考慮右轉(zhuǎn)車流的交叉口交通島比選設(shè)計(jì)

孫繼東 蔣陽升 尤 理 朱娟秀

1.西南交通大學(xué)，交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031

2.西南交通大學(xué)，綜合運(yùn)輸四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031

3.深圳市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心，深圳 518000

0 引 言

交通島能夠有效地控制交通節(jié)奏，縮小沖突面積，引導(dǎo)交通科學(xué)分流，提高交叉口通行能力，保障交通安全。隨著我國(guó)城市大型交叉口的數(shù)量逐漸增多，交通島在交叉口渠化設(shè)計(jì)中得到了普遍應(yīng)用。

楊曉光等[1]對(duì)交通島設(shè)計(jì)中的偏移距、內(nèi)移距和端部曲線等相關(guān)要素提出了取值范圍，明確了右轉(zhuǎn)專用車道的轉(zhuǎn)彎半徑要求；張海雷等[2]對(duì)在交通島條件下右轉(zhuǎn)車道寬度與轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系給出了詳細(xì)分析；徐家鈺，程家駒等[3]對(duì)交通島的分類進(jìn)行了闡述；翟忠民[4]對(duì)進(jìn)口道設(shè)置右轉(zhuǎn)專用車道的流量條件進(jìn)行了分析；王殿海等[5]對(duì)交叉口渠化時(shí)提前右轉(zhuǎn)的機(jī)動(dòng)車通行能力進(jìn)行了研究；李愛增；王煒等[6]對(duì)城市道路交叉口借道右轉(zhuǎn)車道設(shè)置方法進(jìn)行了深入研究。上述成果為交通島的設(shè)計(jì)提供了有力的支撐，對(duì)設(shè)計(jì)方法有了規(guī)范化的闡述，但研究成果大多處于固定式的方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)于在不同道路以及流量條件下的設(shè)計(jì)優(yōu)化和方案比選沒有進(jìn)行深入闡述和量化分析，而是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行方案優(yōu)化和選取。為了更準(zhǔn)確地采取適合實(shí)際道路及流量條件下的交通島設(shè)計(jì)方案，本文在考慮右轉(zhuǎn)車流量條件下進(jìn)行交通島方案比選設(shè)計(jì)。

本文的研究思路是：首先對(duì)交叉口進(jìn)口道及出口道的右轉(zhuǎn)交通組織進(jìn)行類型描述，分析各種設(shè)計(jì)類型的利弊，確定四種交通島設(shè)計(jì)方案；參考相關(guān)文獻(xiàn)建立交通模型，對(duì)進(jìn)口道分流區(qū)及出口道合流區(qū)通行能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到不同右轉(zhuǎn)流量條件下的通行能力；根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果確定不同右轉(zhuǎn)流量下的交通島最佳設(shè)計(jì)方案。

1 交通島方案設(shè)計(jì)

1.1 右轉(zhuǎn)交通組織設(shè)計(jì)

右轉(zhuǎn)車輛在進(jìn)口道分流區(qū)及出口道合流區(qū)的交通組織是交通島設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是方案形成和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

1.1.1 進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車設(shè)計(jì)

考慮到當(dāng)前城市道路用地的緊張性以及城市交通流整體激增的趨勢(shì)，交通島設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合交通流與道路空間的關(guān)系，采取道路中心線偏移、車道寬度壓縮以及進(jìn)口道拓寬等方法確定右轉(zhuǎn)車流進(jìn)口道組織方式，具體設(shè)計(jì)如圖1（c）、圖1（d）所示。該方案在進(jìn)口道設(shè)計(jì)減速車道，能夠有效地保證右轉(zhuǎn)車輛不受本向直行車流在車輛排隊(duì)時(shí)的影響，提高右轉(zhuǎn)車流的通行效率。

當(dāng)交叉口道路用地受到嚴(yán)格限制，交通工程設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)專用車道的分離時(shí)，可采取借道右轉(zhuǎn)的交通流組織方式，在直右車道上設(shè)置右轉(zhuǎn)車道分流開口，實(shí)現(xiàn)提前右轉(zhuǎn)，具體設(shè)計(jì)如圖1（a）、圖1（b）所示。

1.1.2 出口道右轉(zhuǎn)車設(shè)計(jì)

出口道右轉(zhuǎn)車流交通組織與進(jìn)口道有相似之處，當(dāng)設(shè)置右轉(zhuǎn)加速車道時(shí)，能夠顯著地提高右轉(zhuǎn)車輛的行駛速度，減少交通島后右轉(zhuǎn)車輛的排隊(duì)長(zhǎng)度；降低右轉(zhuǎn)車流與主線車流直接相撞的危險(xiǎn)，減少交通事故的發(fā)生，提高右轉(zhuǎn)車流的通行效率和交通安全，如圖1（b）、圖1（c）所示。

實(shí)際應(yīng)用中，方案二和三（圖1（b）、圖1（c））由于右轉(zhuǎn)加速車道的設(shè)計(jì)需要對(duì)出口道空間做出調(diào)整，應(yīng)協(xié)調(diào)考慮整個(gè)交通島的線型設(shè)計(jì)，避免右轉(zhuǎn)車流錯(cuò)位導(dǎo)向，造成交通隱患。但當(dāng)出口道無法滿足加速車道的設(shè)置，可采用設(shè)計(jì)方案一和四（圖1（a）、圖（d））。此種出口道設(shè)計(jì)方案對(duì)空間要求較低，但右轉(zhuǎn)車輛在匯入主線車道時(shí)無法準(zhǔn)確地判斷主線車流速度，在容易造成安全隱患的同時(shí)也降低了合流區(qū)的通行能力。

1.2 交通島設(shè)計(jì)方案

通過1.1 節(jié)內(nèi)容分析，可將交通島方案設(shè)計(jì)分為四種類型，即進(jìn)口道直右混合——出口道讓行設(shè)計(jì)（方案一）、進(jìn)口道直右混合——出口道專用加速車道設(shè)計(jì)（方案二）、進(jìn)口道專用右轉(zhuǎn)——出口道專用加速車道設(shè)計(jì)（方案三）、進(jìn)口道專用右轉(zhuǎn)——出口道讓行設(shè)計(jì)（方案四），具體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 交通島設(shè)計(jì)方案Fig.1 Traffic island designs

考慮到空間限制、交通流量等因素，為了使該設(shè)計(jì)方法具有普遍適用性，本文選取交通島設(shè)計(jì)中的影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定性化對(duì)比分析，方便設(shè)計(jì)人員根據(jù)交叉口實(shí)際情況進(jìn)行定性判斷。表1為交通島方案評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比分析。

表1 交通島方案評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of traffic island evaluation index

同時(shí)，交通島設(shè)計(jì)還需要充分考慮視距三角形設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)彎半徑及車道寬度、交通島偏移距、內(nèi)移距、端部曲線半徑以及安全設(shè)施設(shè)計(jì)等輔助設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)可參考文獻(xiàn)[7][8]中視距三角形的闡述，文獻(xiàn)[1]關(guān)于右轉(zhuǎn)車道轉(zhuǎn)彎半徑以及交通島偏移距內(nèi)移距的設(shè)置要求，文獻(xiàn)[2]中轉(zhuǎn)彎車道寬度的取值以及文獻(xiàn)[1][3]關(guān)于交通島安全設(shè)施設(shè)計(jì)的規(guī)范要求。

2 通行能力評(píng)價(jià)

為了更科學(xué)、更準(zhǔn)確地闡述本文的設(shè)計(jì)方法，使得交通島設(shè)計(jì)在理論上可依，在操作上可行，本文在右轉(zhuǎn)流量變化條件下對(duì)不同交通組織方式下的合流區(qū)與分流區(qū)實(shí)際通行能力進(jìn)行計(jì)算，并獲取符合需求的交通島設(shè)計(jì)類型。

2.1 進(jìn)口道分流區(qū)通行能力評(píng)價(jià)

2.1.1 有右轉(zhuǎn)減速車道設(shè)計(jì)

慈玉生[9]對(duì)快速路匝道連接段通行能力計(jì)算提出了科學(xué)的計(jì)算方法，在設(shè)置右轉(zhuǎn)減速車道的情況下，上述研究成果可為本文提供一種量化分析的參考方法。

圖2 所示為進(jìn)口道分流區(qū)右轉(zhuǎn)減速車道連接段設(shè)置示意圖，此設(shè)計(jì)中，駛出交通流（右轉(zhuǎn)）進(jìn)入分流區(qū)連接段后即選擇駛出的角度匯入右轉(zhuǎn)車道，駛出行為的發(fā)生導(dǎo)致外側(cè)車道的交通流發(fā)生重組。

在研究成果[9]的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型的改進(jìn)，進(jìn)口道分流區(qū)連接段通行能力C1′為：

圖2 進(jìn)口道減速段交通流分流示意Fig.2 Traffic flow diverging at the entrance deceleration section

而KAC、KBD則根據(jù)格林希爾治模型[14]中流量與密度的關(guān)系確定：

式中，KA——臨近進(jìn)口道起點(diǎn)的外側(cè)車道的交通流密度，pcu/km；

KAC——分流區(qū)直線段車道上交通流密度，pcu/km；

KBD——分流區(qū)右轉(zhuǎn)段減速車道上交通流密度，pcu/km；

Vf——路段交通流自由流速度，km/h；

Kj——路段交通流阻塞密度，pcu/km；

θAD——分流區(qū)從外側(cè)車道至右轉(zhuǎn)減速車道交通流平均換道角度，rad；

Q右——右轉(zhuǎn)車流交通量，pcu；

Q主——緊鄰右轉(zhuǎn)車道的主線車道直行車交通量，pcu。

由公式（1）（2）、（3）可計(jì)算右轉(zhuǎn)流量變化下的進(jìn)口道分流區(qū)的通行能力。

2.1.2 無右轉(zhuǎn)減速車道設(shè)計(jì)

在交叉口進(jìn)口道無法設(shè)置右轉(zhuǎn)減速車道的條件下，考慮到交叉口進(jìn)口道車流密度較大，在計(jì)算進(jìn)口道分流區(qū)通行能力C2′時(shí)采取格林伯格（Grenberg）提出的對(duì)數(shù)模型[10]較為合理，其公式如下：

式中，Vm——對(duì)應(yīng)最大交通量的速度，km/h；

Kj——路段交通流阻塞密度，pcu/km；

K——實(shí)際交通流密度，pcu/km。

當(dāng)交叉口進(jìn)口道交通流密度較大時(shí)，交通量在車速 Vm時(shí)達(dá)到最大，可計(jì)算出進(jìn)口道分流區(qū)通行能力。

2.1.3 通行能力計(jì)算

當(dāng)出口道設(shè)置右轉(zhuǎn)減速車道時(shí)，在進(jìn)口道分流區(qū)的通行能力分析中，本文參照慈玉生[9]假設(shè)參數(shù)的取值方法，結(jié)合城市道路特性設(shè)參數(shù)取值如表2所示。

表2 交通流參數(shù)取值Tab.2 Values of the traffic flow parameters

表2 中，KA表示臨近進(jìn)口道起點(diǎn)的外側(cè)車道的交通流密度，pcu/km；ξ 和n 為常數(shù)；Vf表示路段交通流自由流速度，km/h；Kj表示路段交通流阻塞密度，pcu/km；θAD表示分流區(qū)從外側(cè)車道至右轉(zhuǎn)減速車道交通流平均換道角度，rad。

在出口道不設(shè)置右轉(zhuǎn)減速車道，進(jìn)口道交通流密度較大的前提下，當(dāng)車速Vm=20 km/h 時(shí)，交通量最大，且當(dāng)K=0.5Kj[10]時(shí)，通行能力最高，由此計(jì)算得：C2'=964.13 pcu/h。

為了使研究成果更具參考性和實(shí)用性，設(shè)置減速車道條件下的進(jìn)口道分流區(qū)通行能力為 C1'，研究在不同的Q右條件下兩種設(shè)計(jì)類型通行能力之間的對(duì)比關(guān)系，本文得出如圖3 所示的通行能力曲線圖。

如圖3 所示，方案A′為右轉(zhuǎn)減速車道設(shè)計(jì)下的進(jìn)口道分流區(qū)通行能力曲線圖，方案B′為直右混合式設(shè)計(jì)下的進(jìn)口道分流區(qū)通行能力曲線圖，當(dāng)Q右＜574 pcu/h 時(shí)，方案A′的通行能力小于方案B′，即C1'＜C2'，建議進(jìn)口道右轉(zhuǎn)交通組織采取直右混合式設(shè)計(jì)；當(dāng)Q右≥574pcu/h時(shí)，C1'≥C2'，建議進(jìn)口道右轉(zhuǎn)交通組織采取右轉(zhuǎn)減速車道設(shè)計(jì)。

圖3 進(jìn)口道分流區(qū)通行能力示意Fig.3 Capacity of the entrance lane diversion area

2.2 出口道合流區(qū)通行能力評(píng)價(jià)

2.2.1 有右轉(zhuǎn)加速車道設(shè)計(jì)

結(jié)合文獻(xiàn)[11]～[13]的研究成果，本文設(shè)計(jì)可借鑒上述研究中的“在出口道合流區(qū)內(nèi)右轉(zhuǎn)交通流與主路相鄰車道交通流兩個(gè)相交的車流中，右轉(zhuǎn)車輛接受主路相鄰車道交通流間隙而匯入主路”的學(xué)說。

在出口道合流區(qū)主線車道車輛間車頭時(shí)距呈負(fù)指數(shù)分布，右轉(zhuǎn)車輛可匯入主線車道的流量采用離散型函數(shù)表達(dá)，得到出口道合流區(qū)的通行能力模型[11]分別為：

式中，Q右——右轉(zhuǎn)車輛的交通量；

T0——右轉(zhuǎn)車輛匯入的臨界間隙；

T1——右轉(zhuǎn)車輛的跟車時(shí)距；

為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文僅以低交通量情況為例進(jìn)行推導(dǎo)，其余情況的通行能力計(jì)算方法類似，本文不再贅述。出口道合流區(qū)主線相鄰車道車頭時(shí)距采取負(fù)指數(shù)分布，主線相鄰車道交通量采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚11]來計(jì)算，如下式所示：

式中：Q主——出口道主線相鄰車道交通量；

k——道路分類系數(shù)；

L——右轉(zhuǎn)加速車道長(zhǎng)度；

其余符號(hào)意義同前。

由公式（5）、（6）可計(jì)算出口道合流區(qū)通行能力。

2.2.2 無右轉(zhuǎn)加速車道設(shè)計(jì)

針對(duì)出口道右轉(zhuǎn)車交通組織設(shè)計(jì)，考慮在無加速車道情況下，右轉(zhuǎn)車輛在島后形成排隊(duì)等待進(jìn)入主線車道，此種情形即為右轉(zhuǎn)車輛通過等待主線車流形成可穿越間隙匯入主線車道，可參照可插車間隙模型進(jìn)行通行能力核算。

在交通量較小,車輛隨機(jī)到達(dá)的車流情況下,通常用負(fù)指數(shù)描述車頭時(shí)距,此時(shí)出口道合流區(qū)通行能力[14]為：

式中：λ——單位時(shí)間間隔的平均到達(dá)率，輛/s；

C2——出口道合流區(qū)通行能力；

Q主——主線車流行車道交通量；

T0——右轉(zhuǎn)車輛匯入的臨界間隙；

T——右轉(zhuǎn)車輛的跟車時(shí)距。

2.2.3 通行能力計(jì)算

在出口道設(shè)置右轉(zhuǎn)加速車道情況下，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中提出的高速公路出口匝道通行能力計(jì)算方法，結(jié)合城市道路自身特性，本文假設(shè)參數(shù)Q主=600 pcu/h，T0=6.5(s)，T1=4(s)，右轉(zhuǎn)車道長(zhǎng)度按照設(shè)計(jì)中的規(guī)范值取L=30 m?？紤]到高速公路與城市道路的等級(jí)差異，根據(jù)徐家鈺、程家駒[3]等關(guān)于高速公路80 km/h 設(shè)計(jì)速度下的單車道設(shè)計(jì)通行能力與城市主干道單車道通行能力計(jì)算值對(duì)比分析，取k=0.8。

在出口道不設(shè)置右轉(zhuǎn)加速車道情況下，采取原可插車間隙模型（公式7）進(jìn)行通行能力計(jì)算，參數(shù)Q主、T0、T1取值與設(shè)置右轉(zhuǎn)加速車道情況下相同，計(jì)算得出口道合流區(qū)通行能力C2=1017.36 pcu/h。

為了使研究成果更具參考性和實(shí)用性，研究在不同的Q右條件下，兩種設(shè)計(jì)類型條件下通行能力之間的對(duì)比關(guān)系，設(shè)C1為右轉(zhuǎn)加速車道設(shè)計(jì)下的出口道合流區(qū)通行能力，得出如圖4 所示的通行能力曲線圖。

圖4 出口道合流區(qū)通行能力示意Fig.4 The exit lane merging area’s capacity

如圖4 所示，方案A 為右轉(zhuǎn)加速車道設(shè)計(jì)下的出口道合流區(qū)通行能力曲線圖，方案B 為在無右轉(zhuǎn)加速車道設(shè)計(jì)的出口道合流區(qū)通行能力曲線圖，當(dāng)Q右＜254 pcu/h或Q右＞1422 pcu/h 時(shí)，方案A 的通行能力小于方案B，即C1＜C2，建議出口道右轉(zhuǎn)交通組織采取讓行匯入式設(shè)計(jì)；當(dāng)254 pcu/h≤Q右≤1422 pcu/h時(shí)，C1≥C2，建議出口道右轉(zhuǎn)交通組織采取右轉(zhuǎn)加速車道設(shè)計(jì)。

綜上所述，通過對(duì)進(jìn)口道及出口道不同交通組織下的通行能力分析，結(jié)合本文在1.2 節(jié)中提出的四種交通島設(shè)計(jì)方案，結(jié)論如下：

當(dāng)Q右＜254 pcu/h 時(shí)，建議交通島設(shè)計(jì)采用方案一；254 pcu/h≤Q右≤574 pcu/h 時(shí)，建議采用交通島設(shè)計(jì)方案二；當(dāng)574 pcu/h＜Q右≤1422 pcu/h 時(shí)，建議采用交通島設(shè)計(jì)方案三；當(dāng)Q右＞1422 pcu/h 時(shí)，建議采用交通島設(shè)計(jì)方案四，但考慮到城市道路實(shí)際右轉(zhuǎn)流量條件，此種情況出現(xiàn)概率極少，不推薦此種方案設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

通過采用交叉口進(jìn)口道分流區(qū)及出口道合流區(qū)通行能力模型，在實(shí)際設(shè)計(jì)中將右轉(zhuǎn)流量帶入模型，進(jìn)行通行能力比較即可獲取相對(duì)較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案?？朔碎L(zhǎng)久以來僅憑經(jīng)驗(yàn)選取交通島設(shè)計(jì)方案的盲目性，使得方案更具有科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，以本文的設(shè)計(jì)方法為依據(jù)，理論上將模型中的參數(shù)做適當(dāng)優(yōu)化，所得結(jié)論可廣泛應(yīng)用于各類城市交叉口交通島設(shè)計(jì)，但對(duì)于如何科學(xué)合理地將道路空間及非機(jī)動(dòng)車等因素與方案設(shè)計(jì)相結(jié)合還需要進(jìn)一步研究。

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