樞紐快速集散道路交織段設(shè)計方法及指標(biāo)研究
——以虹橋樞紐為例

馮 寶

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

為銜接樞紐建筑本體與外圍集疏運路網(wǎng)，建設(shè)專用、封閉的快速集散道路系統(tǒng)，為樞紐建筑本體客運提供快速集散服務(wù)。樞紐快速集散系統(tǒng)與一般城市快速路集散系統(tǒng)有所區(qū)別。樞紐快速集散道路承擔(dān)進出樞紐的道路交通需求，高峰時段交通量集中，交織段車流量很大。同時，樞紐內(nèi)部用地緊湊，道路設(shè)施密集，各項設(shè)計指標(biāo)趨于極限。樞紐快速集散道路連接外圍快速道路與內(nèi)部車道邊，設(shè)計車速體現(xiàn)了銜接過渡的功能，低于城市快速路。其中，高架循環(huán)圈為40 km/h，匝道為30～40 km/h。

現(xiàn)有快速路設(shè)計規(guī)范《城市快速路設(shè)計規(guī)程》（CJJ 129—2009）中，關(guān)于各類交織段相關(guān)規(guī)定，僅對主線設(shè)計車速為60/80/100 km/h的情況有所研究。樞紐快速集散系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低于城市快速路主線，且高于一般立交，為解決設(shè)計中面臨的參數(shù)選擇問題，需要對樞紐快速集散系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)取值進行深入研究。

1 樞紐交織段

1.1 定義

從狹義的角度來看，行駛方向相同的兩股或多股交通流，不借助交通控制設(shè)施實現(xiàn)車道交叉變換的過程，在相當(dāng)長的路段上即構(gòu)成了交織行為[1]。樞紐快速集散道路主要由服務(wù)不同方向車流主線和匝道組成。匝道的行駛特性在集散道路整體運行中占據(jù)十分重要的地位。從廣義的角度來看，凡是因車輛的車道變換而引發(fā)的紊亂和交織沖突行駛區(qū)間都可納入樞紐快速集散道路交織段的研究范疇。

1.2 組成

樞紐快速集散道路交織段與連續(xù)流運行狀態(tài)下的普通高速公路類似，由合流區(qū)或分流區(qū)構(gòu)成。來自不同方向的車流在連接點處匯合，形成合流區(qū)；前往不同方向的車流在連接點處分離，形成分流區(qū)。由于駕駛員必須進入適合他們的車道，在合流處尋找可插空隙，或在分流處車道重新分布的過程中發(fā)生車道變換，則形成受紊流支配的交織區(qū)（見圖 1、圖 2）。

圖1 典型交織段示意圖

1.3 分類

樞紐快速集散道路交織段的構(gòu)型涉及路段的入口車道和出口車道的相對位置和數(shù)量，并且對必須在路段上進行車道變換的次數(shù)存在重大影響，是決定交織性能的關(guān)鍵幾何特性。

圖2 典型交織段運行示意圖

根據(jù)車輛從支線道路進出主線道路的順序，可將樞紐快速集散道路交織段分為“駛?cè)?駛出式”、“駛?cè)?- 駛?cè)胧健?、“駛?- 駛?cè)胧健薄ⅰ榜偝?-駛出式”等4種基本方式。在樞紐集散道路中，交織段的寬度在設(shè)計中會根據(jù)上下游路段的情況調(diào)整，由此將導(dǎo)致進出主線的車輛在交織段范圍出現(xiàn)需要并道、分道行駛或上下游車道數(shù)一致兩種情況。基于交織段上下游的車道平衡情況，將4種基本布置方式進一步細化為8種類型（見圖3）。

圖3 樞紐集散道路交織段的分類

2 交織段通行能力

交織段通行能力的影響因素眾多，如交織區(qū)類型、交織區(qū)長度、交織區(qū)內(nèi)車道數(shù)及交織流量比等，使得交織段不像基本路段那樣有所謂的理想條件。運用當(dāng)前比較成熟的交通流理論模型和交通仿真模型，結(jié)合部分實測數(shù)據(jù)，通過實驗方案設(shè)計，改變輸入條件，即可得到不同條件組合下的通行能力參考值，具有較好的適用性。

2.1 通行能力的影響因素

樞紐快速集散道路交織段為連續(xù)流，通行能力受外界因素的影響較小。影響因素主要為自身的幾何構(gòu)型和交通運行條件。

2.1.1 幾何構(gòu)型條件

交織段的長度L，即交通分合流點的起點和終點之間的距離（見圖4）。它對交織段運行的影響表現(xiàn)為駕駛員駕駛汽車通過交織段時的操作緊迫程度。樞紐快速集散道路中交織段的主要研究范圍為 40～200 m。

圖4 交織段長度示意圖

2.1.2 交通運行條件

交織段的總流率Q，即交織段的交通需求。樞紐快速集散道路交織段的交通需求取決于主線和匝道的流量、流向。

交織段的交通量比VR，即交織車流與總流率的比值。一般情況下，交通量比VR越大，交織段通行能力越小。本研究中，樞紐快速集散道路中選取交通量比VR=0.25～1.0作為研究參數(shù)。圖5為交織比分別為0和1的交織行為示意圖。

圖5 交織量比分別為0和1的交織行為示意

交織段的設(shè)計車速V，即主線和支線的車輛設(shè)計速度。通常，車速越高，通行能力越大。樞紐快速集散道路中交織段的主線設(shè)計速度一般為40 km/h和60 km/h，匝道設(shè)計速度為主線速度的0.5～0.7。

交織區(qū)內(nèi)車型比例，即交織段內(nèi)運行的不同車輛類型及其比率。樞紐快速集散道路中交織段運行的車輛主要為小客車和大客車，比率分別為90%和10%。

2.1.3 其他因素

其他因素還包括平面線形、縱向坡度、交通標(biāo)志誘導(dǎo)等。通常在平面線形較好、縱坡小、先前有較好引導(dǎo)的情況下，交織段的通行能力會大一些。

2.2 交織段通行能力仿真

本研究采用微觀仿真模型VISSIM，以單個車輛單元為分析單位，細致反映車輛的跟車、換車道行為，以車輛單元間的相互制約關(guān)系為函數(shù)關(guān)系，確定車輛某一時刻具體的位置、速度、加速度等車輛參數(shù)。

參照虹橋綜合交通樞紐高架快速集散系統(tǒng)的設(shè)計，對樞紐快速集散道路的交織段按照8種不同的結(jié)構(gòu)類型，40 km/h和60 km/h兩種設(shè)計速度，不同的交織段長度進行交叉分類，并利用微觀交通仿真軟件VISSIM構(gòu)建不同的交織段模型，分析不同交通運行狀況下的通行能力[3]。

3 交織段設(shè)計參數(shù)

3.1 服務(wù)水平

交通設(shè)施對應(yīng)不同的交通需求和運行特征，提供不同的服務(wù)質(zhì)量。服務(wù)水平是對特定交通需求下交通設(shè)施所提供的服務(wù)質(zhì)量的度量。服務(wù)水平的評價通?？傻玫矫芏取⑺俣?、延誤、飽和度和服務(wù)交通量等指標(biāo)。它們通常適用于不同類型的道路。

本研究將交織段的服務(wù)水平劃分為A至D共4個級別，其中A級服務(wù)水平運行狀況最好，D級最差。每一級對應(yīng)不同的駕駛條件和交通狀況。表1為樞紐快速集散道路交織段服務(wù)水平等級建議值。

表1 樞紐快速集散道路交織段服務(wù)水平等級建議值

3.2 設(shè)計參數(shù)

基于前面的仿真分析，可得到A、B、C、D 4級服務(wù)水平下8種不同類型交織段、不同設(shè)計長度時的通行能力。

VR取其他值時，可以上述仿真分析結(jié)果為依據(jù)，運用HCM的交織段“密度-流量”計算公式得到對應(yīng)服務(wù)水平的通行能力：

式中：Wi為交織段的行車密度，pcu/km/ln；VR為交織段的交通量比；Q為交織段的總流率，pcu/h；N為交織段的車道數(shù)，條；L為交織段的長度，m；a，b，c，d 為計算參數(shù)。

圖6為交織段密度-VR關(guān)系圖。圖7為不同長度交織段的通行能力。

圖6 交織段密度-VR關(guān)系

圖7 不同長度交織段的通行能力

通過與已有規(guī)范《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》（CJJ 37—2012）、《城市快速路設(shè)計規(guī)程》（CJJ 129—2009）對比分析，本研究中提出的樞紐快速集散道路交織段設(shè)計建議值（見表2），基本介于《城市快速路設(shè)計規(guī)程》（CJJ 129—2009）關(guān)于城市快速路主線與《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》（CJJ 37—2012）關(guān)于立交匝道的標(biāo)準(zhǔn)之間[1，3]，即樞紐快速集散道路的交織段，其運行車速相對快速路主線而言期望值降低，確保通行能力而不追求高的車速。但是，相對立交匝道出入口而言，標(biāo)準(zhǔn)則有所提高，使得樞紐快速集散道路系統(tǒng)能夠維持一定的服務(wù)水平，滿足樞紐地區(qū)快速集散的需求。

4 交織段安全分析評價

4.1 交織段安全運行影響因素

對交織段安全運行影響因素進行分析，主要包括交織段長度、交織段車道數(shù)、交織流量比及交織段構(gòu)造類型。這些對交織段的運行安全性具有重要影響，是分析交織段運行的重要因素。主要考慮到：交織段運行速度與交織段長度及交織段內(nèi)車道數(shù)具有正相關(guān)關(guān)系，而與交織流量比和總交通量具有負相關(guān)關(guān)系。

表2 交織段長度設(shè)計參數(shù)建議值

式中：ATC為平均當(dāng)量小客車公里沖突數(shù)，次/（pcu·km）；TC為時均沖突次數(shù)，次；Q為交通量，pcu/h；L為交織區(qū)長度，km。

4.2.3 交織段交通沖突仿真

根據(jù)對樞紐快速集散道路交織段長度設(shè)計參數(shù)的研究，對于8種類型的交織段，考慮不同交織段長度下的C級服務(wù)水平情況，對交織段ATC指標(biāo)進行仿真評價。基于樞紐快速路通行能力和服務(wù)水平考慮的交織段長度建議取值見表3。

表3 基于交通運行的交織段長度設(shè)計建議取值

根據(jù)不同類型交織段在不同交織區(qū)長度C級服務(wù)水平下的交通流參數(shù)進行仿真，得出不同類型交織段在不同交織段長度下的ATC相對減少率（相對于最小交織段長度）。

以第三級交織段長度作為一般值，以第四級交織段長度作為推薦值，給出以下樞紐快速集散道路交織段長度設(shè)計的建議取值（見表4）。

4.2 基于沖突仿真的交織段安全評價方法

4.2.1 交通沖突仿真方法

采用以VISSIM仿真軟件為分析數(shù)據(jù)提供平臺的 SSAM（Surrogate Safety Assessment Model）安全間接評價模型。SSAM模型是一種基于網(wǎng)格的沖突識別分析模型，其主要分析指標(biāo)有TTC（沖突發(fā)生時間）、PET（前后兩車的車頭時距）、ΔS（兩車相對速度）等。它是通過對交通仿真軟件輸出的車輛軌跡運行文件進行處理，結(jié)合各項沖突分析指標(biāo)閾值，來判斷交通沖突狀態(tài)[4]。

4.2.2 交織段安全評價指標(biāo)

為了更加客觀地反映交織區(qū)交通安全狀態(tài)，選擇沖突數(shù)與通過量、路段長度的比值，即平均車公里沖突數(shù)（Average Traffic Conflict，簡稱 ATC）作為評價的指標(biāo)。其中，交通量為在一定的交通條件下，單位時間內(nèi)通過交織區(qū)某一斷面的車輛數(shù)。

表4 基于交通安全的交織段長度設(shè)計建議取值

5 實證分析

5.1 交織段評價

虹橋樞紐快速集散道路的設(shè)計速度為40 km/h，小客車與大客車的比例為1∶9。為減少匯入或駛出車流直接對主線構(gòu)成沖擊，需要構(gòu)造駛?cè)?駛?cè)胄鸵约榜偝?駛出型交織段的路段，均已采用分級設(shè)置出入口予以解決。樞紐內(nèi)部集散道路的交織段類型主要包括駛?cè)?駛出型和駛出-駛?cè)胄蛢煞N[3]。

5.1.1 駛?cè)?駛出型

在樞紐內(nèi)部快速集散系統(tǒng)4個獨立逆時針循環(huán)圈中，存在12個主要的駛?cè)?駛出型交織段，其中I類交織段4個，II類交織段8個（見圖8和表 5）。

圖8 虹橋樞紐快速集散系統(tǒng)駛?cè)?駛出型交織段分布

表5 集散系統(tǒng)循環(huán)圈駛?cè)?駛出型交織段統(tǒng)計

在快速集散系統(tǒng)中，駛?cè)?駛出型交織段的寬度一般為3車道，部分直接連接車道邊的交織段為4車道。交織段長度均保持在110 m以上。在2030年的預(yù)測交通流量下，各交織段的服務(wù)水平比較理想，除交織段2、3、6、9為C級服務(wù)水平外，其余交織段均位于B級服務(wù)水平以上，能夠滿足虹橋樞紐的快速集散需求。但是，交織段6和交織段9在流量較大的情況下，因受到車道邊?？寇囕v干擾而導(dǎo)致實際用于交織的車道數(shù)目減少時，容易發(fā)生擁堵。

5.1.2 駛出-駛?cè)胄?/p>

在樞紐內(nèi)部快速集散系統(tǒng)4個獨立逆時針循環(huán)圈中，存在8個主要的駛出-駛?cè)胄徒豢椂危渲蠽類交織段3個，VI類交織段5個（見圖9和表6）。

圖9 虹橋樞紐快速集散系統(tǒng)駛出-駛?cè)胄徒豢椂畏植?/p>

在快速集散系統(tǒng)中，駛出-駛?cè)胄徒豢椂蔚膶挾纫话銥?車道，交織段一般在入口或出口至少有一端保持車道平衡，交織段長度控制較好，基本保持在150 m以上。在2030年的預(yù)測交通流量下，各交織段均位于B級服務(wù)水平以上，能夠有效滿足虹橋樞紐的快速集散需求。

表6 集散系統(tǒng)循環(huán)圈駛出-駛?cè)胄徒豢椂谓y(tǒng)計

5.2 采取的優(yōu)化措施

對于虹橋交通樞紐集散道路，在其設(shè)計階段就考慮了交織段的優(yōu)化，并針對交織段運行中可能存在的一些問題，從宏觀、中觀和微觀層面分別采取了不同的應(yīng)對措施，以降低大量交織段給集散系統(tǒng)可能帶來的負面影響。

（1）宏觀措施。從路網(wǎng)形態(tài)考慮，均衡集散道路系統(tǒng)流量，通過南北分行、分塊循環(huán)的方式進行交通組織。

（2）中觀措施。合理安排交織流線，避免主要流向在交織段形成瓶頸?；诜謮K循環(huán)的前提，合理布設(shè)交通流線，利用工程措施將進場流線與離場流線盡可能分離，減少交織。

（3）微觀措施。對集散道路交織段開展優(yōu)化設(shè)計，采用分合流點分級布設(shè)，通過立體組織改變交織型式等方法提高交織段與快速路的通行能力。

6 結(jié) 語

文章對樞紐快速集散道路交織段設(shè)計方法及指標(biāo)進行了研究，完善了大型綜合交通樞紐的規(guī)劃設(shè)計理論體系，總結(jié)出樞紐快速集散路網(wǎng)交織段設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，為相關(guān)設(shè)計指南或規(guī)范的編制提供基礎(chǔ)。