立交環(huán)形匝道平面線形組合安全性研究

王 桀，陳雨人，曾學(xué)科

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

1 環(huán)形匝道平面線形組合安全設(shè)計(jì)

1.1 考慮運(yùn)行車速的匝道設(shè)計(jì)

城市快速路立交匝道之所以發(fā)生較多的交通事故，其主要原因之一是匝道上的運(yùn)行速度變化頻繁。車輛進(jìn)入立交區(qū)，從主線駛?cè)霚p速車道，再到匝道正常路段，再駛?cè)爰铀佘嚨雷詈篑側(cè)胫骶€，其行駛速度是在不斷變化的。而《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 37-1990)》僅以匝道設(shè)計(jì)速度作為依據(jù)設(shè)計(jì)整條匝道的線形，該速度僅是滿足匝道受限制路段的最大安全半徑，若以該速度指導(dǎo)其他段的線形設(shè)計(jì)，必然有產(chǎn)生較大安全隱患的可能性。因此，應(yīng)從安全性的要求出發(fā)，采取靈活的設(shè)計(jì)手段，根據(jù)可能的運(yùn)行狀況設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的匝道線形，確定出相適應(yīng)的平縱線形指標(biāo)。這不但有利于較好地控制立交規(guī)模，適應(yīng)地形限制，減少用地和節(jié)約造價(jià)，而且更可以使立交線形美觀協(xié)調(diào)，滿足行駛功能和安全需求。

相關(guān)研究均表明，運(yùn)行車速的主要影響因素是平曲線的半徑。要使匝道上的線形適應(yīng)運(yùn)行速度的要求，最主要的一點(diǎn)就是使匝道的平面線形適應(yīng)運(yùn)行車速一致性變化的需求。在道路上行駛時，駕駛?cè)烁鶕?jù)自己對車輛的了解和對前景道路線形視覺景觀等判斷和調(diào)整車速，他們并不清楚行駛道路的設(shè)計(jì)車速。運(yùn)行車速理論的核心就是通過改善相鄰路段指標(biāo)組合，降低容許運(yùn)行速度差，從而消除安全隱患。運(yùn)行車速的一致性在于使相鄰路段的運(yùn)行速度差小于一定的臨界值，對于匝道的情況，運(yùn)行車速的一致性就是要使匝道上的運(yùn)行車速加減過程放緩，避免速度急劇增減帶給駕駛員過多駕駛負(fù)擔(dān)，避免翻車和追尾事故的發(fā)生，提高車輛的穩(wěn)定性和乘客的舒適度。

1.2 城市快速路環(huán)形匝道及其平面線形組合情況

在各種匝道類型中，環(huán)形匝道往往是制約立交規(guī)模和功能的關(guān)鍵，其線形直接影響整個立交的服務(wù)水平和運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。環(huán)形匝道中往往集中了立交的最小技術(shù)指標(biāo)(如最小平曲線半徑、最大縱坡、最大超高等)，直接影響行車的舒適性和安全性。因此，對環(huán)形匝道進(jìn)行足夠的研究尤為迫切。另一方面，環(huán)形匝道的平面線形組合又相對簡單，由此入手平面線形組合的安全性問題可以為研究打開一個突破口。

平面線形的組合可以分成基本型、S型、卵型、凸型、C型和復(fù)合型等。就環(huán)形匝道而言，其平面線形組合形式以基本型和復(fù)合型為主，復(fù)合型又分為復(fù)曲線組合型、三心圓對稱組合型、三心圓非對稱組合型等。取國內(nèi)的20個快速路立交上的37條基本型線形的環(huán)形匝道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其緩和曲線與圓曲線長度比存在以下規(guī)律:大多數(shù)環(huán)形匝道的緩圓比在0.2到1之間，平均值為0.515 1。

1.3 環(huán)形匝道線形組合對安全的影響性分析

汽車在環(huán)形匝道上的運(yùn)行速度變化頻繁，行車速度不一致導(dǎo)致各類事故的發(fā)生，其事故類型一般有分流減速過程中的尾撞事故、出口端或勻速段的翻車事故、加速合流過程的擠撞事故、入口端的碰撞事故。環(huán)形匝道的緩圓比與安全存在一定的聯(lián)系。緩和曲線作為設(shè)置在直線和圓曲線或者不同半徑圓曲線之間的一種曲率變化連續(xù)的曲線，其目的在于通過線形曲率漸變使速度合理漸變，并且使得線形在視覺上美觀協(xié)調(diào)。此目的對緩和曲線的設(shè)計(jì)提出基本要求，而《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 37-1990)》只對緩和曲線最小長度和匝道緩和段的最大縱坡做出了規(guī)定，而對匝道緩和段的緩和曲線參數(shù)和緩圓比這些影響到匝道安全的參數(shù)均未作出規(guī)定，使得設(shè)計(jì)中一般根據(jù)具體情況和經(jīng)驗(yàn)來選擇，往往具有一定的隨意性。

圖1 緩和曲線與圓曲線長度比分布圖

圖2 匝道各組成部分事故類型分布圖

緩和曲線長度和緩圓比設(shè)計(jì)不合理將影響交通安全。沒有緩和曲線將使曲率和速度缺乏漸變，而過長的緩和曲線將使駕駛員高估曲線半徑而超速行駛。理想的緩和曲線長度等于按所需轉(zhuǎn)向操作時間行駛的距離。匝道的緩和曲線在于和車輛的合理加減速軌跡相適應(yīng)，即合理的緩圓比要與車輛的加減速距離吻合。由于環(huán)形匝道上的圓曲線半徑一般都很小，車輛從線形條件較好的主線上進(jìn)入這些匝道基本都存在曲率的較大變化，這就要求緩和段要起到足夠的減速作用;另一方面，車輛從小半徑的匝道中段到相交道路上也存在曲率的較大變化，也需要緩和段滿足加速作用;加減速過程之間也需要圓曲線給駕駛員足夠的適應(yīng)和緩沖。故此三段長度比對安全尤為重要。

2 不同線形組合條件下的匝道安全性研究模擬駕駛實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)通過AutoCAD繪制立交匝道，然后導(dǎo)入SketchUp建立匝道模型。通過1.2節(jié)的分析，可以得到環(huán)形匝道平面線形組合中的代表性緩圓比值分布情況，即大多數(shù)環(huán)形匝道的緩和曲線/圓曲線比值在0.2～1之間。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇下列緩圓比的情況分別建立匝道及附近區(qū)域模型，這些緩圓比包括0.2、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.2，故共計(jì)建7 個模型。根據(jù)城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范對環(huán)形匝道(設(shè)計(jì)速度40 km/h)和快速路等級的要求，圓曲線半徑都取為60 m，令前緩和曲線和后緩和曲線長度相同，通過改變緩和曲線參數(shù)A值來改變緩和曲線和圓曲線的長度比值，得到的緩和曲線與圓曲線長度均符合規(guī)范要求。減速車道和加速車道長度分別按規(guī)范取為85 m和210 m，匝道段道路寬度取8 m，中間繪制標(biāo)線。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)者為五名持證駕駛員，駕齡2～5年之間。首先讓駕駛員熟悉駕駛模擬器，正式實(shí)驗(yàn)開始后，駕駛員首先從500 m外沿主路直行開到減速車道處，并保證在減速車道口的瞬時速度在60 km/h以上。然后依次開過減速車道、環(huán)形匝道、加速車道，最后駛離加速車道口。每個駕駛員對每個模型做一次實(shí)驗(yàn)，故共計(jì)實(shí)驗(yàn)35次，較好地反映了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 環(huán)形匝道的運(yùn)行速度分布特性

車速是描述車輛運(yùn)動的一個基本參數(shù)，是度量車輛運(yùn)行安全情況的一項(xiàng)主要指標(biāo)。為了全面深入地了解環(huán)形匝道的線形安全性，需要從運(yùn)行車速的分布特性角度展開分析。通過上述實(shí)驗(yàn)，可以得出運(yùn)行車速在匝道上各點(diǎn)的分布狀況，以緩圓比為1∶1∶1的情況為例，經(jīng)過分析可以得到如下速度與加速度在路段各處的分布圖。

圖3 緩圓比為1∶1∶1時的匝道與加減速車道速度分布圖

圖4 緩圓比為1∶1∶1時的匝道與加減速車道速度分布圖

從圖中可以得到，車輛在匝道前后的行駛明顯地分成減速、勻速、加速三個段。車輛的減速行為主要發(fā)生在減速車道的前半段與出口之后57 m一段，這兩段的減速度值較大，最大的減速度值甚至達(dá)到3.64;而在減速車道的后半段則較小，最大的減速度值約為0.55。從減速車道后半段到出口后一段的減速度急劇變化，反映了緩和曲線曲率變大給駕駛員帶來的心理影響，使駕駛員產(chǎn)生急劇減速的要求。與此對應(yīng)，車輛加速行為(加速段主要含入口前90 m一段和加速車道段)中的加速度值則基本上保持一致性，在0.97～1.17之間，總體上表明加速過程較平緩，這主要是由于環(huán)形匝道上的曲率較大，同時前一段上的勻速行駛也使駕駛員不傾向于過大的改變速度。而從出口之后57 m到入口之前90 m的中間段，長270 m，車輛加速度在-0.55～0.42之間上下擺動，基本上可以視為勻速運(yùn)動。從環(huán)形匝道的線形角度，車輛大體在前緩和曲線的前半段就已急劇完成減速，而加速過程則平緩地在整個后緩和曲線和加速車道上完成，上述規(guī)律也表現(xiàn)在其他緩圓比下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中。

3.2 不同平面線形組合對匝道安全性的影響

車輛行駛中在不涉及換道時，能夠盡量不偏離道路設(shè)計(jì)者為其設(shè)計(jì)的道路中心線，使車輛軌跡依循道路，是確保道路安全的重要方面。故良好的道路線形應(yīng)從駕駛員的視覺、心理出發(fā)，注重線形對視覺的誘導(dǎo)作用，能夠預(yù)告道路前方路況的變化，使道路景觀設(shè)計(jì)符合駕駛員的需要。良好的立交線形設(shè)計(jì)應(yīng)該使得不同駕駛者在同一路段上的行駛軌跡能夠較好地?cái)M合出一條大致的曲線，這是線形對視覺誘導(dǎo)作用的外在體現(xiàn)。通過所做的環(huán)形匝道不同緩圓比下的實(shí)驗(yàn)，可以通過擬合測得的測點(diǎn)分布位置(x，y)數(shù)據(jù)，回歸出這樣一條曲線，然后通過對比擬合曲線方差和均方根來對比擬合一致性而判斷優(yōu)劣。

加速段和減速段一直是立交匝道事故分布的最主要區(qū)段。根據(jù)3.1節(jié)的結(jié)論，即車輛在環(huán)形匝道上的加速段和減速段都是相對集中的，故本節(jié)主要選取的研究區(qū)段包括減速段指減速車道和出口后60 m，加速段指入口前90 m和加速車道。通過Matlab嘗試多種回歸模型，發(fā)現(xiàn)四次多項(xiàng)式擬合較好，確定系數(shù)大多數(shù)在0.8以上，擬合結(jié)果見表1。四次多項(xiàng)式回歸模型可以表示為

表1 不同緩圓比的環(huán)形匝道模擬駕駛實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，對于全路段來說，隨著緩圓比的增大全路段的速度平均值略有所增，速度標(biāo)準(zhǔn)差則相差不大，說明緩圓比對速度的影響不太大，因此軌跡的擬合一致性變得更重要。而表1 顯著地說明，當(dāng) L緩∶L圓∶L緩=1.0∶1∶1.0 時，軌跡的擬合一致性最好。該結(jié)果表示，當(dāng)前后緩和曲線與圓曲線長度相等時，環(huán)形匝道線形對駕駛員視線的誘導(dǎo)作用最佳，使得駕駛員能夠最好的保持車道，從而保證了安全。

4 結(jié)論

通過模擬駕駛實(shí)驗(yàn)對快速路互通立交上環(huán)形匝道的平面線形組合帶來的安全性問題進(jìn)行了研究。對環(huán)形匝道上以及前后加減速車道上的加減速規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了車輛減速集中在減速車道前半部和出口后60 m且減速較大，加速集中在入口前90 m和加速車道上且加速度較小的規(guī)律。對不同緩圓比條件下的平面線形組合安全性進(jìn)行對比研究，以加速段和減速段上軌跡擬合一致性作為切入點(diǎn)，得出當(dāng)前后緩和曲線與圓曲線長度相等時線形對駕駛員視線誘導(dǎo)作用最佳的結(jié)論。

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