基于行车安全性和舒适性的公路限速路段研究

王大为， 唐 杨

(1.温州市交通规划设计研究院有限公司，浙江 温州 325000；2.五峰土家族自治县农村公路管理所，湖北 宜昌 443413)

公路设计是以设计速度为基准速度，合理确定公路设计指标并使其相互协调[1]。而车辆在行驶过程中，受驾驶员期望速度以及交通量、路侧干扰等因素影响，车辆运行速度往往与设计速度存在差异，由此带来的公路车辆实际运行速度与设计指标不协调是引发交通事故的重要原因之一。实际运行速度过高，远超设计速度确定的设计指标的服务能力，将带来极大安全隐患；当实际运行速度过低，则又会极大的降低公路的通行能力，降低公路的服务水平。若采用设计速度统一进行限速，对于路线指标宽裕路段则很难发挥其线形优势，对于路线指标局限路段却又存在误导作用。因此合理的分路段限制速度，重点路段加强限速提醒，对车辆行驶安全与公路通行能力提升有很大的帮助。

通过查阅相关文献发现，关于公路限速的研究主要集中在以运行速度为基础确定限速值[2-3]、限速标志牌与限速位置之间的距离研究[4-5]、高速公路立交区等瓶颈拥堵位置及施工区限速标志位置确定方法[6-7]、限速标志设置有效性及通过运营结果反向推演公路限速标志的合理性研究[8-9]方面。

限速研究涉及到公路从设计到运营各个阶段，但是作为设定限速的先决条件，需要限速的路段尚未有相关系统论述，本文对需要限速路段进行了系统梳理，以期为设计人员快速明晰的确定限速位置提供参考。

1 平、纵面曲线个体指标限速路段

1.1 基于横向力系数u的个体平曲线

在公路设计规范中，横向力系数u是确定圆曲线半径的重要因素。横向力系数u为汽车在曲线上运行时受到的横向力与法向力的比值，其值对汽车行驶的稳定性、乘客的舒适性和运营的经济性等因素均有影响[10]。

(1)汽车行驶稳定性：u=0.15 ～0.16干燥与潮湿路面均可以较高的速度行驶；u=0.07路面结冰也能安全行驶。

(2)乘客舒适性：u<0.10不感到曲线存在，很平稳；u=0.15略感曲线存在，尚平稳；u=0.20已感到曲线存在，稍感到不平稳；u=0.35感到有曲线存在，已感到不平稳；u>0.40转弯时已非常不稳定，站立不住有倾倒的危险。

(3)运营经济性：u≤0.10～0.15轮胎磨耗及燃料消耗增加较小。u与燃料消耗和轮胎磨耗变化关系见表1。

表1 u与燃料消耗和轮胎磨耗变化关系

《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)(以下简称技术标准)规定的圆曲线最小半径极限值，系在采用对应最大超高时经计算调整后的取值，其对应计算得到的横向力系数为0.10～0.17；而最小半径一般值采用的横向力系数为0.05～0.06，为按设计速度行驶的车辆能保证其安全性与舒适性建议的采用值。

《公路项目安全性评价规范》(JTG B05-2015)中对最大横向力系数u值建议取值如表2所示。

表2 运行速度与横向力系数关系

基于上述规定，实际设计工作中，当个体平曲线路段采用最小半径一般值时，宜按设计速度进行限速；当平曲线路段采用最小半径极限值时，则应进行设计速度限速，确保行驶速度不超过设计速度。

对于其他个体平曲线路段，则可以根据运行速度、曲线半径、采用的超高值等通过公式(1)综合计算其横向力系数u值[10]，结合表2来判断，是否需作为重点限速路段，单独或重复设置限制速度，从而提高路段的行驶安全性与舒适性。

(1)

式中：u为横向力系数；ih为路拱横坡度，无超高时为路拱横坡取“-”，有超高时为超高横坡取“+”(%)；R为圆曲线半径(m)；V为设计速度或运行速度(km/h)。

1.2 基于行车视距的平、纵面

满足行车视距，保证实际可视视距与行驶速度需要视距的吻合是保证车辆安全行驶的必要条件之一。视距是指在车辆正常行驶中，驾驶员从正常驾驶位置能连续看到公路前方行车道范围内路面上一定高度障碍物，或者看到公路前方交通设施、路面标线的距离。技术标准中将公路设计视距分停车视距、超车视距、会车视距、识别视距等多种视距。

公路视距不良路段多集中在平曲线、竖曲线路段。平曲线内侧受障碍物(如中央分隔带绿植、路侧挖方边坡、路侧填方树木等)阻挡，驾驶人员视线被切断，可视视距受限；竖曲线特别是凸形竖曲线，受竖曲线曲率影响，驾驶员可视范围受限。该场合下，若可视视距不满足车辆运行速度所需视距，则容易导致车辆追尾、刮擦，严重的时候甚至车头相撞造成重大事故。设计及运营过程中需对于视距不良路段，进行限速处理。

对于平曲线路段，主要通过保证视距长度对应的路侧横净距范围不存在障碍物来满足行车视距。路侧横净距是指视距曲线与行车轨迹之间的法向距离，其最大值叫最大横净距[10]。不同的视距长度，在圆曲线的半径上需要的最大横净距值不同。圆曲线半径、设计视距、最大横净距三者关系见式(2)[11]：

(2)

式中：Rs为验算最内侧车道中心线半径；St为设计视距(m)；h为实际横净距(m)，为视距不良车道中心线至中央分隔带路缘石或者至路侧波形护栏之间的距离。

技术标准中对于平曲线路段视距半径没有明确给定值，本文根据公式(2)，对停车视距及横断面各部分尺寸采用公路路线设计规范一般值，计算得高速、一级公路设计速度对应小客车停车视距半径，见表3。设计过程中可直接与该表比对，确定限速路段。

表3 高速、一级公路设计速度对应停车视距半径

凸形竖曲线视距半径R用下式[10]计算:

(3)

式中：Ss为视距(m)；he为眼高(m)；ho为物高(m)。

凹形竖曲线一般路段视距半径R依据(JTG B01-2014)采用下式计算：

(4)

式中：D为视距(m)。

凸形竖曲线视距半径，在技术标准中以接近停车视距计算取值，在设计过程中对于采用竖曲线半径极限值路段应采用设计速度进行限速。

对于采用其他设计视距的路段，采用相应的设计视距长度及物高，通过公式(3)、公式(4)进行计算，结果如表4所示，工作中可将临界半径路段作为强化限速路段。

表4 二、三、四级公路竖曲线视距半径(小客车)

2 平、纵面不利组合限速路段

在设计及实际实施过程中，受地形、地质、地物等因素限制，往往会存在较多平纵组合不合理路段，或是指标前后不协调、视觉引导不连续，或是与驾驶员心理、生理或者车辆性能存在冲突，这些路段往往是事故多发路段，需进行深入分析，针对性的分路段限速。

2.1 基于期望速度控制的长直线、长下坡或大半径圆曲线接小半径圆曲线

公路事故重要原因之一是相邻路段运行速度差值不协调。当车辆由高速向低速行驶减速过程中，往往存在减速距离不充分，导致行驶速度与路线指标不匹配，从而造成车辆外倾、翻车或者车辆追尾等安全事故，其中以长直线、长下坡或大半径圆曲线接小半径圆曲线路段尤为明显。

车辆长直线或长下坡或大半径圆曲线路段，往往会加速至期望速度，而后维持期望速度值不变，匀速行驶。依据(JTG B05-2015)，各级公路设计速度的期望速度参见表5、表6，长直线、长下坡或大半径圆曲线路段小型车车辆的期望速度往往比设计速度高25或30 km/h。

表5 高速、一级公路期望速度 km/h

表6 二、三级公路期望速度 km/h

设计过程中，可直接将期望速度作为控制速度，对车辆长直线或长下坡或大半径圆曲线路段后面所接的小半径曲线进行限速分析。期望速度结合公式(1)、公式(2)进行计算得到控制半径结果如表7所示。

表7 期望速度对应圆曲线极限最小半径及停车视距最小半径(小客车)

表8 高速公路、一级公路停车视距

设计过程中，当长直线或长下坡或大半径圆曲线路段后面所接的小半径平曲线半径指标小于表7对应半径值时，需将对应路段设置为限速路段，结合表3确定限制速度，当限速速度与期望速度差值大于20 km/h时，宜采取逐级限速方式[12]。

2.2 基于视觉连续性及限速区最小长度的连续弯道

公路设计过程中，受地形、地物等限制，往往会出现几处平曲线连续相接形成反复的S行曲线组合，即连续弯道的情形。连续弯道路段由于是连续曲线路段，视距长度会被曲线内侧障碍物限制，司机对前方线位情况很难有明确判断，同时长时间的连续急弯行驶，容易致使司机产生急躁心理，车辆行驶产生情绪化加速[13]。连续弯道路段合理设置限速标志牌，视距上保持连续可见、心理上给司机明确指示，从而提高行车安全性。

连续弯道路段中S形曲线两圆曲线半径之比不宜过大，以大小圆半径之比≤2为宜[1]，此时两圆曲线超高值最大差值通常在2%以内。根据公式(1)，在u值相等情况下，将公式进行转换计算可知，相邻S形曲线之间的实际行驶速度差值往往控制在20 km/h以内。

考虑连续弯道路段相邻半径速度差值最大可达20 km/h，根据连续弯道行车特点，出于视觉连续以及最小行驶长度的稳定性考虑(见表9[12])，在S形或者3个曲线连续弯道路段，宜采用几个曲线中最小半径，对照表3确定的临界视距半径，确定限制速度。

表9 限速区最小长度

当4个及以上曲线的连续弯道路段，其曲线长度往往超过表9规定的限速区最小长度时，可对后续组合进行循环分析，根据计算结果按速度递进分区设定限速路段。

3 特殊结构物限速路段

3.1 基于车道侧向安全的隧道

公路隧道由于其自身特殊的行驶环境，往往成为公路事故多发路段。

隧道洞口路段由于存在明暗洞效应，车辆进出洞口过程中由于光线差，易产生瞬间视盲，考虑明暗适应范围往往需要进行路段限速；对于隧道曲线路段，如果行驶速度过高，受隧道洞壁遮挡，行车视距难以满足，需对曲线隧道段进行限速。

以上是针对隧道某些局部位置提出的限速要求，实际工作中考虑贯穿隧道整个洞身隧道断面与正常路基段相比，其硬路肩被压缩，只留有路缘带，即行车道侧向安全余宽，当外侧车道车辆超过设计速度高速行驶时，会给司机造成较大心理压力，情绪紧张，引发交通事故，故需要对隧道整体进行限速。

侧向安全余宽是公路通行车辆在保持一定速度行车时，行车道两侧需要预留的一定的安全距离，即车道边缘线到路侧障碍物(如：护栏设施、路侧边坡等)的安全距离[1]，车道最小安全余宽见表10[1]。

隧道横断面布置中，隧道断面侧向宽度见表10[1]，隧道余宽C值，在其值大于100 km/h时为0.5 m，小于等于100 km/h时为0.25 m[1]。将侧向宽度与C值相加可知，隧道设计断面布置与行车道侧向安全宽度吻合度较高。

表10 行车道侧向安全余宽

实际工作中，隧道断面设计从经济性考虑，基本采用表10规定的最小值，因此从横断面侧向安全余宽角度考虑，即使隧道平纵指标较高，建议设计中仍对隧道区域按设计速度进行路段限速。

考虑隧道路段为便于施工、利于通风排气、视线良好，实际工作中对于长隧道、特长隧道等多采用直线线形[1]，结合德国、日本等国家对最大直线长度规定不超过20V(V为设计速度)[1]，建议在长直线隧道洞身段，按20V距离重复设置限速标志牌。

3.2 基于综合安全考虑长大桥梁

长大桥梁作为公路设计中的常见结构物，其设置位置往往在跨越水域或设计高度较地面较高路段，其外即为水域或临空面较高，一旦发生交通事故，车辆冲出桥梁范围，造成的交通事故往往难以弥补。考虑到事故原因往往是由于速度过快导致驾驶人员反应不及时，从确保安全角度来看，宜对长大桥路路段进行严格的限速控制，根据《道路交通标志和标线》(GB 5768.5-2017)，道路上长大结构物，如跨海大桥、山区高墩特大桥等，限制速度值不宜高于设计速度。

从公路路线设计理念来看，长大桥梁等结构特殊桥梁，为了便于施工往往采用的是长直线高标准平面线形，而其周边环境往往相对单调，极易使驾驶者感到单调、疲乏，难以准确目测车间间距，导致出现超速行驶状态[1]，应对其进行严格限速控制；结合德国，日本等国家对直线长度的最大规定不超过20V(V为设计速度)，建议在桥梁路段，按20V距离重复设置限速标志牌。

对于长大桥梁，出于工程经济性考虑，设计过程中往往会对其硬路肩论证采用“最小值”[1]，同表10所示侧向余宽值接近，加之桥梁护栏往往采用钢筋砼护栏，对视线形成空间隔离与压迫，从而与隧道断面相似对驾驶员产生相近的生理、心理影响，因此从路侧安全考虑，对于采取压缩硬路肩宽度方式的桥梁，按设计速度进行路段限速。

4 结论

(1)采用平、纵面曲线最小半径一般值路段宜进行路段限速；采用最小半径极限值路段，应进行路段限速。

(2)平、纵面曲线其他指标路段应结合横向力系数u计算结果、设计视距计算结果进行路段限速。

(3)平纵不利组合路段中长直线、长下坡或大半径圆曲线接小半径圆曲线路段，以期望速度为控制因素，分析小半径圆曲线所属区域，在小半径区域前分情况逐级限速。

(4)平纵不利组合路段中连续急弯路段，对S形或3个曲线连续弯道路段，采用几个曲线中最小半径，比照临界视距半径，将对应速度作为限制速度；对于4个及以上曲线的连续弯道路段则可结合限速区最小长度，为提高通行能力，分段各自按最小半径对应速度进行限速。

(5)对于隧道、长大桥梁路段，考虑路侧安全余宽，基于安全考虑，建议全路段按设计速度限速。对于采用长直线线形的特长、长隧道及桥梁，建议按20V频率重复限速。

另外《公路路线设计规范》对于特别路段明确规定限速要求，如二级公路设置慢车道时，四车道高速公路、四车道一级公路以及二级公路连续上坡路段沿连续上坡路方向等诸多路况，设计中根据要求执行即可。