考慮安全和經(jīng)濟(jì)性的高速公路立體交叉變速車道設(shè)計

袁國泰

(甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

中國高速公路與世界其他國家高速公路相比，具有路程長、路況復(fù)雜、交通承載量大等特點(diǎn)。高速公路互通式立體交叉變速車道是指高速路與匝道交叉的路口段，供行駛的車輛進(jìn)行變速和駛?cè)?、駛出匝道。高速公路變速車道的設(shè)計在一定程度上保障了汽車的行駛安全[1]。若高速公路變速車道設(shè)計不科學(xué)，會導(dǎo)致減速車道的車輛無法準(zhǔn)確地判斷出入口，而加速車道的車輛則無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地加速超車，嚴(yán)重時可能造成交通事故[2]。相關(guān)研究結(jié)果表明：48%的高速公路交通事故發(fā)生在高速公路的變速車道交匯處。高速公路變速車道的合理設(shè)計能很大程度地降低高速公路的事故發(fā)生率。較長的高速公路變速車道能在一定程度上降低事故發(fā)生的概率，但常常伴隨著高昂的成本。因此，安全和經(jīng)濟(jì)性均衡的高速公路互通式立體交叉變速車道的設(shè)計尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者針對高速公路互通式立體交叉變速車道已經(jīng)有了諸多研究。楊杰超[3]通過建模的方式，從成本的角度分析了變速車道長度的合理設(shè)計值。黃建峰等[4]將相關(guān)的經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法應(yīng)用到互通式立交變速車道的研究中，通過建立事故統(tǒng)計模型并結(jié)合成本分析的方法提出了相應(yīng)的變速車道長度建議值。史靜等[5]對比了美國、日本的高速公路變速車道的設(shè)計規(guī)范，系統(tǒng)地分析了高速公路互通式立體交叉變速車道長度的合理范圍。王董晶[6]從變速車道的形式和車道控制參數(shù)等方面入手，重點(diǎn)闡述了變速車道橫縱坡的設(shè)計因素。

本文基于上述文獻(xiàn)的研究，綜合考慮了變速車道在經(jīng)濟(jì)、安全、適用性等各方面的條件，設(shè)計了各方面因素較為均衡的高速公路互通式立體交叉變速車道。

1 高速公路變速車道定義及特點(diǎn)

1.1 變速車道的定義

高速公路變速車道在保障汽車安全行駛方面起到重要的作用。立體交叉變速車道主要組成部分如圖1所示。立體交叉變速車道在設(shè)計時主要考慮的是加速車道、減速車道。

圖1 立體交叉變速車道主要組成部分

1.2 變速車道形式及特點(diǎn)

高速公路的變速車道總體上可以劃分為兩種，分別為平行式和直接式。

1.2.1 平行式變速車道

平行式變速車道是在正線外側(cè)平行增設(shè)的一條附加車道。平行式變速車道的特點(diǎn)是車道劃分明確、行車容易辨認(rèn)。其包含加速車道和減速車道。

平行式變速車道形式如圖2所示。

圖2 平行式變速車道形式

平行式加速或減速車道是指將變速車道作為一個附加的車道增加在高速公路一旁，并與其保持平行。平行式變速車道的優(yōu)點(diǎn)是車輛在行駛的過程中有足夠的空間進(jìn)行加速或減速，可以相應(yīng)地增加司機(jī)的反應(yīng)時間。

1.2.2 直接式變速車道

直接式變速車道不設(shè)平行路段，由正線斜向漸變加寬，形成一條與匝道連接的附加車道。直接式變速車道也包含加速車道和減速車道。

直接式變速車道形式如圖3所示。

圖3 直接式變速車道形式

直接式加速或減速車道是指附加在高速公路主干道的一段附加車道。直接式變速車道的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在整體變速的過程中車輛一直保持著原來的形式和方向，不用變化車道，減少了變化車道帶來的交通事故。

2 變速車道長度研究

2.1 加速車道長度確定

目前，針對高速公路變速車道模型的研究方法基本相同，都是假設(shè)高速行駛的車輛進(jìn)入變速車道時就維持一定的速度[7]。具體的計算如式(1)所示。

(1)

式中：LAcc為車輛在加速過程中所需要的變速車道的長度；vm為車輛在變速車道上匯合之后的速度；vr為車輛駛出匝道時的瞬時速度；a為行駛車輛的加速度。

車輛的加速度的計算式為：

(2)

式中：v為汽車行駛的速度;t為時間;g為重力加速度；ε為車輛在加速過程中的阻尼比；η為機(jī)械效率；Bh為車輛有效輸出馬力；W為車輛整體的重量；μ為車輛的滾動摩擦系數(shù)；R為空氣阻力系數(shù)；A為車輛投影面積。

2.2 減速車道長度確定

車輛在減速的過程中，要完成車道之間的轉(zhuǎn)換，以及車輛行駛速度由高速向低速之間的轉(zhuǎn)變。減速車道主要作用是為主線交通流中的車輛駛出提供出口，并為使車輛達(dá)到與匝道線形比較適合的車速提供安全的附加車道。減速車道設(shè)計長度的計算式需要根據(jù)車輛的實(shí)際減速要求設(shè)計。

(3)

式中：LDecel為車輛減速車道所需要設(shè)計的長度；vh為車輛在匝道分流時的瞬時速度；va為車輛在減速過程中的平均速度；dn為車輛在第一個階段減速過程中的加速度；tn為車輛在第一個階段減速過程持續(xù)的時間；dwb為車輛在第二個階段減速過程中的加速度。

va=vh+dntn

(4)

3 影響變速車道設(shè)計的因素

影響變速車道設(shè)計的因素有很多。這些因素有的來自駕駛員，有的來自不同車輛的動力性能，還有的來自公路線形本身指標(biāo)。

3.1 駕駛員的因素

駕駛員的因素通過駕駛員的生理和心理特性體現(xiàn)。由于變速車道的作用是為了汽車在行駛的過程中能夠安全、快速地駛?cè)牖蝰偝鲈训?，所以變速車道的合理設(shè)計對車輛的行車安全、交通順暢起到很大的作用。如果高速公路的變速車道設(shè)計得太短，那么匝道上的車輛就極有可能出現(xiàn)排隊(duì)的現(xiàn)象，影響后續(xù)車輛的行駛安全。如果高速公路的變速車道設(shè)計得太長，會增加其建設(shè)的成本，同時駕駛員在行駛的過程中會出現(xiàn)注意力不集中的情況。

3.1.1 駕駛員的視距

在汽車行駛的過程中，駕駛員在汽車內(nèi)會有一定的視野局限，并不能完全掌握周圍的交通情況。

3.1.2 駕駛員的視覺特征

駕駛員的視覺信息會受到很多因素的影響，包括反應(yīng)時間、視野等。由于駕駛員在行駛的過程中主要通過視覺接收外界的信息，所以駕駛員的視覺特征很大程度上影響了行車的安全。針對駕駛員的相關(guān)視覺特征，汽車在行駛的過程中會有一個安全的速度。駕駛員視力與汽車安全行駛速度的關(guān)系如表1所示[8]。

表1 駕駛員視力與汽車安全行駛速度的關(guān)系

3.2 車輛動力性能的因素

不同汽車的性能有所區(qū)別，導(dǎo)致了汽車在行駛過程中會出現(xiàn)不同的安全距離。針對不同的車輛，在其行駛過程中需單獨(dú)考慮變速時的車速和方向。當(dāng)不同車型行駛于變速車道時，所需的安全變速行駛長度也是不同的。以上因素對變速車道長度的選取造成了很大的困難。路線設(shè)計規(guī)范要求必須針對車道上主要的代表車型進(jìn)行變速車道的長度設(shè)計。按照我國的公路設(shè)計規(guī)范，須選取車道上的代表車型作為設(shè)計時的車輛進(jìn)行考慮。

3.3 公路線形本身指標(biāo)的因素

公路線形本身指標(biāo)影響因素主要是指公路的平、縱、橫等幾何線性指標(biāo)和它們之間的線形組合對變速車道長度的影響。公路在設(shè)計相關(guān)指標(biāo)時都會一定程度影響汽車行駛的速度，從而間接影響高速公路變速車道的長度。影響變速車道設(shè)計的主要因素是公路相關(guān)的平、縱、橫的指標(biāo)。規(guī)范提供的彎道半徑與汽車設(shè)計速度關(guān)系如圖4所示。

圖4 規(guī)范提供的彎道半徑與汽車設(shè)計速度關(guān)系

由圖4可知：當(dāng)變速車道的彎道半徑不同時，汽車駕駛員在行駛過程中的運(yùn)行速度表現(xiàn)出不同的特性。當(dāng)彎道半徑小于700 m時，隨著半徑逐漸增加，駕駛員的駕駛速度也按正比例提升。當(dāng)彎道半徑在700 m以上時，隨著半徑逐漸增加，駕駛員的駕駛速度緩慢增加，甚至不變。

汽車行駛速度和橫向力系數(shù)關(guān)系曲線如圖5所示[9]。由圖5可知：當(dāng)高速公路彎道半徑小于設(shè)計值時，汽車的橫向力系數(shù)與行駛速度關(guān)系曲線呈現(xiàn)非常陡的狀態(tài)。這說明了當(dāng)駕駛員行駛在彎道比較小的高速公路時，其整體的行駛舒適性會降低，甚至有可能影響其行駛的安全。

4 變速車道建設(shè)成本與效益成本比

4.1 變速車道建設(shè)成本模型

本小節(jié)進(jìn)一步統(tǒng)計和分析國內(nèi)高速公路互通式立交變速車道相關(guān)的交通情況。根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]的造價估算模型，并結(jié)合統(tǒng)計學(xué)的方法，本文構(gòu)建的高速公路變速車道長度建設(shè)成本模型如式(5)所示。

CZ=578.84Y1+103.83Y2+249.52Y4-371.43×

4 807.22 lg(Y7)+507.63Y8+12 964.27

(5)

式中：CZ為建立高速公路互通式立交變速車道單位長度的成本；Y1為高速公路路基的寬度；Y2為高速公路路基在施工過程中填土的高度；Y3為路面的結(jié)構(gòu)面厚度；Y4為路面的面層厚度；Y5為橋隧比；Y6為征地所用的面積；Y7為高速公路互通式立交的綠化長度；Y8為互通式立交的交叉數(shù)量。

根據(jù)式(5)可以估算出變速車道長度建設(shè)成本。其中，Y1=10 m；Y2=0.8 m；Y3=54 cm；Y4=20 cm；Y5=0；Y6=15 km2；Y7=1 km；Y8=1個。由此可以得出CZ=19 587.52萬元。

4.2 效益成本比

根據(jù)4.1節(jié)確定的建設(shè)成本模型和文獻(xiàn)[11]變速車道事故統(tǒng)計模型、直接財產(chǎn)損失數(shù)據(jù)，本文建立的高速公路互通式立體交叉變速車道的效益成本比為：

(6)

式中：B為單位里程變速車道長度增加時事故數(shù)量和直接財產(chǎn)損失減少帶來的效益；C為單位里程變速車道長度增加產(chǎn)生的建設(shè)成本；ΔN為增加變速車道相應(yīng)減少的交通事故數(shù)量；L為變速車道的長度。

圖6 規(guī)范提供的彎道半徑與汽車行駛速度關(guān)系

由圖6可知建立高速公路互通式立體交叉變速車道的設(shè)計建議值。出口/入口變速車道長度建議值如表2所示。

表2 出口/入口變速車道長度建議值

5 結(jié)論

由于我國的高速公路的交通路況、承載量等與其他國家都不盡相同，所以在統(tǒng)計交通數(shù)據(jù)時應(yīng)結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行狀況。對于高速公路互通式立體交叉變速車道的設(shè)計，本文采用已運(yùn)行的高速公路作為數(shù)據(jù)采集對象。本文根據(jù)以往高速公路的統(tǒng)計結(jié)果，分析了變速車道的長度設(shè)計值。依照相關(guān)設(shè)計規(guī)范，互通式立體交叉變速車道的設(shè)計應(yīng)結(jié)合不同車輛的速度、乘車人員的舒適度、交通事故發(fā)生的概率等因素。本文通過采納變速車道的效益成本比和相關(guān)交通運(yùn)行的參數(shù)，最終形成互通式立體交叉變速車道長度的合理設(shè)計模型。