（市政工程專業(yè)論文）公路線形設(shè)計質(zhì)量評價方法的研究.pdf

大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 公路線形設(shè)計應(yīng)使線形連續(xù)、指標均衡，使汽車行駛安全、舒適，線形設(shè)計的質(zhì)量 對公路的運營效果有重要的影響。在工程實際中，線形設(shè)計質(zhì)量的檢驗與評價工作往往 被忽視或簡化，或帶有較強的主觀性，或局限于規(guī)范條文的限定。研究如何方便、快速 和定量地進行路線線形質(zhì)量的評價，對提高公路設(shè)計質(zhì)量具有重要的理論和實用意義。 首先，基于路線設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，針對常用線形設(shè)計指標，采用直接查詢的方法， 建立了方便、快速、全面的檢驗與評分評價模型。 其次，對常用線形設(shè)計指標進行篩選，提出主要線形指標，評價各指標的合理性和 各指標之間的協(xié)調(diào)性與均衡性。應(yīng)用層次分析法確定各指標的權(quán)重，并采用改進的德爾 菲法獲得評價矩陣，再運用模糊數(shù)學(xué)評判方法評價指標的合理性，運用灰色關(guān)聯(lián)度法評 價指標之間的協(xié)調(diào)性與均衡性。 最后，針對線形設(shè)計的關(guān)鍵指標一設(shè)計速度，建立運行速度的評價模型。通過模型 計算不同路段的運行速度，可獲得運行速度與設(shè)計速度相差較大的區(qū)段，從而為保證和 提高汽車行駛的安全性、舒適性。 作為工程應(yīng)用示例，結(jié)合丹本公路工程某路段實際線形資料，分別用上述三種方法 對線形設(shè)計指標進行檢驗與評價，獲得該路段線形設(shè)計質(zhì)量的優(yōu)良程度，對不合理的線 形指標提出改進意見。 關(guān)鍵詞：公路線形指標；設(shè)計質(zhì)量；直接查詢法；層次分析法；灰色關(guān)聯(lián)度法；運行速 度檢驗 公路路線設(shè)計質(zhì)量評價方法的研究 r e s e a r c ho f h i g h w a ya l i g n m e n tq u a l i t yo fd e s i g ne v a l u a t i o nm e t h o d s a b s t r a c t i kr o a da l i g n m e n td e s i g ns h o u l db ec o n t i n u u m ，t h ei n d e xt ob ec o n t i n u o u s l yb a l a n c e d l i n e a r , c a u s i n gt h ea u t o m o b i l et or u ns a f e l ya n dc o m f o r t a b l y i ti st h er o a da l i g n m e n td e s i g n t h a th a sa t l i m p o r t a n te f f e c tf o rt h eo p e r a t i n gr e s u l t s ，h o w e v e r , w h e np e o p l ew o r k e di n p r a c t i c e ，t h e yo f t e ni g n o r e do rs i m p l i f i e dt h ep r o c e s so ft h et e s t i n gf o rt h el i n e a rd e s i g na n d e v a l u a t i o no ft h eq u a l i t y ，w i t has t r o n gs u b j e c t i v e ，o rc o n f i n e dt ot h el i m i t e dp r o v i s i o n so ft h e n o r m s i th a st h eg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eh o wt oc a r r yo u tt h eq u e n t i t a t i v e e v a l u a t i o no ft h eq u a l i t yo fl i n e a rc o n v e n i e n t l ya n df a s tf o ri m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e h i g h w a yd e s i g n ： f i r s t l y ，b a s e do nd e s i g ns p e c i f i c a t i o nf o rh i g h w a yr o u t e ，t h i sa r t i c l ee v a l u a t e st h e d e s i g n e dr o a da l i g n m e n ta n dc o r r e c t st h eu n r e a s o n a b l ei n d e xv a l u et h r o u g hf i x i n go nt h e t h e o r ys c o p eo fa l i g n m e n ti n d e xv a l u et or e d u c et h eu n s a f ef a c t o r sa n de n h a n c et h eq u a l i t yo f d e s i g n s e c o n d l y ，t h i sa r t i c l ep u t sf o r w a r dt h em a i na l i g n m e n ti n d e x ，a n da p p l i e st h ef u z z i n g m a t h e m a t i c sj u d g m e n tm e t h o dt oe v a l u a t et h es a f e t yo fr o a da l i g n m e n t , i nw h i c ha p p l i e st h e i m p r o v e dd e u e lp h i l i p p i n e sm e t h o dt oo b t a i nt h ea p p r a i s a lm a t r i x ，t h ea n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s st oo b t a i nt h ew e i g h t , t h r o u g ht h em e t h o do fg r a d i n gt oa p p r a i s et h es i t u a t i o no ft h e r o a dd e s i g nq u a l i t y m e a n w h i l e ，t h em e t h o do fg r e yr e l a t i o nd e g r e ei su s e dt oe v a l u a t et h e c o m p a t i b i l i t ya m o n gt h ei n d e x e si no r d e rt oa s s e s sw h e t h e rt h er o a da l i g n m e n td e s i g ni sw e l l o rn o t c o n t r a s t i n gt h et w om e t h o d s ，t h er e s u l t si so b t a i n e dt h a tt h ef o r m e r 晰t hc e r t a i n s u b j e c t i v i t yh a sg r e a tc o m p u t a t i o nl o a d ，a n dt h el a t t e ri ss m a l la n da p p l i e dw i d e l y f i n a l l y , f o rt h ek e yi n d i c a t o rl i n e a rd e s i g n - t h ed e s i g ns p e e d ，t oe s t a b l i s ho ft h e e v a l u a t i o nm o d e lo fs p e e d t oc a l c u l a t et h es p e e do ft h ed i f f e r e n ts e c t i o n st h r o u g ht h em o d e l ， a c c e s s i n gt h el a r g e rd i f f e r e n ts e c t i o nb e t w e e ns p e e da n dd e s i g ns p e e d ，s oa st og u a r a n t e ea n d i m p r o v et h ec a r ss a f e t ya n dc o m f o r t a st h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n , i no r d e rt oo b t a i nt h e9 0 0 dl e v e lo fc o m b i n i n g 麗t 1 1t h e p r a c t i c ea l i g n m e n tm a t e r i a lo fp r o j e c ti n s t a n c ed a n - b e nh i g h w a y ，t e s t i n ga n de v a l u a t i n gt h e i n d i c a t o r so fl i n e a rd e s i g nw i t ht h et h r e ea b o v em e n t i o n e d sr e s p e c t i v e l y , s i m u l t a n e o u s l y p r o p o s e st h ei m p r o v e m e n tp l a nt ot h eu n r e a s o n a b l ed e s i g n k e yw o r d s ：h i g h w a ya l i g n m e n ti n d e x ；q u a l i t yo f d e s i g n ；d i r e c tp o l l i n gl i s t ；a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ；g r e yr e l a t i o nd e g r e e ；t e s to fo p e r a t i n gs p e e d i i 大連理工大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 作者鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行研究 工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用內(nèi)容和致謝的地方外， 本論文不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表的研究成果，也不包含其他已申請 學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻 均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 若有不實之處，本人愿意承擔相關(guān)法律責任。 學(xué)位論文題目：金整線型遮i 土廈量遷儉友洼鮑疊究 作者簽名：翹撞車 日期：苧年堡月上：l 日 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解學(xué)校有關(guān)學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，在校攻讀學(xué)位期間 論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于大連理工大學(xué)，允許論文被查閱和借閱學(xué)校有 權(quán)保留論文并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、 縮印、或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 型量年j 生月二生日 擊 日期：遞墨年衛(wèi)月4 日 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 緒論 1 1公路線形設(shè)計的重要性 公路線形是指平、縱、橫線形幾何指標的立體組合。線形是整個公路工程設(shè)計的關(guān) 鍵，是反映設(shè)計優(yōu)劣的最為直觀的折射。線形設(shè)計則決定了行車的安全性、舒適性及經(jīng) 濟性，還決定了公路的技術(shù)等級及規(guī)模。由于公路線形是伴隨其全部設(shè)計、施工的基礎(chǔ)。 同時也是使用的基礎(chǔ)，所以應(yīng)該仔細考察有關(guān)公路設(shè)計、施工及使用的各個方面來進行 綜合的系統(tǒng)設(shè)計與評價【。 隨著公路事業(yè)以及汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車在公路上的行駛速度也在不斷提高，同時 公路等級也在不斷提高，從而對線形的要求也越來越高。對于公路而言，由于其設(shè)計速 度相當高，它對線形也相應(yīng)地提出了更高的要求，所以在設(shè)計初期階段，就應(yīng)該更加重 視高速公路構(gòu)造物的幾何設(shè)計。高速行駛時，人眼表現(xiàn)為動視覺特性，呈現(xiàn)在駕駛員視 野中的主要景物是線形。公路是一個線形構(gòu)造物，人們乘坐汽車，在一定車速下運動， 連續(xù)的觀察公路及周圍環(huán)境的變化，司機的動視力、動視野也隨車速變化。而當車速增 大時，動視力隨之降低，視野也變小，駕駛員的注視距離也隨之變大，當大到一定程度 時，就形成管狀的隧道視。一般情況下車速較低辨認距離較遠，車速增加能夠清晰辨認 物體的距離相對縮短，因此司機能夠分辨物體的能力也隨之降低。在現(xiàn)代交通條件下， 由于車速提高，動視覺特性的變化必然要求我們用這些新的概念去研究和評價高速公路 的線形。 在以4 0 k m h 的速度行駛在六車道的公路上時，路面在駕駛員視野中所占的比例為 2 0 ，以9 6 k m h 的速度行駛時，駕駛員的視野縮小，路面所占的比例增加到3 0 ，空間 所占的比例為5 0 9 6 ，公路兩側(cè)所占的比例減少到2 0 以下，特別是在地形平坦的情況下， 更減少到1 5 以下。這就是說，行駛速度越快，路面本身在視覺透視圖中所描繪的形狀 即公路的線形，就越成為構(gòu)成公路美觀印象的控制因素?？梢哉J為，行駛速度越快的公 路，越應(yīng)有充分理由要求在視覺上重視優(yōu)美的線形，以確保行駛舒適。所以，看起來優(yōu) 美的公路線形，不僅對行駛安全是重要的，并且對行駛舒適性來說也是重要的。 行駛速度越高，線形的重要性也就越大，這對公路來說是不言而喻的。線形作為公 路的骨架，必須保證汽車行駛的安全性與舒適性。作為公路的線形設(shè)計，決定了路線的 走向和具體位置，其線位一旦確定便不能再作更改，所以線形設(shè)計是公路設(shè)計的關(guān)鍵。 線形設(shè)計的好壞往往是公路總體設(shè)計及其作用的主要評價標準，因此，必須精細設(shè)計， 力求線形質(zhì)量的提高。由于現(xiàn)代生活質(zhì)量的提高，人類所要求的服務(wù)標準也不斷提高， 公路線形設(shè)計質(zhì)量評價方法的研究 公路線形設(shè)計不僅要保證行車安全、迅速、經(jīng)濟，還要能適應(yīng)人體生理和心理的需求， 并取得與地形、景觀的協(xié)調(diào)，使公路線形性能達到行車的安全性、線形的連續(xù)性、視覺 的舒適性與形態(tài)的優(yōu)美性。總而言之，公路線形設(shè)計要做到以人為本，不僅要滿足汽車 行駛的需要，還要進一步滿足司乘人員的需要，并貫徹可持續(xù)發(fā)展的思想，更深一步做 到與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)。 1 2 公路線形設(shè)計質(zhì)量評價的必要性 我國現(xiàn)行公路技術(shù)標準所規(guī)定的各種幾何構(gòu)造的設(shè)計參數(shù)以及各種公路等級的線 形標準值，只不過是保障了汽車在運動學(xué)和力學(xué)方面的最小安全性，即只是規(guī)定了應(yīng)該 遵守的最小值，而在實際設(shè)計中究竟選取多大的技術(shù)指標，則由設(shè)計人員根據(jù)自己的主 觀經(jīng)驗，并綜合考慮實際地形、地物以及經(jīng)濟性等因素來做出適當?shù)倪x擇，以期設(shè)計出 有成效的線形。 跟火車以一定速度在規(guī)定軌道上行駛的情況不同，每個汽車駕駛員在車行道的任意 范圍內(nèi)以任意的速度行駛，對其安全性的容許度相當高，也就是說，要盡量適應(yīng)駕駛員 的各種駕駛行為，又要努力確保行駛的安全性和舒適性。為此必須滿足不同公路等級中 規(guī)定的線形要素的各種最小值，但同時也要在經(jīng)濟性的允許范圍內(nèi)，根據(jù)大于公路等級 的良好線形要素以至結(jié)合視覺、心理上的人機工程學(xué)以及周圍環(huán)境等方面來進行設(shè)計。 所以公路線形設(shè)計的本質(zhì)就在于考慮如上所述的各種情況，從而使用大于公路等級中規(guī) 定的線形要素標準的線形，以盡量修建安全度高的、舒適的公路。至于需要考慮到什么 程度，則由設(shè)計人員權(quán)衡，同時也關(guān)系到公路的經(jīng)濟性。因此，需對設(shè)計的線形進行檢 驗，以評價線形設(shè)計的成效性。 公路是線狀構(gòu)造物，線形設(shè)計的好壞不僅決定著設(shè)計階段的工程造價，而且還決定 著運營階段的使用質(zhì)量，即行駛的安全性、舒適性及經(jīng)濟性。為此公路工程技術(shù)標準 規(guī)定：“公路建成以后，要改變公路線形幾乎是不可能的，它將長期限制汽車的運行。線 形設(shè)計的好壞，對汽車行駛的安全、舒適、經(jīng)濟以及公路的通行能力都起著決定性作用。 因此線形設(shè)計時，必須對公路應(yīng)具有的性能與作用進行充分而慎重的分析研究，以免留 下后患。平縱線形組合，應(yīng)該綜合考慮汽車行駛的安全、舒適，工程造價及營運費用的 經(jīng)濟性，駕駛員的視覺、心理狀態(tài)以及與公路周圍的環(huán)境與景觀的協(xié)調(diào)【2 j 。 線形作為公路的骨架，其平、縱、橫線形是永久性的設(shè)計要素，在公路建成后很難 再來改善線形的缺陷，對公路而言更是不可能的。為使線形在設(shè)計階段工程造價具有最 優(yōu)經(jīng)濟性的同時，其使用質(zhì)量及服務(wù)水平在運營階段也具有最佳的安全性、舒適性及經(jīng) 濟性，設(shè)計階段就應(yīng)對線形進行檢驗與評價。通過線形檢驗與評價，找出線形的內(nèi)在缺 一2 一 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 陷并進行改善，從而使得線形元素的選取以及它們之間的搭配在工程造價上經(jīng)濟合理， 在使用質(zhì)量上滿足各項需求，即線形的投入與產(chǎn)出協(xié)調(diào)統(tǒng)一這有其重要意義【3 】。 1 3 國內(nèi)外研究狀況 公路是一條三維空間的帶狀實體，要在公路建成后再來改變公路線形設(shè)計中存在的 缺陷是不可能的。為使設(shè)計線形具有最優(yōu)的建設(shè)經(jīng)濟性，在營運期具有最佳的安全性、 舒適性，最佳的使用質(zhì)量和服務(wù)水平，在設(shè)計階段就應(yīng)該對線形進行檢驗和評價，找出 缺陷進行改善，使得各線形要素的組合達到最優(yōu)1 4 1 。目前，國外尤其是歐美發(fā)達國家關(guān) 于路線設(shè)計的理論已經(jīng)從單純考慮汽車的動力學(xué)要求，逐漸注重考慮駕駛員的生理心理 特征，提倡以人為本的設(shè)計理念，注重線形設(shè)計后使用上的舒適性。國內(nèi)外對線形評價 的方法很多，從設(shè)計的安全性、連續(xù)性、一致性、經(jīng)濟性等方面都進行了研究。 1 3 1國內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)對公路線形進行評價的方法主要有以下的幾種： ( 1 ) 利用油耗圖來評價線形 油耗圖【5 】的評價方法可以用來分析公路縱坡線形設(shè)計的合理性，多用于越嶺線路線 方案的比選中。具體做法是把各方案中汽車行駛所消耗的油量繪成圖，在耗油量圖中進 行分析，比較一下總的耗油量多少，看全線的耗油量是否均勻，通過比較選擇較好的設(shè) 計方案。 ( 2 ) 利用透視圖評價線形 透視圖法主要用在特殊路段的檢查上，如平縱組合是否合理，駕駛員視線是否無阻， 前方路線與景觀是否協(xié)調(diào)等，使設(shè)計人員直觀地檢查到公路平、縱、橫立體形狀及其與 周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)配合，是評價立體線形的一種直觀有效的視覺評價方法。但這種方法只 能是定性的評價，不能對線形進行定量評價，沒有確定的指標來評價公路立體線形效果 的好壞，只能作出視覺上的評價【6 l 【_ 7 1 。 ( 3 ) 利用車速圖評價線形 所謂車速剛3 1 ，就是以路線里程樁號為橫坐標，以速度為縱坐標所繪制的圖。汽車 的速度一方面受縱坡的影響，另一方面受平曲線半徑的約束，車速是縱坡、平曲線半徑 和路面狀態(tài)的函數(shù)，從車速圖上可以反映出路線的平、縱線形要素及其組合對車速的影 響，檢查平縱設(shè)計協(xié)調(diào)的合理性。傳統(tǒng)的“沿線最高可能車速圖 考慮了汽車動力學(xué)行 駛要求，但在縱斷面上沒有考慮豎曲線對汽車行駛速度的影響；平面上采用彎道阻力系數(shù) f c = 4 0 r 表征汽車行駛在平曲線上額外增加的那部分阻力，當平曲線半徑 2 0 0 m 時不計 一3 一 公路線形設(shè)計質(zhì)量評價方法的研究 ，且未考慮緩和曲線的影響，顯然理論依據(jù)不足。正是由于該法理論上的缺陷和考慮因 素的不全，目前公路設(shè)計中應(yīng)用甚少。 ( 4 ) 利用橫向加速度變化率評價 橫向加速度變化率是在考慮了平縱橫三個方面的基礎(chǔ)上提出的一種評價方法。它考 慮了汽車動力性的要求，建立了在公路線形設(shè)計中的控制和評價方程，通過該方程可以 對路線各幾何要素進行控制和評價【8 】【9 1 。該方法并沒有給出具體的評價標準。 ( 5 ) 利用運行速度評價 在車輛的行駛過程中，其運行速度不可能是一成不變的，它是隨著道路線形、路面 狀況、天氣條件及交通狀況和駕駛員的狀態(tài)而變化的。從道路條件來說，汽車在平直段 上一般會加速行駛，加速度的大小和在直線末端的速度取決于直線的長度以及駕駛員對 該路段上行駛的速度期望( 即期望車速) 。即在長直線上，當車速達到期望車速后，車速 不再增大，而是以期望車速穩(wěn)定行駛，直到進入曲線。當直線較短時，直線上的車速可 能還沒有加速到期望車速就要進入曲線。在曲線路段，如果曲線半徑較大，則車輛在曲 線上行駛與直線基本上沒有區(qū)別。當曲線半徑較小時，車輛進入曲線要減速，然后穩(wěn)定 行駛一段距離，再加速離開曲線。車速的變化可以分為三部分，即從直緩點到緩圓點可 以認為是減速行駛，從緩圓點到圓緩點是勻速行駛，而從圓緩點到緩直點是加速行駛。 笨 期望率遽 曠”麗j 歹 一商線一，一。蔭d 緩 一 _-h_-_o_，k；函4- 稚漿圖 一“一- 燃程 圖1 1 速度與平曲線關(guān)系圖 f i g1 1 t h er e l a t i o no fs p e e da n dh o r i z o n t a lc u l n e 運行速度的大小受到道路幾何條件的影響，所以可以通過一定的數(shù)學(xué)方法將運行車 速、線形和交通安全資料組合到一起，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，進而建立公路線形設(shè)計的安全 性評價標準和車速管理標準，為公路的安全性設(shè)計和管理打下基礎(chǔ)，真正使其成為安全、 快速、舒適的高等級公路f 1 0 1 。 一4 一 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 目前，對于運行車速研究有兩種方法：即現(xiàn)場觀測法和理論預(yù)測法。現(xiàn)場觀測法是通 過路段現(xiàn)場測試，經(jīng)回歸分析建立平曲線半徑與運行速度的關(guān)系，然后在不同縱坡上對 運行速度進行折減后得到【1 1 l 【1 2 1 。該法還可以通過路段實測車速，繪制車速累計分布曲線， 取曲線中8 5 所對應(yīng)的速度值作為運行速度。路段實測法需要的樣本量大，費工、費時、 費錢，同時僅適用于已建公路，對于已建的其它公路或擬建公路不一定適用。另外，該 方法相鄰平曲線之間直線段的速度大小沒有考慮，當直線較長、縱坡較小時，直線段行 駛速度可能大于平曲線上的行駛速度，不能起到控制作用，只有在山區(qū)曲線連曲線的路 段可起作用。另一種是理論預(yù)測法。根據(jù)汽車動力學(xué)加、減速行程計算基于縱斷面線形 設(shè)計的運行速度，根據(jù)平曲線半徑計算基本公式反算彎道上的允許行駛車速或引用國外 的曲度與運行速度關(guān)系獲得運行速度。將縱斷面和平面分別預(yù)測的運行速度比較后取小 值，作為平、縱線形組合的運行速度【1 3 1 。此種方法存在的缺點是沒有考慮豎曲線以及橫 斷面的影響。 利用運行速度的評價方法，國外研究較早，且已得到應(yīng)用，提出了一些評價標準。 我國目前正在研究之中，尚未提出適合我國車型和公路等級的評價標準。 ( 6 ) 利用交通安全檢查評價 該法從行車安全的角度出發(fā)，利用交通事故率與路線幾何要素的關(guān)系來評價或控制 路線線形的設(shè)計【1 4 1 。主要根據(jù)交通事故調(diào)查資料，采用回歸分析的方法，建立平面線形、 縱斷面線形、車道寬度、行車視距、平縱組合線形等與事故率的關(guān)系曲線并擬合成公式， 從而確定事故多發(fā)點和控制路線線形的指標，對指導(dǎo)公路線形設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意 義。 ( 7 ) 利用可能速度的公路線形評價 此法是楊少偉教授提出的一種新的應(yīng)用于公路線形設(shè)計的檢查和評價的方法，研究 成果中采用速差作為應(yīng)用可能速度的線形設(shè)計評價標準，并提出了各級公路利用可能速 度進行公路線形評價的評價指標【1 5 1 。速差既反應(yīng)了線形的連續(xù)性，也可評價公路線形設(shè) 計的質(zhì)量和安全性。 1 3 2 國外研究現(xiàn)狀 ( 1 ) 利用線形圖檢查評價 日本早期利用該法將路線平面線形的線形圖用曲率圖表示，將縱斷面的線形用坡度 圖表示，通過比較兩圖的零點位置就可以簡單地檢查出平、縱線形組合設(shè)計的好壞。在 線形圖上如果零點位置一致或接近則平、縱線形配合不好，反之，當零點相互交錯則立 體線形良好【1 6 1 。 一5 一 公路線形設(shè)計質(zhì)量評價方法的研究 ( 2 ) 從安全性評價線形設(shè)計 日本、美國、英國、德國等國用的是該法，根據(jù)調(diào)查收集的交通事故資料，分別建 立直線、圓曲線、緩和曲線、縱坡( 上下坡) 、豎曲線、視距等線形要素與事故率的表格 或回歸曲線和公式，從而找出相對比較安全的數(shù)值或范圍，用以指導(dǎo)線形設(shè)計或評價線 形設(shè)計的安全性【1 7 l 。該法的評價數(shù)值或范圍屬于評價標準，只適用于單個公路線形要素 的評價，沒有建立平面和縱斷面組合線形的評價標準。 ( 3 ) 美國聯(lián)邦公路局公路安全評價思想 1 9 8 8 年美國聯(lián)邦公路局( f h w a ) 開發(fā)了“交互式公路安全設(shè)計模型( i n t e r a c t i v e h i g h w a ys a f e t yd e s i g nm o d e l ，縮寫為i h s d m ) 的集成軟件包，在c a d 的環(huán)境中，輔助 道路設(shè)計者評估道路幾何設(shè)計方案所體現(xiàn)出的安全性能，幫助設(shè)計人員從公路安全的角 度評價設(shè)計方案【l 引。該模型由八個分模塊組成，每個模塊完成不同的功能。i h s d m 的 結(jié)構(gòu)圖如圖1 2 所示 圖1 2i h s 喇結(jié)構(gòu)圖 f i g1 2 s t r u c t u r a lp a t t e r no fi h s d m 在i h s d m 中，通過期望速度分布曲線圖，進行速度的連續(xù)性檢查和設(shè)計速度與運行 速度的一致性檢查，從而確定路線的設(shè)計質(zhì)量【1 9 1 。 ( 4 ) 利用運行速度的評價方法 隨著汽車性能的不斷改進，采用設(shè)計速度為依據(jù)進行公路路線設(shè)計的缺陷越來越突 出。因而，世界上許多國家都在廣泛研究運行速度及其在公路設(shè)計中的應(yīng)用。 聯(lián)邦德國的設(shè)計原則是采用設(shè)計速度和運行速度相結(jié)合的聯(lián)合設(shè)計思路，即按設(shè)計 速度設(shè)計出初始線形指標后，再用運行速度進行檢查和修正。德國定義的運行速度【2 0 】 一6 一 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 干燥和潮濕路面狀況下自由流狀態(tài)小客車的8 5 分位車速，德國設(shè)計指南中采用了與美 國和瑞士不同的方法。德國引入平面曲度的概念，經(jīng)過研究，建立了平面的曲度、橫斷 面的路面寬度b 與運行速度的關(guān)系。德國設(shè)計指南中規(guī)定，任何給定路段的預(yù)測運行速 度應(yīng)不超過其設(shè)計速度2 0 k m h ，要求一條連續(xù)路段上相鄰線形要素之間的運行速度差允 許最大限制值為l o k m h ，以確保公路線形設(shè)計的一致性。如果特定路段不能達到這一限 定要求，平面線形設(shè)計必須進行調(diào)整。 澳大利亞聯(lián)邦公路局則將設(shè)計速度貫穿路線設(shè)計的始終，即在初定平面線形和縱坡 的基礎(chǔ)上，通過運行速度預(yù)測模型預(yù)測各路段的運行速度，并以一定的設(shè)計控制原則為 標準，檢查和修正初定的平縱線形設(shè)計，然后根據(jù)調(diào)整后路線的平縱線形和運行速度， 最終確定曲線加寬、超高、視距等設(shè)計指標。美國學(xué)者l e i s c h 是美國最早提出基于運 行速度設(shè)計概念，并用之來評價公路平面和縱斷面幾何線形設(shè)計一致性的【2 l 】。該法認為 單獨使用設(shè)計速度作為公路設(shè)計的控制原則可能會導(dǎo)致非期望的幾何設(shè)計出現(xiàn)，為了實 現(xiàn)車輛運行速度與設(shè)計速度的一致性，分別建立了小客車和大貨車的運行速度模型，該 模型主要是根據(jù)平面及縱斷面線形估計不同車型的平均速度，將其繪制成車速變化圖， 用來判斷線形是否達到設(shè)計一致性。 瑞士采用理論速度模型分析平面線形的一致性瞄】。這種方法類似于美國l e i s c h 方 法，引入與運行速度相似的項目設(shè)計速度分布圖，根據(jù)速度的突變檢查公路設(shè)計不一致 的位置。項目設(shè)計速度是根據(jù)以平面和縱斷面的設(shè)計要素為參數(shù)的速度模型得到的。如 果項目設(shè)計速度超過傳統(tǒng)的設(shè)計速度，則以項目設(shè)計速度作為評價視距、超高和緩和曲 線長度的依據(jù)。英國運輸?shù)缆放c運輸研究所也進行了大量的試驗和調(diào)查工作，采用了線 性回歸的方法建立了各類車輛的平均運行速度模型瞄j 。 ( 5 ) 利用駕駛員工作負荷評價線形設(shè)計 駕駛員工作負荷模型主要是針對駕駛員駕駛汽車過程中的感知、反應(yīng)、與決策等過 程的腦力勞動。這些過程所需的時間多少對行車安全是至關(guān)重要的，往往決定著執(zhí)行過 程的結(jié)果。通常，駕駛員操縱車輛需要處理的信息越少，可以自由地保持視覺閉塞狀態(tài) 的時間越長，其工作量越小。相反，駕駛員需要處理的信息量越大，需要觀察路面的時 間越長，其腦力勞動強度越高，則工作負荷越大 2 1 。 美國m e s s e r 建立了一個基于公路幾何學(xué)評價駕駛員工作負荷的模型，初步的評價 顯示這種工作負荷評價方法對控制公路危險路段具有較好的作用。但該程序是人工操 作，基本上是主觀評價而不是客觀評價，難以對模型進行驗證，從而限制了其可信度。 為了改變上述駕駛員工作量估計主觀評價的不足，s h a f e r 開發(fā)的駕駛員工作量模型系統(tǒng) 中，采用了視覺閉塞法( t h ev i s i o no c c l u s i o nm e t h o d ) 的客觀方法來評價駕駛員工作負荷。 一7 一 公路線形設(shè)計質(zhì)量評價方法的研究 利用駕駛員工作負荷模型來評價公路線形設(shè)計的方法是以駕駛員工作量的變化作 為評價指標的。它的技術(shù)關(guān)鍵在于建立了平曲線上駕駛員工作量和直線上駕駛員工作量 的計算公式，但仍然為單個指標，缺乏具體的評價標準。 1 4 問題的提出 公路線形設(shè)計原則，體現(xiàn)了線形設(shè)計在公路設(shè)計中的重要程度。公路工程特別是高 速公路項目是一項復(fù)雜而且投資巨大的系統(tǒng)工程。公路條件主要是由公路線形決定的， 線形設(shè)計是公路設(shè)計的核心，它最終決定了公路的空間位置以及公路在駕駛員視覺中的 反映。公路建成后，要改變線形幾乎是不可能的，特別是對高速公路而言，它將長期影 響和限制汽車在公路上的運行。線形設(shè)計的好壞，對汽車行駛的安全、經(jīng)濟、舒適及通 行能力都起著決定性的作用，因此在線形設(shè)計時，必須對公路應(yīng)具有的性能與作用進行 充分慎重地研究，所以對公路的線形設(shè)計質(zhì)量進行評價的方法研究是很有意義的。 我國現(xiàn)行的公路工程技術(shù)標準( j t g b 0 1 - 2 0 0 3 ) ( 以下簡稱標準) 所規(guī)定的 各等級公路的線形設(shè)計標準值，只保障了汽車運動學(xué)和力學(xué)方面的最小安全值，即只規(guī) 定了各單個指標的最小值。我國在標準中的路線設(shè)計方法為以設(shè)計速度為基礎(chǔ)參數(shù) 的設(shè)計方法，即在設(shè)計中設(shè)計速度作為設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)用以規(guī)定最低設(shè)計標準，其他的 設(shè)計指標根據(jù)它相應(yīng)取定。一條公路的設(shè)計速度確定后，其相應(yīng)的圓曲線半徑、車道寬 度、超高、加寬、縱坡、視距、豎曲線半徑等設(shè)計要素的最低指標便確定了。只要設(shè)計 所采用的最小幾何指標大于所選定的設(shè)計速度所對應(yīng)的最小何指標，則認為該設(shè)計是符 合規(guī)范要求的。作為設(shè)計參數(shù)，設(shè)計速度規(guī)定了最低設(shè)計標準，是一個定值，一條公路 的設(shè)計速度確定以后，與此相關(guān)公路線形設(shè)計指標也就確定了。 但經(jīng)過多年的設(shè)計實踐，國內(nèi)外的設(shè)計者發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計方法本身就存在著缺陷，主 要表現(xiàn)為： ( 1 ) 線形設(shè)計要素與實際行車速度不相容 現(xiàn)行設(shè)計方法最顯著的特征是對于一個設(shè)計路段的設(shè)計車速是一個固定值，設(shè)計速 度作為基礎(chǔ)參數(shù)，規(guī)定了線形設(shè)計要素的最小指標值，卻沒有考慮是否能夠滿足實際行 車速度的要求。實際上，車輛在公路上行駛時，駕駛員是根據(jù)道路條件特別是線形幾何 條件來不斷調(diào)整車速的，實際車速經(jīng)常會超過設(shè)計速度。因此，滿足設(shè)計速度要求的道 路設(shè)計值，如視距、超高等不一定能夠滿足駕駛員選用的實際運行車速。 ( 2 ) 線形設(shè)計要素之間不相容 根據(jù)設(shè)計速度所做出的設(shè)計不一定能夠保證線形設(shè)計要素之間的相容性。我們在設(shè) 計中采用的最小線形設(shè)計值是指車輛按設(shè)計速度行駛，逐一駛過各個孤立的道路特征路 一3 一 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 段時保證安全行車的設(shè)計值。在丘陵和山嶺地區(qū)，經(jīng)常需要把縱面線形要素與平面線形 要素結(jié)合使用。一般認為，對孤立要素適用的最小值，在這些要素同時出現(xiàn)時可能就不 安全。因此，不少國家都強調(diào)要避免組合使用多種最小設(shè)計值。我國 7 6 0 k m h ) 上宜盡可能保證，而對于低速道路( v 4 0 k i n h ) 則有所放寬，參考執(zhí)行即可。在受到條件限制時，無論是高速路還是低速路，都宜將在 同向曲線間插入大半徑曲線或?qū)汕€做成復(fù)曲線、卵形曲線或c 形曲線。l ：規(guī)范規(guī) 定反向曲線間最小直線長度( 以m 計) 以不小于行車速度( 以k m h 計) 的2 倍為宜【4 】。 據(jù)鐵道部第四勘測設(shè)計院對行駛于長直線上的駕駛?cè)说恼{(diào)查，大多數(shù)駕駛?cè)嗽陂L直 線上行駛5 - - 6 m i n 后就會感到疲勞，心率下降，反應(yīng)變得遲鈍，速度判斷的準確性降低。因 此本文把直線分為以下幾個層次。詳見表2 1 公路線形設(shè)計質(zhì)量評價方法的研究 表2 1 直線評價表 t a b 2 1t h ee v a l u a t i o nl i s to fs t r a i g h tl i n e 同向曲線間l l 2 0 v 2 0 v 同向曲線間l 6 v 2 0 v 反向曲線間l 2 v 4 0 5 0 6 08 0 注：1 ) 峨行速度，鼬； 2 ) 8 3 產(chǎn)- 5 r a i n 內(nèi)運行長度； 3 ) 1 9 4 產(chǎn)- 7 0 s 內(nèi)運行長度。 ( 2 ) 圓曲線半徑 對于設(shè)計速度y 與運行速度之差較大的一般路段，在路拱橫坡度不變的前提下， 采用路段運行速度計算值計算圓曲線半徑。當采用路段運行速度計算的圓曲線半徑大于 設(shè)計速度對應(yīng)的圓曲線半徑時，應(yīng)該加大圓曲線半徑或者降低運行速度對應(yīng)的平曲線半 徑。圓曲線半徑采用式( 2 1 ) 進行計算【2 4 】： 礦2 r = ：墨 ( 2 1 )= 旦l( 2 ) 1 2 7 ( # + f ) 式中：卜路段運行速度要求的圓曲線半徑( m ) ； 瞄一運行速度計算值( k m h ) ： 橫向力系數(shù)： j 路拱橫坡度( ) 。 下表是設(shè)計規(guī)范【l 埒，規(guī)定的圓曲線的最小半徑要求和范圍。 表2 2 圓曲線最小半徑 t a b 2 2t h el e a s tr a d i u so fc i r c u l a rc u r v e 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 圓曲線越大，行車越舒服，但是最大不能超過1 0 0 0 0 m ，同時直線的長度也影響著圓 曲線的安全性。極限最小半徑是路線設(shè)計中的極限值【6 】，是在特殊困難的條件下不得已 才使用的，一般不輕易采用。一般最小半徑，一方面要考慮汽車在這種半徑的曲線上以 設(shè)計速度或以接近設(shè)計速度行駛時，旅客有充分的舒適感，另一方面也要注意到在地形 比較復(fù)雜的情況下不會過多的增加工程量。從舒適和安全的角度考慮，i i 應(yīng)取盡可能小 的值，以使乘客行駛在曲線上大致相同的感覺。我國標準所制定的“不設(shè)超高的最 小半徑 是取曠0 0 3 5 ，i h ( m a x ) 按照公式2 1 計算出來的。 ( 3 ) 緩和曲線長度 由于車輛要在緩和曲線上完成不同曲率的過渡行駛，所以要求緩和曲線有足夠的長 度，以使司機能從容地打方向盤，乘客感覺舒適，線形美觀流暢，圓曲線上的超高和加 寬的過渡也能在緩和曲線內(nèi)完成【2 5 】。緩和曲線長度的確定 依據(jù)離心加速度變化率小于等于o 6 ，即乘客的舒適感： l , = 0 0 0 3 6 ； 億2 ， 依據(jù)司機操作反應(yīng)時間( 至少3 s ) ： 厶= 0 8 3 v ( 2 3 ) 依據(jù)視覺條件： 。= 竺。r ( 2 4 ) 。 9 這三個方面來確定緩和曲線長度的。規(guī)范規(guī)定【l 】如下表2 3 表2 3 緩和曲線的最小長度 t a b 2 3t h em i n i m u ml e n g t ho f t r a n s i t i o nc u r v e 最后取最大值作為緩和曲線的長度，并且在允許的條件下，考慮緩和曲線和圓曲線 的配合，盡量滿足緩和曲線與圓曲線1 ：l ：1 到1 ：3 ：l 的比例。 ( 4 ) 平曲線的長度 公路的平曲線一般情況下應(yīng)具有設(shè)置回旋線( 或超高、加寬緩和段) 和一段圓曲線 的長度。若曲線過短，司機操作方向盤頻繁，在高速駕駛的情況下是危險的。同時，如 不設(shè)置足夠長度的曲線使離心加速度變化率小于一定數(shù)值，從乘客心理狀況來看也是不 公路線形設(shè)計質(zhì)量評價方法的研究 好的。一方面，當轉(zhuǎn)角7 。以下時，曲線長度就顯得比實際短，另一方面也引起曲線半 徑很小的錯覺，確定平曲線的最小長度應(yīng)按以下幾個方面考慮： 曲線過短、司機操作困難。根據(jù)經(jīng)驗至少要有6 s 的行駛時間。因此，最小長度 為：k = v t = ( v 3 6 ) x 6 = 1 6 7 v ( m ) ( 2 5 ) 當受條件限制時，汽車在圓曲線行駛至少要有3 s 的時間。 滿足離心加速度變化率所要求的曲線長度。當平曲線由兩個緩和曲線組成時， 依離心加速度允許變化率確定。 三= 2 z ：2 w ：o 0 7 2 芝( 2 6 ) 尺 視覺的要求。當曲線轉(zhuǎn)角口 s 吼2 云卜百4j 億8 ， 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 式中：卜豎曲線長度； 兄，一最小豎曲線半徑： 。卜視距： 厶廣一縱剖面坡度值的代數(shù)和。 凹形豎曲線半徑除應(yīng)滿足行車舒適、限制離心力不要過大的要求外，還應(yīng)保證夜間 行車車頭燈照射距離以及行駛跨線橋下時行車視距不受影響。若汽車行駛在凹形曲線上 夜間行車車頭燈照射距離必須保證不小于停車視距。設(shè)車頭燈高出地面0 7 5 m 。車頭燈 光束擴散角萬= 14 ，則 當l s 時，k = s 2 4 5 + 0 0 3 5 s ( 2 9 ) 凱媽吼k 2 云ls 一半產(chǎn)j 億 汽車行駛在凹形曲線上，必須保證橋梁結(jié)構(gòu)物不影響行車視距。設(shè)橋下凈空為4 5 m ， 司機視線高1 2 m ，障礙物高度按最不利條件為0 7 5m ，則 當l s 時，氏= s 2 2 6 9 5 ( 2 1 1 ) 當l s 時，k = ( 2 8 - 2 6 。9 2 ) a ； ( 2 1 2 ) 符號同上。 結(jié)合以上公式，求得在各種速度下的滿足公路行車視距所需最小豎曲線半徑。見 下表 表2 5 按9 s 行程為通視視距的凸形豎曲線計算極限半徑 t a b 2 5 a c c o r d i n gt on i n es e c o n dd i s t a n c ef o rs t a d i ai nc o n c c x i t y v e r t i c a lc u r v ec o m p u t a t i o nl i m i tr a d i u s 公路線形設(shè)計質(zhì)量評價方法的研究 標準規(guī)定的一般最小半徑約為極限最小半徑的1 5 2 0 倍，在條件許可時應(yīng)盡 量采用大于一般最小半徑的豎曲線為宜，但是我國沒有規(guī)定最大半徑的范圍。以此可以 得到如下的豎曲線的取值評分標準表2 7 、表2 8 。 表2 7 凸形豎曲線半徑的評價表 t a b 2 7t h ee v a l u a t i o nl i s to f r a d i u so f c o n v e x i t yv e r t i c a lc u r v e 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 ( 6 ) 豎曲線長度 汽車從直坡道行駛到豎曲線上，盡管豎曲線半徑較大，如其長度過短，汽車倏忽而 過旅客感到不舒適。因此，應(yīng)限制汽車在凸形豎曲線上的行程時間不過短。：標準中 規(guī)定滿足3 秒行程，即 k = v 1 2 ( 2 1 3 ) 在凹形豎曲線中，豎曲線的長度與坡差有關(guān)，即： k = 國 ( 2 1 4 ) 平曲線與豎曲線應(yīng)相互重合，且平曲線應(yīng)稍長于豎曲線，最好使豎曲線的起終點分 別放在平曲線的兩個緩和曲線內(nèi)，即所謂的“平包豎一。根據(jù)德國計算統(tǒng)計，若平曲線 半徑小于1 0 0 0 m ，豎曲線半徑大約為平曲線半徑的1 0 - 2 0 倍時，便可達到均衡的目的。 標準規(guī)定豎曲線最小長度如表2 9 。 公路線形設(shè)計質(zhì)量評價方法的研究 平、縱線形組合設(shè)計是指在滿足汽車運動學(xué)和力學(xué)要求前提下，研究如何滿足視覺 和心理方面的連續(xù)、舒適、與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)和良好的排水條件。平曲線與豎曲線大小 應(yīng)保持均衡，合理組合，取值時應(yīng)相互對應(yīng)鯽。 ( 7 ) 視距 在公路設(shè)計中，行車視距是一項綜合性指標，它與公路的平面、縱斷面、橫斷面及景 觀設(shè)計有非常密切的關(guān)系。為了保證行車安全，司機在行車時，需要隨時都能看到公路前 方的一定距離，以便發(fā)現(xiàn)障礙物或?qū)τ鎭碥嚥扇⊥＼嚒⒈茏?、錯車或超車等措施，為完 成這些操作過程所必需的、最短時間內(nèi)的汽車行駛路程稱為行車視距。行車視距s 包括 停車視距s 。、超車視距s 。、會車視距s 。其中停車視距s 。為【2 6 】： 廣1 2 s t _ s t + s 2 + s a 2 磊vt + 上l 去l + 3 3(215)29f33 6 i6 j 式中：s 司機的反映距離( m ) ； 島制動距離( m ) ： 島安全距離，一般取5 1 0 m ； 礦行車速度( k i n h ) ； 芒司機反應(yīng)時間，一般t = 2 5 s ； g 重力加速度； ，輪胎與路面的縱向摩擦系數(shù)。 會車視距s 。不小于停車視距的兩倍( 即s 。術(shù)2 s 。) ，超車視距s 。分為全超車視距和最 小超車視距。 平面設(shè)計中行車視距的保證主要取決于平曲線半徑的大小。當平曲線半徑大到足以 保證行車視距時，從行車道中心線到障礙物邊緣的側(cè)向距離為保證行車視距時的凈空限 界，該平曲線半徑稱為臨界半徑。臨界半徑r 與橫凈距h 、行車視距s 的關(guān)系如下： r = s h ) ( 2 1 6 ) 式中，s 可按司機反應(yīng)時間t = 2 5 s 由公式( 2 1 5 ) 計算而得。w 為行車道寬度，l 為 路肩寬度，m 為中間帶寬度，a 為側(cè)帶寬度，于是保證標準橫斷面范圍內(nèi)視線寬度為： 右轉(zhuǎn)彎時：h = w