城市過江隧道總體方案的交通運(yùn)營仿真分析
——以洲頭咀隧道為例

張曉瑾，楊永捷

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

0 引 言

本研究依托項(xiàng)目為廣州市洲頭咀隧道系統(tǒng)工程。洲頭咀隧道位于廣州市白鵝潭南端約800 m處的珠江主航道上，西接芳村花蕾路，與芳村大道相交后下穿珠江，東連海珠區(qū)內(nèi)環(huán)路的洪德路立交。該工程路線全長2.256 km，其中隧道長1287 m，在芳村端分別設(shè)置右進(jìn)右出匝道與芳村大道實(shí)現(xiàn)交通轉(zhuǎn)換，在海珠端采用匝道與內(nèi)環(huán)路預(yù)留匝道相連，穿越珠江340 m長的水中段采用沉管隧道。

為適應(yīng)中心城區(qū)各類復(fù)雜的實(shí)施條件，洲頭咀隧道總體方案的道路線形和道路縱坡變化較多，立交范圍內(nèi)的交通組織和行車條件較為復(fù)雜。第一，隧道的縱坡較大，洲頭咀隧道主線的最大縱坡達(dá)4.8%，匝道的最大縱坡達(dá)6.5%，匝道在與主線隧道分合流處采用了與主線相同的縱坡4.6%（4.8%）；第二，為解決洲頭咀隧道連接內(nèi)環(huán)路主線的匝道大高差的展線問題，總體方案通過同心圓螺旋展線布設(shè)匝道，平面轉(zhuǎn)彎半徑僅60 m，但轉(zhuǎn)向角度達(dá)450°，匝道平面線形指標(biāo)較低；第三，洲頭咀隧道工程在國內(nèi)較早進(jìn)行了地下立交設(shè)計(jì)的探索，采用了在城市主干路等級(jí)的隧道中設(shè)置匝道出入口的方案，交通組織較為復(fù)雜[1]。

在上述各類復(fù)雜因素的共同作用和影響下，行車的舒適度和安全性是總體方案需要重點(diǎn)考慮和評(píng)估的對(duì)象。根據(jù)現(xiàn)行的城市道路相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，道路的平縱指標(biāo)根據(jù)設(shè)計(jì)速度進(jìn)行取值，即使采用“極限值”指標(biāo)，理論上也能滿足行車安全的要求。但是，在洲頭咀隧道的復(fù)雜條件下，車輛在道路上實(shí)際上并不會(huì)以恒定的設(shè)計(jì)速度行駛，而是會(huì)因坡度、半徑、轉(zhuǎn)向角、出入口的變化，以及交通流量、駕駛行為的影響，選擇合適的運(yùn)行速度。行駛過程中，是否會(huì)出現(xiàn)速度的突變，造成行車安全隱患，關(guān)系到運(yùn)營期間的交通安全。

因此，在總體方案研究階段，需要通過交通運(yùn)營數(shù)據(jù)分析，來檢測車輛在洲頭咀隧道設(shè)計(jì)范圍運(yùn)行的穩(wěn)定性與舒適度，評(píng)估總體方案的交通安全程度。

1 分析評(píng)價(jià)方法

在公路設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，英國、加拿大、美國等國家多采用“運(yùn)行速度”作為公路安全評(píng)價(jià)（Road Safety Audit）的標(biāo)準(zhǔn)。我國自2003年在《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2003）中正式引入了“運(yùn)行速度”的概念,2004年發(fā)布了《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)指南》（JTG/T B05—2004），修編并于2015年發(fā)布《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》（JTG B05—2015）。采用“運(yùn)行速度”對(duì)公路安全進(jìn)行評(píng)價(jià)、檢驗(yàn)的理論和方法已基本成熟,而且已經(jīng)得到了大量工程實(shí)踐的驗(yàn)證[2-4]。

因此，在洲頭咀隧道總體設(shè)計(jì)過程中，參考公路安全評(píng)估方法，采用了仿真分析的手段，獲取運(yùn)行速度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。交通運(yùn)營仿真分析的目的是檢測總體方案實(shí)施后，從道路使用者的角度，對(duì)影響道路安全的關(guān)鍵指標(biāo)——“運(yùn)行速度”進(jìn)行分析。對(duì)比車輛運(yùn)行速度變化曲線，在路段特征點(diǎn)交通模型的車行道上等間隔采集通過車輛的運(yùn)行速度，分析洲頭咀隧道運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性，并重點(diǎn)對(duì)比平面、縱斷面指標(biāo)或設(shè)計(jì)速度不同的相接路段，如洲頭咀環(huán)形匝道與內(nèi)環(huán)路A線、B線的連接段，隧道入口段和出口段等。

2 交通模型構(gòu)建和仿真參數(shù)設(shè)置

洲頭咀隧道交通運(yùn)營仿真建模范圍主要包括：北起內(nèi)環(huán)路高架洪德路路段，經(jīng)環(huán)形高架匝道、洲頭咀隧道主線，西接芳村大道，南至內(nèi)環(huán)路高架工業(yè)大道路段，東接寶崗大道，覆蓋洲頭咀隧道工程全部設(shè)計(jì)范圍（見圖1）。采用Vissim微觀交通仿真模型的構(gòu)建路網(wǎng)，導(dǎo)入道路平縱橫指標(biāo)、Auto CAD道路橋梁設(shè)計(jì)模型、GIS空間地理模型進(jìn)行構(gòu)建。道路和橋梁設(shè)施3D模型可以完整、精確地還原設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建交通跟車模型，導(dǎo)入車輛特性、交通流特性和交通組織特征，經(jīng)測試修正后，進(jìn)行仿真運(yùn)行和指標(biāo)分析（見圖2、圖 3）。

圖1 洲頭咀隧道交通仿真模型建模范圍示意圖

圖2 洲頭咀隧道交通仿真模型圖（一）

圖3 洲頭咀隧道交通仿真模型圖（二）

模型范圍內(nèi)的交通流量、車型比例均采用《廣州市洲頭咀隧道工程可行性研究報(bào)告》中遠(yuǎn)期特征年2025年交通流量預(yù)測值[5]（見表1、圖4）。

表1 特征年洲頭咀隧道工程各斷面高峰小時(shí)交通量（可研）

圖4 特征年兩座立交高峰小時(shí)流量流向（單位：pcu/h）

3 交通運(yùn)營仿真分析

3.1 洲頭咀隧道北往西方向

洲頭咀隧道北往西行測試路段全長2300 m（HK0+260～FK0+500～AK2+040～AK0+600），車輛經(jīng)H匝道、F匝道進(jìn)入洲頭咀隧道，經(jīng)芳村大道、花蕾路出口駛出洲頭咀隧道（見圖5）。

圖5 內(nèi)環(huán)路—洲頭咀隧道北往西方向測試路段示意圖

H匝道：車輛首先由內(nèi)環(huán)路A線向右側(cè)匯入H匝道，為緩慢下坡路段，平均車速29.7 km/h，車隊(duì)中運(yùn)行最快和運(yùn)行最慢的車輛最大速度差為2.6 km/h，車輛運(yùn)行安全、平穩(wěn)、有序。

F匝道：車輛其次由H匝道接入F匝道，進(jìn)入螺旋匝道行駛，全長540 m。H匝道匯入F匝道段及F匝道環(huán)道上，車速平穩(wěn)，平均車速維持在29.9 km/h，與上游H匝道速度基本持平。

F匝道出口路段：車輛駛離螺旋環(huán)道，進(jìn)入平直下坡路段，南往西行車輛與北往西行車輛合流，車道數(shù)增加為3條，進(jìn)入圖6所示速度波動(dòng)區(qū)間1，車輛加速，120 m長度范圍內(nèi)，車速上升9.6 km/h，路段最大加速度達(dá)到0.35 m/s2。

圖6 內(nèi)環(huán)路—洲頭咀隧道北往西方向速度變化曲線

洲頭咀隧道（西行）：車輛進(jìn)入洲頭咀隧道后先進(jìn)入下坡路段，再進(jìn)入上坡段，全程1.5 km，平均車速39.5 km/h。

東往西行隧道主線車輛與北往西、南往西車輛在隧道內(nèi)合流時(shí)，車道數(shù)由合流段4條漸變?yōu)橹骶€3條，同時(shí)隧道內(nèi)縱坡變化幅度較大。綜合影響，合流范圍內(nèi)車速有小幅波動(dòng)，進(jìn)入圖6所示速度波動(dòng)區(qū)間2，受影響路段全長260 m，車速最大降幅為6.5 km/h，路段最大加速度達(dá)到0.16 m/s2。合流段結(jié)束后，車輛運(yùn)行平穩(wěn)，車隊(duì)平均車速約39.5 km/h。

3.2 洲頭咀隧道南往西方向

洲頭咀隧道南往西行測試路段全長2440 m（FK0+660～AK2+060～AK0+580），車輛經(jīng)內(nèi)環(huán)路B線匯入F匝道，進(jìn)入洲頭咀隧道，經(jīng)芳村大道、花蕾路出口駛出洲頭咀隧道（見圖7）。

圖7 內(nèi)環(huán)路—洲頭咀隧道南往西方向測試路段示意圖

內(nèi)環(huán)路B線匯入段：車輛由內(nèi)環(huán)路B線左側(cè)匯入F匝道，測試路段全長140 m，為緩慢下坡路段。受螺旋匝道限速影響，車輛駛離主線時(shí)開始減速，進(jìn)入圖8所示的速度波動(dòng)區(qū)間3，平均車速由38.6 km/h下降至29.5 km/h，降幅為9.1 km/h，路段最大加速度為0.34 m/s2。

圖8 內(nèi)環(huán)路—洲頭咀隧道南往西方向速度變化曲線

F匝道：車輛進(jìn)入F匝道螺旋環(huán)道后運(yùn)行較為平穩(wěn)，平均車速維持在30.1 km/h。

洲頭咀隧道（西行）：車輛駛出F匝道后，南往西行車輛與北往西行車輛合流，車道數(shù)增加，進(jìn)入洲頭咀隧道主線，車輛進(jìn)入加速路段。合流段及隧道段的車隊(duì)運(yùn)行特征指標(biāo)與3.1節(jié)中相應(yīng)路段特征一致。

3.3 洲頭咀隧道西往南方向

洲頭咀隧道西往南行測試路段全長2180 m（AK0+560～GK0+660），測試車隊(duì)經(jīng)花蕾路入口進(jìn)入洲頭咀隧道，出隧道后由E匝道、G匝道轉(zhuǎn)換，進(jìn)入內(nèi)環(huán)路A線南行（見圖9）。

圖9 內(nèi)環(huán)路—洲頭咀隧道西往南方向測試路段示意圖

洲頭咀隧道（東行）：來自花蕾路的車輛在進(jìn)入隧道后行駛較為平穩(wěn)，平均速度為39.7 km/h。

來自芳村大道的車輛匯入隧道后，在AK1+400處隧道內(nèi)車輛合流，交通流量增長，隧道內(nèi)縱坡起伏較大，共同影響，引起車速下降，進(jìn)入圖10所示的速度波動(dòng)區(qū)間4，速度小幅下降并基本穩(wěn)定至35.7 km/h，降幅4.0 km/h。

圖10 內(nèi)環(huán)路—洲頭咀隧道西往南方向速度變化曲線

G匝道：車輛由隧道向右側(cè)變道，進(jìn)入G匝道螺旋環(huán)道后，受上坡路段、匝道限速，以及G匝道末端環(huán)道的車道數(shù)由2條匯聚為1條等因素影響，進(jìn)入圖10所示的速度波動(dòng)區(qū)間5，車速進(jìn)一步降低至31.3 km/h，降幅為4.4 km/h。

3.4 洲頭咀隧道西往東方向

洲頭咀隧道西往東行測試路段全長2340 m（AK0+560～AK2+900），測試車隊(duì)經(jīng)花蕾路入口進(jìn)入洲頭咀隧道，由寶崗大道出口駛離隧道（見圖11）。

圖11 洲頭咀隧道西往東方向速度變化曲線

來自芳村大道的車輛匯入隧道后，在隧道AK1+400～AK1+700段，珠江江面正下方隧道縱坡起伏較大，同時(shí)芳村大道匯入的車輛與主線合流，交通流量增長，共同引起車速下降，進(jìn)入圖11所示的速度波動(dòng)區(qū)間6，速度下降為35.7 km/h，降幅4.0 km/h。

過江后，去往內(nèi)環(huán)路方向的車輛經(jīng)E匝道分流，去往寶崗大道方向的隧道主線車輛不再受分合流車輛影響，運(yùn)行平穩(wěn)，平均速度維持在41.8 km/h。

3.5 洲頭咀隧道東往西方向

洲頭咀隧道東往西行測試路段全長2340 m（AK2+900～AK0+560），測試車隊(duì)經(jīng)寶崗大道入口進(jìn)入洲頭咀隧道，由花蕾路出口駛離隧道。

與洲頭咀隧道西往東行（花蕾路—寶崗大道）速度變化特征類似，隧道內(nèi)全程交通運(yùn)營較為穩(wěn)定，平均車速為40.2 km/h。在珠江江面正下方隧道內(nèi)縱坡起伏較大的路段（AK1+380～AK1+780），受D匝道匯入的車輛與主線合流的影響，交通流量增長，共同引起車速下降，進(jìn)入圖12所示的速度波動(dòng)區(qū)間7，速度下降為36.2 km/h，降幅4.0 km/h。

圖12 洲頭咀隧道東往西方向速度變化曲線

4 結(jié) 論

通過交通仿真測試得到設(shè)計(jì)范圍內(nèi)共存在7處較為明顯的運(yùn)行速度波動(dòng)區(qū)間，主要位于匝道與主線合流、分流路段以及縱坡變化較大的路段。這些位置的設(shè)計(jì)速度發(fā)生變化，路段車行道數(shù)量發(fā)生變化，道路坡度較大，對(duì)運(yùn)行速度產(chǎn)生明顯的影響。

通過表2可以看出，研究范圍內(nèi)最大的運(yùn)行速度差值為9.6 km/h，最小的速度差為4.0 km/h。參考公路相鄰路段速度協(xié)調(diào)性的評(píng)價(jià)方法[4]，本次仿真運(yùn)行速度差值均小于10 km/h，認(rèn)為道路安全性良好，洲頭咀隧道研究范圍內(nèi)車輛運(yùn)行整體呈現(xiàn)平穩(wěn)、安全、有序狀態(tài)。

表2 洲頭咀隧道路段仿真運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性情況表

實(shí)際運(yùn)營中，對(duì)7處速度波動(dòng)區(qū)間，特別是5處減速路段，應(yīng)在交通工程設(shè)計(jì)中設(shè)置高標(biāo)準(zhǔn)交通安全設(shè)施，并采取安全改善措施等方式進(jìn)一步提升道路安全水平。