四車道山區(qū)高速公路客貨分道與爬坡車道選擇性設(shè)計研究

鄧麗娟， 張良陳， 艾仁高

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司， 湖北 武漢 430051)

1 引言

山區(qū)高速公路線形設(shè)計為了克服高差，常采用連續(xù)上坡設(shè)計。貨車作為長途運輸?shù)闹饕煌üぞ?，其車型趨于大型化、載重趨于重型化。在連續(xù)上坡路段，貨車在縱坡影響下，運行速度不斷降低，勢必給受縱坡影響較小的客車的運行造成極大干擾，導(dǎo)致高速公路通行效率降低。同時，貨車與客車混行的條件下，交通沖突會愈發(fā)嚴(yán)重，從而易導(dǎo)致交通事故頻發(fā)，造成生命、財產(chǎn)損失。為了改善山區(qū)高速公路連續(xù)上坡路段的交通狀況，提高路段通行能力，國內(nèi)外開展了廣泛研究：Virginia交通運輸部提出了客貨分道管理、限制貨車通行、設(shè)置爬坡車道等多種措施，并仿真研究了3種措施的有效性；Matthew J. Roorda研究了實施客貨分道的條件，并針對具體路段制定了客貨分道設(shè)計方案；蔡曉萌等基于TSIS仿真研究了針對改善高速公路大貨車影響的車道限制、爬坡車道措施；梁永東基于元胞研究了爬坡車道的設(shè)置效果；楊萌萌基于交通安全研究了山區(qū)高速公路爬坡車道的設(shè)置依據(jù)。

客貨分道、爬坡車道作為國內(nèi)外針對改善連續(xù)上坡路段通行能力的主要措施，兩個方案所要達到的目的一致，但具體實施的方式不同，相應(yīng)的工程技術(shù)性、經(jīng)濟性存在差異。該文從工程技術(shù)、經(jīng)濟方面出發(fā)，比較兩個方案的適用性，以便為設(shè)計人員對山區(qū)高速公路連續(xù)上坡路段選擇交通改善措施提供依據(jù)。

2 客貨分道

2.1 概念

客貨分道屬于道路管理系統(tǒng)的一種，指在道路的某一路段或全路段設(shè)置隔離設(shè)施或車道分隔實線，使得客車、貨車各行其道，達到客車、貨車隔離運行的目的，以改變客、貨混行的交通環(huán)境。依據(jù)隔離方式不同，客貨分道的類型主要有：雙重組合車道、限制車道、專用貨車車道。合理實施客貨分道，消除客車、貨車混合運行，可有效提高山區(qū)高速公路連續(xù)上坡路段通行能力，降低路段交通事故率，改善山區(qū)高速公路運營狀況。

2.2 實施條件

單向兩車道及以上高速公路均可實行客貨分道，設(shè)置條件主要有：

(1) 路段交通量較小，小型車、大型車運行速度差值普遍高于20 km/h，易導(dǎo)致路段交通事故高發(fā)。

(2) 路段交通量較大，設(shè)計小時交通量大于上坡路段設(shè)計通行能力，造成路段服務(wù)水平低于三級。

3 爬坡車道

3.1 概念

爬坡車道屬于附加車道的一種，指上坡方向設(shè)置的供慢速大貨車行駛的車道。在連續(xù)上坡路段設(shè)置爬坡車道，從主交通流中將慢速大貨車分離，行車道上保留運行速度較高的車輛，利于提高路段通行能力，降低事故發(fā)生的幾率。

3.2 實施條件

對于單向三車道及以上的高速公路，車輛行駛自由度較高，無需通過設(shè)置爬坡車道改善交通環(huán)境，因此只有單向兩車道高速公路需要考慮是否設(shè)置爬坡車道，設(shè)置條件主要有：

(1) 規(guī)范對不同縱坡的最大長度給出了規(guī)定，單一縱坡的坡長設(shè)計大于規(guī)范的規(guī)定值。

(2) 設(shè)計小時交通量大于上坡路段的設(shè)計通行能力。

(3) 貨車因連續(xù)上坡的影響，運行速度低于對應(yīng)的最低容許速度。

(4) 改善路線縱斷面線形的技術(shù)、經(jīng)濟效益低于設(shè)置爬坡車道的技術(shù)、經(jīng)濟效益。

4 方案比選

雙向四車道以上的高速公路僅可選擇客貨分道方案，因此客貨分道與爬坡車道方案比選僅適用于雙向四車道高速公路。

4.1 方案選擇定性分析

對比客貨分道與爬坡車道：

(1) 實施條件相似，共同點在于上坡路段貨車運行速度降低過多導(dǎo)致通行能力不足時采用。

(2) 實施目的相似，均是以貨車為主要實施對象，改善上坡路段交通條件，提高通行能力，降低交通事故發(fā)生幾率。

(3) 客貨分道是通過設(shè)置隔離設(shè)施或車道分隔實線引導(dǎo)客車、貨車各行其道，對工程造價影響不大；爬坡車道則通過在上坡路段右側(cè)增設(shè)附加車道將慢速大貨車與主交通流分隔，附加車道的設(shè)置將使工程造價增大，特別是橋隧比例高的路段造價增加更為顯著。因此，工程經(jīng)濟性方面，客貨分道優(yōu)于爬坡車道。同時，附加車道的設(shè)置將使路段適應(yīng)的交通量增大，因此，工程技術(shù)性方面，爬坡車道優(yōu)于客貨分道。

在山區(qū)高速公路連續(xù)上坡路段，當(dāng)單向設(shè)計小時交通量大于上坡路段的設(shè)計通行能力時，此路段通行能力不足，應(yīng)依據(jù)交通量、交通組成等實際情況選擇客貨分道或爬坡車道方案。思路如下：首先從經(jīng)濟性的角度，當(dāng)采取客貨分道后，通行客車的內(nèi)側(cè)車道通行能力可滿足實際通行需求時，優(yōu)先采取選擇客貨分道；當(dāng)采取客貨分道后，通行客車的內(nèi)側(cè)車道通行能力仍不能滿足實際通行需求時，采取增設(shè)爬坡車道。

4.2 方案選擇量化計算

高速公路遠景預(yù)測交通量為AADT(veh/h)，交通組成如表1所示。

表1 高速公路交通組成

單向設(shè)計小時交通量DDHV(veh/h)計算：

DDHV=AADT×D×K

(1)

式中：D為方向不均勻系數(shù)(%)；K為設(shè)計小時交通量系數(shù)(%)。

計算得到客車對應(yīng)的小時交通量為(a+b)×DDHV，貨車對應(yīng)的小時交通量為(c+d+e+f)×DDHV(因小貨車占比較小，故一并納入)。

高速公路服務(wù)水平要求不低于三級，對應(yīng)的最大服務(wù)交通量如表2所示。

表2 高速公路最大服務(wù)交通量

設(shè)計通行能力Cd的計算：

Cd=MSFi×fHV×fp×ff

(2)

式中：Cd為設(shè)計通行能力[veh/(h·ln)]；MSFi為設(shè)計服務(wù)水平下的最大交通量[pcu/(h·ln)]；ff為路側(cè)干擾修正系數(shù)，取1.0；fp為駕駛?cè)丝傮w修正系數(shù)，取0.95～1.00；fHV為交通組成修正系數(shù)，按式(3)計算：

(3)

式中：Pi為車型i的交通量占總交通量的百分比；Ei為車型i的車輛折算系數(shù)，E1(小客車、小貨車)為1；中型車動力性能較優(yōu)，其運行速度受交通量影響較大，相應(yīng)車輛折算系數(shù)如表3所示；大貨車及汽車列車動力性能較差，其運行速度受縱坡影響較大，相應(yīng)車輛折算系數(shù)如表4所示。

參考相關(guān)研究，連續(xù)上坡路段縱坡組合的作用應(yīng)按等效坡度、等效坡長進行分析。表5為連續(xù)縱坡組合時等效坡度的確定。

組合縱坡路段等效坡長按式(4)計算：

(4)

式中：SE為等效坡長(m)；S0為縱坡研究主導(dǎo)車型(2017版路線規(guī)范規(guī)定縱坡研究主導(dǎo)車型為總重49 t的六軸汽車列車)爬坡性能曲線圖(圖1)中初始入坡速度與第一段縱坡坡度對應(yīng)的長度(m)；j為連續(xù)上坡中第一段坡度至最大坡度的縱坡數(shù)；Si為連續(xù)上坡中最大坡度前各段坡長(m)。

實行客貨分道情況下，通行客車的內(nèi)側(cè)車道的設(shè)

表4 大貨車、汽車列車折算系數(shù)

表5 等效坡度

圖1 縱坡研究主導(dǎo)車型(總重49 t)爬坡性能曲線

計小時交通量為(a+b)×DDHV(veh/h)，通行貨車的外側(cè)車道的設(shè)計小時交通量為(c+d+e+f)×DDHV(veh/h)；以三級服務(wù)水平為界定依據(jù)，駕駛?cè)丝傮w修正系數(shù)取0.95，內(nèi)側(cè)車道的設(shè)計通行能力為0.95×MSF3×fHV內(nèi)(veh/h)，外側(cè)車道的設(shè)計通行能力為0.95×MSF3×fHV外(veh/h)。

依據(jù)內(nèi)側(cè)車道通行能力與客車對應(yīng)的小時交通量，進行上坡路段改善交通環(huán)境的方案選擇：

(1) 0.95×MSF3×fHV內(nèi)≥(a+b)×DDHV時，內(nèi)側(cè)車道滿足三級服務(wù)水平下客車通行要求，選擇客貨分道方案。

(2) 0.95×MSF3×fHV內(nèi)<(a+b)×DDHV時，內(nèi)側(cè)車道不滿足三級服務(wù)水平下客車通行要求，選擇爬坡車道方案。

5 工程實例分析

5.1 實例一

A高速公路設(shè)計速度100 km/h，雙向四車道，路基寬度26 m，遠景預(yù)測交通量AADT為39 205 pcu/d，交通組成如表6所示，K19+200～K22+500段為連續(xù)上坡路段，縱坡組成為3.5%/800 m+3%/1 000 m+4%/800 m+3.5%/700 m。

表6 A高速公路交通組成

方向不均勻系數(shù)為0.52，設(shè)計小時交通量系數(shù)為0.085，預(yù)測坡底運行速度約為55 km/h，等效坡度為4%(根據(jù)表5查得)，等效坡長為3 200 m[根據(jù)式(4)算得]，中型車、大型車、汽車列車的折算系數(shù)分別為3、4.5、6.5(根據(jù)表3、4查得)。

DDHV=AADT×D×K=39 205×0.52×0.085=1 733 veh/h

三級服務(wù)水平下設(shè)計通行能力Cd為：

Cd=MSFi×fHV×fp×ff=1 600×{1/[1+8%×(3-1)+7%×(3-1)+10%×(4.5-1)+11%×(6.5-1)]}×0.95=674 veh/(h·ln)

單向設(shè)計小時交通量1 733 veh/h大于三級服務(wù)水平下單向設(shè)計通行能力1 348 veh/h，此連續(xù)上坡路段通行能力不足，需采取客貨分道或爬坡車道方案來改善路段交通環(huán)境。

(1) 若實施客貨分道方案，通行客車的內(nèi)側(cè)車道的設(shè)計小時交通量為：

(a+b)×DDHV=(58%+8%)×1 733=1 144 veh/h

三級服務(wù)水平下內(nèi)側(cè)設(shè)計通行能力：

因1 144 veh/h<1 310 veh/h，內(nèi)側(cè)車道滿足客車順暢通行的要求。

(2) 若實施客貨分道方案，通行貨車的外側(cè)車道的設(shè)計小時交通量為：

(c+d+e+f)×DDHV=(6%+7%+10%+11%)×1 733=590 veh/h

三級服務(wù)水平下外側(cè)設(shè)計通行能力：

0.95×MSF3×fHV外=1 600×

因590 veh/h<726 veh/h，外側(cè)車道滿足貨車順暢通行的要求。

綜上所述，內(nèi)側(cè)車道與外側(cè)車道均滿足相應(yīng)車輛順暢通行的要求，故建議選擇客貨分道方案。

5.2 實例二

B高速公路設(shè)計速度80 km/h，雙向四車道，路基寬度24.5 m，遠景預(yù)測交通量AADT=45 341 veh/d，交通組成如表7所示，K102+700～K106+100為連續(xù)上坡路段，縱坡組成為4%/750 m+3.3%/950 m+4.5%/800 m+3.8%/900 m。

表7 B高速公路交通組成

方向不均勻系數(shù)為0.52，設(shè)計小時交通量系數(shù)為0.085，預(yù)測坡底運行速度約為50 km/h，等效坡度為4%，等效坡長為3 100 m，中型車、大型車、汽車列車的折算系數(shù)分別為4、4.5、6.5。

DDHV=AADT×D×K=45 341×0.52×0.085=2 004 veh/h

三級服務(wù)水平下設(shè)計通行能力Cd為：

Cd=MSFi×fHV×fp×ff=1 500×{1/[1+7%×(4-1)+9%×(4-1)+6%×(4.5-1)+8%×(6.5-1)]}×0.95=669 veh/(h·ln)

單向設(shè)計小時交通量2 004 veh/h大于三級服務(wù)水平下單向設(shè)計通行能力1 338 veh/h，此連續(xù)上坡路段通行能力不足，需采取客貨分道或爬坡車道方案改善路段交通環(huán)境。

若實施客貨分道方案，通行客車的內(nèi)側(cè)車道的設(shè)計小時交通量為：

(a+b)×DDHV=(66%+7%)×2 004=1 463 veh/h

三級服務(wù)水平下設(shè)計通行能力：

因1 463 veh/h>1 178 veh/h，內(nèi)側(cè)車道不滿足客車順暢通行的要求，故建議選擇爬坡車道方案。

6 結(jié)語

客貨分道措施與設(shè)置爬坡車道均利于提高山區(qū)高速公路連續(xù)上坡路段通行能力，降低交通事故發(fā)生幾率。兩個方案的實施條件相似，從工程經(jīng)濟、技術(shù)方面比較，客貨分道方案在工程經(jīng)濟方面占優(yōu)，爬坡車道方案在工程技術(shù)方面占優(yōu)。在選擇方案時，應(yīng)根據(jù)交通量、交通組成、坡度、坡長等綜合確定。內(nèi)側(cè)車道滿足三級服務(wù)水平下客車通行要求時，建議選擇客貨分道方案；內(nèi)側(cè)車道不滿足三級服務(wù)水平下客車通行要求時，建議選擇爬坡車道方案。