道路线形设计指标选用及安全评价研究

摘要 为保证道路工程的线形设计水平，该文从直线长度、圆曲线半径、超高加宽、回旋线长度等方面分析了平面线形指标的选用，从纵坡坡度、竖曲线半径等方面分析了纵断面线形指标的选用，从路拱横坡、路肩宽度等方面分析了横断面线形指标的选用，同时基于运行速度，对某二级公路的线形的安全性进行评价，研究成果可为道路路线设计提供理论指导。

关键词 公路工程；设计指标；道路线形；安全评价

中图分类号 U412 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）19-0041-03

0 引言

道路工程是我国基础设施投资的重要组成，其建设里程逐年增加，随之而来的交通事故也越来越多，且很多事故都与道路线形不合理有关。道路工程属于三维线性构造物，由平面、纵断面、横断面线形共同组成，任何一种线形不合理都会影响驾驶员的心理、视距等，从而引发交通事故，同时诸多道路项目在设计时只考虑线形指标是否满足规范，而不重视线形的安全性，因此结合规范进一步研究道路线形设计指标选用及安全评价具有重要意义。

1 道路线形关键设计指标选用

1.1 线形指标类型

道路线形指标选择应具有一定的灵活性。《公路灵活性设计指南》中指出道路线形指标要尽量满足规范要求，但也要考虑道路运行条件、周边环境、经济成本等制约因素，如果某一线形指标提高需对周边环境产生严重破坏或耗费较大的成本，则经专家论证后线形指标可适当突破规范[1]。

《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）是我国道路线形设计的强制性准则，其对平面、纵断面、横断面线形有系统的分类，如表1所示：

1.2 平面线形指标选择

（1）直线长度

直线能以最短距离来连接道路上的两个控制点，但直线线形缺乏变化，难于与地形相适应，尤其是在山岭重丘区的公路，采用直线线形会导致工程量大、对自然环境破坏大等问题。

当直线长度过长时，会使驾驶员产生心理烦躁，注意力不集中，容易超速行驶等问题，根据相关研究，在不需超车的条件下，车速超过97 km/h持续3 min就会使驾驶员烦躁。路线线形设计规范对直线最大长度未给出明确值，仅规定“直线长度不宜过长”。该文认为直线长度应结合地形、环境设置，且不宜超过20V（V为设计速度，单位km/h，下同）。如布线条件受限，必须采用大于20V的长直线，应在沿线增加驾驶警示标志[2]。

同时，相邻圆曲线以直线径向相接时，其长度不宜过短，否则会形成“断臂”曲线，破坏线形的连续性。当V≥60 km/h时，同向圆曲线间最小直线长度应大于6V，反向圆曲线间最小直线长度应大于2V；当V<60 km/h时，最小直线长度可适当放宽。

（2）圆曲线半径

各级公路在方向改变的地方都需设计圆曲线，与转角大小无关，车辆经过圆曲线时，其运行速度会降低。在小半径曲线附近，车辆运行速度降低快，事故率高，主要原因在于：一方面，曲线半径小，使驾驶员视距受限，一旦前方遇到突发状况，驾驶员无法及时作出正确反应；另一方面，车辆在小半径曲线路段受到离心力大，当离心力超过车辆轮胎与路面摩阻力，车辆容易侧翻或滑移。

为了保证行车安全，需控制圆曲线半径R。R的理论计算公式见式（1）：

R≥ V2 127（u+f） （1）

式中：R——圆曲线半径（m）；V——设计速度（km/h）；u——超高横坡（%）；f——横向力系数，取0.5～0.6。

道路线形指标选择前，设计速度是已知的，故圆曲线最小半径取决于超高横坡和横向力系数，公路上超高横坡一般取4%、6%、8%、10%，横向力系数应小于0.1（驾驶员转弯感受不到曲线存在）。将上述参数代入式（1），并将计算结果取整，可得到圆曲线半径规范值，如表2所示[3]：

（3）圆曲线超高和加宽

当道路路拱横坡发生变化，必须设置超高过渡段，对于没有中间带的低等级道路，可将外侧车道绕中心线旋转或绕内侧车道边缘旋转；对于有中央分隔带的高速公路或一级公路，可沿中央分隔带边缘旋转，如图1所示。超高过渡宜采用线性过渡方案，并尽量在回旋线全长范围或某一区段范围内完成，且纵向渐变率要大于1/330[4]。

对于二级及以下的低等级公路，当圆曲线半径R≤250 m时应在曲线内侧进行加宽。以双车道道路为例，其加宽可划分为3类，具体加宽值应结合道路功能、车辆类型等确定，并满足以下要求：当二级公路发挥干线功能时应选用第3类加宽值；当二级公路发挥集散功能或三级公路选用第3类加宽值（考虑铰接车）或第2类加宽值（不考虑铰接车）均可；四级公路或等外路，可选用第1类加宽值。

（4）回旋线长度

道路的直线与圆曲线间或大、小半径圆曲线间需设计缓和曲线，以实现线形过渡，动态调整车辆行驶轨迹。根据《公路路线设计规范》（JTG D20—2017），缓和曲线宜选用回旋线，且长度不宜过短，从理论角度来看，道路回旋线长度可利用式（2）计算：

Ls= v 3.6 t （2）

式中：Ls——回旋线长度（m）；t——车辆在缓和曲线上的行驶时间，一般取3 s。

当道路设计速度为40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h时，代入式（2）可得回旋线的最小长度计算值，取整后即为规范值，如表3所示：

1.3 纵断面线形指标选用

（1）纵坡坡度

纵断面的最小纵坡要能满足路面排水要求，其取值不宜小于0.3%，且与横坡合成后的合成坡度不宜小于0.5%。否则，应对边沟开展纵坡排水设计。

纵断面的最大纵坡计算主要是依据车辆爬坡能力确定，并在高海拔地区进行适当修正，见式（3）和式（4）[5]：

i=λD−f （3）

D=（f+i）+aδ g （4）

式中：i——最大纵坡（%）；λ——海拔修正系数；

f——摩擦力系数；D——动力因子；a——加速度（m/s2）；

δ——惯性力系数；g——重力加速，取9.81。

跨径<30 m的小桥，其纵坡可随路线纵坡设计，而大中桥的纵坡不宜超过4%。当桥梁处于交通量大的路段或易积雪结冰路段，纵坡需适当减小，同时隧道段最大纵坡需考虑汽车废气排放量，一般不超过3%。

（2）竖曲线半径

竖曲线是纵断面线形设计关键，可用于缓和纵坡突变，提高行车舒适性和安全性，竖曲线包括凹形竖曲线和凸形竖曲线两类，宜采用大半径圆曲线。因此，竖曲线的设计与圆曲线类似，主要控制半径大小。以凸形竖曲线为例，如果其半径过小，驾驶员经过曲线顶点时会存在视线盲区，并产生“悬空感”，为了保证行车安全，凸形竖曲线的最小半径要满足表4所示：

1.4 横断面线形指标选用

（1）路拱横坡

传统的道路路拱多采用2.0%的双向横坡，这对于路面宽度较小的低等级公路排水是有效的，但对于路面较宽的高速公路或一级公路而言，单向排水路径过长，排水效果有待商榷。鉴于此，该文提出来一种新型路拱设置方式，即在道路纵坡>0.3%时，可在中央分隔带两侧各增设一条路拱线，横坡分别朝向中央分隔带和路面外侧，如图2所示：

（2）路肩宽度

合理的路肩宽度能供车辆紧急停车、避险，体现出了宽容性设计理念，相关研究表明：硬路肩宽度增加会提高行车安全性，但当硬路肩宽度超过某一临界值后，行车安全性基本不再变化。在道路线形设计时，应结合设计速度、道路功能等确定硬路肩宽度，具体要求如下：对于高速公路和一级公路（干线功能），硬路肩宜取3.0 m；对于一级公路（集散功能）和二级公路，硬路肩宜取1.5 m或0.75 m；对于三级公路和四级公路，可不设计硬路肩。

2 道路线形安全性评价

研究对象为某省内的国道项目，其路线全长32.5 km，设计标准为二级公路，设计速度为60 km/h，设计荷载为公路-Ⅱ级，横断面为双车道，宽8.5 m，设置2%的双向横坡，路面为沥青路面。该道路是省内交通网的重要规划之一，沿线存在多处自然保护区和村镇，建设用地紧张，征地拆迁困难，为打造示范性道路工程，在确定路线设计方案后，拟从线形指标和线形协调性两方面开展安全性评价。

2.1 线形设计指标评价

利用纬地道路软件V8.0导出了该道路的关键线形指标，并将其与规范值进行对比，见表5：

2.2 线形协调性评价

车辆在道路上的运行速度不一定等于设计速度，线形设计指标可能不适用，从而导致安全事故，根据《公路项目安全性评价规范》（JTG B05—2015），可将路线按纵坡、圆曲线半径划分为若干个评价单元（平直、平曲线、纵坡、弯坡组合等），并基于运行速度预测结果来评价路线安全性。当运行速度与设计速度差值绝对值|ΔV85|小于20 km/h，线形安全性好；反之，线形安全性不良，需继续优化线形指标或设置警示标志。

以该公路的弯坡组合路段为例，不同路段的运行速度见图3：

该公路在A～E路段的运行速度均大于设计速度，其与设计速度的差值分别为5 km/h、0 km/h、6 km/h、2 km/h、10 km/h，均小于20 km/h，说明线形安全性好。

3 结论

该文主要依据现行路线设计规范研究了道路线形指标的选用方法及安全性评价方法，研究成果表明：第一，道路平面线形中的直线长度和圆曲线不宜过大或过小，并需结合等级、功能等选择合理的超高旋转轴和加宽类别。第二，道路纵断面最小坡度不宜小于0.3%，最大纵坡宜结合车辆爬坡能力确定，且竖曲线半径不宜过小。第三，在公路路面较宽、且纵坡>0.3%时，可通过增设路拱线优化横坡，以提高道路排水效果。第四，道路线形安全性可基于线形指标和运行速度进行评价，并将运行速度与设计速度的差值控制在20 km/h内。

参考文献

[1]李刚，林海晶.高速公路路线设计指标及安全性评价分析[J].黑龙江交通科技，2022（5）：29-31.

[2]张烁，郎君，鞠永高.山区公路长隧道路段安全评价及线形优化研究[J].公路与汽运，2020（3）：42-45.

[3]梁士帅.基于运行速度与车路耦合的弯坡路段线形安全研究[D].重庆：重庆交通大学，2018.

[4]甘辛欣，王磊，王更，等.我国干线公路线形设计中的安全性评价研究[J].河南科技，2017（11）：135-137.

[5]刘岩，杨洋.基于道路三维线形指标的安全评价研究[J].现代交通技术，2014（2）：53-56+71.

收稿日期：2024-03-29

作者简介：刘勤勤（1990—），女，本科，工程师，从事道路设计工作。