壺柄式U形匝道在公路改擴建工程中的應(yīng)用

張 利

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

近年來社會經(jīng)濟的快速發(fā)展對交通需求的日益增加，國省干線公路升級改造的步伐也在逐漸加快，國省干線經(jīng)升級改造后，線形指標得到較大改善，運行速度顯著提高。運行速度的提高要求我們要更加重視公路各組成部分的細化設(shè)計，以確保車輛運行順適、安全。平面交叉口作為干線公路重要的組成部分和交通轉(zhuǎn)換的重要節(jié)點，合理的布置形式，科學(xué)的交通組織有利于提高干線公路整體通行能力以及安全性。

1 常用壺柄式U形匝道的布設(shè)方案

壺柄式U形匝道主要解決大型車輛掉頭時轉(zhuǎn)彎半徑不足的問題，常見壺柄式U形匝道分為兩種，即A形壺柄式（如圖1）和B形壺柄式（如圖2）。A形壺柄式匝道由公路左側(cè)流出，經(jīng)U形匝道完成車輛掉頭后車輛進入主線；B形壺柄式直接由公路右側(cè)車道流出，在U形匝道上完成車輛掉頭后，車輛駛回主線。A形壺柄式在同向車道不存在交通沖突點，只存在交通分流問題，對同向車輛影響較小，但是在對向車道存在交通沖突點，對對向車輛運行影響較大；B形壺柄式在同向車道存在交通沖突點，對同向車輛產(chǎn)生較大的影響，但在對向車道不存在交通沖突點，只存在車輛合流問題，對對向車輛運行影響較小。

2 壺柄式U形匝道的線形參數(shù)與交通組織

圖1 A形壺柄式U形匝道

圖2 B形壺柄式U形匝道

壺柄式U形匝道的設(shè)置主要是解決大型車輛掉頭時轉(zhuǎn)彎半徑不足的問題，因此，壺柄式U形匝道以通行大車為主；同時，因存在交通沖突點以及車輛匯流等問題，車輛整體行駛速度較低，綜合以上因素，結(jié)合《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2017)[1]第10.4條轉(zhuǎn)彎設(shè)計10.4.2（2）“左轉(zhuǎn)彎曲線的行駛速度采用5～15 km/h。”和“第10.4.3條，表10.4.3路面內(nèi)緣的最小半徑”的規(guī)定，壺柄式U形匝道的設(shè)計速度在起點處可以適當減小，但不宜低于20 km/h所對應(yīng)的線形參數(shù)，在合（分）流處，曲線半徑應(yīng)適當增大，不宜低于主線設(shè)計速度的70%所對應(yīng)的線形參數(shù)。由于U形匝道以通行大型車輛為主，且線形參數(shù)相對較低，因此應(yīng)優(yōu)先采用三類加寬。

壺柄式U形匝道微循環(huán)系統(tǒng)作為一種非常規(guī)的平面交叉口解決方案，良好的交通組織是其正常高效運行的關(guān)鍵。在平面交叉口范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)置清晰的、簡單明了的引導(dǎo)標線和標志對過往車輛進行引導(dǎo)，在U形匝道起點處應(yīng)根據(jù)交通量的大小設(shè)置停車讓行標志或采用信號燈控制以確保車輛安全有序地運行。

3 壺柄式U形匝道的通行能力分析

壺柄式U形匝道的實質(zhì)是利用微循環(huán)減少或者消除平面交叉中的沖突點。但是，使用微循環(huán)進行交叉口交通流的轉(zhuǎn)換必然增加車輛繞行距離，同時，受U形匝道線形指標的限制，車輛運行速度也會受到一定的影響。因此，這里分析在一定的時間內(nèi)車流通過U形匝道完成交通轉(zhuǎn)換的數(shù)量與常規(guī)平面交叉口通行能力進行對比，分析壺柄式U形匝道微循環(huán)在實際應(yīng)用中的可行性和合理性。

由于采用壺柄式U形匝道微循環(huán)后，車輛通過交叉口不需停車等待（假設(shè)U形匝道掉頭處車流較少，掉頭車輛無需停車等待），因此單位時間內(nèi)的左轉(zhuǎn)車道通行能力主要受車輛運行速度v和繞行距離L的影響。根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》（JTG D20—2017）對平面交叉口范圍內(nèi)轉(zhuǎn)彎車輛及直行車輛運行速度的要求，將車輛運行狀態(tài)分為3段（如圖3所示）：直線段長度L1，速度為v1；U形匝道長度為L2，速度采用v2；右轉(zhuǎn)彎長度為L3，速度采用v3，根據(jù)車輛通過U形匝道完成轉(zhuǎn)向行駛的總長度為L1+L2+L3，平均速度v采用各段速度的加權(quán)平均值，由式（1）計算：

同時假設(shè)車輛有序、不間斷運行。車輛繞行距離的確定是根據(jù)選擇的U形匝道的布設(shè)位置，及U形匝道本身采用的參數(shù)確定。

圖3 壺柄式U型匝道微循環(huán)運行路徑圖

采用上述形式的壺柄式U形匝道的通行能力[2]CS計算采用式（2）：

式中：t為駕駛?cè)俗钚》磻?yīng)時間，一般取1.2 s；a0為安全距離，一般取510 m；a1為車身長度，一般取5 m（小型車）；a2為制動距離，計算公式如式（3）：

式中：β為路面與輪胎之間的附著系數(shù)，取0.7；φ為道路阻力系數(shù)，φ=f±i；f為路面滾動系數(shù)；i為道路縱坡。

壺柄式U形匝道構(gòu)成的微循環(huán)是一種新的交通組織方式擁有自身特有的優(yōu)勢，而常規(guī)平面交叉依然是最常用的交通轉(zhuǎn)換形式，因此，本文研究壺柄式U形匝道與設(shè)有左轉(zhuǎn)彎專用信號的平面交叉的通行能力。假設(shè)某一平面交叉采用信號控制，且設(shè)有左轉(zhuǎn)彎專用信號，左轉(zhuǎn)彎專用車道為單車道，且左轉(zhuǎn)彎車輛有序、不間斷運行，則有平面交叉范圍內(nèi)一個方向左轉(zhuǎn)彎車道的通行能力[2]C1如式（4）所示：

式中：TC為信號周期長；t1為一個信號周期內(nèi)左轉(zhuǎn)彎信號時長；v1為左轉(zhuǎn)彎車輛通過交叉口的行車速度；a為車輛起動時的平均加速度；t0為左轉(zhuǎn)彎車輛連續(xù)通過交叉口的平均車頭時距，一般取2.5 s。

通過以上分析可以看出，壺柄式U形匝道微循環(huán)的通行能力主要受行車速度、車輛組成以及繞行距離的影響，重型車輛組成比例大，繞行距離遠，則壺柄式U形匝道微循環(huán)的通行能力弱；而信號控制的平面交叉口的通行能力主要受信號周期、車輛組成的影響，信號交叉同樣受車輛組成的影響，重型車輛組成比例大，則車輛啟動速度與運行速度均較低，平面交叉口的通行能力弱。兩種交通組織形式既有共同點又各具特色，特點鮮明。

4 壺柄式U形匝道的形式選擇和使用條件

壺柄式U形匝道常用的形式有兩種，即文中提到的A形和B形。在使用的過程中，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)向交通量、交通組成以及各種限制因素綜合考慮選用。一般有如下情況：

a）通過U形匝道掉頭后，需要再次右轉(zhuǎn)的車輛比例較大，則采用A形，因為車輛通過U形匝道掉頭后與主線道路上行駛的車輛產(chǎn)生匯流，A形壺柄式U形匝道可以有效減少車輛交織。

b）通過U形匝道掉頭后，直行車輛的比例較大，則采用B形，該形式的好處是車輛只與主線道路上的車輛存在匯流，不存在交織。

c）通過U形匝道掉頭后，右轉(zhuǎn)和直行車輛比例相當時，應(yīng)綜合考慮采用不同的形式以盡量減少對主線直行車輛的影響。

5 結(jié)語

平面交叉口作為公路重要的組成部分，其合理的布設(shè)方案是公路高效、安全運營的重要保障。在公路改擴建工程中，由于沿線發(fā)展建設(shè)，勢必會對改擴建工程產(chǎn)生一定的限制，而平面交叉處，往往受環(huán)境影響更大，采用合理可行的方案降低對周圍環(huán)境的影響，同時降低工程投資規(guī)模是首先要考慮采取的措施。本文介紹的壺柄式U形匝道微循環(huán)系統(tǒng)是平面交叉的一種新的解決方案，該方案經(jīng)研究分析是可行的，并且實施難度不大，但仍然需要進行更深入研究，尤其是交通標志、標線的合理設(shè)置，提高運行效率的措施等。