谷秀丽

（张家口翰得交通公路勘察设计有限责任公司，河北 张家口 075000）

1 引言

随着不断增加的高速公路改扩建项目，在工程中各种横断面扩宽方案得到越来越广泛的应用。具体有如下4种类型：两侧和单侧加宽、两侧和单侧分离。因平原微丘区域地势平坦，相对高差较小，基本上地形条件对高速公路的改扩建施工所产生的影响较小，施工时多采用两侧加宽的方法；因山岭重丘区地形复杂，且相对高差较大，有着较为脆弱的生态条件，因此，若加宽双侧则需要较大的填挖量，对生态环境有一定的破坏，因此，在该种地质环境下多使用单侧加宽/分离的方式进行施工。因单侧加宽的方案有较高的构造物利用率，不仅可以起到节约资源的作用，还能使工程造价有所降低，即可有效确保施工时交通的通畅性，还能绕过路侧构造物，因此，在改扩建施工中，单侧加宽已逐渐成为重要类型。

2 旧路加宽行车安全性

将半幅路基拼接到高速公路左侧或右侧区域，给车辆提供一个方向的行车道，旧路作为另一方向行车道的方案即为单侧加宽方案。当前多使用从中央倾斜到两侧的形式作为高速公路一般路段的路拱横坡，且在两幅老路中间设置中央分隔带，将原有高速公路的双向车道改建成单向车道后，为使交通运作正常，需改造其路拱横坡度和中央分隔带。

当扩建一侧的土地资源较为充足，则可以将旧路的中央分隔带保存下来，并将中央分隔带的开口设置到互通出入口附近，以便于内侧车辆驶入或驶出互通。若新建路基侧土体较为缺乏，需将中央分隔带拆除，并连接好两幅旧路后再对车道进行划分。当前，国内关于中央分隔带开口条件的研究多局限在转弯掉头位置，而关于互通出入口的研究则较少[1]。此外，关于单向双路拱路面缺乏详细规范。

因为行驶在单向双路拱路段的车辆在对路拱线进行跨越时的安全性还需进行论证，一般情况下都是将厚度一定的路面结构层加铺到既有道路的双向路拱横坡路面上，以将其改造成单向横坡。而在改造后的单向横坡中，跨越路拱线超车或变道的行为将存在一些安全问题。

高速公路改扩建在将同向车道中央分隔带保留下来时，可以有效分隔开有较高行驶速度和较低行驶速度的车辆，降低高速行驶车辆受低速车辆的影响，使道路服务能力和通行性能有所提高，并缩小工程规模，使工程造价有所降低。且不需要将中央分隔带中的管线向外侧偏移，施工时仅有较小的交通流影响，分隔带中的植物可以对环境进行美化，使驾驶疲劳有所缓解。因此，若新建路基侧土地资源较为充足，从考虑经济性和安全性的角度出发，采用保留中央分隔带的施工方式最为合理。

在设计单侧加宽旧路侧时，单向双路拱路面行车安全性是其重点所在。

3 车辆转弯半径

当前，关于车辆换道模型已有较多研究[2-3]，本文在现有的研究基础上，提出基于圆形运行轨迹的换道模型，具体如图1所示。该模型以连续反向的圆曲线相连的形式简化了车辆换道行驶过程。假设车辆换道时改变了前进方向，但保持速度不变，行驶车道的中心线位置为换道的起点，目标车道的中心线位置为换道的终点，车辆换道前后均以道路前进方向作为行驶方向，方向盘在换道时所发生的改变为瞬时性的，车辆从现有车道到分界线的行驶过程表现为匀速圆周运动，而从分界线行驶到目标车道时主要表现为反向匀速圆周运动。本文在该模型基础上对单向双路拱路面行驶的车辆在实现跨越路拱线时，运行速度和换道时间均不同条件下的转弯半径进行计算，所得结果如表1所示。

图1 圆形运行轨迹换道模型

从表1可知，在单向双路拱路面上行驶的车辆要想实现车道的变换，若车辆有3 s以上的换道时间，相比于圆曲线极限最小半径，车辆有着更大的转弯半径，即不会因过于急促的转弯而导致车辆产生倾覆。若车辆有3 s以下的换道时间，则换道时的转弯半径小于极限半径，即换道转弯有一定的危险性。

表1 车辆行驶轨迹半径/长度m

4 行驶轨迹长度

车辆在单向双路拱路面行驶时，若想完成换道，必须要跨越路拱线，此时车辆在水平投影上表现为一曲线，在垂直投影上表现为一双向路拱横坡。在变道时，车辆纵向坡度的渐变率对车辆的行驶安全性有直接影响[4]。在换道的整个过程中，渐变的纵向坡度和超高渐变类似，考虑到安全性，将最大纵坡渐变率确定为最大超高渐变率，车辆换道轨迹的最小长度如表2所示。

表2 车辆换道行驶轨迹最小需求长度m

从表2可知，换道时车辆的行驶轨迹长度可以有效符合纵向坡度渐变的要求。

5 车辆稳定性分析

5.1 车辆受力分析

从车辆变道时的轨迹变化情况可以看出，车辆在此过程的受力情况与超高过渡段的受力情况进行一致，因此，采用超高过渡段理论模拟该种情况。当车辆在单幅双路拱路面上进行路拱线跨越以完成换道时，不管是换道到哪侧，车辆始终受到反超高的作用。此时，离心力和重力均指向离心方向，不利于行驶的安全性。而轮胎和路面间出现的横向摩阻力则朝向向心方向，可以使重力和离心力的水平分力作用得到有效抵消，若车辆承受的重力和离心力水平分力之和在横向摩阻力之上时，车辆便会有失稳现象出现。

车辆在换道时的竖向力对车身有稳定作用，而横向力对车身稳定则较为不利。车辆在反超高路段行驶时，横向力逐渐增大，竖向力逐渐减小，不利于行车稳定。基于新建道路路线设计规范，在行车稳定性中以横向力系数作为评判指标。

5.2 横向力系数分析

作为车辆换道时的不稳定影响，车辆在横向力系数过大的情况下容易有滑移等现象出现，不利于安全。为提高安全性，必须确保以下临界条件得到满足：一是横向力系数必须小于横向摩阻系数；二是车辆倾覆力矩必须小于稳定力矩。

为确保行驶车辆的安全和稳定，一般情况下，车辆有着较低的底盘和重心，且汽车的轮距约等于2倍的汽车重心高度，则横向力系数应该小于1，以避免车辆倾覆。而横向摩阻系数往往小于0.5，则车辆不滑移的条件为横向力系数比0.5小，因此，针对变道车辆，只要不会有横向滑移产生，就不会有横向倾覆出现。

从现有研究可以知道，对驾驶员舒适度有最大影响的指标是横向力系数。当横向力系数在0.10以下时，驾驶员不会察觉到有曲线存在，有着较为平稳的行车；当横向力系数等于0.15时，驾驶员可察觉到曲线，但行车平稳；在0.20～0.35的横向力系数下，驾驶员可察觉曲线，且行车有不平稳现象；在0.40的横向力系数下，有较差的转弯稳定性且还可能出现倾覆。

当车辆在单幅双拱路面上想实现对路拱线的跨越以完成换道时，在3 s以下的换道时间内有较大的横向力系数，车辆行驶时稳定性较差且可能会出现倾覆；在3 s的换道时间下有约等于0.20的横向力系数，驾驶员在换道时可以有效感觉曲线的存在且略微有不平衡感；在3 s以上的换道时间下，驾驶员可有效跨越路拱线并成功实现换道。

此外，横向力系数和摩阻系数是判断行车稳定的重要条件。车辆行驶速度以及路面材料等均会对横向摩阻系数造成影响。一般情况下，以0.4～0.8作为干燥路面的横向摩阻系数的取值范围；以0.25～0.40作为潮湿沥青路面上车辆较高行驶速度时的横向摩阻系数取值范围；以小于0.2作为结冰或积雪路面的横向摩阻力系数取值。相关研究结果表明，在单幅双拱路面的路拱线处有“路脊”存在，对排水较为有利，与路拱线接近的车道不会容易出现积水，路面在下雨天时的横向摩阻系数要比3 s换道时间下计算得到的路面横向力系数要大，即单幅双路拱位置的车辆在降雨天气做出跨越路拱以实现换道时不会轻易有滑移出现。

从现有研究可知，车辆约有1 m/s的横向移动速度。但国内高速公路行车宽度一般为3.75 m，即要完成换道的时间一般为3.75 s。因此，车辆在单向双路拱路面的实现换道时的各项指标均可满足安全性的要求。采用单侧加宽改扩建时，对于行车安全性而言，连接既有高速公路中央分隔带之后出现的单向双路拱路面仅有较小影响，若新建路侧没有足够的土地资源，可将中央分隔带拆除后连接两幅老路，对车道进行重新规划以给车辆行驶提供一个方向的行车道。

6 结语

通过对单侧加宽旧路侧的通行问题进行研究，确定单向双路拱路面的行车安全是其主要问题。建立车辆的换道模型和受力模型，对单向双路拱路面的行车安全进行分析，从理论上对单幅双路拱的行车安全进行证明。