高紅偉

（中國公路工程咨詢集團有限公司,北京 100032）

0 引言

湟源至西海公路主線按四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計行車速度采用100 km/h，整體式路基寬26 m，分離式路基寬13 m。該次實施段落為K122+630～K136+657.912，總長14.028 km。該文結(jié)合對湟源至西海公路主線K122+630～K136+657.912段長大縱坡實測運行速度的分析，依托現(xiàn)有的速度預(yù)測模型，對長大縱坡路段運行速度預(yù)測模型展開修正，以適用于此類特殊路段縱坡設(shè)計。

1 速度預(yù)測方法

1.1 基于空間幾何特性的模型預(yù)測法

對于長大縱坡路段而言，其車輛運行速度受到各項線形要素的綜合作用。故在確定運行速度預(yù)測模型時，必須全面考慮各類要素[1]。該文依托《公路項目安全性評價規(guī)范》（JTG B05—2015）及基于空間幾何特性的運行速度預(yù)測模型，應(yīng)用激光測速儀和MC測速儀，收集湟源至西海公路主線K122+630～K136+657.912長大陡坡段大型車和小型車的實際運行速度數(shù)據(jù)，展開速度預(yù)測及結(jié)果的比較研究。

長大陡坡段大型車的運行速度預(yù)測模型表示如下：

長大陡坡段小型車的運行速度預(yù)測模型表示如下：

式中，v85——路段特征點所測定的第85個百分位上的車速（km/h）；dit2——路段特征點變坡率（%）；it——路段特征點坡度（°）；kt2——路段特征點曲率（%）；Kl——路段特征點在其線形單元內(nèi)的平曲線曲率的線性插值；b——路段特征點橫斷面寬（m）。

1.2 規(guī)范預(yù)測法

《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）中根據(jù)縱坡坡度和曲線半徑，將路線劃分為縱坡段、直線段、彎坡組合段、平曲線段等若干單元，進行運行速度預(yù)測時主要以各個單元的起點和終點為特征點[2]。為保證預(yù)測結(jié)果的合理性與可靠性，必須使其中縱坡坡度在3%以內(nèi)的直線段、半徑在1 000 m以上的曲線段自成一段；縱坡坡度在3%以上的小半徑曲線段、坡長超出300 m的縱坡段和彎坡組合段均應(yīng)作為獨立的速度測算單元。對于位于兩個小半徑曲線段之間且長度不超出200 m的直線段，應(yīng)視為短直線，行車運行速度應(yīng)保持不變。在測算首次運行速度v85時，必須先推算出與設(shè)計路段銜接的相鄰路段的v85，并以此為設(shè)計路段初始速度，再結(jié)合路段類型，分別計算長大縱坡路段、平曲線段、直線段等運行速度的測算。

2 運行速度分析

2.1 實際運行速度

為進行以上模型在長大縱坡路段運行速度測算方面適用性的分析，必須展開長大縱坡實際運行速度的測量，并對比實際測量速度和預(yù)測速度的差異，分析引起差異的主要原因，提出修正方案。

對K122+630～K136+657.912段展開實地測量，平均縱坡?3.28%，最大縱坡?4.9%。整個路段包括11個圓曲線段，最大最小半徑為2 500 m和500 m。通過激光測速儀和MC氣壓管式測速儀展開該長大縱坡路段大型車和小型車實際速度采集。

考慮到MC氣壓管式測速儀主要采用以澳大利亞和新西蘭交通局聯(lián)合會AustRoads94為基礎(chǔ)的車型分類標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將全部車型分成12種類型，與我國當(dāng)前車型劃分存在一定差異。結(jié)合分析需要，該文按照軸距將該公路K122+630～K136+657.912長大陡坡段MC氣壓管式測速儀所得車型數(shù)據(jù)主要分成兩類：一類是軸距≤7 m、比功率＞15 kW/t的小型車；另一類是軸距＞7 m、比功率≤ 15 kW/t的大型車。

在分析運行速度前，進行了全部觀測斷面數(shù)據(jù)的檢測，并通過散點圖進行了數(shù)據(jù)分布特征分析，將影響結(jié)果準(zhǔn)確性的異常數(shù)據(jù)予以剔除。

2.2 預(yù)測速度

根據(jù)實地調(diào)查結(jié)果，湟源至西海公路K122+630～K136+657.912段小半徑曲線、陡坡段和結(jié)構(gòu)物占比較大，針對此類長大縱坡路段，通過駕駛模擬仿真實驗展開縱坡段、小半徑曲線及彎坡組合段車輛運行速度變化趨勢規(guī)律的模擬。

實驗主要采用UC-win/road Ver.8線形軟件，通過八自由度運動平臺，展開公路實際運行過程的模擬，根據(jù)模擬結(jié)果研究人—車—路之間的互動關(guān)系。

基于以上所采集到的實際運行速度數(shù)據(jù)以及得出的預(yù)測速度，繪制湟源至西海公路K122+630～K136+657.912段大型車和小型車車速變化趨勢圖，具體見圖1和圖2。根據(jù)圖中對比結(jié)果所體現(xiàn)出的車輛在該長大縱坡段運行特點，將整個縱坡段分成三個段落：坡頂、坡中、坡底。

圖1 大型車實測深度與預(yù)測速度的比較

圖2 小型車實測深度與預(yù)測速度的比較

根據(jù)圖中比較結(jié)果，大型車和小型車的實測車速均先升后降并最終趨于穩(wěn)定，到長大縱坡坡底時再減速；但預(yù)測車速并無此規(guī)律性。對于坡頂路段，大型車和小型車實測車速均低于預(yù)測車速，通過分析原因不難看出，車輛大多從坡頂服務(wù)區(qū)駛出，且坡頂還設(shè)置有長大下坡路段的警示標(biāo)志，這些都對坡頂車輛運行速度起到了有效的減緩作用。運行至坡中段，大型車和小型車實測車速均維持在相對穩(wěn)定的范圍，且大型車對應(yīng)的預(yù)測速度曲線與實測速度曲線基本吻合，表明此段區(qū)域內(nèi)預(yù)測效果良好；小型車在此段的預(yù)測速度整體小于實測速度，但變動趨勢基本一致[3]。

綜合以上對湟源至西海公路K122+630～K136+657.912段不同車型實測車速和預(yù)測車速的比較看出，應(yīng)用規(guī)范預(yù)測法所得到的以小半徑圓曲線占比大的長大縱坡速度值偏低，而以陡坡占比大的長大縱坡速度值偏高，所以說，規(guī)范預(yù)測法對小型車運行速度預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度比大型車高。而基于空間曲率模型的速度預(yù)測法恰好相反，其對以小半徑圓曲線占比較大的長大縱坡段速度的預(yù)測值偏低，而對陡坡占比較大的長大縱坡段速度預(yù)測準(zhǔn)確度較高。

3 縱坡線形組合方案設(shè)計

3.1 縱坡線形組合方案

基于以上分析，提出兩種長大縱坡線形設(shè)計方案：方案1是在長大縱坡中間段設(shè)置緩和坡段，以形成陡峭和緩和相間的線形組合；方案2是在長大縱坡間不設(shè)置緩和坡段，以使陡峭和緩和坡段無規(guī)律分布。兩種方案下長大縱坡線形組合情況具體見圖3，兩個方案單坡段長陡縱坡坡段劃分見表1，設(shè)計行車速度均為80 km/h，且平面線形均為直線，路段里程均為3 000 m，平均縱坡一致，僅縱面線形不同。

圖3 長大縱坡線形組合情況

表1 長陡縱坡坡段劃分 /%

通過對以上兩個方案的比較分析，方案1包括L1～L6單坡段，6個單坡段形成陡峭和緩和相間的線形組合，且陡坡坡度均在3.5%以上，緩坡坡度則不超出2.5%。這一設(shè)計思路是《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）頒布前公路路線設(shè)計領(lǐng)域普遍采用的做法。

方案2則包括L1～L4及L5等5個單坡段，其中L1～L4坡段均為陡峭單坡，坡度在3.0%以上，且期間并不加設(shè)緩和坡段；L7為坡度1.28%的緩和單坡。在《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）頒布前，對于設(shè)計行車速度在80 km/h以上且長度大于1 100 m的長大坡段只由若干個坡度在3.0%以上的單陡坡組成的情形并不符合要求，但是《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）實施后，這種做法得到認(rèn)可和肯定。

3.2 縱坡線形組合計算

此處采用緯地軟件計算兩種方案下大型車正向運行速度，計算結(jié)果見表2和表3。由表2中結(jié)果可知，方案1下大型車從坡底K122+630樁號處行駛至坡頂K136+658樁號處的過程中，隨著行駛距離的增大運行速度持續(xù)減?。哼M入該長大陡坡段前運行速度為55 km/h，進入L1單坡段后降至52.65 km/h，到達(dá)坡頂即L6單坡段后降至24.62 km/h。雖然運行速度呈持續(xù)降低趨勢，但整個爬坡過程中長大縱坡間所設(shè)置的緩坡段對大型車爬坡能力的提升并未起到應(yīng)有的作用。根據(jù)表3中的結(jié)果，大型車以55 km/h的運行速度進入坡段，在經(jīng)過L1單坡段后速度降至50.57 km/h，此后繼續(xù)降低；而在進入L7單坡段后，運行速度反而隨行駛距離的增大而從23.31 km/h提升至72.89 km/h，大型車的爬坡能力明顯好轉(zhuǎn)。

表2 方案1大型車正向運行速度

表3 方案2大型車正向運行速

綜合比較以上兩種縱坡線形設(shè)計方案和思路看出，兩種思路并無孰對孰錯之分，僅體現(xiàn)的是兩種不同的設(shè)計理念。且運行速度計算結(jié)果表明，在方案1下大型車爬坡能力相當(dāng)有限，而方案2下大型車在前幾處單坡段爬坡能力降低，但最后坡段爬坡能力顯著提升。僅從車輛爬坡性能提升的角度來看，方案2明顯較優(yōu)；基于該視角，《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）中取消長大陡坡中間增設(shè)緩和坡段規(guī)定的做法切實合理，也為設(shè)計過程賦予了更大的操作空間。

4 結(jié)論

該文在比較分析基于空間曲率的模型預(yù)測法和規(guī)范法在運行速度預(yù)測方面適用性的基礎(chǔ)上，提出兩種湟源至西海公路主線K122+630～K136+657.912段長大縱坡線形組合設(shè)計思路，一是在長陡縱坡間加設(shè)緩和坡段，以形成陡峭與緩和相間的線形組合；二是不在長陡縱坡間設(shè)置緩坡，使陡坡和緩坡無規(guī)律分布。該陡坡路段最終采用的是第二種思路，應(yīng)用結(jié)果也表明，取消長大陡坡中的緩坡設(shè)置，雖然會降低局部段落大型車的爬坡能力，但從整個長大陡坡段考慮，大型車爬坡能力會顯著提升，可有效避免因大型車爬坡能力不足而引發(fā)的交通事故。