谷秀麗

（張家口翰得交通公路勘察設(shè)計有限責(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建項目，在工程中各種橫斷面擴寬方案得到越來越廣泛的應(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)域地勢平坦，相對高差較小，基本上地形條件對高速公路的改擴建施工所產(chǎn)生的影響較小，施工時多采用兩側(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，還能使工程造價有所降低，即可有效確保施工時交通的通暢性，還能繞過路側(cè)構(gòu)造物，因此，在改擴建施工中，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，為使交通運作正常，需改造其路拱橫坡度和中央分隔帶。

當(dāng)擴建一側(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，并將中央分隔帶的開口設(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āＨ粜陆坊鶄?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車道進行劃分。當(dāng)前，國內(nèi)關(guān)于中央分隔帶開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。

因為行駛在單向雙路拱路段的車輛在對路拱線進行跨越時的安全性還需進行論證，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題。

高速公路改擴建在將同向車道中央分隔帶保留下來時，可以有效分隔開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，施工時僅有較小的交通流影響，分隔帶中的植物可以對環(huán)境進行美化，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)計單側(cè)加寬舊路側(cè)時，單向雙路拱路面行車安全性是其重點所在。

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化了車輛換道行駛過程。假設(shè)車輛換道時改變了前進方向，但保持速度不變，行駛車道的中心線位置為換道的起點，目標(biāo)車道的中心線位置為換道的終點，車輛換道前后均以道路前進方向作為行駛方向，方向盤在換道時所發(fā)生的改變?yōu)樗矔r性的，車輛從現(xiàn)有車道到分界線的行駛過程表現(xiàn)為勻速圓周運動，而從分界線行駛到目標(biāo)車道時主要表現(xiàn)為反向勻速圓周運動。本文在該模型基礎(chǔ)上對單向雙路拱路面行駛的車輛在實現(xiàn)跨越路拱線時，運行速度和換道時間均不同條件下的轉(zhuǎn)彎半徑進行計算，所得結(jié)果如表1所示。

圖1 圓形運行軌跡換道模型

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

表1 車輛行駛軌跡半徑/長度m

4 行駛軌跡長度

車輛在單向雙路拱路面行駛時，若想完成換道，必須要跨越路拱線，此時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，車輛縱向坡度的漸變率對車輛的行駛安全性有直接影響[4]。在換道的整個過程中，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度如表2所示。

表2 車輛換道行駛軌跡最小需求長度m

從表2可知，換道時車輛的行駛軌跡長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

從車輛變道時的軌跡變化情況可以看出，車輛在此過程的受力情況與超高過渡段的受力情況進行一致，因此，采用超高過渡段理論模擬該種情況。當(dāng)車輛在單幅雙路拱路面上進行路拱線跨越以完成換道時，不管是換道到哪側(cè)，車輛始終受到反超高的作用。此時，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，車輛便會有失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)。

車輛在換道時的豎向力對車身有穩(wěn)定作用，而橫向力對車身穩(wěn)定則較為不利。車輛在反超高路段行駛時，橫向力逐漸增大，豎向力逐漸減小，不利于行車穩(wěn)定?；谛陆ǖ缆仿肪€設(shè)計規(guī)范，在行車穩(wěn)定性中以橫向力系數(shù)作為評判指標(biāo)。

5.2 橫向力系數(shù)分析

作為車輛換道時的不穩(wěn)定影響，車輛在橫向力系數(shù)過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，針對變道車輛，只要不會有橫向滑移產(chǎn)生，就不會有橫向傾覆出現(xiàn)。

從現(xiàn)有研究可以知道，對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，駕駛員不會察覺到有曲線存在，有著較為平穩(wěn)的行車；當(dāng)橫向力系數(shù)等于0.15時，駕駛員可察覺到曲線，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現(xiàn)對路拱線的跨越以完成換道時，在3 s以下的換道時間內(nèi)有較大的橫向力系數(shù)，車輛行駛時穩(wěn)定性較差且可能會出現(xiàn)傾覆；在3 s的換道時間下有約等于0.20的橫向力系數(shù)，駕駛員在換道時可以有效感覺曲線的存在且略微有不平衡感；在3 s以上的換道時間下，駕駛員可有效跨越路拱線并成功實現(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對橫向摩阻系數(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，對排水較為有利，與路拱線接近的車道不會容易出現(xiàn)積水，路面在下雨天時的橫向摩阻系數(shù)要比3 s換道時間下計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現(xiàn)換道時不會輕易有滑移出現(xiàn)。

從現(xiàn)有研究可知，車輛約有1 m/s的橫向移動速度。但國內(nèi)高速公路行車寬度一般為3.75 m，即要完成換道的時間一般為3.75 s。因此，車輛在單向雙路拱路面的實現(xiàn)換道時的各項指標(biāo)均可滿足安全性的要求。采用單側(cè)加寬改擴建時，對于行車安全性而言，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，對車道進行重新規(guī)劃以給車輛行駛提供一個方向的行車道。

6 結(jié)語

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