高速公路路线设计指标及安全性评价分析

李 刚，林海晶

(1.北京中咨华安交通科技发展有限公司,北京 100000；2.内蒙古虹安交通研究院有限公司,内蒙古 呼和浩特 010000)

0 引 言

经过多年的快速发展，基础交通设施网逐渐成型，高速公路作为带动当地经济发展和区域交流的重要设施，其建设规模也逐年扩大。同时，交通安全事故的发生概率和数量也不断提高。高速公路线形设计的好坏会直接影响行车安全性，良好的线形能在很大程度上改善行车环境、降低工程预算等。不良的线形会导致交通事故频发，造成人员伤亡和直接经济损失。为了降低交通事故率，改善道路服务水平，越来越多的学者开始重视线形组合和安全评价，如王璐[1]总结了道路平、纵、横线形设计中的重要敏感指标，并基于驾驶模拟仿真试验分析了各个指标对行车安全的影响程度，提出来了-车-路综合线形安全评价模型。史扬等[2]基于实测数据，重点分析了长大下坡路段交通安全影响因素,提出以车辆加速度为指标来评价道路安全。因此，研究道路线形设计指标选用及安全评价研究具有十分重要的工程意义。

1 高速公路基本线形指标

高速公路线形指标数量较多，每个指标都会对行车安全产生或多或少的影响，但每个指标的影响程度又不完全相同。基于此，可将公路线形指标分为主要指标和次要指标，本文进行指标分析只针对主要线形指标。

1.1 平面线形指标

公路平面线形由直线、圆曲线、缓和曲线组成，故平面线形指标主要有直线长度、圆曲线半径、缓和曲线长度等。

1.2 纵断面线形指标

公路纵断面线形指标主要有纵坡坡度、坡长、竖曲线等。

2 高速公路路线设计实例分析

2.1 实例分析

济宁至商丘高速公路作为山东省高速公路网络“十四五”规划中青岛至商丘的重要路段，与潍坊至济宁公路衔接，可形成胶东半岛经潍坊、济宁、商丘的重要运输通道，本项目的实施，完善了鲁南通道高速公路网，将成为山东东部地区与中原经济区南部地区连接的主要通道。增强了鲁南地区快速客运通道与大能力货运通道的能力，进一步提升了与中原地区乃至长江经济带的通达能力。本项目是济枣菏都市区中的东北至西南向重要运输通道，对推动山东半岛城市群空间组织模式由轴带集聚向网络化发展转变以及产业协同发展，进一步优化鲁南地区交通网络布局，提升综合运输服务能力和水平，与周边省市实现互联互通，提升济枣菏都市区融合发展具有积极地推动作用。

2.2 技术标准

根据工可报告，本项目采用如下设计标准：

(1)公路等级：高速公路。

(2)设计速度：120 km/h。

(3)设计荷载：公路-Ⅰ级。

(4)设计洪水频率：特大桥1/300，其余桥涵、路基1/100。

(5)路基宽度：新建六车道断面，路基宽度34.5 m。

(6)地震动峰值加速度系数：0.05 g、0.1 g。

2.3 设计指标运用情况

平面设计应充分结合地形、地物，在尽量减少工程量的基础上，尽量采用较高的标准，设计中特别考虑了桥梁位置、路基横断面布置等。本项目路线增长系数为1.056，共设平曲线17个，平均每千米0.289个，最小圆曲线半径2 860 m，最小缓和曲线长度330 m，平曲线最小长度1 350 m，最小转角11°35′，直线最大长度4 274 m，平曲线占路线长度的75.521%。最大纵坡1.91%(450 m)，最小纵坡0.3%，凸型竖曲线半径最小值17 000，凹形竖曲线半径最小值12 000。

2.4 设计指标安全性评价分析

(1)长直线指标分析

直线长度：直线具有距离短、易布设、视距良好、驾驶员操作简便等特点，但直线段事故发生概率并不小。相关研究表明，直线段长度不宜过短，尤其是两圆曲线间的直线，同向圆曲线间的直线长度宜不小于行车速度的6倍，反向圆曲线间的直线长度宜不小于行车速度的2倍，当地形受到限制时可以适当降低标准。同时，路线长度也不宜过长，这是因为长直线和地形协调性较差，还容易使驾驶员视觉疲劳，注意力分散，难以目测与其他车辆的相对距离，使驾驶人员产生尽快驶离的急躁情绪，危及行车安全。路线设计规范并没有对直线段最大长度进行控制，但实际设计时一般控制小于20倍设计速度，超过此长度则需要采取相应的安全措施。

本项目路线最大长度为4 274 m，超过20倍设计速度较多，需结合运行速度分析，在相应段落设置提醒和警示标志，提高行车安全性。

(2)短直线指标分析

同向圆曲线间插入较短的直线，容易把直线和圆曲线看成反向弯的错觉，破坏了线型的连续性，从而导致驾驶人员判断失误，造成交通事故。反向圆曲线之间设置过短的直线将不利于超高横坡的平稳过渡，最终影响行车安全。鉴于此，本项目反向圆曲线间最短直线长度采用308 m，满足2倍设计速度要求。

(3)圆曲线半径指标分析

圆曲线在平面线形中发挥了圆润导线交点的作用，确保汽车通行的连续性。圆曲线半径是圆曲线的最关键参数，直接决定了汽车在弯道行驶的受力。圆曲线半径在设计时应确保车辆受力平衡，不会因受到较大的离心力而横向滑移，甚至冲出行车道。公路最小圆曲线半径R计算可按照公式(1)

(1)

式中：V为行车速度，km/h；i为超高横坡坡度，%；μ为横向力系数。横向力系数和超高横坡值越大车辆越容易发生滑移和侧翻。

平曲线半径的选定，除要与弯道本身所在位置的地形、地物条件相适应，使曲线沿理想的位置通过外，还要考虑与弯道前后的线形标准相协调。本项目设计最小半径2 860 m，最大半径8 000 m，根据公路最小圆曲线半径公式计算得出计算半径为772～1 417 m，上下行设计半径均大于以运行速度计算的计算半径，说明在运行速度条件下，本项目的设计曲线半径均可以满足安全性的行车条件。

(4)回旋线指标分析

回旋线是道路平曲线要素之一，公路圆曲线和直线相接的地方会出现突变点，需要设置缓和曲线(回旋线)来过渡。当圆曲线半径小于不设超高的最小圆曲线半径时，应设置回旋线。缓和曲线不仅要确保车辆在转弯过程中实现不同曲率的过渡，还不能影响驾驶的舒适感和线形的美观流畅，同时也要考虑超高、加宽过渡断长度。本项目为设计速度120 km/h的高速公路，当圆曲线半径小于5 500 m时，需设置回旋线。本项目圆曲线最小半径2 860 m，回旋线长度最小长度330 m，按照运行速度检验，满足规范要求。

(5)最小转角指标分析

根据视觉需要，当曲线转角小于等于7°时，会使驾驶人员误以为曲线长度比实际要短。容易产生错觉，造成交通事故。新建高速公路设计时，转角宜不小于10°。本项目最小转角为11°35′，不存在小偏角曲线路段。

(6)平曲线最小长度

过短的平曲线长度，会使驾驶人操作困难，不利于行车安全；同时，当离心加速度变化率超过一定数值时，会对乘客的心理的生理造成一定的影响。实践表明，行驶时间过短，会使驾驶员操作不便，3 s行程是驾驶人员在平曲线上操作方向盘最合理的时间。经过对比分析，本项目的平曲线长度均大于规范值，满足要求。

(7)纵坡坡度、坡长

道路纵坡坡度和坡长受地形起伏干扰较大，既会影响车辆爬坡能力和行车安全，还会影响工程造价、运营期间的运输成本等。公路纵坡坡长过长或过短都会对车辆的安全行驶造成影响，过短的坡长会导致纵断面起伏变化快、驾驶员频繁改变操作。上坡路段坡长较大会降低车辆爬坡能力，导致行车速度衰减而溜车。下坡路段坡长较大容易出现超速现象或频繁踩刹车而造成刹车失灵，严重影响行车安全。

经核查，本项目最大纵坡为1.91%(450 m)，满足规范要求。

(8)竖曲线

竖曲线主要是用来缓和变坡点附近的纵坡坡度突变，一般是选择大半径圆曲线来实现。道路竖曲线包括凹形竖曲线和凸形竖曲线两种，其设计指标均是曲线的半径和弧长，取值大小和道路等级、停车视距等密切相关。

经核查，本项目凸型竖曲线半径最小值17 000，凹形竖曲线半径最小值12 000，满足规范要求。

2.5 公路线形指标组合分析

设计人员在进行平面设计时，要同时兼顾纵断面及横断面设计指标。公路线形组合首先要满足行车安全，还要与沿线生态、社会环境相协调，尽量减少拆迁，确保土石方平衡和节约工程造价。同时，公路线形组合属于有机整体，各技术指标必须相互适应，以正确引导驾驶员安全舒适通过，提高道路通行能力和服务水平。

(1)平面线形组合

在高速公路起终点桩号确定之后，平面线形存在若干个组合。但是平面线形也不能随意拼接，首先要确保直线长度、圆曲线半径、缓和曲线长度等设计指标满足规范要求；其次在设计指标满足规范的前提下，再进行指标优化，选出行车舒适、安全的最优平面线形。比如规范中推荐选择半径较大的圆曲线来实现路线转弯，且转角不宜过小等。

(2)纵断面线形组合

公路纵断面线形设计应尽可能地顺应地形起伏，确保视觉连续的要求。公路纵断面线形由直线与竖曲线两种基本元素组成，其中国内竖曲线设计通常选择较大半径的圆曲线(尤其是相邻纵坡间差值较小时)。

《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)规定，当设计行车速度超过60 km/h时，为了充分确保安全视距，应设计较大的竖曲线半径和弧长，最小竖曲线半径应满足表1。

表1 竖曲线最小半径规定值

(3)平、纵组合设计

高速公路平、纵组合设计时，只要竖曲线取值满足规范要求，通常都不会影响行车舒适感与安全视距，但要注意互通区范围内的竖曲线半径取值；当公路平曲线和竖曲线存在部分或全部重叠时，应满足“平包竖”要求，以确保驾驶员有良好的道路感知，准确判断公路走向。

经核查，本项目平纵组合总体较好，基本上实现了平包竖，在小半径竖曲线处，竖曲线半径为平曲线半径的2～10倍，基本上实现了平曲线与竖曲线的平衡，但本项目存在圆曲线包含竖曲线(即竖曲线全部落在圆曲线范围内)或竖曲线长度过小的线型，建议有条件时进行平纵面优化。

3 结 语

详细探讨了高速公路平面和纵断面基本设计指标和组合方法，主要得到以下几方面结论：(1)高速公路平面线形指标主要有直线长度、圆曲线半径、缓和曲线长度等，其中直线长度不宜过短或过长，圆曲线半径在设计时应确保车辆受力平衡，缓和曲线能实现不同曲率的过渡；(2)高速公路纵断面线形指标主要有纵坡坡度、坡长、竖曲线等，坡度和坡长不宜过大，竖曲线宜选择半径较大的圆曲线；(3)高速公路路线设计过程中，要注意平纵组合设计。