城市道路交叉口改善設(shè)計(jì)

陳佳宇，王世明，李金果，孫夫強(qiáng)

(北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京 100044)

交叉口設(shè)計(jì)是城市道路交通工程中的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作，設(shè)計(jì)的規(guī)范性與正確性與否將直接影響城市道路系統(tǒng)的通行能力與安全品質(zhì)。相交道路的各種車輛和行人都要在交叉口處匯集，轉(zhuǎn)換方向并相繼通過(guò)［1］。由于交叉口車多、人多，車輛和車輛之間、車輛和過(guò)街行人間、特別是機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車之間的搶道、干擾，不但會(huì)降低車速，阻滯交通，而且也容易發(fā)生交通事故，因此交叉口成為道路網(wǎng)中通行能力的瓶頸和交通事故的多發(fā)地。如何更好的設(shè)置交叉口，合理地組織交通，對(duì)于提高交叉口的車速和通行能力，減少延誤和交通事故，避免交通阻塞以及保障交叉口行車通暢，都具有重要的意義［2］。

1 設(shè)計(jì)原始資料

1.1 交叉口的位置

本次設(shè)計(jì)選取的是石家莊市裕華路和談固大街所在的交叉口，見(jiàn)圖1。裕華路是石家莊的城市交通大動(dòng)脈，作為連接省城橋東、橋西的樞紐，自西向東分別橫穿了城市中心行政區(qū)和一環(huán)中心城區(qū)，同時(shí)連接著東南分區(qū)、火車站老商業(yè)圈、自強(qiáng)路金融區(qū)、北國(guó)商圈、博物館商圈、快速路槐安路居住區(qū)等重要商住區(qū)域，在各區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展等方面起著關(guān)鍵性作用。談固大街是一條次干路，路上車流量較小。該交叉口的交通量東西方向較大，南北方向較小，因此為了減少車輛延誤時(shí)間，保證車輛快速、安全的行駛，需要對(duì)該交叉口進(jìn)行重新渠化。

1.2 交叉口的地形

圖1 裕華路和談固大街交叉口Fig.1 Intersection of Yuhua Road and Tangu Street

在本次設(shè)計(jì)中，交叉口所在的地形為西北高，東南低，東西方向和南北方向的縱坡坡度為1.8%，各車道的路拱橫坡坡度為1.5%。交叉口中心控制點(diǎn)O點(diǎn)的標(biāo)高為80.00m。

1.3 交叉口的交通量

年第30位小時(shí)交通量，即年第30位最大小時(shí)交通量，指將1年內(nèi)所有小時(shí)交通量，按從大到小的順序排列，序號(hào)第30位的小時(shí)交通量［3］。研究表明，第30位小時(shí)交通量與年平均日交通量之比k值十分穩(wěn)定，所以設(shè)計(jì)小時(shí)交通量一般采用年第30位小時(shí)交通量。本設(shè)計(jì)中的交通量如表1所示。

表1 交叉口設(shè)計(jì)小時(shí)交通量Table 1 Design of hourly traffic volume of the intersection

1.4 交叉口的經(jīng)濟(jì)狀況

裕華主干道連接著東南分區(qū)、火車站老商業(yè)圈、自強(qiáng)路金融區(qū)等重要商住區(qū)域，裕華路與談固大街主干道兩側(cè)、居民區(qū)附近建設(shè)有街旁游園，可以滿足群眾休閑、健身、觀賞等需求。道路兩側(cè)的燃?xì)?、供水、熱力、環(huán)衛(wèi)、公交、污水處理等基礎(chǔ)設(shè)施比較完善，而且隨著對(duì)擺攤設(shè)點(diǎn)、廣告設(shè)置和夜景照明等的規(guī)范管理，沿線居民以及人員流動(dòng)量不斷增多，人們對(duì)道路交通網(wǎng)的要求也越來(lái)越高，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)交叉口的完善提出了更高的要求。

2 交叉口處通行能力

2.1 交叉口處通行能力的影響因素

2.1.1 多車道對(duì)通行能力的影響

在一些城市主干道上，同一行駛方向的車道數(shù)往往不止一條，在多車道的情況下，同向行駛的車輛由于超車、超越和停車等原因影響另一車道的通行能力。一般越靠近路中心線的車道，受到的影響越小。因此，在無(wú)分隔帶的同向車行道上，靠近路中心線的車道通行能力最大;靠近緣石的車道，通行能力最小。對(duì)通行能力的影響用折減系數(shù)α條來(lái)表示，自路中心線起第1條車道的折減系數(shù)α條假設(shè)為1.00，其余車道的折減系數(shù)依次為:第2條車道0.80～0.89，第3 條車道0.65 ～0.78，第4 條車道0.50 ～0.65，第5 條車道 0.40 ～0.52［2］。

計(jì)算每一進(jìn)口道的通行能力時(shí)，以第2條車道的折減系數(shù)為基準(zhǔn)，所以取

2.1.2 行人過(guò)街對(duì)通行能力的影響

行人過(guò)街對(duì)道路通行能力的影響與行人過(guò)街的密度有關(guān)，據(jù)北京市的觀測(cè)，當(dāng)雙向過(guò)街人數(shù)達(dá)500次/h時(shí)，其折減系數(shù)α人=0.63。所選交叉口的行人過(guò)街量與此條件相符，因此，取

2.1.3 車道寬度對(duì)通行能力的影響

當(dāng)車道的寬度小于必需的3.5 m時(shí)，會(huì)影響車速，導(dǎo)致通行能力下降，其相應(yīng)的折減系數(shù)α車道見(jiàn)表2。

表2 車道寬度的折減系數(shù)Table 2 Reduction factor of lane width

本設(shè)計(jì)車道寬度均采用標(biāo)準(zhǔn)寬度3.5 m，因此，由表2得:

2.2 交叉口處通行能力的計(jì)算

城市道路路段行車速度一般為50 km/h，《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］要求交叉口處車速一般為路段行車速度的0.5～0.8，直行車取大值，轉(zhuǎn)彎車取小值，一般因行人、自行車的原因?qū)е碌缆窊頂D時(shí)在0.5～0.6內(nèi)取值。本設(shè)計(jì)所選交叉口行人、自行車較多，道路較擁擠，取0.6可計(jì)算得出行車速度的相對(duì)最大值。因此，所選交叉口的行車速度V為:

由文獻(xiàn)［3］按最小的安全車頭時(shí)距t0=2.71 s計(jì)算通行能力N，由文獻(xiàn)［4］得所選交叉口處的基本通行能力N基本為:

由文獻(xiàn)［5－6］可知設(shè)計(jì)通行能力

式中，αi為道路實(shí)際條件各因素的影響系數(shù)。

由文獻(xiàn)［5－6］得:

式中，αc為地區(qū)類型修正系數(shù)(服務(wù)水平系數(shù))，其中快車道取0.75，主干道取0.8，次干道取0.85。本文東西向?yàn)橹鞲傻?，南北向?yàn)榇胃傻馈?/p>

2.3 車道數(shù)的確定

因城市道路以小型車為主，所以取以小型車為標(biāo)準(zhǔn)的換算系數(shù)，即小型車為1.0，中型車為1.5。結(jié)合表1數(shù)據(jù)，計(jì)算出以小型車為主的設(shè)計(jì)交通量，見(jiàn)表3。

表3 交叉口轉(zhuǎn)換后的設(shè)計(jì)小時(shí)交通量Table 3 Design of the transferred hourly traffic volume of the intersection

根據(jù)文獻(xiàn)［7］:

通過(guò)計(jì)算，東西向設(shè)為雙向六車道，南北向設(shè)為雙向四車道。

2.4 現(xiàn)狀仿真結(jié)果分析

圖2 交叉口信號(hào)配時(shí)現(xiàn)狀仿真模擬Fig.2 Simulation of status quo signal timing of the intersection

在本次的設(shè)計(jì)中，根據(jù)已有的計(jì)算數(shù)據(jù)，利用Synchro仿真軟件，對(duì)本次設(shè)計(jì)的交叉口信號(hào)配時(shí)現(xiàn)狀進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果見(jiàn)圖2。

在做完仿真以后，可以生成一個(gè)文本文件，里面列出了各相位延誤、總延誤等數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 交叉口信號(hào)配時(shí)現(xiàn)狀仿真結(jié)果Table 4 Simulation results of status quo signal timing of the intersection

雖然該軟件的一些參數(shù)不符合中國(guó)的實(shí)際情況，導(dǎo)致仿真結(jié)果可能存在一定誤差。但在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中，還是可以反映一定的問(wèn)題的。由表4可知，石家莊市裕華路和談固大街交叉口次干道南北向的總延誤時(shí)間、通過(guò)時(shí)間和停車次數(shù)等均高于東西方向，而且東西方向直行的這幾項(xiàng)指標(biāo)也比左右轉(zhuǎn)時(shí)高，是影響交叉口通行能力的主要原因。特別是北進(jìn)口的延誤明顯較高，表明車道設(shè)計(jì)在南北方向上顯著不合理。

3 交叉口平面設(shè)計(jì)

受交通信號(hào)的影響，在相同車道數(shù)的情況下，交叉口車道的通行能力總是比路段的要小，因此，在東西向車道設(shè)置魚(yú)肚皮，在南北向進(jìn)口道和出口道均拓寬一條車道。

由表3的交叉口設(shè)計(jì)小時(shí)交通量及2.3的車道數(shù)計(jì)算可初步劃分交叉口進(jìn)口車道功能，見(jiàn)圖3。

3.1 交叉口拓寬設(shè)計(jì)

拓寬式交叉口是在交叉口連接部增設(shè)變速車道和轉(zhuǎn)彎車道的平面交叉。當(dāng)相交道路的交通量較大、轉(zhuǎn)彎車輛較多而車速又高時(shí)，若交叉口進(jìn)口道仍然采用路段上的車道數(shù)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎車輛和直行車輛受阻，分流與合流困難，且易發(fā)生交通事故。此時(shí)若向進(jìn)口道的一側(cè)或兩側(cè)拓寬，根據(jù)轉(zhuǎn)向交通量單增右轉(zhuǎn)或左轉(zhuǎn)車道，或者同時(shí)增設(shè)左、右轉(zhuǎn)彎車道，則可以大為改善交叉口的通行條件，因此可以有效地提高交叉口的通行能力。該交叉口拓寬設(shè)計(jì)原則是［8］:(1)根據(jù)交通流量及流向，增設(shè)交叉口進(jìn)口道的車道數(shù)。一般應(yīng)比路段單向車道數(shù)多增加1至2條車道，拓寬的每條車道的寬度，應(yīng)盡量與路段保持一致。如因占地等限制，需要減少車道寬度時(shí)，最窄不得小于3 m，一般在3～3.5 m之間。(2)進(jìn)、出口道的分隔帶或交通標(biāo)志、標(biāo)線應(yīng)根據(jù)渠化要求布置。(3)穿越車流應(yīng)以直角或接近直角相交，匯合和交織交通流的交叉角應(yīng)盡可能小。

交叉口的拓寬設(shè)計(jì)主要是解決拓寬車道的設(shè)置條件、設(shè)置方法以及長(zhǎng)度計(jì)算3個(gè)問(wèn)題，其中，南北向拓寬設(shè)計(jì)包括［9］:(i)拓寬位置的選擇。向進(jìn)口車道的右側(cè)拓寬，占用機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道之間的綠化帶和部分的非機(jī)動(dòng)車道。直右拓寬車道與公交車專用道合用一個(gè)車道，因此，拓寬車道寬度仍為3.5 m。(ii)進(jìn)口道拓寬車道的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。本文為直右拓寬車道設(shè)置，由圖3可知，進(jìn)口拓寬道的長(zhǎng)度L，應(yīng)該使右轉(zhuǎn)車輛或左轉(zhuǎn)車輛能順利地右轉(zhuǎn)或駛?cè)胱筠D(zhuǎn)候駛車道，則其長(zhǎng)度應(yīng)為:

圖3 交叉口渠化圖Fig.3 Channelization chart of the intersection

式中，L轉(zhuǎn):轉(zhuǎn)彎車道長(zhǎng)度(m);

Lh:排隊(duì)車輛平均車頭間距(m)，一般為6～9 m，本次設(shè)計(jì)中取6 m;

n:一個(gè)信號(hào)周期中，紅燈和黃燈時(shí)間內(nèi)到達(dá)進(jìn)口道的車輛數(shù)，即排隊(duì)車數(shù)。

式中，n均:平均每信號(hào)周期到達(dá)進(jìn)口道的車輛數(shù);

m:進(jìn)口直行車道數(shù);

tc:信號(hào)周期長(zhǎng)(s);

tg:綠燈時(shí)間(s);

K:每周期到達(dá)車輛不均勻系數(shù)，取1.5;

lk:過(guò)渡段的長(zhǎng)度(m)，采用橫移一個(gè)車道所需3 s時(shí)間內(nèi)的低速行駛長(zhǎng)度，取12 m。

3.2 魚(yú)肚皮設(shè)計(jì)

東西方向進(jìn)口道車流量大，左轉(zhuǎn)車對(duì)車輛通行影響較大，因此需增加左轉(zhuǎn)車道，由于有中央分隔，所以首先選用凸臺(tái)魚(yú)肚皮［10］。魚(yú)肚皮尺寸見(jiàn)圖4。

圖4 魚(yú)肚皮結(jié)構(gòu)Fig.4 Fish belly structure

3.3 總體平面設(shè)計(jì)

平面交叉形式應(yīng)根據(jù)相交公路的功能、等級(jí)、交通量、交通管理方式和工程造價(jià)等因素而確定，平面交叉幾何設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合交通管理方式并考慮相關(guān)設(shè)施的布置［11］。在充分利用已有交通設(shè)施的基礎(chǔ)上，針對(duì)上文發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)階段交通系統(tǒng)存在的不足，對(duì)裕華路與談固大街的交叉口進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)［12］，總體設(shè)計(jì)平面圖見(jiàn)圖5。

3.4 改善以后仿真結(jié)果分析

與對(duì)現(xiàn)狀仿真分析相似，對(duì)設(shè)計(jì)以后的交叉口進(jìn)行了Synchro仿真軟件分析。在做完仿真以后，生成的文本文件里面列出了各相位延誤、總延誤等數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

由表5可知，石家莊市裕華路和談固大街交叉口經(jīng)過(guò)改善優(yōu)化以后，整體延誤降低，現(xiàn)狀分析中總延誤時(shí)間為6.1 h，改善以后縮短為2.7 h。同時(shí)，交叉口的平均運(yùn)行速度也由原來(lái)的14 km/h提高為22 km/h?？傮w上各進(jìn)口的各項(xiàng)指標(biāo)均有一定的改善，對(duì)緩解路口的擁堵?tīng)顩r有一定的作用。

圖5 交叉口最終平面設(shè)計(jì)圖Fig.5 Final flat design of the intersection

表5 交叉口優(yōu)化后仿真結(jié)果Table 5 Simulation results after optimization for the intersection

4 結(jié)論

本文針對(duì)裕華路與談固大街交叉口總延誤時(shí)間較長(zhǎng)，通過(guò)該交叉口的平均運(yùn)行速度較低等問(wèn)題進(jìn)行了交叉口改善設(shè)計(jì)。在充分利用現(xiàn)有資源，滿足人們交通需求的情況下，通過(guò)車道拓寬設(shè)計(jì)和魚(yú)肚皮設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法可以降低交叉口的總延誤時(shí)間，提高其通行能力及車輛的通過(guò)速度。但是由于裕華路與談固大街所處的地理位置決定了該交叉口交通量較大，在進(jìn)行交叉口改善設(shè)計(jì)時(shí)，車道拓寬設(shè)計(jì)只能在有限的空間進(jìn)行。日后可以結(jié)合交叉口信號(hào)燈的改善設(shè)計(jì)，以更加有效地緩解交叉口的擁堵問(wèn)題。

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