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摘要：公路线形设计应使线形连续、指标均衡,使汽车行驶安全、舒适,线形设计的质量对公路的运营效果有重要的影响。本文结合工程实例,分析基于运行速度的高速公路的线形设计。
关键词：线形设计；设计速度；运行速度；安全性
随着我国社会经济的迅速增长，公路建设突飞猛进。但同时伴随着公路里程的不断增长，我国的道路交通安全形势日趋严重，交通事故死忙的绝对数儿年来高居世界第一，2005年道路交通事故667507起，死忙人数98378人，受伤人数469911人，直接经济损失高达18.8亿元。这其中有的是与公路的线形设计质量有很大关系的。下文结合工程实例,分析基于运行速度的高速公路的线形设计。
一、运行速度与设计速度
运行速度V 85:在特定路段长度上测定的第85个百分点上的车速。即在干净、潮湿条件下, 85%的驾驶员行车不会超过的速度。运行速度V 85的确定, 一般可由调查点绘制的运行速度累计分布曲线求得。
运行速度法的设计流程是在前期确定的初始平纵面线形的基础上，通过运行速度预测模型推算各路段的运行速度，并以此为标准检验和修正初期平纵几何设计，最终确定曲线半径、超高、视距等设计参数。
《公路工程技术标准》(J T G B 01- 2003)中，已引入了运行速度的概念，并建议在速度变化路段、爬坡车道、超高等受限制路段进行运行速度检验。路线
线形设计应使运行速度V 85大于设计速度V ：且运行速度V 85与设计速度V之差小于20 km h，相邻设计路段的线形指标应逐渐变化，当速度梯度小于10 km h 100 m时，认为是连续的。当不符合上述条件时，应调整平纵面线形。
我国《公路项目安全性评价指南》中，推荐了两种运行速度计算方法。方法一采用交通部公路科学研究所“公路运行速度研究”课题成果，方法二采用澳大利亞运行速度计算法。表1、2列出了直线与大半径(R > 1 000 m )、小半径(R < 1 000 m )曲线路段的运行速度。
注：小客车运行速度两种方法结果一致，大货车运行速度括号内为澳大利亚小客车运行速度下对应的大货车的运行速度。
注：小客车运行速度括号内为澳大利亚小客车运行速度，大货车运行速度两种方法结果一致。
由表1、2可知，通常情况下，在较低设计速度(V = 60、80km/h )的路段，小客车以高于设计速度15～20 km/h的速度运行，在较高设计速度(V = 100、120 km/h )的路段，小客车的运行速度接近设计速度，而大货车的运行速度则始终低于设计速度15～25 km/h，甚至更低。我国山区高速公路设计速度多采用80、100 km/h时，路线线形的设计应充分考虑这一因素。在同一设计速度路段，当地形困难时，应设法提高路线线形指标，而地形简单时，则需严格限制长直线、大半径平曲线的运用，以约束车辆运行条件，从根本上消除运行速度的突变。
二、平曲线半径及超高
1、平曲线半径
平曲线半径的选取应在行驶力学上保证汽车行驶的安全、舒适。事故调查资料显示，当平曲线半径R<1500 m时，半径越小，事故率越高；当R <600 m时，事故率增加到全路事故率的1.5倍，当R <400 m时，事故率增加到2.0倍。
对于大半径平曲线的运用，与地形密切相关。在平原区，一般平曲线R>2500 m ,半径大小对事故率的影响不明显。而对于山区，如果普遍采用R = 2 500 m～
4000m，由于小客车的运行速度对路线纵坡的敏感性较低，其运行速度一般可达100～110 km/h，因此，适宜的设计速度应为100 km/h。对于设计速度为80 km/h
的高速公路，为有效限制小客车的高速运行，则应限制大半径平曲线的使用。
2、超高及加强
在平曲线上设置超高，其目的是形成向心力，以平衡高速行驶车辆的离心力。我国现行公路路线设计规范中，根据设计速度、圆曲线半径及气候条件，最大超高值在一般地区按8%、积雪冰冻地区按6%分别计算出曲线超高值供实际选用。
下坡与平曲线组合在一起的临时作用，对铰接货车的稳定性造成不利影响。为消除这一影响，应提高陡坡路段的平曲线超高横坡度。在高速公路情况下，当
> 3%时，可视为陡坡。
超高加强按下式计算：
式中：为纵坡：为设计速度下查表所得超高。
在不同的设计速度下，应结合车辆的实际运行速度，合理确定超高横坡度。
以设计速度V= 80 km/h为例，分别计算设计速度和相应的运行速度V85=95km/h时，R =1000m的平曲线超高。取最大超高8%，设计速度下的超高值为4%，而运行速度下的超高值为6%。因此，对于以小客车为主的高速公路，在考虑小客车的实际运行速度的前提下，原则上超高设置应予以加强1%～2%。而对于重载交通道路，大货车的运行速度低于设计速度15 km/h,按照V= 65 km/h、= 4%计算的横向力系数接近0，而按超高加强后的路拱横坡= 6%，计算的横向力系数为负，说明大货车在曲线上受到向心加速度的作用，可能发生向曲线内侧滑移并导致翻车。因此，对重载交通道路，应在充分研究运行速度的基础上，慎重选择超高及超高加强。
三、纵坡及连续纵坡
路线规范中“最大纵坡及坡长”的规定，考虑了经济因素和汽车行驶性能的要求，并以15 km/h的速度差作为确定某一给定坡度最大坡长的一般设计准则。其原因是当低于这一速度时，将对后面的车流造成很大的影响，而且当速度变化量大于15 km/h时，事故数明显激增。如果设计坡长大于限制长度，尤其是交通量达到或接近通行能力时，或货车比例较高时，应考虑增设爬坡车道专供慢行车辆行驶。
四、视距
考虑实际运行速度下的小客车停车视距，从运行安全的角度出发，应在根据设计速度计算的停车视距的基础上适当予以提高。以设计速度80 km/h为例，路
面潮湿状态下，按行驶速度为68 km/h、 = 0. 31计算的小客车停车视距为110m。若考虑运行速度为95 km/h，路面潮湿状态的行驶速度按80 km/h、 =0.30
计算的停车视距为140 m，接近设计速度80km/h和100 km/h停车视距的中间值。
在设计速度V = 80、100 km/h的高速公路上，我国货车的运行速度通常在65～75 km h之间，其最小停车视距应在111～190m范围。《公路工程技术标准》(JTGB 0122003)条文说明中规定了检验用的货车停车视距分别为125 m、180 m。由于在一些情况下还满足不了货车停车视距的要求，《公路工程技术标准》(JTGB 0122003)规定，在高速公路、一级公路以及大型车比例高的二、三级公路，应采用货车停车视距对相关路段进行检验。
五、隧道线形
隧道事故率一般为其他路段的2～3倍，洞口附近的事故率约占隧道事故的33%。隧道事故以追尾最为典型，撞固定物次之。事故发生的主要原因是由于车辆运行速度高、路面磨光以及隧道内的烟尘导致的隧道内能见度降低。
根据停车视距要求，当设计速度V = 100 km/h，视距S = 160 m ，V = 80 km h，视距S = 110 m。根据隧道一般横断面布置，计算出在保证隧道内停车视距
前提下的隧道最小平曲线半径分别为800 m、500 m。
为保证隧道内车辆的安全行驶，中短隧道内线形设计时应避免设置S型反向曲线，长大隧道必须设置S型反向曲线时，其反向曲线间应设置一定的缓和曲线或直线段予以过渡。
六、实例分析
某公路地形高差大，山势陡峭，沟谷发育，重车比例45%，为典型的重载交通道路。全线采用双向四车道高速公路标准，設计速度80 km/h，路基宽度24. 5 m。设大中桥4558m/12座，隧道13242m/9座，桥隧占路线总长59%。
1、运行速度的运用和检验
根据设计速度V = 80 km/h，考虑小客车及大货车的运行速度，结合沿线地形，初步确定平曲线控制指标R以600～2000 m较为适宜。在初步布设沿线结构物和路线越岭高程后，拟定路线几何参数，运用车辆速度预估模型 (隧道运行速度降低按5～10 km/h)，对重点路段K13+ 800～K21+ 600，通过绘制运行速度断面图，进行运行速度检验。见图1。
由图1，小客车的运行速度变化经历了小半径平曲线路段(R=749. 7m、R= 730m )的减速、陡坡路段(= - 3. 5%、- 3. 9% )的加速、K16～K17隧道路段的稳速后，在R = 1250 m的曲线下坡段再次加速，K17+ 900～K20+ 200速度相对稳定。全路段小客车最大运行速度为100 km/h，最小运行速度为84 km/h，
相邻路段速度差小于10 km/h/100m。
货车的最大运行速度为75 km/h，最小运行速度为56 km/h，运行速度呈现与小客车相似的变化规律，但在数值上低于设计速度5～24 km/h。
运行速度检验结果表明，本路段的平纵面设计几何参数的选定满足行车安全要求。
2、超高及加强
考虑本项目重车比例较大，在一般路段，大货车的运行速度相对设计速度偏低，如果在保障小客车在弯道上的舒适性而提高超高横坡度，势必给大货车的行车安全构成不利影响。因此，一般路段的超高设计仍按设计速度取定，仅在K10 + 460～K10 +800、K17+ 485～K18+ 580两个路段的下坡方向，因纵坡较大(= - 3. 5%、- 3. 9% )，为保障铰接货车在弯道上的刹车稳定性，对超高进行了加强设计，在设计速度对应的超高横坡度的基础上，按提高1%取定。
3、视距检验
对重点路段K13+860～K15+050的视距，采用了设计速度V=80km/h分别对小客车、货车进行停车视距检验，同时，作为对比分析，根据小客车的实际运行速度85～95km/h、停车视距S=140m,对该路段进行了相应的横净距核算。
根据表3，设计速度V=80km/h，在平曲线半径R=730m的路段，小客车、货车的停车视距满足安全视距要求。当采用小客车运行速度计算的停车视距140 m时对于R=730m半径的平曲线，路基横断面布置应予以适当加宽。
4、隧道线形
根据沿线隧道的布设情况，结合车辆实际运行速度，对全线隧道的进出口路段的平纵面线形及组合进行检验核查。一般隧道进出口平曲线按R=1000～2000m布设，特长隧道控制R<3000m，以限制车辆超速行驶，确保隧道路段行驶安全。
本项目B至路段(K21+000～K30+048)，由河大桥(墩高170m的部分预应力矮塔斜拉桥)连接B及拍盘两座特长隧道构成直线+同向曲线平面线形，其桥梁部分为直线段，两座特长隧道均以连拱形式进洞，然后过渡至小间距和正常分离式隧道形式。经线形优化，对B特长隧道出口偏角控制为14°，隧道进出口附近两同向曲线R1=1700m、R2=1300m。
七、结束语
由于运行速度与车辆实际运行特征的符合性，与设计速度设计法相比，运行速度设计法可以有效地减少由于线形设计脱离实际行车状况而导致的交通安全事故。因此，在适合我国交通运行特征的路线运行速度设计方法尚未完全建立起来之前，在高速公路的路线设计实践中，应充分考虑运行速度，保障路线各项设计指标之间的相容性，对于提高公路行车安全具有重要意义。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：线形设计；设计速度；运行速度；安全性
随着我国社会经济的迅速增长，公路建设突飞猛进。但同时伴随着公路里程的不断增长，我国的道路交通安全形势日趋严重，交通事故死忙的绝对数儿年来高居世界第一，2005年道路交通事故667507起，死忙人数98378人，受伤人数469911人，直接经济损失高达18.8亿元。这其中有的是与公路的线形设计质量有很大关系的。下文结合工程实例,分析基于运行速度的高速公路的线形设计。
一、运行速度与设计速度
运行速度V 85:在特定路段长度上测定的第85个百分点上的车速。即在干净、潮湿条件下, 85%的驾驶员行车不会超过的速度。运行速度V 85的确定, 一般可由调查点绘制的运行速度累计分布曲线求得。
运行速度法的设计流程是在前期确定的初始平纵面线形的基础上，通过运行速度预测模型推算各路段的运行速度，并以此为标准检验和修正初期平纵几何设计，最终确定曲线半径、超高、视距等设计参数。
《公路工程技术标准》(J T G B 01- 2003)中，已引入了运行速度的概念，并建议在速度变化路段、爬坡车道、超高等受限制路段进行运行速度检验。路线
线形设计应使运行速度V 85大于设计速度V ：且运行速度V 85与设计速度V之差小于20 km h，相邻设计路段的线形指标应逐渐变化，当速度梯度小于10 km h 100 m时，认为是连续的。当不符合上述条件时，应调整平纵面线形。
我国《公路项目安全性评价指南》中，推荐了两种运行速度计算方法。方法一采用交通部公路科学研究所“公路运行速度研究”课题成果，方法二采用澳大利亞运行速度计算法。表1、2列出了直线与大半径(R > 1 000 m )、小半径(R < 1 000 m )曲线路段的运行速度。
注：小客车运行速度两种方法结果一致，大货车运行速度括号内为澳大利亚小客车运行速度下对应的大货车的运行速度。
注：小客车运行速度括号内为澳大利亚小客车运行速度，大货车运行速度两种方法结果一致。
由表1、2可知，通常情况下，在较低设计速度(V = 60、80km/h )的路段，小客车以高于设计速度15～20 km/h的速度运行，在较高设计速度(V = 100、120 km/h )的路段，小客车的运行速度接近设计速度，而大货车的运行速度则始终低于设计速度15～25 km/h，甚至更低。我国山区高速公路设计速度多采用80、100 km/h时，路线线形的设计应充分考虑这一因素。在同一设计速度路段，当地形困难时，应设法提高路线线形指标，而地形简单时，则需严格限制长直线、大半径平曲线的运用，以约束车辆运行条件，从根本上消除运行速度的突变。
二、平曲线半径及超高
1、平曲线半径
平曲线半径的选取应在行驶力学上保证汽车行驶的安全、舒适。事故调查资料显示，当平曲线半径R<1500 m时，半径越小，事故率越高；当R <600 m时，事故率增加到全路事故率的1.5倍，当R <400 m时，事故率增加到2.0倍。
对于大半径平曲线的运用，与地形密切相关。在平原区，一般平曲线R>2500 m ,半径大小对事故率的影响不明显。而对于山区，如果普遍采用R = 2 500 m～
4000m，由于小客车的运行速度对路线纵坡的敏感性较低，其运行速度一般可达100～110 km/h，因此，适宜的设计速度应为100 km/h。对于设计速度为80 km/h
的高速公路，为有效限制小客车的高速运行，则应限制大半径平曲线的使用。
2、超高及加强
在平曲线上设置超高，其目的是形成向心力，以平衡高速行驶车辆的离心力。我国现行公路路线设计规范中，根据设计速度、圆曲线半径及气候条件，最大超高值在一般地区按8%、积雪冰冻地区按6%分别计算出曲线超高值供实际选用。
下坡与平曲线组合在一起的临时作用，对铰接货车的稳定性造成不利影响。为消除这一影响，应提高陡坡路段的平曲线超高横坡度。在高速公路情况下，当
> 3%时，可视为陡坡。
超高加强按下式计算：
式中：为纵坡：为设计速度下查表所得超高。
在不同的设计速度下，应结合车辆的实际运行速度，合理确定超高横坡度。
以设计速度V= 80 km/h为例，分别计算设计速度和相应的运行速度V85=95km/h时，R =1000m的平曲线超高。取最大超高8%，设计速度下的超高值为4%，而运行速度下的超高值为6%。因此，对于以小客车为主的高速公路，在考虑小客车的实际运行速度的前提下，原则上超高设置应予以加强1%～2%。而对于重载交通道路，大货车的运行速度低于设计速度15 km/h,按照V= 65 km/h、= 4%计算的横向力系数接近0，而按超高加强后的路拱横坡= 6%，计算的横向力系数为负，说明大货车在曲线上受到向心加速度的作用，可能发生向曲线内侧滑移并导致翻车。因此，对重载交通道路，应在充分研究运行速度的基础上，慎重选择超高及超高加强。
三、纵坡及连续纵坡
路线规范中“最大纵坡及坡长”的规定，考虑了经济因素和汽车行驶性能的要求，并以15 km/h的速度差作为确定某一给定坡度最大坡长的一般设计准则。其原因是当低于这一速度时，将对后面的车流造成很大的影响，而且当速度变化量大于15 km/h时，事故数明显激增。如果设计坡长大于限制长度，尤其是交通量达到或接近通行能力时，或货车比例较高时，应考虑增设爬坡车道专供慢行车辆行驶。
四、视距
考虑实际运行速度下的小客车停车视距，从运行安全的角度出发，应在根据设计速度计算的停车视距的基础上适当予以提高。以设计速度80 km/h为例，路
面潮湿状态下，按行驶速度为68 km/h、 = 0. 31计算的小客车停车视距为110m。若考虑运行速度为95 km/h，路面潮湿状态的行驶速度按80 km/h、 =0.30
计算的停车视距为140 m，接近设计速度80km/h和100 km/h停车视距的中间值。
在设计速度V = 80、100 km/h的高速公路上，我国货车的运行速度通常在65～75 km h之间，其最小停车视距应在111～190m范围。《公路工程技术标准》(JTGB 0122003)条文说明中规定了检验用的货车停车视距分别为125 m、180 m。由于在一些情况下还满足不了货车停车视距的要求，《公路工程技术标准》(JTGB 0122003)规定，在高速公路、一级公路以及大型车比例高的二、三级公路，应采用货车停车视距对相关路段进行检验。
五、隧道线形
隧道事故率一般为其他路段的2～3倍，洞口附近的事故率约占隧道事故的33%。隧道事故以追尾最为典型，撞固定物次之。事故发生的主要原因是由于车辆运行速度高、路面磨光以及隧道内的烟尘导致的隧道内能见度降低。
根据停车视距要求，当设计速度V = 100 km/h，视距S = 160 m ，V = 80 km h，视距S = 110 m。根据隧道一般横断面布置，计算出在保证隧道内停车视距
前提下的隧道最小平曲线半径分别为800 m、500 m。
为保证隧道内车辆的安全行驶，中短隧道内线形设计时应避免设置S型反向曲线，长大隧道必须设置S型反向曲线时，其反向曲线间应设置一定的缓和曲线或直线段予以过渡。
六、实例分析
某公路地形高差大，山势陡峭，沟谷发育，重车比例45%，为典型的重载交通道路。全线采用双向四车道高速公路标准，設计速度80 km/h，路基宽度24. 5 m。设大中桥4558m/12座，隧道13242m/9座，桥隧占路线总长59%。
1、运行速度的运用和检验
根据设计速度V = 80 km/h，考虑小客车及大货车的运行速度，结合沿线地形，初步确定平曲线控制指标R以600～2000 m较为适宜。在初步布设沿线结构物和路线越岭高程后，拟定路线几何参数，运用车辆速度预估模型 (隧道运行速度降低按5～10 km/h)，对重点路段K13+ 800～K21+ 600，通过绘制运行速度断面图，进行运行速度检验。见图1。
由图1，小客车的运行速度变化经历了小半径平曲线路段(R=749. 7m、R= 730m )的减速、陡坡路段(= - 3. 5%、- 3. 9% )的加速、K16～K17隧道路段的稳速后，在R = 1250 m的曲线下坡段再次加速，K17+ 900～K20+ 200速度相对稳定。全路段小客车最大运行速度为100 km/h，最小运行速度为84 km/h，
相邻路段速度差小于10 km/h/100m。
货车的最大运行速度为75 km/h，最小运行速度为56 km/h，运行速度呈现与小客车相似的变化规律，但在数值上低于设计速度5～24 km/h。
运行速度检验结果表明，本路段的平纵面设计几何参数的选定满足行车安全要求。
2、超高及加强
考虑本项目重车比例较大，在一般路段，大货车的运行速度相对设计速度偏低，如果在保障小客车在弯道上的舒适性而提高超高横坡度，势必给大货车的行车安全构成不利影响。因此，一般路段的超高设计仍按设计速度取定，仅在K10 + 460～K10 +800、K17+ 485～K18+ 580两个路段的下坡方向，因纵坡较大(= - 3. 5%、- 3. 9% )，为保障铰接货车在弯道上的刹车稳定性，对超高进行了加强设计，在设计速度对应的超高横坡度的基础上，按提高1%取定。
3、视距检验
对重点路段K13+860～K15+050的视距，采用了设计速度V=80km/h分别对小客车、货车进行停车视距检验，同时，作为对比分析，根据小客车的实际运行速度85～95km/h、停车视距S=140m,对该路段进行了相应的横净距核算。
根据表3，设计速度V=80km/h，在平曲线半径R=730m的路段，小客车、货车的停车视距满足安全视距要求。当采用小客车运行速度计算的停车视距140 m时对于R=730m半径的平曲线，路基横断面布置应予以适当加宽。
4、隧道线形
根据沿线隧道的布设情况，结合车辆实际运行速度，对全线隧道的进出口路段的平纵面线形及组合进行检验核查。一般隧道进出口平曲线按R=1000～2000m布设，特长隧道控制R<3000m，以限制车辆超速行驶，确保隧道路段行驶安全。
本项目B至路段(K21+000～K30+048)，由河大桥(墩高170m的部分预应力矮塔斜拉桥)连接B及拍盘两座特长隧道构成直线+同向曲线平面线形，其桥梁部分为直线段，两座特长隧道均以连拱形式进洞，然后过渡至小间距和正常分离式隧道形式。经线形优化，对B特长隧道出口偏角控制为14°，隧道进出口附近两同向曲线R1=1700m、R2=1300m。
七、结束语
由于运行速度与车辆实际运行特征的符合性，与设计速度设计法相比，运行速度设计法可以有效地减少由于线形设计脱离实际行车状况而导致的交通安全事故。因此，在适合我国交通运行特征的路线运行速度设计方法尚未完全建立起来之前，在高速公路的路线设计实践中，应充分考虑运行速度，保障路线各项设计指标之间的相容性，对于提高公路行车安全具有重要意义。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。