淺談視距加寬計(jì)算方法在高等級(jí)公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王 聰

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司四川分公司 成都市 610073)

《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》[1]JTG B05—2015(下稱(chēng)：公路評(píng)價(jià)規(guī)范)對(duì)運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性及視距評(píng)價(jià)采用v85，而《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]JTG D20—2017(下稱(chēng)：路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范)對(duì)視距計(jì)算采用的是路面行駛速度(潮濕路面)。路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范中采用的行駛速度的前提條件是在路面潮濕情況下車(chē)輛行車(chē)速度和輪胎摩擦系數(shù)取值進(jìn)行計(jì)算，該行駛速度大大低于公路設(shè)計(jì)速度。從公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)者角度出發(fā)、以小客車(chē)為主要車(chē)型的高等級(jí)公路為研究對(duì)象，介紹高等級(jí)公路視距加寬計(jì)算方法在高等級(jí)公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 停車(chē)視距

高等級(jí)公路主要針對(duì)高速公路、一級(jí)公路，平面視距一般根據(jù)《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]JTG D20—2017采用停車(chē)視距。停車(chē)視距由兩部分組成：駕駛者在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)行駛的距離；開(kāi)始制動(dòng)到剎車(chē)停止所行駛的距離，即為制動(dòng)距離。

式中：f1為縱向摩阻系數(shù)，依車(chē)速及路面狀況而定；v為路面潮濕狀態(tài)下的行駛速度。

在公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常根據(jù)圓曲線(xiàn)半徑、速度計(jì)算汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中所需要的橫凈距，對(duì)比公路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面中既有的橫凈距，如果理論計(jì)算的需求橫凈距大于既有的橫凈距，公路就需要改變橫斷面布局或者加寬路面，使調(diào)整后的既有橫凈距滿(mǎn)足理論計(jì)算需求。

隨著汽車(chē)安全性能的逐步提高，駕駛者信心上升，行車(chē)速度快，高等級(jí)公路潮濕路面或積水條件下車(chē)輛行駛速度大多數(shù)超越了路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范中代入計(jì)算采用的路面行駛速度(潮濕路面)，存在不安全隱患。在大量的公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)踐中如果按行駛速度(潮濕路面)代入公式計(jì)算停車(chē)視距偏不安全，將v85代入公式計(jì)算停車(chē)視距是否可行？這是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

2 速度建議值

在項(xiàng)目路線(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，高等級(jí)公路均會(huì)對(duì)路線(xiàn)進(jìn)行運(yùn)行速度模擬和計(jì)算，用于檢驗(yàn)路段行車(chē)速度與設(shè)計(jì)速度的符合性、相鄰路段速度協(xié)調(diào)性。從安全駕駛的角度考慮，計(jì)算停車(chē)視距應(yīng)考慮三個(gè)速度：行駛速度(潮濕路面)、設(shè)計(jì)速度、運(yùn)行速度v85。

按公路路線(xiàn)規(guī)范和公路評(píng)價(jià)規(guī)范要求，小客車(chē)v85與設(shè)計(jì)速度差值≤20km/h，相鄰路段速度差≤20km/h[1]；若不滿(mǎn)足，應(yīng)調(diào)整路線(xiàn)平縱設(shè)計(jì)，使其滿(mǎn)足運(yùn)行速度的要求。例如：某高速公路，設(shè)計(jì)速度100km/h(按路線(xiàn)規(guī)范7.9.1條文說(shuō)明：行駛速度85km/h計(jì)算，潮濕路面摩擦系數(shù)0.3)，停車(chē)視距為160m；若將設(shè)計(jì)速度100km/h代入計(jì)算，對(duì)應(yīng)的潮濕路面摩擦系數(shù)是0.29，停車(chē)視距為205.2m，比原規(guī)范值將增加45.2m。對(duì)于這種情況下，如果實(shí)際營(yíng)運(yùn)階段速度為100km/h，當(dāng)路面潮濕情況下，車(chē)輛運(yùn)行速度大于85km/h行駛，平面視距將得不到滿(mǎn)足。通常情況下，設(shè)計(jì)速度、運(yùn)行速度v85大于潮濕路面行駛速度規(guī)范值，從公路運(yùn)營(yíng)安全角度考慮，設(shè)計(jì)者應(yīng)采用設(shè)計(jì)速度或者運(yùn)行速度v85代入計(jì)算停車(chē)視距將更為安全。

在平原微丘區(qū)，高等級(jí)公路路線(xiàn)指標(biāo)相對(duì)較高，運(yùn)行速度v85大多數(shù)情況下大于設(shè)計(jì)速度，小客車(chē)運(yùn)行速度較高，超車(chē)頻繁；計(jì)算停車(chē)視距時(shí)，建議采用運(yùn)行速度v85代入計(jì)算。在山嶺重丘區(qū)，高等級(jí)公路路線(xiàn)指標(biāo)相對(duì)較低，橋隧比相對(duì)較高，曲線(xiàn)范圍內(nèi)平面視距加寬對(duì)橋梁、隧道設(shè)計(jì)、施工難度增加較多且條件困難段設(shè)計(jì)限速值較為嚴(yán)格，因此建議采用設(shè)計(jì)速度代入計(jì)算。

計(jì)算平面視距行駛速度推薦采用如下公式：

式中：v1為運(yùn)行速度v85；v2為設(shè)計(jì)速度。

(1)

3 停車(chē)視距縱坡修正

根據(jù)停車(chē)視距計(jì)算公式，參數(shù)中除了速度影響就是公路的縱坡。路線(xiàn)規(guī)范對(duì)停車(chē)視距考慮縱坡為0%。高等級(jí)公路設(shè)計(jì)速度60km/h、80km/h、100km/h、120km/h，其對(duì)應(yīng)的最大縱坡6%、5%、4%、3%。按最不利工況組合考慮，一級(jí)公路、設(shè)計(jì)速度60km/h(按路線(xiàn)規(guī)范7.9.1條文說(shuō)明：行駛速度54km/h計(jì)算，潮濕路面摩擦系數(shù)0.33)[2]，停車(chē)視距規(guī)范值為75m(計(jì)算值73.2m)；imax=6%下坡情況下若考慮縱坡的計(jì)算值應(yīng)為80m，較規(guī)范值增加5m。根據(jù)計(jì)算，縱坡對(duì)停車(chē)視距的影響相對(duì)較小，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中可以不考慮。如果考慮縱坡修正，理論計(jì)算公式如下所示。

(2)

4 橫凈距計(jì)算

以高等級(jí)公路路線(xiàn)線(xiàn)形為主要研究對(duì)象進(jìn)行研究。在確定了停車(chē)視距后，就可以根據(jù)公路線(xiàn)性的幾何關(guān)系，計(jì)算汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中所需要的橫凈距。由于高等級(jí)公路線(xiàn)形指標(biāo)高，圓曲線(xiàn)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般大于停車(chē)視距；而低等級(jí)公路公路線(xiàn)形指標(biāo)較低，圓曲線(xiàn)長(zhǎng)度相對(duì)較短，圓曲線(xiàn)長(zhǎng)度容易出現(xiàn)小于停車(chē)視距的情況。低等級(jí)道路線(xiàn)形變化情況更加多樣，但低等級(jí)公路上汽車(chē)行駛速度較低、汽車(chē)制動(dòng)距離短，對(duì)于視距問(wèn)題的解決方案與高等級(jí)公路解決方案有較大不同，低等級(jí)公路多采用路塹側(cè)挖方視距加寬和增設(shè)凸透鏡的方式解決視距不良問(wèn)題，較少采用加寬路面的解決措施；由于低等級(jí)公路沒(méi)有中央分隔帶，也沒(méi)有中央分隔帶縮窄的基礎(chǔ)條件。以下幾何關(guān)系適用于絕大多數(shù)高等級(jí)公路，對(duì)于圓曲線(xiàn)長(zhǎng)度小于停車(chē)視距的特殊情況需要單獨(dú)研究計(jì)算。

圖1 圓曲線(xiàn)橫凈距幾何關(guān)系

(3)

(4)

式(3)為三角函數(shù)按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式[3]，式(4)中Z為視點(diǎn)需求的橫凈距，S為修正后停車(chē)視距，見(jiàn)式(1)或者式(2)，R為圓曲線(xiàn)半徑。

5 橫凈距加寬值計(jì)算

根據(jù)式(4)得到未加寬前公路的計(jì)算橫凈距，對(duì)比公路未加寬前公路既有橫凈距，可以進(jìn)一步計(jì)算得到視距加寬值大小。

(1)公路內(nèi)側(cè)(中央分隔帶側(cè))路緣帶加寬值△b1(圖2)

內(nèi)側(cè)車(chē)道駕駛者行車(chē)時(shí)視點(diǎn)位置距離路緣帶的平面距離為1.5m，豎向距路面高度為1.2m。未加寬前公路既有橫凈距B=b+C+1.5，b為內(nèi)側(cè)路緣帶寬度,C建筑界限余寬，視點(diǎn)距內(nèi)側(cè)路緣帶邊緣1.5m。B≥Z，不加寬；B

圖2 中央分隔帶護(hù)欄視距加寬方式

根據(jù)規(guī)范對(duì)視距的定義，視點(diǎn)所看到的路面目標(biāo)物高度為0，而中央分隔帶的臺(tái)階高度一般在10～15cm，該臺(tái)階會(huì)遮擋遠(yuǎn)處很小的一部分，不能?chē)?yán)格意義上保證遠(yuǎn)方視線(xiàn)空間內(nèi)的部分路面不被臺(tái)階所遮擋。如果嚴(yán)格意義上進(jìn)行限制，建筑余寬C將不能計(jì)入既有橫凈距，未加寬前公路既有橫凈距應(yīng)修改為B=b+1.5，內(nèi)側(cè)路緣帶加寬值應(yīng)修改為△b1=Z-B-△b2。

由于高等級(jí)公路路線(xiàn)線(xiàn)形需要滿(mǎn)足視距要求，對(duì)圓曲線(xiàn)半徑的取值要求相對(duì)較大，既有橫凈距容易不滿(mǎn)足要求；而高速運(yùn)行的車(chē)流下主要避讓的是突發(fā)情況下的人或者車(chē)輛，而主要目標(biāo)障礙物體高度遠(yuǎn)大于中央分隔帶臺(tái)階高度，設(shè)計(jì)過(guò)程中建議可以根據(jù)實(shí)際情況論證是否將C值納入既有橫凈距。

(2)公路外側(cè)(路塹邊坡側(cè))既有橫凈距及加寬值△B′(圖3)

外側(cè)車(chē)道駕駛者行車(chē)時(shí)視點(diǎn)位置距硬路肩邊緣的平面距離為1.5m，豎向距路面頂面高度為1.2m。公路既有橫凈距B′=B1+B2+B3+B4+B5+B6(B1：視點(diǎn)平距1.5m；B2：硬路肩寬度；B3：土路肩寬度；B4:邊溝寬度；B5:碎落臺(tái)寬度；B6：邊坡寬度)。B′≥Z，不加寬；B′

圖3 路塹邊坡視距加寬方式

6 視距不足的加寬措施及相關(guān)建議

在高等級(jí)公路設(shè)計(jì)中，部分設(shè)計(jì)者忽略了中央分隔帶和路塹邊坡側(cè)橫凈距計(jì)算驗(yàn)證，橫凈距不足將直接導(dǎo)致平面視距不足而引發(fā)交通事故。部分設(shè)計(jì)者在雨水充沛地區(qū)進(jìn)行高速公路路塹邊坡設(shè)計(jì)中選用灌木進(jìn)行邊坡綠化，很多高速公路通車(chē)數(shù)年后，邊坡由于灌木生長(zhǎng)旺盛阻擋了視線(xiàn)，非常容易引發(fā)交通事故。從設(shè)計(jì)者角度建議在高等級(jí)公路設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)橫凈距計(jì)算驗(yàn)證，避免安全風(fēng)險(xiǎn)。視距不足的加寬具體措施如下：

(1)當(dāng)公路內(nèi)側(cè)(中央分隔帶側(cè))既有橫凈距不滿(mǎn)足視距計(jì)算要求時(shí)，可考慮縮小中央分隔帶寬度、增加內(nèi)側(cè)路緣帶寬度兩種方式完成視距加寬，保證內(nèi)側(cè)橫凈距，解決內(nèi)側(cè)視距不足問(wèn)題。

(2)當(dāng)公路外側(cè)(路塹邊坡側(cè))既有橫凈距不滿(mǎn)足視距計(jì)算要求時(shí)，可考慮通過(guò)增加外側(cè)車(chē)道路面寬度、增加碎落臺(tái)寬度、視點(diǎn)安全高度處(巖質(zhì)邊坡1.1m、土質(zhì)邊坡0.9m)設(shè)置視距平臺(tái)三種方式完成外側(cè)視距加寬，保證外側(cè)橫凈距，解決外側(cè)視距不足問(wèn)題。