單側(cè)加寬舊路側(cè)通行路段設(shè)計(jì)研究

谷秀麗

（張家口翰得交通公路勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河北 張家口 075000）

1 引言

隨著不斷增加的高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，在工程中各種橫斷面擴(kuò)寬方案得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。具體有如下4種類型：兩側(cè)和單側(cè)加寬、兩側(cè)和單側(cè)分離。因平原微丘區(qū)域地勢(shì)平坦，相對(duì)高差較小，基本上地形條件對(duì)高速公路的改擴(kuò)建施工所產(chǎn)生的影響較小，施工時(shí)多采用兩側(cè)加寬的方法；因山嶺重丘區(qū)地形復(fù)雜，且相對(duì)高差較大，有著較為脆弱的生態(tài)條件，因此，若加寬雙側(cè)則需要較大的填挖量，對(duì)生態(tài)環(huán)境有一定的破壞，因此，在該種地質(zhì)環(huán)境下多使用單側(cè)加寬/分離的方式進(jìn)行施工。因單側(cè)加寬的方案有較高的構(gòu)造物利用率，不僅可以起到節(jié)約資源的作用，還能使工程造價(jià)有所降低，即可有效確保施工時(shí)交通的通暢性，還能繞過(guò)路側(cè)構(gòu)造物，因此，在改擴(kuò)建施工中，單側(cè)加寬已逐漸成為重要類型。

2 舊路加寬行車安全性

將半幅路基拼接到高速公路左側(cè)或右側(cè)區(qū)域，給車輛提供一個(gè)方向的行車道，舊路作為另一方向行車道的方案即為單側(cè)加寬方案。當(dāng)前多使用從中央傾斜到兩側(cè)的形式作為高速公路一般路段的路拱橫坡，且在兩幅老路中間設(shè)置中央分隔帶，將原有高速公路的雙向車道改建成單向車道后，為使交通運(yùn)作正常，需改造其路拱橫坡度和中央分隔帶。

當(dāng)擴(kuò)建一側(cè)的土地資源較為充足，則可以將舊路的中央分隔帶保存下來(lái)，并將中央分隔帶的開(kāi)口設(shè)置到互通出入口附近，以便于內(nèi)側(cè)車輛駛?cè)牖蝰偝龌ネ?。若新建路基?cè)土體較為缺乏，需將中央分隔帶拆除，并連接好兩幅舊路后再對(duì)車道進(jìn)行劃分。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)關(guān)于中央分隔帶開(kāi)口條件的研究多局限在轉(zhuǎn)彎掉頭位置，而關(guān)于互通出入口的研究則較少[1]。此外，關(guān)于單向雙路拱路面缺乏詳細(xì)規(guī)范。

因?yàn)樾旭傇趩蜗螂p路拱路段的車輛在對(duì)路拱線進(jìn)行跨越時(shí)的安全性還需進(jìn)行論證，一般情況下都是將厚度一定的路面結(jié)構(gòu)層加鋪到既有道路的雙向路拱橫坡路面上，以將其改造成單向橫坡。而在改造后的單向橫坡中，跨越路拱線超車或變道的行為將存在一些安全問(wèn)題。

高速公路改擴(kuò)建在將同向車道中央分隔帶保留下來(lái)時(shí)，可以有效分隔開(kāi)有較高行駛速度和較低行駛速度的車輛，降低高速行駛車輛受低速車輛的影響，使道路服務(wù)能力和通行性能有所提高，并縮小工程規(guī)模，使工程造價(jià)有所降低。且不需要將中央分隔帶中的管線向外側(cè)偏移，施工時(shí)僅有較小的交通流影響，分隔帶中的植物可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行美化，使駕駛疲勞有所緩解。因此，若新建路基側(cè)土地資源較為充足，從考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性的角度出發(fā)，采用保留中央分隔帶的施工方式最為合理。

在設(shè)計(jì)單側(cè)加寬舊路側(cè)時(shí)，單向雙路拱路面行車安全性是其重點(diǎn)所在。

3 車輛轉(zhuǎn)彎半徑

當(dāng)前，關(guān)于車輛換道模型已有較多研究[2-3]，本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，提出基于圓形運(yùn)行軌跡的換道模型，具體如圖1所示。該模型以連續(xù)反向的圓曲線相連的形式簡(jiǎn)化了車輛換道行駛過(guò)程。假設(shè)車輛換道時(shí)改變了前進(jìn)方向，但保持速度不變，行駛車道的中心線位置為換道的起點(diǎn)，目標(biāo)車道的中心線位置為換道的終點(diǎn)，車輛換道前后均以道路前進(jìn)方向作為行駛方向，方向盤在換道時(shí)所發(fā)生的改變?yōu)樗矔r(shí)性的，車輛從現(xiàn)有車道到分界線的行駛過(guò)程表現(xiàn)為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，而從分界線行駛到目標(biāo)車道時(shí)主要表現(xiàn)為反向勻速圓周運(yùn)動(dòng)。本文在該模型基礎(chǔ)上對(duì)單向雙路拱路面行駛的車輛在實(shí)現(xiàn)跨越路拱線時(shí)，運(yùn)行速度和換道時(shí)間均不同條件下的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果如表1所示。

圖1 圓形運(yùn)行軌跡換道模型

從表1可知，在單向雙路拱路面上行駛的車輛要想實(shí)現(xiàn)車道的變換，若車輛有3 s以上的換道時(shí)間，相比于圓曲線極限最小半徑，車輛有著更大的轉(zhuǎn)彎半徑，即不會(huì)因過(guò)于急促的轉(zhuǎn)彎而導(dǎo)致車輛產(chǎn)生傾覆。若車輛有3 s以下的換道時(shí)間，則換道時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑小于極限半徑，即換道轉(zhuǎn)彎有一定的危險(xiǎn)性。

表1 車輛行駛軌跡半徑/長(zhǎng)度m

4 行駛軌跡長(zhǎng)度

車輛在單向雙路拱路面行駛時(shí)，若想完成換道，必須要跨越路拱線，此時(shí)車輛在水平投影上表現(xiàn)為一曲線，在垂直投影上表現(xiàn)為一雙向路拱橫坡。在變道時(shí)，車輛縱向坡度的漸變率對(duì)車輛的行駛安全性有直接影響[4]。在換道的整個(gè)過(guò)程中，漸變的縱向坡度和超高漸變類似，考慮到安全性，將最大縱坡漸變率確定為最大超高漸變率，車輛換道軌跡的最小長(zhǎng)度如表2所示。

表2 車輛換道行駛軌跡最小需求長(zhǎng)度m

從表2可知，換道時(shí)車輛的行駛軌跡長(zhǎng)度可以有效符合縱向坡度漸變的要求。

5 車輛穩(wěn)定性分析

5.1 車輛受力分析

從車輛變道時(shí)的軌跡變化情況可以看出，車輛在此過(guò)程的受力情況與超高過(guò)渡段的受力情況進(jìn)行一致，因此，采用超高過(guò)渡段理論模擬該種情況。當(dāng)車輛在單幅雙路拱路面上進(jìn)行路拱線跨越以完成換道時(shí)，不管是換道到哪側(cè)，車輛始終受到反超高的作用。此時(shí)，離心力和重力均指向離心方向，不利于行駛的安全性。而輪胎和路面間出現(xiàn)的橫向摩阻力則朝向向心方向，可以使重力和離心力的水平分力作用得到有效抵消，若車輛承受的重力和離心力水平分力之和在橫向摩阻力之上時(shí)，車輛便會(huì)有失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)。

車輛在換道時(shí)的豎向力對(duì)車身有穩(wěn)定作用，而橫向力對(duì)車身穩(wěn)定則較為不利。車輛在反超高路段行駛時(shí)，橫向力逐漸增大，豎向力逐漸減小，不利于行車穩(wěn)定。基于新建道路路線設(shè)計(jì)規(guī)范，在行車穩(wěn)定性中以橫向力系數(shù)作為評(píng)判指標(biāo)。

5.2 橫向力系數(shù)分析

作為車輛換道時(shí)的不穩(wěn)定影響，車輛在橫向力系數(shù)過(guò)大的情況下容易有滑移等現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于安全。為提高安全性，必須確保以下臨界條件得到滿足：一是橫向力系數(shù)必須小于橫向摩阻系數(shù)；二是車輛傾覆力矩必須小于穩(wěn)定力矩。

為確保行駛車輛的安全和穩(wěn)定，一般情況下，車輛有著較低的底盤和重心，且汽車的輪距約等于2倍的汽車重心高度，則橫向力系數(shù)應(yīng)該小于1，以避免車輛傾覆。而橫向摩阻系數(shù)往往小于0.5，則車輛不滑移的條件為橫向力系數(shù)比0.5小，因此，針對(duì)變道車輛，只要不會(huì)有橫向滑移產(chǎn)生，就不會(huì)有橫向傾覆出現(xiàn)。

從現(xiàn)有研究可以知道，對(duì)駕駛員舒適度有最大影響的指標(biāo)是橫向力系數(shù)。當(dāng)橫向力系數(shù)在0.10以下時(shí)，駕駛員不會(huì)察覺(jué)到有曲線存在，有著較為平穩(wěn)的行車；當(dāng)橫向力系數(shù)等于0.15時(shí)，駕駛員可察覺(jué)到曲線，但行車平穩(wěn)；在0.20～0.35的橫向力系數(shù)下，駕駛員可察覺(jué)曲線，且行車有不平穩(wěn)現(xiàn)象；在0.40的橫向力系數(shù)下，有較差的轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性且還可能出現(xiàn)傾覆。

當(dāng)車輛在單幅雙拱路面上想實(shí)現(xiàn)對(duì)路拱線的跨越以完成換道時(shí)，在3 s以下的換道時(shí)間內(nèi)有較大的橫向力系數(shù)，車輛行駛時(shí)穩(wěn)定性較差且可能會(huì)出現(xiàn)傾覆；在3 s的換道時(shí)間下有約等于0.20的橫向力系數(shù)，駕駛員在換道時(shí)可以有效感覺(jué)曲線的存在且略微有不平衡感；在3 s以上的換道時(shí)間下，駕駛員可有效跨越路拱線并成功實(shí)現(xiàn)換道。

此外，橫向力系數(shù)和摩阻系數(shù)是判斷行車穩(wěn)定的重要條件。車輛行駛速度以及路面材料等均會(huì)對(duì)橫向摩阻系數(shù)造成影響。一般情況下，以0.4～0.8作為干燥路面的橫向摩阻系數(shù)的取值范圍；以0.25～0.40作為潮濕瀝青路面上車輛較高行駛速度時(shí)的橫向摩阻系數(shù)取值范圍；以小于0.2作為結(jié)冰或積雪路面的橫向摩阻力系數(shù)取值。相關(guān)研究結(jié)果表明，在單幅雙拱路面的路拱線處有“路脊”存在，對(duì)排水較為有利，與路拱線接近的車道不會(huì)容易出現(xiàn)積水，路面在下雨天時(shí)的橫向摩阻系數(shù)要比3 s換道時(shí)間下計(jì)算得到的路面橫向力系數(shù)要大，即單幅雙路拱位置的車輛在降雨天氣做出跨越路拱以實(shí)現(xiàn)換道時(shí)不會(huì)輕易有滑移出現(xiàn)。

從現(xiàn)有研究可知，車輛約有1 m/s的橫向移動(dòng)速度。但國(guó)內(nèi)高速公路行車寬度一般為3.75 m，即要完成換道的時(shí)間一般為3.75 s。因此，車輛在單向雙路拱路面的實(shí)現(xiàn)換道時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足安全性的要求。采用單側(cè)加寬改擴(kuò)建時(shí)，對(duì)于行車安全性而言，連接既有高速公路中央分隔帶之后出現(xiàn)的單向雙路拱路面僅有較小影響，若新建路側(cè)沒(méi)有足夠的土地資源，可將中央分隔帶拆除后連接兩幅老路，對(duì)車道進(jìn)行重新規(guī)劃以給車輛行駛提供一個(gè)方向的行車道。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)單側(cè)加寬舊路側(cè)的通行問(wèn)題進(jìn)行研究，確定單向雙路拱路面的行車安全是其主要問(wèn)題。建立車輛的換道模型和受力模型，對(duì)單向雙路拱路面的行車安全進(jìn)行分析，從理論上對(duì)單幅雙路拱的行車安全進(jìn)行證明。