运行速度及其在公路路线设计中的应用分析

何自珩

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430056）

0 引言

公路路线设计是公路建设的关键内容，设计速度作为路线设计的主要参数，一般采取路段固定值，并且在此基础上获取关联性参数，如超高、视距、纵坡、平竖曲线半径等。采取设计速度作为路线设计依据会导致公路设计指标限制因素增多、加大公路设计成本和行车安全不稳定性。考虑设计速度难以适应实际路线需求及驾驶特点，以车辆实际运行速度为核心的路线设计具有重要社会经济意义，该设计模式能够有效均衡路线设计不同参数，提升交通设计人性化功能。

1 运行速度主要影响因素

1.1 平面

1.1.1 直线

直线是路线设计平面基本构成内容，直线段具备行车线视野开阔、方向明确、距离较短的交通特点。直线路线难以和地形、生态相互适应，且直线长度与路线设计质量密切相关，当直线长度过小，则或造成整体线形连续性、协调性破坏；直线路线设计过长，则或造成行驶人员交通疲劳，易产生安全事故。直线上的车辆运行速度主要受直线段坡长、长度两个因素影响。

1.1.2 圆曲线

圆曲线设计能够快速通过路段障碍物，避免土方开挖回填等建设成本较大的施工活动。圆曲线设计参数不合理则会造成局部区域车辆减速、加速等行为，增大交通风险，如圆曲线设计转角过大，则会造成较大的通行时间；圆曲线设计转角过小，则会造成路段急转弯，降低运行速度。运行速度受到圆曲线半径影响较大；缓和曲线则主要发挥曲率过渡作用，不同的设计曲率则需要不同运行速度，车辆在缓和曲线路段表现为变速行驶[1]。基于设计速度的缓和曲线设计一般假定为等速行驶，不能够与实际路线特点相匹配，针对缓和曲线运行速度的适应性分析则需要重点考虑缓和曲线长度、缓和系数、相连圆曲线参数等。

1.2 纵面

路线纵断面设计主要包括竖曲线（凹形、凸形竖曲线）和匀坡线两部分，车辆运行速度受纵断面设计参数的影响极大。不同纵断面设计坡长和坡度下，车辆运行速度差异性明显，上坡段纵断面坡度越大，运行速度越低，坡度越小，运行速度则越大；下坡段则与之相反。此外，坡度一定时，上坡路段的坡长越大会造成运行速度不断减小，下坡路段坡长越长则会造成运行速度不断增大。纵断面竖曲线半径对运行速度的影响同样不可忽视，竖曲线半径越小，运行速度则相对较小；反之则越大。竖曲线设计半径超过一定限制范围时，设计半径对运行速度几乎不产生影响，可将竖曲线简化为平坡线进行处理。

1.3 车辆性能

公路车辆种类较多，如大货车、客车、小轿车等，不同类型车辆面临的公路交通环境不同，运行速度差异性极大。同类别车辆性能不同时，其运行速度也不同。公路设计所针对的代表性车辆主要分为载重汽车、小客车、拖挂车几种类别，在开展路线设计时，则主要分析中型载重汽车、小客车[2]。

2 工程概况

湖北省某山区拟新建一条低等级公路，起点位于临近村落处，终点衔接于国道。该山区公路建设场地地形较为复杂，地面高程变化较大，场地障碍物数量较多，采取二级公路技术标准设计，路线设计起终点K0+000～K2+800，设计全长为2.8 km，设计车速60 km/h，路面设计宽度7.5 m，路基设计宽度12 m，双向二车道。路线初步设计中，平面、纵面线形指标如下：平曲线设计数量为10 个，最小半径65 m，最大半径1 500 m，最小长度则为102 m，平曲线占总长度比例达到了48%；纵面设计中存在11 个变坡点，最大纵坡为5.6%，最小纵坡为0.3%，竖曲线占总长度比例达到了21%。

3 基于运行速度的路线指标评价

3.1 单元路段划分

运行速度理论应用前提需要对路线进行单元段划分，不同单元段的划分主要依据不同纵坡坡度、平曲线半径进行开展，总体上可以将完整路线划分为直线、纵坡线、平曲线、平纵组合四种单元段。不同单元段的划分标准如下：路线相邻曲线中间存在过渡段，且过渡段长度不超过120 m 时，则可以将该段路线作为直线段；路线设计曲率半径超过600 m，纵坡设计坡度大于3%时，则将该路段视为纵坡段；路线设计曲率半径不超过600 m，且纵坡设计坡度不大于3%时，则将该段视为平曲线段；路段设计曲率半径不超过600 m，纵坡设计坡度超过3%时，则按平纵组合段处理[3]。运行速度需要结合不同类别单元段开展计算分析，设计路线不同单元段划分如表1所示。

表1 段落划分统计

3.2 运行速度计算

直线路段上的车辆运行速度较为稳定，一般以期望行驶速度为运行速度上限值。当初始运行速度小于期望速度时，车辆表现为加速行驶状态，直至期望速度才开始匀速稳定运行。期望速度计算公式可按式（1）进行计算[4]：

式中，V——直线路段期望速度（运行速度）（m/s）；Vc——车辆初始速度（m/s），可通过特定位置现场车辆监测获取；a——车辆加速度（m/s2），小客车为0.15～0.5 m/s2，大货车为0.2～0.25 m/s2；S——直线路段距离（m）。

纵坡段运行速度和路段长度、坡度两个参数密切相关，项目针对现场纵坡段8 t 载重吨位、功率重量比在9～10 kW/t 之间的标准车型行驶车速进行监测统计，获取如图1 所示上下坡路段不同坡长、坡度运行速度变化规律（其余坡长、坡度下的运行速度可依据图中参数进行线形插入法计算获取）；平曲线段的车辆运行速度基本保持不变，项目以平曲线中部位置标准车型监测车速作为运行速度。不同路段标准车型运行速度计算统计如表2所示[5]。

图1 上下坡路段不同坡长、坡度运行速度

表2 标准车型运行速度统计

3.3 指标评价

3.3.1 连续性

考虑合理的路线设计需要能够有效引导行车视线、提升通行稳定性，公路路线需要保持其线形连续性。不连续路线设计主要具备以下特点：衔接路段的线形指标增大、减小幅度过大；单个指标和设计指标之间存在明显差异；路段内部指标变化幅度较大。技术指标稳定性较差是不连续路段线形质量主要影响因素。运行速度下的路线设计需要重点分析路线衔接连续性，路线连续性指标可以采取相邻路段的运行速度差a来表征。山区公路设计指标、交通环境较为严格，设计车速也要低于其他等级公路，该文对路线连续性指标评价进行以下设定：运行速度差a小于10 km/h 时，速度协调性及路线连续性好；运行速度差a在10～20 km/h 时，运行速度协调性及路线连续性较好；a大于20 km/h 时，运行速度协调性及路线连续性不良。项目针对大货车开展运行速度差a的计算分析，获取如图2 所示变化规律。结果表明，路线相邻路段运行速度差少部分小于10 km/h，路线连续性良好。大部分分布在10～15 km/h以内，路线连续性相对一般，该路段处需要进行技术指标二次调整，减小运行速度差[6]。

图2 相邻路段运行速度差

3.3.2 速度协调性

公路路线设计中对路线相关几何要素进行设计，需要明确公路行车安全所需要的设计参数最小值和极限值。公路行驶阶段，行车速度主要取决于行车动态环境，在采取设计极限值进行路线设计时，容易造成环境较大的限制性，引发驾驶员错误的行车判断，造成安全事故。项目采取运行速度和设计速度差值进行路线设计质量指标评价。速度协调性需要符合一定范围（＜20 km/h），以便确保行车几何设计参数的匹配，当差值大于20 km/h，则需要开展路线安全评估工作[7]。项目获取如图3 所示不同路段运行速度和设计速度差变化规律。研究结果表明，路段1、3、7、8、9、10 的运行速度要小于设计速度（60 km/h），路段线形指标不需要进行优化；路段2、4、5、6、11、12、13 的运行速度要大于设计速度，但是差值仍旧控制在20 km/h 之内，同样不需要开展路线安全性分析；其中，13 路段的运行速度要大于设计速度13.1 km/h，速度协调性较差，应该在该路段处设置限制标志，避免交通安全事故。

图3 不同路段运行速度和设计速度差

4 结论

采取固定的设计速度开展公路路线设计容易忽略行车动态性，造成建设成本及行车安全风险的增大。基于运行速度理论的公路路线设计能够从根源上进行路线设计参数的优化，避免设计速度路线设计应用中的缺陷。该文依托湖北省某山区公路开展运行速度在公路路线设计中的应用研究，获取以下研究结果：公路线形连续性基本满足要求；存在少数几处路段路线设计连续性、协调性质量一般；设计中需要对部分参数进行二次优化，布置交通安全标志，以此提升路线设计水平。该文所做研究有助于运行速度理论应用推广。