基于運(yùn)行速度分析的環(huán)式匝道安全性評(píng)價(jià)及優(yōu)化策略

馬小利 丁 盛

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

我國(guó)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)規(guī)定“互通式立體交叉分為樞紐互通式立交和一般互通式立交”[1]。 隨著我國(guó)以高速公路為主的國(guó)家公路網(wǎng)的逐漸形成，樞紐互通式立交將大量涌現(xiàn)，并在高速公路運(yùn)行效率方面占據(jù)重要地位， 合理且安全的樞紐互通式立交對(duì)疏導(dǎo)高速交通、完善路網(wǎng)規(guī)劃、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面起到積極作用。 路線設(shè)計(jì)指標(biāo)與車輛實(shí)際行駛速度所要求的線形指標(biāo)之間的脫節(jié)， 往往是造成交通事故的主要原因之一[2]。本文主要基于對(duì)變異苜蓿葉型樞紐互通式立交中左轉(zhuǎn)環(huán)式匝道的運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性和一致性的評(píng)價(jià)，提出幾點(diǎn)提高此類環(huán)圈匝道安全性的建議。

1 研究背景

樞紐互通式立交有多種類型， 變異苜蓿葉型是比較最為常見(jiàn)的類型。

對(duì)于各種變異苜蓿葉形互通式立交， 其中的環(huán)形匝道，大部分采用設(shè)計(jì)時(shí)速40km/h，斷面采用《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20-2017)(以下簡(jiǎn)稱《路線規(guī)范》)[3]中規(guī)定的Ⅰ型標(biāo)準(zhǔn)單向單車道， 并根據(jù)匝道圓曲線半徑選取路面加寬值，設(shè)計(jì)時(shí)一般采用40km/h 設(shè)計(jì)時(shí)速對(duì)應(yīng)的最小平曲線半徑一般值，即60m，路面加寬值為0.25m。

《路線規(guī)范》 中指出有條件時(shí)宜采用被交路上跨方式， 但實(shí)際建設(shè)過(guò)程中多數(shù)情況為新建高速公路跨越既有高速公路。 因此左轉(zhuǎn)環(huán)圈匝道往往采用上跨被交路形式，上跨被交路處設(shè)置凸型變坡點(diǎn)，且環(huán)圈匝道下坡坡度一般超過(guò)3%。 如此，必然造成環(huán)圈匝道線形由高指標(biāo)到較低指標(biāo)的變化。即在環(huán)圈彎道前，平面線形為直線或較大半徑圓曲線，縱面亦較緩，運(yùn)行速度≥60km/h 以上，而環(huán)圈的圓曲線半徑一般較小(60m)，同時(shí)位于大縱坡的底部，若運(yùn)行速度大于設(shè)計(jì)速度，而設(shè)計(jì)仍采用設(shè)計(jì)速度對(duì)應(yīng)的指標(biāo)，則非常危險(xiǎn)。

文獻(xiàn)[4]、[5]中對(duì)大半徑曲線緊接小半徑曲線的線形組合情況基于高速公路運(yùn)行速度測(cè)算模型進(jìn)行了運(yùn)行速度的計(jì)算， 提出大半徑圓曲線接小半徑回轉(zhuǎn)匝道線形組合協(xié)調(diào)性與車輛實(shí)際運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性不匹配。 根據(jù)交通部頒發(fā)的 《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTG B05-2015)(以下簡(jiǎn)稱《安全評(píng)價(jià)規(guī)范》)對(duì)互通式匝道路段的運(yùn)行速度計(jì)算方法進(jìn)行了重新描述： 匝道路段運(yùn)行速度按本規(guī)范第B.4.5～B.4.8 條有關(guān)規(guī)定執(zhí)行； 設(shè)計(jì)速度40km/h 及以上二級(jí)公路、三級(jí)公路、互通式立體交叉匝道路段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)宜符合B.4 節(jié)的有關(guān)規(guī)定[6]。本文利用其中介紹的“模型法”對(duì)變異苜蓿葉樞紐互通環(huán)圈匝道運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性進(jìn)行分析。

2 運(yùn)行速度計(jì)算與協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)

某樞紐互通中E 匝道為環(huán)圈匝道，最小曲線半徑為60m，單向單車道，路基寬度9m，設(shè)計(jì)速度采用40km/h，B匝道設(shè)計(jì)速度為60km/h，正線設(shè)計(jì)速度為80km/h。 E 匝道平縱面設(shè)計(jì)如圖1、圖2 所示。

表1 分析單元?jiǎng)澐衷瓌t

圖1 E 匝道平面線位圖

圖2 E 匝道縱斷面圖

依據(jù)表1 分析單元?jiǎng)澐衷瓌t， 對(duì)E 匝道計(jì)算結(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，如圖1，QD 為本匝道線形設(shè)計(jì)起點(diǎn)，D1 點(diǎn)(該點(diǎn)曲率半徑為600m)為平直路段終點(diǎn)，D2 點(diǎn)(曲率半徑=60，縱斷面3.5%) 為彎坡組合路段圓曲線中點(diǎn)，D3 點(diǎn)曲率半徑為600m，為平曲線路段曲出點(diǎn)。

2.1 匝道初始速度和期望速度

2.1.1 初始速度

根據(jù)《安全評(píng)價(jià)規(guī)范》，匝道的初設(shè)速度宜采用分流鼻端通過(guò)速度。 E 匝道從B 匝道分流，線形起點(diǎn)QD 的速度為B 匝道設(shè)計(jì)速度，即60km/h，E 匝道分流鼻端FD 通過(guò)速度根據(jù)公式v=v02+2as 可計(jì)算得到。

2.1.2 期望速度

小客車期望運(yùn)行速度取85km/h，大貨車期望運(yùn)行速度取70km/h。

2.1.3 推薦加速度

考慮小客車加速性能有高有低， 本次計(jì)算小客車推薦加速度值取平均值，即0.3，大貨車載物重，猛加速情況并不多見(jiàn)，推薦加速度值取較小值0.2。

表2 平直路段上加速度推薦值

2.2 環(huán)圈匝道路段結(jié)點(diǎn)速度測(cè)算及分析

結(jié)點(diǎn)速度測(cè)算模型詳見(jiàn)《安全評(píng)價(jià)規(guī)范》附錄B.4 章節(jié)。

E 匝道(小客車)各結(jié)點(diǎn)運(yùn)行速度如表3 所示。

表3 E 匝道(小客車)各結(jié)點(diǎn)運(yùn)行速度表km/h

E 匝道(大貨車)各結(jié)點(diǎn)運(yùn)行速度如表4 所示。

表4 E 匝道(大貨車)各結(jié)點(diǎn)運(yùn)行速度表km/h

E 匝道平直路段與彎坡組合段相鄰路段運(yùn)行速度差|Δ85| 大于20km/h，相鄰路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不良。

E 匝道平直路段上設(shè)計(jì)速度與運(yùn)行速度的差值大于20km/h，協(xié)調(diào)性不良。

綜上，變異型苜蓿葉環(huán)形匝道以40km/h 設(shè)計(jì)速度選取設(shè)計(jì)指標(biāo)存在不足， 需要根據(jù)路段結(jié)點(diǎn)的運(yùn)行速度調(diào)整優(yōu)化平縱橫指標(biāo)。 根據(jù)運(yùn)行速度測(cè)算結(jié)果， 匝道半徑R=60m 曲線上小客車的運(yùn)行速度達(dá)到58.83km/h， 當(dāng)最大橫斷面坡度i=8%、μ 取最大橫向力系數(shù)0.15 時(shí)， 利用公式(1)計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，曲線半徑需要118.5m，該半徑增大，對(duì)樞紐占地及工程規(guī)模影響非常大， 在我國(guó)提倡經(jīng)濟(jì)節(jié)約的前提下是不合適的，因此主要考慮采取限速措施。 但是，在實(shí)際樞紐互通運(yùn)營(yíng)中， 匝道限速標(biāo)志僅設(shè)立于匝道入口處，且匝道上并未設(shè)置定點(diǎn)測(cè)速等監(jiān)控措施，很多駕駛?cè)藛T并未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)速度行駛， 行駛在類似E 匝道的線形上，誤以為是線形指標(biāo)較高的半定向匝道，則不自覺(jué)高速行駛，不能及時(shí)預(yù)料到前方是下坡右彎道的不利組合，尤其在夜間行車時(shí)極易造成沖出匝道或追尾等安全事故。

因此，僅采取簡(jiǎn)單限速措施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，仍需在設(shè)計(jì)初期就考慮安全行車的容錯(cuò)設(shè)計(jì)。

3 改善建議

3.1 平面線形

基本思路是避免高指標(biāo)到低指標(biāo)的突變， 實(shí)現(xiàn)線形平穩(wěn)過(guò)渡。 因此考慮在平直線與 圓曲線之間再插入一段的圓曲線，各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行速度計(jì)算結(jié)果如表5 所示：

表5 優(yōu)化后E 匝道(小客車)各結(jié)點(diǎn)運(yùn)行速度表(km/h)

圖3 E 匝道平面優(yōu)化圖

由上述計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)， 水滴型環(huán)圈匝道線形與運(yùn)行速度過(guò)渡吻合較好，能實(shí)現(xiàn)線形平穩(wěn)過(guò)渡。

若受占地及工程規(guī)模等不能采用水滴形匝道時(shí)，考慮適當(dāng)增加緩和曲線段長(zhǎng)度。 假設(shè)處于直線段的車輛察覺(jué)前方線形變化時(shí)開(kāi)始減速(即利用緩和曲線段減速)，利用公式計(jì)算：

式中， Sc——小客車減速長(zhǎng)度(m)；

v85—— 運(yùn)行速度的計(jì)算值(km/h)；

v限—— 限制速度(km/h)；

t—— 空駛時(shí)間，即反應(yīng)時(shí)間，取2.2s；

g—— 重力加速度，取9.8m/s2；

f—— 縱向摩阻系數(shù)， 依運(yùn)行速度和路面狀況而定，本次計(jì)算取0.32。

可計(jì)算得出不同的縱坡對(duì)應(yīng)需要的減速段長(zhǎng)度，如表6 所示：

表6 不同縱坡對(duì)應(yīng)的減速與行程關(guān)系

對(duì)于本案例中的E 匝道，坡度為3.5%，由80.12km/h減速至40km/h，減速段長(zhǎng)度需要118.37m，因此建議緩和曲線長(zhǎng)度取值大于118.37m。

3.2 縱面線形

縱面線形優(yōu)化主要針對(duì)具有較高運(yùn)行速度的平直路段，尤其是上跨被交路后的陡坡變坡點(diǎn)，優(yōu)化的目的是提高視距，以便于駕駛?cè)藛T提前觀察，對(duì)于本案例中的E 匝道，平直線路段的坡長(zhǎng)、坡度及上跨被交路處(陡坡變坡點(diǎn))的豎曲線半徑按《規(guī)范》設(shè)計(jì)速度80km/h 對(duì)應(yīng)的一般值選取，若條件受限，可采用極限值，但需驗(yàn)證視距，保證滿足80km/h 行駛速度下的停車視距要求。

3.3 橫斷面設(shè)計(jì)

3.3.1 超高

超高根據(jù)規(guī)范取值，過(guò)大容易側(cè)滑，正常情況下限定最大超高為8%，積雪冰凍地區(qū)，限定最大超高為6%。

3.3.2 橫凈距

橫凈距是保證停車視距的關(guān)鍵， 是安全設(shè)計(jì)的核查重點(diǎn)，若環(huán)圈匝道處于挖方段，挖方邊坡會(huì)妨礙視線，需要根據(jù)運(yùn)行速度計(jì)算挖方段匝道所需橫凈距。 若環(huán)圈匝道處于填方段，橫凈距范圍內(nèi)不能有阻礙物阻擋視線。

橫凈距是指行車軌跡線與視距曲線之間的距離，橫凈距的計(jì)算公式為：

式中，m—— 所需橫凈距(m)；

R—— 內(nèi)車道中線處的曲線半徑(m)；

S—— 小客車或貨車的相應(yīng)停車視距(m)。

通過(guò)停車視距就可以計(jì)算出不同的平曲線半徑所需要的橫凈距，停車視距公式為：

式中，Sc—— 停車視距(m)；

v85—— 運(yùn)行速度的計(jì)算值(km/h)；

t—— 空駛時(shí)間，即反應(yīng)時(shí)間；

g—— 重力加速度，取9.8m/s2；

f—— 縱向摩阻系數(shù)，依運(yùn)行速度和路面狀況而定，小客車取0.33，大貨車取0.23；

i——路線縱坡度，小客車不計(jì)該值。

本案例E 匝道 平曲線上運(yùn)行速度未超過(guò)60km/h，按60km/h 對(duì)應(yīng)的停車反應(yīng)時(shí)間和縱向摩阻系數(shù)來(lái)計(jì)算(見(jiàn)表7)。

表7 停車反應(yīng)時(shí)間和縱向摩阻系數(shù)

對(duì)于本案例的E 匝道，匝道在R=60m 平曲線路段上小客車運(yùn)行速度達(dá)到58.5km/h， 大貨車運(yùn)行速度為54.06km/h，利用公式(4)計(jì)算得到，小客車停車視距是76.58m， 大貨車停車視距是64.56m， 小客車停車視距較長(zhǎng)，以小客車停車視距計(jì)算匝道橫凈距，利用公式(3)得出，其橫凈距需要11.81m。

曲線內(nèi)側(cè)道路可以提供的橫凈距為3.5/2 (行車道)+0.25(路面加寬值)+3.0(硬路肩)+0.75(土路肩)+0.6(蓋板邊溝)+2(碎落臺(tái))=8.35m，需要通過(guò)調(diào)整挖方坡率或開(kāi)挖視距臺(tái)補(bǔ)足，坡率需要緩于1∶2.9。 目前互通內(nèi)部挖方坡率一般采用1∶3，是可行的。 本案列計(jì)算中道路提供的橫凈距若減少， 例如碎落臺(tái)取1m 時(shí)， 那么環(huán)圈匝道平曲線R=60 范圍內(nèi)的挖方坡率應(yīng)調(diào)整為1∶4。

由上可見(jiàn)，匝道設(shè)計(jì)時(shí)不能一味套規(guī)范，尤其遇小半徑曲線時(shí)，應(yīng)當(dāng)核查運(yùn)行速度的視距是否滿足，從而調(diào)整諸如碎落臺(tái)尺寸或者邊坡坡率等值， 為實(shí)際行車提供安全富裕值，避免視距不足而導(dǎo)致事故的發(fā)生。

3.4 其他安全措施

上述平縱橫三點(diǎn)建議基于設(shè)計(jì)層面， 供設(shè)計(jì)人員在新建變異型苜蓿葉互通時(shí)參考。 對(duì)于已建成正在運(yùn)營(yíng)的樞紐，可采取其他一些措施：

(1)增設(shè)限速標(biāo)識(shí)并定點(diǎn)測(cè)速，以提醒監(jiān)督駕駛?cè)藛T減速。

(2)在平直路段上設(shè)置減速振蕩線，迫使駕駛?cè)吮粍?dòng)減速。

(3)增設(shè)彎道提醒標(biāo)志，加密布設(shè)線形誘導(dǎo)，使駕駛?cè)酥鲃?dòng)提前減速。

(4)填高大于3m 平曲線路段，曲線外側(cè)護(hù)欄提高防護(hù)等級(jí)，防止高速車輛轉(zhuǎn)向不及時(shí)沖出路基，造成二次傷害。

4 結(jié)語(yǔ)

本文案例中的環(huán)圈式互通式匝道在樞紐互通中非常普遍，通過(guò)運(yùn)行速度檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)上跨式左轉(zhuǎn)環(huán)圈匝道的安全性確實(shí)較低，存在一定的安全隱患，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中需采取一些方法改善其線形設(shè)計(jì)中的安全問(wèn)題， 減少交通事故發(fā)生的可能性， 盡可能在有限的條件下使該特殊形式的樞紐互通匝道達(dá)到最好的安全水平。