高速公路小半径圆曲线横净距分析及改善措施研究

商晓儒

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

高速公路的建设可以带动道路沿线经济的大力发展,有利于改善当地的出行条件,但随着高速公路里程逐年增加,随之而来交通事故率也不断攀升,影响高速公路安全性的主要因素有人为因素、道路因素和车辆因素[1],在高速公路设计过程中可以尽量避免因道路因素产生的安全性问题,据统计,我国高速公路交通事故发生在曲线段的概率高达36%[2],而停车视距则是曲线段中最为重要的一项设计指标,即使停车视距满足相关要求,其曲线段横净距也有可能不够,将对行车安全性产生极为不利的影响,因此对高速公路横净距的研究显得尤为重要。

目前很多学者对高速公路曲线段视距进行了研究。田华等[3]根据多个高速公路项目实例,研究了停车视距检验和改进设计方法,提出了将中央分隔带绿化型改为硬化型、移动混凝土防撞护栏位置等措施改善视距。杨永红等[4]建立了三维动态视距模型,建议在左转处加宽横净距,在视线不足的左转处增设视线诱导安全设施,确保小客车在实际超车道行驶安全。张慧杰等[5]研究了80km/h设计速度下圆曲线半径与加宽值的关系,提出了移动护栏、移动标识线等措施满足停车视距的要求。从以上研究可以看出,目前尚未提出高速公路不同设计速度和不同圆曲线半径的横净距加宽值、基于横净距要求的圆曲线半径、适用于不同情况下的解决措施。

现对80km/h、100km/h和120km/h设计速度下不同圆曲线半径的实际横净距和基于横净距要求的最小圆曲线半径进行计算,确定不同设计速度和圆曲线半径下的横净距加宽值,提出适用于不同情况下解决横净距不足的措施,为高速公路行业同类问题提供一定的参考。

1 实际横净距值

1.1 整体式断面实际横净距值

目前我国处于高速公路建设的高峰期,一般选用双向四车道的高速公路建设标准居多,设计速度采用80km/h、100km/h或120km/h不等,根据《公路路线设计规范》[6](JTG D20—2017)相关要求,对于整体式路基,选用横断面各部件尺寸一般值,其中车道宽度选用3.75m,土路肩宽度选用0.75m,不同设计速度下的左侧路缘带宽度及C值选用见表1。

表1 不同设计速度下左侧路缘带宽度及C值

整体式路基断面以设计速度为100km/h的路基标准横断面为例,见图1。

图1 整体式断面标准横断面图(单位:cm)

对于整体式路基断面,左侧实际横净距由C值、左侧路缘带宽度和一半内侧车道宽度组成,右侧实际横净距由一半外侧车道宽度和右侧硬路肩组成。由图1可得出不同设计速度下整体式路基断面左侧实际横净距值和右侧实际横净距值,见表2。

表2 整体式不同设计速度下实际横净距值

1.2 分离式断面实际横净距值

分离式路基断面,选用横断面各部件尺寸一般值,其中车道宽度选用3.75m,右侧硬路肩宽度均采用3m,不同设计速度下的左侧硬路肩宽度见表3。

表3 不同设计速度下左侧硬路肩宽度

分离式路基断面以设计速度为100km/h路基标准横断面为例,见图2。

图2 分离式断面标准横断面图(单位:cm)

对于分离式路基断面,左侧实际横净距由左侧硬路肩和一半内侧车道宽度组成,右侧实际横净距由一半外侧车道宽度和右侧硬路肩组成。由图2可以得出不同设计速度下分离式路基断面左侧实际横净距值和右侧实际横净距值,见表4。

表4 分离式不同设计速度下实际横净距值

由表2和表4可以看出,虽然整体式断面和分离式断面实际横净距的计算方式略有不同,但实际横净距的计算结果一致, 80km/h、100km/h和120km/h设计速度下左侧实际横净距分别为2.625m、2.875m和3.125m,80km/h、100km/h和120km/h设计速度下右侧实际横净距均为4.875m。

2 基于横净距值要求的最小圆曲线半径

为探究横净距、圆曲线半径和停车视距之间的关系,仅就停车视距小于圆曲线长度的情况进行研究,横净距、圆曲线半径和停车视距之间的关系见图3。

图3 横净距计算关系图

由图3可以得出横净距的计算公式,见式(1)和式(2):

(1)

(2)

式中:h为横净距要求值(m);Rs为平曲线内侧汽车行驶轨迹半径(m);γ为视距线对应圆心角(°);S为停车视距(m)。

设计速度80km/h、100km/h和120km/h对应的停车视距分别为110m、160m和210m。结合式(1)和式(2)可以计算出不同设计速度和圆曲线半径下的横净距要求值,见表5。

表5 不同设计速度和圆曲线半径的横净距要求值

由表5可以看出,右侧实际横净距在80km/h、100km/h和120km/h设计速度下均能满足横净距要求,左侧实际横净距若要满足横净距要求,在80km/h设计速度下,圆曲线半径需大于576m,在100km/h设计速度下,圆曲线半径需大于1113m,在120km/h设计速度下,圆曲线半径需大于1764m,若对应设计速度下的圆曲线半径未达到上述要求,则需采取一定措施解决横净距不足的问题,建议在高速公路设计过程中,80km/h、100km/h和120km/h设计速度下的圆曲线最小半径应分别大于576m、1113m和1764m。

3 横净距加宽值

影响横净距加宽值的主要因素为设计速度和圆曲线半径大小,在高速公路设计过程中,有时受地形、地质和生态红线等限制,设置的圆曲线半径较小,会对内侧车道的视距产生不良的影响,致使圆曲线内侧横净距不足,因而需要对横净距不足侧进行加宽设计,由式(1)和式(2)计算出不同设计速度和圆曲线半径的横净距加宽值,见表6～表8。

表6 80km/h设计速度不同圆曲线半径的横净距加宽值

表7 100km/h设计速度不同圆曲线半径的横净距加宽值

表8 120km/h设计速度不同圆曲线半径的横净距加宽值

由表6～表8可以看出,80km/h、100km/h设计速度下,在圆曲线半径分别达到一般最小值400m、700m的情况下,右侧实际横净距均能满足横净距要求值,无需进行加宽处理,仅需对左侧横净距加宽。120km/h设计速度下,在圆曲线半径大于1130m情况下,右侧实际横净距均能满足横净距要求值,仅需对左侧横净距加宽,即使圆曲线半径达到一般最小值1000m,但小于1130m,则仍需对右侧横净距进行加宽处理。

在高速公路设计过程中,建议80km/h、100km/h和120km/h设计速度下左右侧横净距加宽值不应小于表6～表8中的数值,才可以满足横净距的要求。

4 横净距改善措施

4.1 压缩路基断面尺寸的措施

可以采取压缩中分带、压缩车道或硬路肩宽度,同时增加左侧路缘带宽度的措施,来增加实际横净距,以满足横净距的要求。

4.1.1压缩中分带宽度

目前高速公路中分带宽度多为2m或3m,在满足中分带护栏设置宽度和中分带内通信光缆等设施的宽度需求情况下,可以适当缩减高速公路中分带的宽度,同时增加左侧路缘带的宽度,以增加实际横净距,进而满足横净距要求。

4.1.2压缩内侧行车道宽度

目前80 km/h以上设计速度的车道宽度为3.75m,对于以通行小型或中型客车为主的高速公路,通过重新绘制交通标线将内侧车道宽度变为3.5m,同时左侧路缘带可以加宽0.25m,则实际横净距也就增加了0.25m。若横净距加宽值小于0.25m,则可以满足横净距的要求。

4.1.3压缩右侧硬路肩宽度

目前,设计时速80 km/h及以上的高速公路,右侧硬路肩的宽度为3m,高速公路硬路肩作为应急抢险车道,应尽量减少对其压占,对于主要用于小型客车通行的高速公路,硬路肩的宽度不应小于2.5m。可应用交通标线重新划分横断面尺寸,将硬路肩宽度调整为2.5m,同时左侧路缘带宽度增加0.5m,则实际横净距也就增加了0.5m。若横净距加宽值小于0. 5m,则可以满足横净距的要求。对于压缩右侧硬路肩的段落,须在该段落起终点一定距离范围内设置硬路肩禁止停车标志。

应注意的是在不满足横净距要求的段落,圆曲线两端的缓和曲线应进行宽度的过渡,宽度应采用线性渐变,且渐变率不应大于1/100。对于横净距加宽值较大的情况,可以采用压缩中分带、压缩车道或硬路肩组合的措施解决横净距不足的问题。

优点:(1)无需加宽路基及路面,工程规模及投资较小;(2)仅需重新绘制交通标线,设计和施工难度较低。

缺点:(1)压缩路基横断面尺寸,影响高速公路的通行能力;(2)路线线形不连续。

压缩路基断面尺寸的措施已在沈阳绕城高速公路改扩建工程中实施,采用的是适当压缩硬路肩的方法,效果良好。

4.2 优化中央分隔带护栏措施

在中央分隔带宽度不变和护栏防护等级不下降的前提下,可通过护栏和防眩措施的布置形式或结构型式的优化来增加圆曲线内侧的横净距,不同方法对比如下:

(1)基于布置形式角度来说,护栏单排布置优于双排布置。

(2)基于变形能力角度来说,护栏的刚度越大优势越明显。

(3)基于结构尺寸角度来说,护栏横向布置所需的宽度越小,则优势越大;物理防眩光比植物防眩光具有更明显的优势。

一般来说采用单排布置形式、选用断面尺寸越小、刚度越大的护栏,则可以向后移动的宽度就更大,对增加圆曲线内侧的横净距的贡献也越明显。因此,在相同的防护等级下,可以采取将双排分设式波形梁钢护栏的布置形式改为组合式波形梁钢护栏、单排双坡混凝土护栏、梁柱钢护栏等措施。也可以将一般的植物防眩光措施改为防眩光板或防眩光网等物理防眩光措施。

优点:(1)工程规模及造价较低;(2)设计和施工较为简单;(3)路线线形较为连续。

缺点:(1)可增加的横净距宽度范围有限;(2)防眩效果和美观度较差。

调整护栏及防眩措施的布置形式和结构型式对横净距宽度的增加量有所限制,因此对于横净距加宽值较小的情况,优化中央分隔带护栏措施较为适用,但对于横净距加宽值较大的情况,优化中央分隔带护栏措施则不适用。

优化中央分隔带护栏措施已在京哈高速公路沈阳至四平段改扩建工程中实施,将植物防眩改为防眩板,效果良好。

4.3 加宽路基的措施

对于实际横净距不满足横净距要求的曲线段落,可以加宽断面尺寸以增大实际横净距,加大左侧路缘带或左侧硬路肩宽度,进而增加实际横净距,以满足横净距要求。

4.3.1整体式路基断面

对于整体式路基或桥梁断面,建议采用中分带位置不变,加宽左侧路缘带的加宽方式,进而加宽实际横净距,以满足横净距的要求。

4.3.2分离式路基断面

对于分离式路基或桥梁断面,建议采用平面设计线位置不变、加宽左侧硬路肩的方式,进而加宽实际横净距,以满足横净距的要求。

无论是整体式断面还是分离式断面,圆曲线段落加宽均为等宽加宽,即一段圆曲线内加宽的数值一定,但在圆曲线两端的缓和曲线段落需要对宽度进行过渡,应采用线性渐变的方式,且渐变率不应大于1/100。

优点:(1)对于圆曲线段落等宽加宽,设计和施工难度较小;(2)适用于横净距加宽值大的情况。

缺点:(1)在曲线两端的缓和曲线段落,路线线形不连续;(2)需加宽路基,具有较大的工程建设规模和投资。

加宽路基的措施已在赤峰至绥中高速公路(G4515)凌源(蒙辽界)至绥中段中应用,整体式采用加宽左侧路缘带,分离式采用加宽左侧硬路肩的方法,但该项目目前尚未通车。

4.4 视距辅助线的措施

对于实际横净距不满足横净距要求的曲线段落,在曲线内侧或外侧设置视距辅助线,将视距辅助线和原平面设计线当作间距较小的分离式路基段落,可以理解为加大圆曲线半径,以减小横净距的要求值,进而解决实际横净距不满足横净距要求的问题。

4.4.1曲线内侧视距辅助线

在原平面设计线曲线内侧设置视距辅助线,把曲线内侧视距辅助线视为中央分隔带中心线,左幅的新的平面设计线则为曲线内侧增设的视距辅助线,右幅新的平面设计线仍为原平面设计线。

4.4.2曲线外侧视距辅助线

在原平面设计线曲线外侧设置视距辅助线,原平面设计线仍当作中央分隔带中心线,左幅新的平面设计线仍为原平面设计线,右幅新的平面设计线则为曲线外侧增设的视距辅助线。

无论是曲线内侧视距辅助线还是曲线外侧视距辅助线,视距辅助线均需按路线线形顺接至两端的原路路线线形,且视距辅助线与原平面设计线间的间隙需满铺路面,利用路面交通标线划分。

优点:(1)相比于加宽左侧路缘带或左侧硬路肩的措施,路线线形连续;(2)适用于横净距加宽值大的情况。

缺点:(1)需设计两个平面线形,路线线形变化,具有较大的设计和施工难度;(2)具有较大的工程建设规模和投资。

视距辅助线的措施已在本溪至集安高速公路(G9111)本溪至桓仁(宽甸)段中应用,但该项目目前尚未通车。

5 结论

以标准横断面为例,研究了80km/h、100km/h和120km/h设计速度下的实际横净距、基于横净距要求的最小圆曲线半径、横净距加宽值和横净距改善措施等,主要有以下结论:

(1)80km/h、100km/h和120km/h设计速度下左侧实际横净距分别为2.625m、2.875m和3.125m,右侧实际横净距均为4.875m。

(2)基于横净距要求, 80km/h、100km/h和120km/h设计速度的圆曲线半径分别不应小于576m、1113m和1764m。

(3) 80km/h、100km/h和120km/h设计速度的左侧横净距加宽值不应小于表6～表8中数值。80km/h、100km/h设计速度圆曲线半径值大于一般最小值时,则右侧横净距无需加宽,120km/h设计速度圆曲线半径值小于1130m时,右侧横净距则需加宽。

(4)采取压缩路基断面尺寸、优化中央分隔带护栏、加宽路基和视距辅助线等措施可以解决横净距不足的问题。

(5)对于通行小客车为主的高速公路,推荐采取压缩路基断面尺寸的措施。对于横净距加宽值较小的情况,推荐采用优化中央分隔带护栏的措施。对于横净距加宽值较大的情况,可根据项目实际情况,选用加宽路基措施或视距辅助线措施。