的作用。但是要注意区分圆曲线和缓和曲线的超高。 汽车以一定的速度行驶在圆曲线上离心力基本不变， 因此圆曲线上的超高要与圆曲线的半径匹配；行驶在缓和曲线上的车辆离心力逐渐变化，超高的设置也要随之改变。

(3)路拱横坡

在直线道路上从道路边缘到路拱顶线的高度称为拱高，道路的横断面坡度即为路拱横坡。它的作用主要是排出道路积水， 尽可能保持路面的干燥， 提升路面防滑能力。 汽车通过时其水平分力会增加，导致行驶不稳定，为此路拱横坡的设置需要综合考虑道路的类型和等级，以及当地的环境条件，高级路面一般要低于2%，次高级路面低于2.5%， 碎砾石等粒料路面可以略高， 但不超过3.5%。

3 线形组合对交通安全的影响

上文考虑的是线形中的单一因素对交通安全的影响， 但在实际的道路设计中肯定会涉及到不同线形的组合使用。 道路线形组合使用主要考虑的是满足驾驶员视觉和心理方面的需求以及道路与自然环境的协调。 道路线形组合主要包括平面线形组合、 纵断面线形组合和平纵线形组合。

3.1 平面线形组合

在道路进行平面线形设计时， 主要考虑的是直线和平曲线相接，以及不同半径平曲线相接的情况。直线和平曲线的组合一般是在长直线的末尾衔接半径大的平曲线，这样可以使车辆在行驶时更加的平顺，给予驾驶员充分的操作时间。 但在平原与重丘区、山岭区的交界地带，由于地形条件的限制， 常常会使用长直线和小半径曲线的组合。车辆在长直线上行驶一段时间后，受到适应性的影响，驾驶员对速度的感知会变得迟钝，实际的车速会高于主观感觉上的车速，对弯道行驶十分不利。车辆以这样的状态进入弯道，转向难度会提升，容易发生侧滑。 如果是重车，尤其是超载车辆，在弯道速度急减，使得不同车辆有较大的速度差，易导致追尾事故。

3.2 纵断面线形组合

山区公路由于地形因素难免会出现很多的纵坡，这就对道路线形的设计有了较高的要求。 在设计中可能会出现短距离内连续变坡的情况； 驾驶员行驶在这样的路段上视距会受到较大的影响， 对于对向车辆不能做出及时准确的判断，此外连续上下坡会产生超重和失重感，会对驾驶员造成不适，增加交通事故发生的可能性。

道路线形设计中，存在着长陡坡加缓坡的线形组合。在这种线形组合中，车辆在下坡路段的速度比较大，驾驶员在看到下一个坡道时会出现视觉上的错误， 不仅不减速，反而可能会提速冲坡，这样很容易因车速过快而发生危险。 在上坡时，也可能会产生错觉，误以为上坡结束进入平面道路，此时换挡会出现动力不足甚至熄火，这类错误操作极大的影响了交通安全。

3.3 平纵线形组合

平面直线与纵断面直线。这两种线形组合使用时，车辆在行驶过程中景色变化很小，线形单调枯燥，容易使司机产生疲劳感，迫切得想要走完而频繁超车，特别是长直线和陡坡连接，这两种线形都会使得车速增大，线形设计时可尽量避免这种情况。但如果路段上交通错综复杂，则这种线形组合就可以采用。

平面直线与竖曲线组合。 在一定长度的直线线形上进行一次变坡使得线形不会显得生硬呆板， 给予司机良好的视觉印象，提高舒适性。但如果短距离内多次变坡会破坏线形的连贯性，中断驾驶员的视线，遇突发情况会操作不及时。

平曲线和纵断面直线。这种组合下如果平曲线半径和纵坡的坡度选择恰当就是很好的线形组合，这种线形组合的道路路旁景观很好，并且逐步变化。 但在这种组合中也要尽量避免陡坡接急转弯，如果下坡时刹车不及时，会因为来不及转弯而冲出道路。此外陡坡路段会受到弯道内侧障碍物影响，使得两者的衔接路段成为事故的多发区。

平曲线和竖曲线。 当平曲线的顶点和竖曲线顶点相互重合时，会使驾驶员产生错觉，误以为公路断开，产生恐惧心理，影响正常操作。 这种组合理想的状态是“平包竖”。 设计时平曲线要比竖曲线长，将竖曲线的起终点置于平曲线的两个缓和曲线内，这会使得线路平顺而流畅，还可以诱导视线。

4 速度的一致性评价

在道路线形设计过程中，既要使线形指标符合规范，还要进行安全性评价， 以便对设计不合理的路段进行修正。线形安全性评价的方法有很多，其中速度的一致性是一个重要指标。进行速度一致性的评价，首先要确定速度一致性的标准， 然后对需要的路段按不同线形的车速预测模型来预测车速，得出相邻两段路的速度差，最后按照评价的标准进行评价。

这里所说的车速是运行车速， 是在其他条件良好的情况下测得的第85 个百分位上的车速，它与设计车速的区别是前者是车辆在道路中的实际车速， 后者是在道路设计过程中的规定车速。 研究资料表明， 当设计速度高时，运行车速低于设计速度，当设计速度低时，运行车速往往高于设计车速。 在长直线路段上设计速度与运行速度的关系见表1。

表1 设计速度与运行速度的关系(单位：km/h)

《新理念公路设计指南》对不同的车辆在普通公路上直线段的运行车速有不同规定[6]，如表2 所示。

表2 各车型直线段运行速度(单位：km/h)

假定车辆在直线上加速运动，根据表3～4 中小客车、大货车在普通公路直线段的加速特性可计算出车辆在不同长度直线上的运行车速。

表3 小客车在普通公路直线段的加速特性

表4 大货车在普通公路直线段的加速特性

车辆在驶入圆曲线后， 车速会受到圆曲线半径的制约， 小客车在普通公路的曲线段行驶时运行速度与曲线半径R 的关系为：

v85=14.391R0.2757(1)

大货车在普通公路的曲线段行驶时运行速度与曲线半径R 的关系为：

v85=8.5028R0.3168(2)

在测算出各路段的运行速度后， 就可以计算相邻两道路的速度差Δv， 不同的速度差对应着不同的评价指标：Δv≤10 km/h 为优；10 km/h≤Δv≤20 km/h 为良；Δv≥20 km/h 为差。

5 工程案例

依托工程为G355 国道永泰境 (K0+055.119～K0+362.635)段公路改建工程，该路段位于永泰县境内，旧路路基路面宽度均为12 m，旧路为水泥混凝土白改黑沥青路面。 工程改造起点与G355 线现有旧路顺接，起点桩号为K0+055.119，路线截弯取直从金龙禅寺前空地穿过顺接G355 线现有旧路改造终点桩号为K0+362.635。 该路段为早期先行工程所建设， 局部路段弯道没有完全按二级公路标准建设，道路线形设计不规范。

5.1 速度一致性评价

原路段是长直线加圆曲线的组合，直线长度为600 m，金龙禅寺节点范围内的旧弯道圆曲线半径为65 m，为规范最小半径极限值，中间无缓和曲线衔接。该路段位于集镇路段，且G355 重车较多，根据公式计算出重车运行速度为31.9 km/h，直线度和曲线段的速度差超过20 km/h，速度一致性评价为差，该路段存在着较大的安全隐患。本次改造对现有路线截弯取直从金龙禅寺前空地穿过顺接现有旧路，改造后车辆行驶平顺。改造方案可以提高线形指标，增加行车安全性。

5.2 平纵线形组合

为了满足线路的设计要求， 同时满足道路设计的交通安全，对平纵面设计指标拟定如表5 所示。

表5 道路平纵面设计拟定指标

该工程严格按照上述设计指标进行， 满足安全性原则， 但注意到其中凸形竖曲线和凹形竖曲线的取值都选择了极限值，而没有使用一般值，主要是因为考虑到道路线形设计不仅要保证道路交通安全， 还需要符合经济性原则。

5.3 横断面和和视距设计

考虑到本路段处于集镇路段， 线路的视距是设计的要点，为了满足行车视距的要求，保证车辆行驶的安全，设计中对道路的横断面宽度及视距进行了特别考虑。

本工程为旧路改造工程， 起终点与G355 旧路衔接，改造段横断面与旧路保持一致，路基宽度为12 m=0.75 m(土路肩)+1.75 m(硬路肩)+2×3.5 m(行车道)+1.75 m(硬路肩)+0.75 m(土路肩)。

路段的每一处都要进行视距检查工作， 要求不小于两倍的停车视距， 同时要根据路段所在区域的建筑物和植被覆盖情况， 对影响驾驶员视线的植被或建筑物按包络曲线进行清除。 若难以清除或清除工作造成的破坏较大，则通过设置交通标志、交通标线、路侧波形护栏等安全设施来保证行驶的安全。

6 结语

道路的线形设计是道路设计的基础， 线形设计的好坏很大程度上影响着道路的安全。 本文在吸收国内外线形研究成果的基础上，分析了平、纵、横断面线形要素及其组合对交通安全的影响； 科学合理的线形设计可以使车辆行驶顺畅，使得驾驶员对路况做出正确判断，迅速应对紧急情况；相反，不合理的线形设计会影响视距， 更易造成驾驶疲劳，精神紧张，增加事故发生的几率。 因此本文结合具体的工程阐明了如何进行合理的线形设计，以及道路的速度一致性评价， 来保证线形设计方案的科学性和车辆行驶的安全性。

在进行道路线形的具体分析中，由于篇幅所限，且道路线形的因素分类较多，有一些线形对交通安全的影响没有进行具体详细的分析，未来还需要进一步的分析讨论。