公路几何线形安全性评价方法研究

摘要 为了提高公路路线设计水平，文章首先总结了平面线形要素和纵断面线形要素对行车安全的影响；随后以某国道一级公路为研究对象，按圆曲线半径、纵坡等线形参数将其划分为若干路段，评价了线形平纵指标的均衡性，并预测了运行速度，用运行速度预测值和设计速度的差值绝对值|Δv85|来评价线形的安全性，研究成果可供类似公路项目设计借鉴。

关键词 公路；路线设计；平纵指标；安全性评价；指标均衡

中图分类号 U412.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0034-03

0 引言

近年来，公路建设里程不断增加，对质量和安全的要求也更加严格。公路是一种三维线形构造物，如果路线设计不合理，在运营期间可能导致安全事故频发，带来不良的社会影响。良好的公路几何线形不仅要求平、纵线形的单个要素满足规范要求，还要求平纵组合指标均衡，以保证线形的连续和安全。同时，评价公路几何线形的安全性尚无统一理论，现行规范推荐运行速度法。因此，进一步探讨公路线形安全性评价要点十分必要。

1 公路线形要素对行车安全的影响

1.1 平面线形要素对行车安全的影响

直线和圆曲线是影响公路安全的重要平面線形，故针对直线长度、圆曲线半径、圆曲线转角来分析平面线形对行车安全的影响[1]。

（1）直线长度。直线线形具有布线简单、方向明确、距离短等优势，但直线过长或过短都不利于行车安全。直线过长使得线形过于单调，易引起司机疲劳、感知力下降，对交通标志的辨识能力下降。一旦遇到突发问题，司机来不及反应。同时，直线过长时，会让司机产生一种急于走出直线线形的心理，从而不自觉加速，易发生交通事故。

当两个同向圆曲线间的直线长度过短时，司机容易把两个曲线看作一个曲线；反之，容易把直线看作“断背曲线”。上述两种情况都会使司机对公路前方线形作出错误判断，从而采取错误的操作，给交通安全带来较大隐患。

（2）圆曲线转角。圆曲线转角是影响行车安全的重要因素，在路线线形设计时要尽量避免采用＜7 °的小转角。为了确定最优圆曲线转角，该文统计了某地区多条高速公路的事故率和转角角度，绘制了曲线图，如图1所示。

由图1统计结果可知：圆曲线转角与事故率之间基本呈抛物线函数关系，随着圆曲线转角的增加，公路上的安全事故率呈“先减小后增加”的趋势。当圆曲线转角在20 °左右时，行车安全性最好。此时，司机视野最好，无须转头或移动视线就可以很好地判别前方线形走向和路况。

（3）圆曲线半径。圆曲线半径直接影响车辆在弯道路段行驶时所受到的离心力，圆曲线半径越小，离心力越大。在离心力作用下，车辆会有倾覆、滑移的趋势，给司机心理带来紧张感，从而做出错误的操作。同时，圆曲线半径越大，行车安全性越好，但会使公路的征地拆迁规模变大。《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）中给出了圆曲线最小半径的计算方法，见式（1）：

（1）

式中，R——圆曲线半径（m）；V——设计速度（km/h）；μ——横向力系数；i——超高横坡（%）。

一般情况下，公路的设计速度是固定的，故圆曲线最小半径取决于横向力系数，μ值越大，车辆受到的离心力越大，行车安全性越差。在路线线形设计时，μ值宜取0.10～0.15。

1.2 纵断面线形要素对行车安全的影响

（1）纵坡坡度。公路纵坡坡度越大、坡长越长，安全事故发生的概率越高。在连续上坡路段，车辆需克服的各项阻力大，车辆爬升所需的牵引力大，必然使得车速下降。如果车辆性能不佳，过大的坡度会使发动机熄火，带来安全隐患；在连续下坡路段，车辆的重力势能会转换为动能。为了避免车辆因车速过快失控，需持续刹车。此时，坡长较长会使制动器发热，甚至失灵。尤其是在雨天或冰雪天气，路面摩擦系数较小，易超速行驶，不利于行车安全。因此，公路路线线形设计时要严格控制纵断面的最大纵坡。

该文统计了某地区多条高速公路的事故率和纵坡坡度，见表1[2]。

由表1可知：纵坡坡度越大，公路上的安全事故越多。当纵坡坡度超过4%时，事故率快速提高。为了保证行车安全，建议纵断面设计纵坡≤4.0%。

（2）竖曲线。大量工程经验表明，竖曲线对公路行车安全的影响体现在视距受限、离心力过大、排水不畅三个方面。

视距受限：对于半径过小的凸形竖曲线，顶部存在视线盲区，司机无法准确判断路线前方走向，一旦发生紧急情况，司机不能及时采取措施。而凹形竖曲线的视距一般能满足要求，但是隧道或桥梁设置在凹形竖曲线处，结构物会遮挡司机视线，使司机感到紧张[3]。

离心力过大：当竖曲线半径较小时，车辆行驶时会受到较大的竖向离心力，司机会有超重或失重的感觉，心理产生紧张感。同时，竖向离心力还会使车辆与路面间的摩擦系数减小，影响行车安全。

排水不畅：如果小半径竖曲线路段没有专门设置排水设施，路面可能大面积积水，车辆经过时易出现滑移、侧翻等事故。

2 公路路线线形设计指标评价

2.1 工程概况

（1）建设规模。研究对象为某国道一级公路，全长35.8 km，设计速度为80 km/h，汽车荷载等级为公路I级，标准横断面宽度为34.5 m，共设置了3处互通立交（1处枢纽互通、2处喇叭形互通），2座长隧道，22座桥梁，桥隧比约45.5%。

（2）建设条件。该高速公路沿线地貌以丘陵为主，地势东南高、西北低，沉积岩含量较多，地质活动较稳定，地下水类型较统一，水量少。同时，公路所在区域为季风湿润性气候，气候分明，最低气温、最高气温、降雨量等无极端情况，能很好地满足公路建设需求。

2.2 评价单元划分

在对公路路线安全评价前，需按圆曲线半径、纵坡等线形参数划分为若干路段，具体划分标准可参考《公路项目安全性评价规范》（JTG B05—2015），见表2。此外，隧道路段划分只考虑进隧洞前200 m和出隧洞后100 m。

基于上述标准，将该高速公路划分了18个路段，其中2个平曲线路段，1个平直路段，10个弯坡路段，3个纵坡路段，2个隧道路段。

2.3 路线线形指标评价

（1）平纵指标符合性。该高速公路路線的圆曲线最小半径为1 600 m，最小转角为10 °，直线最小长度为500 m，直线最大长度为1 800 m，最小坡长为500 m，最大纵坡为3%，凸形和凹形竖曲线最小半径分别为16 000 m、12 000 m，竖曲线最小长度为300 m，上述线形指标均满足《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）。

（2）平纵组合均衡性。公路路线线形设计时，不仅要确保平、纵指标分别满足规范，还要满足“平包竖”，保证平纵曲线半径的均衡性。当圆曲线半径取值较大时，竖曲线半径也不能太小，两者的均衡性指标可用竖曲线半径与圆曲线半径的比值A表示[4]。由相关研究成果可知：当圆曲线半径小于1 000 m时，均衡性指标宜取值10～20；反之，均衡性指标宜＞20。

以危险性最大的10个弯坡路段（编号为1号～10号路段）为例，统计了其圆曲线半径和竖曲线半径，并计算了均衡性指标A，计算结果如图2所示。

由图2可知：除8号路段外，其他路段的均衡性指标A均在10～20，路线平纵指标的均衡性满足要求。8号路段因地形限制，竖曲线半径较小，且不具备改善的可能性。此时，应组织专家对线形安全性进行论证，论证通过后才能用于指导公路施工。

3 基于运行速度的公路线形安全性评价

在公路工程运营期间，车辆运行速度与设计速度并不一定相同，有时会相差过大，这可能会导致路线线形平纵指标及其组合适用性差，不利于行车安全。因此，公路路线设计期间，要预测运行速度并评价不同路段的行车安全性。

3.1 运行速度预测

（1）平直路段运行速度。对于长度＞200 m的平直路段，其运行速度预测模型见式（2）。对于长度≤200 m的平直路段，可认为其起终点运行速度不变。

（2）

式中，vin、vout——起点速度和终点速度（km/h）；a——车辆加速度（m/s2）；s——平直路段长度（m）。

（2）平曲线路段运行速度。车辆运行速度在平曲线路段的入口、中部、出口处会有明显变化。一般情况下，车辆从平曲线的入口到中部处于减速状态，从曲线中部到出口处于加速状态，且前半段的加速度绝对值小于后半段。在路线设计时，要对平曲线路段的运行速度分段预测，见表3。

（3）纵坡路段运行速度。由牛顿第二定律可知，车辆在上坡路段运行速度下降，在下坡路段运行速度提高，可用式（3）进行预测：

vout=vin?Δv （3）

式中，Δv——运行速度调整值（km/h），取决于上下坡的坡长、坡度。

（4）弯坡组合路段运行速度。车辆在公路上运行时会同时受到平面线形、纵断面线形的影响，其运行速度可利用“叠加原理”来考虑，即取平曲线路段和纵坡路段的运行速度预测值的小值。

3.2 路线线形安全性评价

（1）评价标准。同一路段的路线线形安全性可用运行速度与设计速度的差值绝对值|Δv85|评价，当|Δv85|＜

10 km/h、10≤|Δv85|＜20、|Δv85|≥20时，路线线形安全性为好、较好、不良[5]。

（2）评价结果。基于上述方法，计算了该高速公路不同路段的|Δv85|，并分析了线形的安全性，见表4。

由表4可知：平曲线路段、平直路段、弯坡路段、纵坡路段的线形好的占比分别为80%、83.3%、70%、75%。同时，仅弯坡路段存在1处线形不良问题，需继续优化设计。

4 结语

该文主要分析了路线线形要素对行车安全的影响，并以某山区高速为研究对象，分析了其安全性评价方法，得到以下结论：

（1）公路路线设计时要考虑直线长度、圆曲线半径和转角、坡度、竖曲线等线形因素对行车安全的影响。

（2）公路线形评价前要先按圆曲线半径、纵坡等线形参数将其划分为平曲线路段、平直路段、弯坡路段、纵坡路段。

（3）公路线形安全评价分两个方面开展，一是要评价平、纵线形指标的大小和均衡性，二是要基于运行速度预测值和设计速度的差值绝对值|Δv85|来评价线形的安全性。

参考文献

[1]高巍. 高速公路路线比选方案安全性评价分析[J]. 西部交通科技， 2023（7）： 50-52+59.

[2]田冠楠， 朱真. 省道公路事故多发点安全性评价与整改措施探讨[J]. 交通科技与管理， 2023（14）： 189-191.

[3]杜锦涛. 基于公路线形三维空间几何特征的小客车运行速度预测方法研究[D]. 广州：华南理工大学， 2021.

[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]张耀允， 戴玮， 王诗青. GIS在公路几何线形评价中的应用探讨[J]. 工程与建设， 2016（1）： 19-21.

收稿日期：2023-11-20

作者简介：冯爱民（1970—），男，本科，高级工程师，从事路桥设计工作。