高速公路改擴建施工區(qū)通行能力研究

邵長橋，黃群龍，羅 凱，秦 陽

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 北京市交通工程重點實驗室，北京 100124；2.廣西北部灣投資集團有限公司，廣西 欽州 535000)

由于交通需求的進一步增大，早期建造的高速公路已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的交通需求[1]，相對于新建高速公路，改擴建工程具有工期短、投資少、對通車影響較小等特點，因此，高速公路改擴建已成為高速公路發(fā)展的熱點。高速公路改擴建施工一般采取“邊施工，邊通行”的建設(shè)方式，需要關(guān)閉部分車道，車輛需要換道匯入開放車道通行，交通運行會受到限制，通行能力下降，容易形成交通瓶頸[2]。而對于半幅施工、半幅通行的施工區(qū)，車輛通過中間帶開口駛?cè)雽ο蜍嚨?，受限于中間帶的開口長度及駕駛員運行速度，容易造成交通擁堵，通行能力下降，中間帶開口處成為了施工區(qū)又一交通瓶頸[3]。

Yeom等[4]匯總了美國關(guān)于高速公路施工區(qū)通行能力研究成果和觀測數(shù)據(jù)，提出了新的施工區(qū)通行能力模型，該研究得出了車輛排隊通過施工區(qū)流率比發(fā)生擁堵前的最大流率減少了13.4%的結(jié)論，并給出了基于排隊流率計算擁堵發(fā)生前流率的轉(zhuǎn)換公式，并被美國《公路通行能力手冊》(HCM2016)[5]采納收錄。Sunanda等[6]采用最大流率法和排隊流率法研究了美國堪薩斯州鄉(xiāng)村高速公路施工區(qū)的通行能力，該研究建議施工區(qū)一個車道通行能力為1500pcu/h。Ninavonder Heiden等[7]基于德國高速公路長期施工區(qū)(38個)和短期施工區(qū)(11個)觀測數(shù)據(jù)采用不同的方法對施工區(qū)通行能力進行了研究。對于長期施工區(qū)分別采用速度-流量模型和通行能力隨機理論[8-10]計算施工區(qū)通行能力；對于短期施工區(qū)，該研究認(rèn)為發(fā)生擁堵前的最大流率不能反映施工區(qū)的疏導(dǎo)能力，所以采用擁堵狀態(tài)下的排隊通過流率計算通行能力。但對于不同車道關(guān)閉形式、限速、中間帶開口長度等因素對通行能力的影響并沒有深入研究。

高速公路改擴建施工區(qū)通行能力研究是高速公路改擴建施工管理、組織的基礎(chǔ)[11]，開展施工區(qū)通行能力研究對于有效組織施工區(qū)交通運行，提高交通運行效率，確保行車安全具有十分重要的意義。

1 研究方法

查閱文獻發(fā)現(xiàn)，針對施工區(qū)的研究多數(shù)基于仿真實驗，少數(shù)基于實測數(shù)據(jù)。本研究采用實測數(shù)據(jù)和仿真實驗相結(jié)合的方法，相互驗證，對施工區(qū)交通流特性和通行能力展開了較為系統(tǒng)全面的研究。

1.1 實測數(shù)據(jù)

以實地調(diào)查的方式，采用雷達(dá)槍測速、紅外測距儀測距、攝像法、人工計數(shù)等方法，對多條高速公路改擴建施工區(qū)的道路條件(道路寬度、車道數(shù)、坡度、側(cè)向凈空等)和交通條件(大車比例、流量、速度、密度、車頭時距等)進行調(diào)查。

以廣西南寧單向三車道高速公路改擴建施工區(qū)段為例，開放一條車道通行，關(guān)閉兩條車道，車道寬度為3.75 m,限速60 km/h，坡度3%，側(cè)向凈空為0.75 m，硬路肩寬度為3 m，作業(yè)區(qū)路段長度為2 km，過渡區(qū)長度為300 m,以連續(xù)的交通錐隔離施工區(qū)域。

1.2 仿真實驗

利用vissim仿真軟件，采用正交試驗方法，選定最小車頭時距、車道變換時間、加減速度等指標(biāo)作為標(biāo)定參數(shù)，對Wiedemann99模型進行標(biāo)定，將5 min流量、速度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，對仿真模型精度進行驗證。表1為模型參數(shù)標(biāo)定值。

表1 模型參數(shù)標(biāo)定

將仿真5 min速度、流量與實測5 min速度、流量等進行對比分析，如圖1、圖2、表2、表3所示。在0.05水平下，發(fā)現(xiàn)兩者具有較高的一致性，可以用來仿真實際施工區(qū)的交通運行情況。

圖1 5 min平均速度對比驗證

圖2 5 min平均流量對比驗證

表2 5 min平均速度方差分析

表3 5 min平均流量方差分析

基于標(biāo)定的仿真模型，搭建雙向6車道高速公路仿真場景，關(guān)閉兩條車道、開放一條車道通行，警告區(qū)長度為600 m，上游過渡區(qū)為190 m，施工區(qū)為2 000 m，下游過渡區(qū)190 m，正常路段車道寬度3.75 m，緩沖區(qū)車道寬度4.25 m，設(shè)置期望速度及輸入流量，開展多組實驗研究，研究施工區(qū)的交通流特性和通行能力。

2 施工區(qū)交通流特性

2.1 施工區(qū)不同參數(shù)特性(流量、速度、車頭時距)

過渡區(qū)是施工區(qū)交通運行的瓶頸。通過實地觀測獲取了過渡區(qū)交通量、速度、車頭時距等數(shù)據(jù)。表4為3-1施工區(qū)(關(guān)閉兩條車道，開放一條車道)上游過渡區(qū)不同車道的飽和流量。受車道關(guān)閉的影響，過渡區(qū)飽和流量較低，其中以車道2、車道3降低的幅度最為顯著，說明施工區(qū)交通運行受到了較為明顯的影響。

表4 施工區(qū)上游過渡區(qū)流量 veh/h

表5為上游過渡區(qū)速度特征值，平均速度均較小，且速度標(biāo)準(zhǔn)差較大，說明過渡區(qū)交通流處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表6為施工區(qū)上游過渡區(qū)不同車道飽和車頭時距特征值，飽和車頭時距均較大，其中以車道2、車道3尤為顯著，說明在施工區(qū)，由于道路交通條件限制，駕駛員保持了更大的車頭時距，降低了通行能力。

表5 施工區(qū)上游過渡區(qū)速度 km/h

表6 施工區(qū)上游過渡區(qū)飽和車頭時距 s

2.2 施工區(qū)流量—速度模型

圖3為3-1施工區(qū)過渡區(qū)三參數(shù)(流量、速度、密度)關(guān)系散點圖，研究發(fā)現(xiàn)流量—速度的變化是不連續(xù)的，當(dāng)密度超過20pcu/km時，交通流從自由流狀態(tài)突變?yōu)閾頂D狀態(tài)，且發(fā)生了交通中斷，通行能力出現(xiàn)了“二值”現(xiàn)象。

圖3 過渡區(qū)速度、密度、流量關(guān)系

采用線性函數(shù)、多項式函數(shù)、指數(shù)函數(shù)來擬合速度—流量的關(guān)系，當(dāng)多項式函數(shù)擬合判定系數(shù)為0.92時擬合效果最好，如表7所示，最后得到速度—流量模型為

q=-451.91+83.96v-83v2.

(1)

式中：q為流量(pcu/h)，v為速度(km/h)。

表7 模型擬合結(jié)果

2.3 施工區(qū)最大流率與排隊流率的關(guān)系

實際觀測和仿真數(shù)據(jù)表明，施工區(qū)流量增長達(dá)到最大值后，在很短時間內(nèi)流量驟降到排隊狀態(tài)。已有研究[5,12-14]表明最大流率和排隊通過流率存在以下關(guān)系

CW=Qm(1-α).

(2)

式中：CW為施工區(qū)瓶頸段平均15 min的排隊流率，pcu/h；Qm為施工區(qū)非擁擠狀態(tài)下的最大流率，pcu/h；α為施工區(qū)交通中斷之前的最大流率由于排隊下降的百分比。

當(dāng)限速為60 km/h時，2-1、3-1、3-2施工區(qū)的流量隨時間變化情況如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 2-1施工區(qū)流量時序

圖5 3-1施工區(qū)流量時序

圖6 3-2施工區(qū)流量時序

研究發(fā)現(xiàn)，2-1施工區(qū)交通中斷前后通過流率下降百分比為8.56%，3-1施工區(qū)交通中斷前后通過流率下降百分比為10.56%，3-2施工區(qū)交通中斷前后通過流率下降百分比為9.75%，如表8所示。

表8 施工區(qū)流率下降百分比

3 施工區(qū)通行能力

3.1 大型車比例對通行能力的影響

交通組成是影響通行能力的重要因素[16]。在高速公路改擴建施工區(qū)，不同的交通組成對施工區(qū)交通運行具有顯著影響，這也是高速公路改擴建施工區(qū)通行能力發(fā)生改變的重要原因。在高速公路改擴建施工區(qū)不同斷面設(shè)置檢測位點，如圖7所示，測得了不同類型車輛的流量，得到了不同類型車輛交通量占總交通量的百分比，如表9所示。根據(jù)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG_B01-2014)[17]，不同類型車輛的換算系數(shù)如表10所示。

圖7 施工區(qū)不同斷面觀測點

大型車比例對通行能力修正系數(shù)的計算式為

fHV=1/[1+∑Pi(Ei-1)].

(3)

式中：fHV為交通組成對通行能力的修正系數(shù)；Pi為i類型車輛交通量占總交通量的百分比；Ei為i類型車輛換算成標(biāo)準(zhǔn)車型的車輛換算系數(shù)。

結(jié)合實測數(shù)據(jù)和式(3)，得到施工區(qū)車輛類型對交通量的修正系數(shù)為0.74，如表11所示。

表9 不同類型車輛交通量占總交通量的百分比 %

表10 不同類型車輛折算系數(shù)

表11 交通組成對通行能力的修正系數(shù)

3.2 不同車道關(guān)閉形式下的通行能力

不同的高速公路改擴建施工區(qū)，基于具體的施工安全和保障通行需要，會采取不同的車道關(guān)閉形式。比較常見的車道關(guān)閉形式包括2-1、3-1、3-2等，如圖8所示。

圖8 施工區(qū)車道關(guān)閉形式

結(jié)合實測數(shù)據(jù)和仿真實驗的方法，對不同車道關(guān)閉形式下的施工區(qū)交通流變化展開研究，得到了不同車道關(guān)閉形式下斷面通行能力值，如表12所示。研究發(fā)現(xiàn)，在開放一條車道的情況下，2-1施工區(qū)的通行能力大于3-1施工區(qū)通行能力，表明關(guān)閉車道數(shù)越多，道路交通運行受到的影響越大，通行能力越低。

表12 不同車道關(guān)閉形式下的通行能力值

3.3 不同限速下的通行能力

在高速公路改擴建施工區(qū)，由于車道縮減、隔離設(shè)施等道路環(huán)境的改變及安全需求，會設(shè)置限速。在不同的限速下交通流的運行狀態(tài)具有明顯差異，通行能力也會發(fā)生改變。

采用仿真實驗的方法對不同限速情況下(限速40 km/h、限速60 km/h、限速80 km/h)的施工區(qū)通行能力進行研究，得到了不同限速下施工區(qū)斷面的通行能力值，如表13所示。研究發(fā)現(xiàn)，隨著限速的不斷提高，通行能力也在增大。2-1施工區(qū)通行能力值在1 400～1 800 pcu/h之間，3-1施工區(qū)通行能力值在1 300～1 700 pcu/h之間，3-2施工區(qū)通行能力值在2 700～3 500 pcu/h之間。

表13 不同限速情況下通行能力值 pcu/h

3.4 中間帶開口對通行能力的影響

部分高速公路施工區(qū)由于半幅施工、半幅通行的需要，原方向車輛經(jīng)由中間帶開口處駛?cè)雽ο蜍嚨?，借對向車道通行，容易造成交通擁堵，形成交通瓶頸。以單向兩車道，關(guān)閉1車道，借對向1車道通行高速公路為例展開分析。結(jié)合實測數(shù)據(jù)和仿真實驗，得到不同開口長度下施工區(qū)通行能力值，如表14所示。研究發(fā)現(xiàn)，中間帶開口情況下施工區(qū)通行能力值在1 230～1 630 pcu/h之間，隨著中間帶開口長度的增大，通行能力也增大。實際施工應(yīng)根據(jù)道路交通條件設(shè)置適宜的開口長度。

4 結(jié) 論

根據(jù)實測數(shù)據(jù)和仿真實驗，對高速公路改擴建施工區(qū)交通流特性和通行能力進行了較為細(xì)致的研究，得到以下結(jié)論。

表14 不同開口長度下通行能力

1)對施工區(qū)流量、速度、車頭時距等參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)運行速度低、車輛保持了較大的車頭時距是施工區(qū)通行能力下降的重要原因；

2)基于實測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了施工區(qū)速度—流量模型，可以刻畫施工區(qū)交通流的運行變化；

3)研究發(fā)現(xiàn)交通中斷前后施工區(qū)通行能力發(fā)生了顯著變化，給出施工區(qū)最大流率與排隊流率的關(guān)系，量化了不同車道關(guān)閉形式下交通中斷前后通過流率的下降百分比：2-1施工區(qū)交通中斷前后通過流率下降的百分比為8.56%，3-1施工區(qū)交通中斷前后通過流率的下降百分比為10.56%，3-2施工區(qū)交通中斷前后通過流率的下降百分比為9.75%；

4)基于實測數(shù)據(jù)和仿真實驗，給出了大型車比例對施工區(qū)通行能力的修正系數(shù)，并量化了車道關(guān)閉形式、限速、中間帶開口長度對施工區(qū)通行能力的影響，給出了不同條件下的通行能力推薦值。

所得結(jié)論能夠為高速公路施工交通組織提供一定的指導(dǎo)作用。本文只對部分影響因素下的通行能力進行了研究，未來將進一步研究其他因素對施工區(qū)通行能力的影響。