提高高速公路限制速度方案研究

田華，馮堅，沈光輝

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530000)

1 工程概況

目前高速公路普遍基于設計速度確定技術指標和最高限制速度。但基于設計速度方法控制的是設計指標的最低值，大部分路段的平縱橫指標均高于最低值，設計速度作為最高限制速度不能充分發(fā)揮高速公路的運輸效率。駕駛員期望速度與限制速度差別較大時，容易造成交通事故。交通強國建設背景下，人民群眾對提高高速公路限制速度的要求強烈。但如果不考慮公路基礎條件，盲目提高限制速度又降低了安全性。如何確定關鍵指標和相關工程措施，以確保滿足安全前提下提高公路限制速度，是目前急需解決的難題。

目前中國對提高限制速度的關鍵控制性指標認識不一。有些高速公路甚至盲目地直接確定隧道路段不提速外，其余路段全部提速，給項目后期運營安全帶來了極大隱患。該文以某高速公路為實例，對各種論證指標進行計算分析，進而確定不能提速或者采取相應措施后可以提速，確保提高限制速度后的行車安全。

某高速公路設計速度100 km/h，路基寬26 m，雙向四車道。路線全長63.6 km，設置3處落地互通、1處樞紐互通，服務區(qū)、停車區(qū)各1處，特長隧道3座，長隧道1座，中隧道5座，如圖1所示。

圖1 路段概況圖

對于高速公路，一般以原設計速度提高一個等級作為核查標準。初步擬定核查基本限速值為120 km/h，按該速度對全線的平縱面、橫向力系數(shù)、停車視距、互通服務區(qū)、路側安全凈區(qū)等指標進行論證計算分析。根據(jù)《道路交通安全法實施條例》第七十八條規(guī)定“高速公路上行駛的小型載客汽車最高速度不得超過120 km/h，其他機動車不得超過100 km/h”，即大型車最高行駛速度不得超過100 km/h。由于項目設計速度為100 km/h，已滿足大型車按最高100 km/h行駛的技術要求，故不再對大型車進行提高限制速度論證。只對小客車按初定核查基本限速值120 km/h進行論證分析。

2 主線平縱面、橫向力系數(shù)指標

2.1 圓曲線指標

圓曲線最小半徑是以汽車在曲線上安全順適行駛為條件確定。汽車行駛速度提高后，其圓曲線半徑大于規(guī)范對應速度的最小值即可保證汽車行駛安全舒適性。項目圓曲線半徑最小值為R=1 120 m，大于120 km/h時圓曲線最小半徑一般值1 000 m[1-2]。圓曲線指標滿足小客車120 km/h的運行要求。

2.2 縱坡及坡長指標

項目最大縱坡3%，縱坡坡度均滿足核查基本限速值120 km/h時最大縱坡3%的要求。K29+605～K30+605、K40+740～K41+740路段縱坡3%，坡長1 000 m，超過規(guī)范[1-2]120 km/h的最大坡長900 m的要求。根據(jù)研究[1,3-4]，規(guī)范值是根據(jù)兩軸載重貨車的行駛性能為基礎提出的最大坡度、最大坡長限制值。小客車由于加速和制動性能均優(yōu)于兩軸載重貨車，在小于等于3%的坡度上行駛特性與平直路段上行駛特性類似，在超過800 m長度后其速度基本穩(wěn)定在100 km/h附近。坡度小于3%時，規(guī)范[1-2]限制的最大坡長對小客車不適用。項目3%的縱坡坡長超過僅100 m，對小客車提速至120 km/h行駛無影響。

2.3 豎曲線半徑及長度指標

豎曲線是為了緩和車輛動能變化而產(chǎn)生的沖擊和保證視距。汽車行駛速度提高后，其豎曲線半徑和長度大于規(guī)范[1-2]對應速度的最小值即可保證汽車安全行駛。項目最小凸形豎曲線半徑為16 000 m(變坡點K35+535，豎曲線長度448 m)；最小凹形豎曲線半徑為16 500 m(變坡點K49+155，豎曲線長度396 m)；豎曲線長度最短為348 m(變坡點K45+410)。豎曲線半徑、長度大于規(guī)范中基本限速值120 km/h的最小值，滿足小客車運行要求。

2.4 橫向力系數(shù)指標

車輛行駛時產(chǎn)生的離心力不能超過輪胎與路面的側向摩阻力。行駛速度提高時其離心力隨之提高，可能會造成車輛橫向滑移，影響行車安全，橫向力系數(shù)(車輛受到的橫向力與法向力之比)不能過大。綜合車輛行駛舒適性和安全性，橫向力系數(shù)μ應不大于0.15[5]。橫向力系數(shù)的計算按式(1)：

(1)

式中：μ為橫向力系數(shù)；v為核查基本限速值(km/h)，取120 km/h；R為圓曲線半徑(m)；i為超高橫坡度(%)，正超高時，取“-”，反超高時，取“+”。經(jīng)計算，當R=1 120 m(超高4%)時，橫向力系數(shù)最大，為0.061。該項目橫向力系數(shù)μ均小于0.15，滿足小客車120 km/h運行要求。

項目平縱面、橫向力系數(shù)指標中，僅縱坡坡長超過規(guī)范[1-2]要求，而研究[1,3-4]論證表明3%以下坡度和坡長指標對小客車運行影響不大，可以滿足小客車提速至120 km/h運行要求。如果坡度大于3%且坡長超過規(guī)范[1-2]時，則應根據(jù)小汽車或載重汽車上坡、下坡運行速度計算分析，其運行速度應與核查基本速度之差小于20 km/h，方能滿足提速要求。

3 停車視距指標

建筑限界規(guī)定[1-2,6]，高速公路橋梁、短隧道與路基同寬，中、長、特長隧道斷面與路基不同。該項目無短隧道，分路基、橋梁段和隧道段兩種不同斷面寬度進行小客車120 km/h時停車視距指標論證。小客車速度120 km/h時，停車視距為210 m,駕駛員視點高度取高出路面1.2 m，目標物體(障礙物)取高出路面0.1 m[1-2]。

3.1 路基、橋梁段停車視距核算

整體式路基寬26 m，分離式路基各寬13 m，斷面形式如圖2、3所示。分為車輛左轉和右轉分別進行停車視距核算。

圖2 整體式路基標準橫斷面圖(26 m)(單位：cm)

圖3 分離式路基標準橫斷面圖(13 m)(單位：cm)

3.1.1 路基、橋梁段車輛左轉停車視距核算

車輛左轉時，阻擋視點與目標之間視線的物體為路基中央分隔帶護欄或橋梁內(nèi)側護欄[7-9]，見圖4。根據(jù)規(guī)范[1-2]，取駕駛員視點、目標(障礙物)位置均位于靠近中央分隔帶一側行車道中心線上。行車道中心線(視點和目標)至遮擋物(護欄)的距離，即整體式路基現(xiàn)有橫凈距=行車道寬度/2+路緣帶+路側凈距=3.75/2+0.75+0.25=2.875 m，分離式路基現(xiàn)有橫凈距=行車道寬度/2+左側硬路肩=3.75/2+1=2.875 m，二者現(xiàn)有橫凈距相同，均為2.875 m。

圖4 路基、橋梁段左轉停車視距核算示意圖(單位：m)

計算可得，當路線設計中線半徑小于1 920 m時，小客車120 km/h左轉計算需求橫凈距大于2.875 m，視線被護欄遮擋，核算結果見表1。起點—終點方向，路基、橋梁段小客車左轉停車視距不滿足路段總長6 916 m,占總長45 819 m(扣除隧道里程)的15.09%。終點—起點方向，路基、橋梁段小客車左轉停車視距不滿足路段總長7 046 m,占總長45 631 m(扣除隧道里程)的15.44%。

表1 小客車左轉停車視距不滿足路段

3.1.2 路基、橋梁段車輛右轉停車視距核算

車輛右轉時，阻擋視點與目標之間視線的物體為填方路基或橋梁外側護欄，如圖5所示[7-9]。根據(jù)規(guī)范[1-2]，取駕駛員視點、目標(障礙物)位置均位于靠近右側硬路肩行車道的中心線上。行車道中心線(視點和目標)至遮擋物(護欄)的距離，即整體式路基和分離式路基現(xiàn)有橫凈距相同，均為：行車道寬度/2+硬路肩=3.75/2+3=4.875 m。

圖5 路基、橋梁段右轉停車視距核算示意圖(單位：m)

計算可得，當路線設計中線半徑小于1 135 m時，小客車120 km/h右轉計算需求橫凈距大于現(xiàn)有橫凈距4.875 m，視線會被護欄遮擋，核算結果見表2。起點—終點方向，小客車右轉視距不滿足路段總長445 m，占總長45 819 m(扣除隧道里程)的0.97%。終點—起點方向，小客車右轉視距不滿足路段總長1 803 m,占總長45 819 m(扣除隧道里程)的3.95%。

表2 小客車右轉停車視距不滿足路段

3.2 隧道段停車視距核算

項目無短隧道，中、長、特長隧道的建筑限界圖如圖6所示[2,6]。隧道單洞雙車道行車道寬度7.5 m，左側側向寬度L左=0.75 m，右側側向寬度L右=1.0 m。

圖6 隧道建筑限界圖(單位：cm)

檢修道寬度J=0.75 m，檢修道高度d=0.35 m。分為車輛左轉和右轉分別進行停車視距核算。

3.2.1 隧道段車輛左轉停車視距核算

汽車左轉時，阻擋視線的物體為檢修道或墻體，如圖7所示。但由于檢修道高度僅為0.35 m，由圖7可見：在一定范圍內(nèi)，視點到目標之間的視線仍然會高于檢修道高度，即只有墻體會造成遮擋。取駕駛員視點、目標(障礙物)位置均位于靠近左側硬路肩一側行車道中心線上，行車道中心線(視點和目標)至遮擋物(護欄)的距離，即現(xiàn)有橫凈距為3.75/2+0.75+0.75=3.375 m。

計算可得，當隧道路段設計中線半徑小于1 629 m時，小客車120 km/h時左轉停車視距計算需求橫凈距大于3.375 m，視線會被墻壁遮擋。核算結果如表3所示。隧道路段，小客車左轉時，起點—終點方向不滿足視距路段總長810 m,占總隧道里程長度(17 797 m)的4.6%；終點—起點方向不滿足視距路段總長1 250 m，占總隧道里程長度(17 721 m)的7.1%。

表3 小客車隧道內(nèi)左轉停車視距不滿足路段

3.2.2 隧道段車輛右轉停車視距核算

汽車右轉時，阻擋視線的物體為檢修道或墻體，如圖8所示。但由于檢修道高度僅為0.35 m，由圖8可見：在一定范圍內(nèi)，視點到目標之間的視線仍然會高于檢修道高度，即只有墻體會造成遮擋。取駕駛員視點、目標(障礙物)位置均位于靠近右側硬路肩行車道中心線上，現(xiàn)有橫凈距為行車道中心線(視線)至遮擋物(檢修道)的距離為3.75/2+1+0.75=3.625 m。計算可得，當隧道路段設計中線半徑小于1 527 m時，小客車120 km/h時計算需求橫凈距大于3.625 m，視線會被墻壁遮擋。全線隧道路段半徑均大于1 527 m，隧道路段小客車120 km/h時右轉停車視距均滿足要求。

圖8 隧道段右轉停車視距核算示意圖(單位：m)

小客車速度100 km/h時，小客車停車視距[1-2]為160 m,原道路斷面無需加寬，現(xiàn)有橫凈距均可滿足停車視距要求。小客車120 km/h左轉時，停車視距[1-2]為210 m,路基、橋梁段左轉停車視距范圍內(nèi)視線被中央分隔帶護欄遮擋，計算與現(xiàn)有橫凈距差值從0.457 m至2.027 m；隧道段左轉停車視距范圍內(nèi)視線被墻壁遮擋，計算與現(xiàn)有橫凈距差值為0.061 m。受既有斷面限制，中央分隔帶或隧道斷面無法進行加寬，因此對于左轉停車視距不滿足路段維持小客車原有100 km/h的限制速度；小客車120 km/h右轉時，隧道段右轉停車視距均滿足。挖方段路基由于設置有蓋板邊溝和碎落臺，現(xiàn)有橫凈距為8.125 m,該范圍內(nèi)不存在遮擋視線構造物，無需改造可以滿足小客車120 km/h右轉需求。填方路基、橋梁段有少部分段落右轉停車視距不滿足，計算與現(xiàn)有橫凈距差值0.08 m。由于差值較小，ZK42+491～ZK42+990、 K62+360～K63+196段可以采用將土路肩加寬0.08 m后護欄后移的方式滿足小客車120 km/h右轉需求。

4 互通服務區(qū)路段指標

相關研究[10-14]表明：車輛從主線流出至匝道路段，車輛速度和方向變化較為頻繁，流出匝道段高速公路事故率較高。小客車120 km/h運行需對互通服務區(qū)主線和流出匝道路段指標分別進行核算。

4.1 互通服務區(qū)內(nèi)主線平縱指標核算

互通范圍內(nèi)車輛運行條件復雜且變化頻繁，駕駛員需要比正常路段更好的視線條件為車輛操作提供空間。互通服務區(qū)范圍內(nèi)主線采用比停車視距更長的識別視距來核查平縱指標，主要核查圓曲線半徑、縱坡、豎曲線半徑指標，如表4所示。互通范圍內(nèi)主線圓曲線最小半徑主要是控制圓曲線外側變速車道連接部的橫坡差，最大縱坡主要是為流出車輛提供平穩(wěn)減速運行條件，豎曲線最小半徑是為了保證識別視距的需求[15-17]。

表4 基于識別視距的互通服務區(qū)范圍內(nèi)主線指標要求

經(jīng)核算，如表5所示，十萬山服務區(qū)、大菉停車區(qū)、華石互通主線圓曲線半徑、縱坡、豎曲線半徑均可以滿足120 km/h車輛行駛要求。其余互通段落由于主線圓曲線半徑小，彎道外側變速車道連接部橫坡差過大易導致安全事故，不能滿足120 km/h車輛行駛需求。

表5 互通服務區(qū)內(nèi)平縱值

4.2 互通服務區(qū)內(nèi)流出匝道平縱指標核算

速度提高后，重點需要核算從主線高速過渡到匝道低速時流出匝道平縱面能否滿足車輛運行狀態(tài)。車輛從主線分流出至匝道，共經(jīng)歷漸變段用發(fā)動機制動減速、減速段用制動器減速和運行速度過渡段再次用制動器減速3個過程[15-17]。在漸變段時車輛從主線逐漸向外駛離，一般長度按變速車道(含路緣帶)寬度除以漸變率計算，速度100 km/h(漸變率0.04)和120 km/h漸變率(漸變率0.044)差別不大，對車輛行駛影響不大。

減速段為漸變段終點至分流鼻端的路段，計算如式(2)：

(2)

式中：L為減速段長度；v0為減速段初始速度(km/h)；v1為鼻端通過速度(km/h)；α為減速度(m/s2)。

為保證安全，當車輛制動減速到鼻端時，匝道曲率半徑和回旋曲線參數(shù)應大于v1的對應值。以單車道為例，計算結果如表6所示。當車輛速度提高至120 km/h時，在減速段長度不改變情況下，其分流鼻端曲率半徑R應大于358 m，回旋線參數(shù)A應大于95 m。豎曲線半徑則根據(jù)滿足鼻端速度的停車視距計算而得，凸形豎曲線半徑最小值為2 200 m，凹形豎曲線半徑最小值為2 100 m。

表6 互通服務區(qū)內(nèi)分流鼻端匝道平縱計算值

經(jīng)核算，各互通、服務區(qū)匝道分流鼻端匝道曲率半徑、回旋線參數(shù)、縱斷面豎曲線半徑均能滿足小客車120 km/h時車輛運行要求。

根據(jù)主線和流出匝道平縱指標核算，十萬山服務區(qū)、大菉停車區(qū)、華石互通主線和匝道均可以滿足基本限速值120 km/h時車輛運行要求。

5 路側安全凈區(qū)指標

基于行車路側寬容設計理念，為絕大多數(shù)因駕駛員過錯駛出路外的車輛重返道路提供容錯空間，路側需要保持一定的安全凈區(qū)寬度。中央分隔帶距離行車道較近，安全凈區(qū)寬度有限，只能設置護欄保證安全。路基右側現(xiàn)有凈區(qū)寬度是從最外側行車道邊緣線向外側延伸至無障礙平緩區(qū)域，包括了硬路肩、土路肩和可利用的邊坡[5-6]。如果現(xiàn)有凈區(qū)寬度不能滿足計算值，則需要增設護欄進行安全處理。該項目預測年限達到單向年平均日交通量15 630 pcu/d，圓曲線最小半徑為1 120 m。根據(jù)規(guī)范[5-6]計算，結果如表7所示。在圓曲線半徑大于1 100 m時，速度120、100 km/h路側計算安全凈區(qū)寬度相同。

表7 路基右側計算安全凈區(qū)寬度

整體式路基中央分隔帶寬度為2 m，根據(jù)要求[5-6]均設置了中央分隔帶護欄。分離式路基之間局部路段寬度大于12 m，均位于隧道進出口路段，為保證安全設置了左側護欄，行駛速度100 km/h和120 km/h均滿足安全要求；受基本農(nóng)田保護政策和總用地控制，公路右側土路肩外填方路段一般坡度最緩為1∶1.5,均陡于車輛可行駛返回的坡度1∶4,邊坡上不能行車，不能作為有效寬度[5-6]。公路右側填方路段的現(xiàn)有凈區(qū)寬度為硬路肩3 m+土路肩0.75 m=3.75 m，滿足不了最小9 m的路側計算凈區(qū)寬度，為保證安全均設置了右側護欄，滿足100 km/h和120 km/h行駛要求；對于挖方路段，一般路段的現(xiàn)有凈區(qū)寬度為硬路肩3 m+土路肩0.75 m+蓋板邊溝寬度0.6 m+碎落臺寬度1.9 m=6.25 m，挖方路段均設置了蓋板邊溝可以滿足行駛速度100 km/h和120 km/h的路側安全凈區(qū)寬度要求。

6 限速方案調整配套措施

100 km/h設計速度的高速公路提速至120 km/h時，尚需要對提速路段的相關附屬設施進行調整；對于核查小客車右側停車視距不滿足的填方路段，由于計算需求，橫凈距與實際橫凈距差值較少，ZK42+491～ZK42+990、 K62+360～K63+196段采用將土路肩加寬護欄后移0.08 m的方式滿足小客車120 km/h右轉需求。對于互通服務區(qū)，雖然主線和匝道指標可以滿足計算值要求，但容錯率降低，增設縱向減速標線、視線誘導標等標志標牌降低安全風險。隧道洞口路段增加設置橫向振動減速標線以及彩色防滑鋪裝；設計速度100、120 km/h時，交通標志的字高、反光等級、護欄等級標準一致，對涉及時速的相關標志牌、標線文字內(nèi)容進行更換后可以滿足120 km/h行駛要求。按120 km/h的“建議車速”設置建議車速交通標志，待3年驗收期后再根據(jù)實際運行車速和事故率確定是否更改為禁令限速標志。

7 總體限速方案

經(jīng)過對平縱面、橫向力系數(shù)、停車視距、互通服務區(qū)、路側安全凈區(qū)等指標進行核算，對有條件提速到核查基本限速值120 km/h的路段進行了論證。特長隧道、隧道群等段落因受通風、照明等技術指標、運行特征等條件的制約，無法通過標志、標線等交安工程的調整改造徹底消除安全風險，仍然保留為原設計100 km/h的限速路段。結合最小限速區(qū)間不得小于5 km，最終確定限速方案中一般路段，采用分車型限速，小客車限速120 km/h，大型車100 km/h；特殊路段所有車型限速100 km/h。最終方案如表8所示。

表8 限速路段設置

8 結論

(1) 高速公路平縱面、橫向力系數(shù)、停車視距、互通服務區(qū)、路側安全凈區(qū)等指標為提高限制速度的控制性指標，經(jīng)計算分析滿足或者經(jīng)改善道路基礎條件后滿足車輛提速后行駛條件方能提高限制速度。

(2) 圓曲線半徑、豎曲線半徑和長度應大于提高限制速度后規(guī)范對應的最小值，才能保證汽車行駛安全舒適性；縱斷面坡度和坡長指標應根據(jù)汽車上坡、下坡運行速度進行計算，汽車運行速度變化不超過20 km/h，才能滿足提高速度要求；提高速度后計算橫向力系數(shù)應不大于 0.15。

(3) 車輛停車視距是保證行車安全的重要措施。車輛左轉時視線被中央分隔帶護欄或隧道墻壁遮擋，受既有斷面限制，中央分隔帶或隧道斷面一般無法進行加寬，左轉停車視距不滿足的路段無法提速；車輛右轉時視線被路側護欄或隧道墻壁遮擋，由于右側硬路肩寬度，現(xiàn)有橫凈距比左轉時寬，對于路基填方段可采用將土路肩加寬后護欄后移的方式滿足小客車提速需求，對于挖方段可采用設置蓋板邊溝或者增設護欄的方式滿足提速需求。

(3) 互通服務區(qū)需要對主線和減速匝道運行條件進行核算，可以分析車輛在既有條件下流出主線后條件是否與提高速度后的運行速度適應?；ネǚ秶鷥?nèi)主線圓曲線最小半徑是控制圓曲線外側變速車道連接部的橫坡差，最大縱坡是為流出車輛提供平穩(wěn)減速運行條件，豎曲線最小半徑是為了保證識別視距的需求。匝道分流鼻端匝道曲率半徑、回旋線參數(shù)、縱斷面豎曲線半徑需要滿足車輛鼻端通過速度要求。

(4) 基于行車路側寬容設計理念的路側安全凈區(qū)要求，行車方向左側靠近中央分隔帶，路側安全凈區(qū)寬度難以滿足，只能設置中央分隔帶護欄保證安全；行車方向右側有硬路肩、土路肩、蓋板邊溝、碎落臺等，填方段可以設置護欄保證安全，挖方段可以通過設置蓋板邊溝、加寬碎落臺等措施滿足提速后路側安全凈區(qū)要求。如因養(yǎng)護等原有考慮不設置蓋板邊溝，則需要設置護欄保證安全。