山區(qū)互通立交匝道限速方案研究與評價(jià)

張振鋒,鄭建榮,王淑妹

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

“十起事故九起快”，不難看出行車速度在交通安全里扮演著重要角色，而造成交通事故發(fā)生的最主要原因之一是超速行駛。對超速行駛問題的治理主要是通過速度管理手段使車輛速度保持在一定范圍之內(nèi)，既兼顧了通行效率又能提高其行車安全性。目前，國內(nèi)外各種等級公路的限速形式主要有：全線統(tǒng)一限速、限速區(qū)限速、分車型限速、分車道與分車型結(jié)合限速、可變限速、建議限速等形式[1-8]。

國內(nèi)外限速研究主要是針對高速公路或者高等級公路的主線進(jìn)行限速值及相關(guān)限速管理方式研究，而針對高速公路出口—互通立交匝道路段，大多是從匝道運(yùn)行速度預(yù)測模型的角度而展開的，對互通立交匝道的限速值及相應(yīng)限速方案研究則較少[9-14]。通常，互通立交匝道限速值主要是采用匝道線形的設(shè)計(jì)速度值，經(jīng)過調(diào)研，互通立交匝道路段車輛實(shí)際行駛車速往往大于設(shè)計(jì)速度，匝道路段同樣存在超速行駛的問題。為了科學(xué)合理地確定山區(qū)互通立交匝道限速方案，本文通過借鑒國內(nèi)外高速公路主線的限速方法，以設(shè)計(jì)速度和運(yùn)行速度為依據(jù)，從運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性、行駛穩(wěn)定性和駕駛舒適性等方面對互通立交匝道路段進(jìn)行限速分析和評價(jià)。結(jié)合實(shí)際工程案例，綜合考慮互通立交匝道線形技術(shù)指標(biāo)、路側(cè)狀況、車輛性能、視線與能見度、交通構(gòu)成、交通量等因素來確定匝道限速值，進(jìn)而提出山區(qū)互通立交匝道限速方案，對提高互通立交匝道車輛的通行效率，減少交通事故，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

本項(xiàng)目為某山區(qū)高速預(yù)留互通，互通形式為A型單喇叭A匝道下穿主線，其中，已實(shí)施的主線橋按照預(yù)留的互通形式進(jìn)行加寬。預(yù)留的互通對應(yīng)的主線范圍為K272+000～K272+990，主線長0.99 km，匝道A，B，C，D，E 5條共計(jì)長2.09 km。A匝道采用16.5 m雙向分割式雙車道匝道。B,C,D,E匝道采用9 m單向單車道匝道。匝道線形布置形式見圖1。

2 原限速方案評價(jià)

原施工圖限速方案分別是在高速主線設(shè)置80 km/h限速，高速進(jìn)入C,E匝道漸變段之前設(shè)置60 km/h限速，C,D,E匝道車速漸變段進(jìn)入匝道主線位置設(shè)置40 km/h限速，進(jìn)出互通收費(fèi)站之前設(shè)置30 km/h限速，進(jìn)入A,B匝道限速40 km/h。限速方案如圖2所示。

圖1 匝道線形布置

圖2 原施工圖限速方案

現(xiàn)從速度協(xié)調(diào)性、匝道線形、匝道視距、橫向力系數(shù)等4個(gè)方面，對該限速方案進(jìn)行評價(jià)。

2.1 速度協(xié)調(diào)性評價(jià)

依據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評價(jià)規(guī)范(JTG B05-2015)》[15]4.5.1條規(guī)定：相鄰路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性采用相鄰路段運(yùn)行速度差值的絕對值Δv85及運(yùn)行速度梯度的絕對值ΔIv進(jìn)行評價(jià)，Δv85<20 km/h且ΔIv≤15 km/(h·m)評價(jià)為“好”；Δv85≥20 km/h或ΔIv>15 km/(h·m)評價(jià)為“不良”。

對互通立交全線進(jìn)行速度協(xié)調(diào)性分析，確定A 匝道速度協(xié)調(diào)性不良路段有：樁號AK0+000～AK0+105.986、樁號AK0+802.375～AK0+895.650、樁號AK0+054.090～AK0+105.986、樁號AK0+002.195～AK0+054.090以及樁號AK0+054.090～AK0+105.986；C匝道速度協(xié)調(diào)性不良路段：CK0+200.549～CK0+251.614(其他路段無)。

2.2 匝道線形評價(jià)

依據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D20-2017)》[16]中相關(guān)條文規(guī)定，經(jīng)主要技術(shù)指標(biāo)核查后：

B匝道在樁號K0+000～K0+091.077路段采用57.25 m半徑平曲線，小于60 m的極限最小半徑；

C匝道在樁號K0+102.080～K0+172.958路段回旋線長度75 m 接160 m 半徑平曲線，接50 m回旋線長度，回旋線參數(shù)選取過小。

2.3 匝道視距評價(jià)

本項(xiàng)目為山區(qū)高速公路預(yù)留互通匝道設(shè)計(jì)，不存在會車、超車情況，故應(yīng)著重考慮停車視距。依據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D20-2017)》[16]中表11.2.3關(guān)于匝道停車視距的規(guī)定，匝道設(shè)計(jì)速度40 km/h對應(yīng)的停車視距為40 m(積雪冰凍地區(qū)不小于45 m)。經(jīng)檢驗(yàn)，有3條匝道路段存在視距不良。

A匝道小客車正向視距不良段：樁號K0+000～K0+002.195縱坡段，樁號K0+000～K0+002.195彎坡—入口直線段。

B匝道大貨車正向視距不良段：樁號K0+000～K0+009.297縱坡段，樁號K0+009.297～K0+073.828彎坡—入口直線段，樁號K0+073.828～K0+138.359曲線—出口直線段。

D匝道大貨車正向視距不良段：樁號K0+066.768～K0+157.305縱坡段。

2.4 橫向力系數(shù)評價(jià)

《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2014)》[17]中4.017～4.018條給出了圓曲線最小半徑的橫向力系數(shù)及超高值，設(shè)計(jì)速度為40 km/h，橫向力系數(shù)為0.15，超高值為6%、8%、10%。從行駛穩(wěn)定性和舒適性來說μ=0.15，干燥與潮濕路面均可以較高速度安全行駛；從乘客的舒適程度來說，μ<0.10，不感到曲線存在，不會感到不平穩(wěn)。

因此，綜合來看，作為在實(shí)際管理速度下車輛在圓曲線上的安全穩(wěn)定性的評價(jià)，以μ值不大于0.15為限制值較為合適，在初定基本限速值40 km/h的情況下，為保證行車安全和舒適性，最大橫向力系數(shù)μ應(yīng)不大于0.15。

經(jīng)計(jì)算，A匝道樁號AK0+000～AK0+066.791，橫向力系數(shù)0.15為臨界值，將影響駕駛舒適性，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臏p速措施；B匝道樁號BK0+000～BK0+111.612，橫向力系數(shù)0.16，不符合行車安全與舒適度標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于原施工圖限速方案對這些匝道路段沒有具體的限速考慮，需針對該受限路段重新進(jìn)行限速方案設(shè)計(jì)。

3 新限速方案分析論證

3.1 限速值計(jì)算方法

3.1.1 多元因素法

根據(jù)《基于多元因素的高速公路可變限速值計(jì)算方法研究》[18-19]，基于多元因素的匝道路段限速值計(jì)算模型為

v=v0×∏fi.

(1)

式中：v為理論最終限速值，km/h；v0為基準(zhǔn)限速值，km/h；fi為各個(gè)影響因素的修正系數(shù)。

各種影響因素的折減系數(shù)為

1)縱坡影響修正系數(shù)：

2)匝道平曲線線形的修正系數(shù)：

3)匝道豎曲線線形的修正系數(shù)：

4)交通量修正系數(shù)：

5)交通組成修正系數(shù)：

6)能見度與路面摩擦系數(shù)修正系數(shù)：

式中：a為坡度，%；vd為匝道設(shè)計(jì)速度，km/h；Rh為平曲線半徑，m；φh為橫向附著系數(shù)；ah為超高，%；av為豎向離心加速度，m/s2；Rv為豎曲線半徑，m；Qh為小時(shí)交通量，pcu/(h·ln)；r為大型車比例；i為路面摩擦因數(shù)；Lv為能見度，m。

3.1.2 技術(shù)指南法

1)停車視距校驗(yàn)。根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D20-2017)》[16]，停車視距由兩部分組成：①駕駛者在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)行駛的距離；②開始制動到剎車停止所行駛的距離，即制動距離。另外，應(yīng)增加安全距離5～10 m。通常按下式計(jì)算

(2)

式中：f1為縱向摩阻系數(shù)，依車速及路面狀況而定；t為駕駛者反應(yīng)時(shí)間，取2.5 s(判斷時(shí)間1.5 s，運(yùn)行時(shí)間1.0 s)；v為計(jì)算行車速度，km/h。

對視距不良路段進(jìn)行反向推算得到安全速度見表1。

表1 不良視距路段計(jì)算安全速度

由計(jì)算結(jié)果可知，上述受限路段在滿足停車視距條件下，合理的運(yùn)行速度在26～33 km/h之間，速度過低，將對匝道通行效率產(chǎn)生較大影響。因此，建議施工圖中，在行車視距內(nèi)對彎道內(nèi)側(cè)阻礙視線的路塹邊坡予以適當(dāng)清除，增大停車視距，以滿足要求。

在滿足停車視距的條件下，依據(jù)《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線(GB 5768—2009)》[20]第5部分：限制速度第5.2條規(guī)定，以上路段的限速值可采用設(shè)計(jì)車速40 km/h。

2)橫向力系數(shù)反推。對橫向力系數(shù)條件受限的路段進(jìn)行安全速度反推，公式為

(3)

式中：R為平曲線半徑，m；v為初步基本限速值，km/h；μ為橫向力系數(shù)；i為超高橫坡度，%。

3.2 計(jì)算結(jié)果

綜上所述，針對排查得到的受限路段，結(jié)合上述兩種方法計(jì)算限速值，根據(jù)最小原則選定最終的限速值，見表2。

表2 新限速方案限速數(shù)值對比 km/h

注：依據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D20-2017)》中表11.3.1關(guān)于匝道設(shè)計(jì)速度的規(guī)定，一般互通立體交叉環(huán)形匝道設(shè)計(jì)速度可取30 km/h、35 km/h、40 km/h。經(jīng)過論證后，在保證行車安全的情況下A 匝道和B匝道相關(guān)受限路段采用35 km/h的限速值，理論上是可行的。

為了保證匝道車輛安全行駛，新限速方案制定如下：

A匝道路段：在AK0+000～AK0+066.791限速35 km/h；在AK0+066.791～AK0+105.986，設(shè)置連續(xù)減速帶；在AK0+745～AK0+993設(shè)置連續(xù)減速帶；在AK0+745處設(shè)置下坡標(biāo)志，建議車速35 km/h；在AK0+002.195～AK0+105.986設(shè)置連續(xù)減速帶。

B匝道路段：在BK0+000～BK0+111.612設(shè)置急彎標(biāo)志和建議車速35 km/h標(biāo)志牌；在BK0+111.612～BK0+138.359設(shè)置減速帶。

C匝道路段：在CK0+200.549～CK0+251.614設(shè)置連續(xù)減速帶。

D匝道路段：在DK0+066.768～DK0+157.305設(shè)置連續(xù)減速帶。

新限速方案如圖3所示。

圖3 新限速方案

4 兩種限速方案的仿真與評價(jià)

為了評價(jià)施工圖限速方案及新限速方案的實(shí)施效果，運(yùn)用VISSIM軟件對本項(xiàng)目匝道進(jìn)行仿真分析。

4.1 準(zhǔn)備工作

1)已知交通量。根據(jù)轉(zhuǎn)向交通量預(yù)測結(jié)果：2038年遠(yuǎn)景交通量武夷山至寧德方向交通量為14 853 pcu/d，武夷山至上饒方向交通量為9 652 pcu/d。換算為設(shè)計(jì)小時(shí)交通量，武夷山至寧德方向匝道的單向設(shè)計(jì)小時(shí)交通量為776 pcu/h；武夷山至上饒方向匝道的單向設(shè)計(jì)小時(shí)交通量為504 pcu/h。

2)評價(jià)設(shè)定交通量。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，雙向四車道高速公路年平均日交通量為25 000～55 000 pcu/d，為使交通量對仿真結(jié)果的影響控制在可接受范圍內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)有預(yù)測的交通量設(shè)定上饒至寧德方向的主線單向設(shè)計(jì)小時(shí)交通量為980 pcu/h，寧德至上饒方向的主線單向設(shè)計(jì)小時(shí)交通量為980 pcu/h；寧德至武夷山方向匝道的單向設(shè)計(jì)小時(shí)交通量為420 pcu/h；上饒至武夷山方向匝道的單向設(shè)計(jì)小時(shí)交通量為420 pcu/h。在該設(shè)定的交通量情況下，仿真路網(wǎng)的最大排隊(duì)長度為0，較符合仿真要求。

4.2 延誤和行程時(shí)間評價(jià)

通過VISSIM軟件的Travel Time Sections對兩種限速方案進(jìn)行仿真，兩限速方案仿真延誤時(shí)間和行程時(shí)間結(jié)果對比見表3。

表3 兩限速方案仿真數(shù)據(jù)結(jié)果對比

在仿真數(shù)據(jù)分析方面，由表3可知，實(shí)行新方案的限速值后，6個(gè)方向延誤時(shí)間變化最大不超過3 s，行程時(shí)間變化最大不超過13 s。實(shí)際駕駛過程中，駕駛員及乘客對于變化不超過13 s的行車時(shí)間基本不會有所感覺，并且在通行能力和交通量不變的情況下，匝道服務(wù)水平仍為三級服務(wù)水平。在安全方面，相比原先統(tǒng)一限速40 km/h的方案，新限速方案對匝道易發(fā)生交通事故的路段進(jìn)行更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南匏儆?jì)算，得到既符合行車安全要求，又不會影響到行車駕駛的人性化限速值，因地制宜，使理論與實(shí)際相結(jié)合。

5 結(jié)束語

針對山區(qū)高速公路互通立交匝道區(qū)域的不合理限速問題，結(jié)合實(shí)際工程案例，本文首先評價(jià)了基于匝道設(shè)計(jì)車速的全匝道統(tǒng)一限速40 km/h的方案，然后借鑒國內(nèi)外高速公路主線限速方法和思路，通過多元因素法和技術(shù)指南法綜合確定匝道受限路段限速值，進(jìn)而確定施工圖設(shè)計(jì)階段新限速方案，最后通過VISSIM仿真分析，對比前后兩種限速方案的運(yùn)行效果，仿真結(jié)果表明：實(shí)行新限速方案后，服務(wù)水平未發(fā)生變化，仍為三級服務(wù)水平。綜合考慮行車安全性和駕駛舒適性等方面，新方案既符合公路設(shè)計(jì)指標(biāo)，又保證匝道的通行效率，因此，新方案可作為實(shí)際限速方案執(zhí)行。

需要說明的是，研究主要針對的是新建山區(qū)互通立交工程，因?yàn)樵摶ネㄊ艿匦蜗拗疲沟迷训谰€形指標(biāo)選取較接近極限值，從而導(dǎo)致A，B匝道局部路段受限。經(jīng)過研究論證后，提出了適當(dāng)降低限速值并輔助安全設(shè)施的方式來保證車輛行車安全和通行效率。因此，本研究可以給相關(guān)新建山區(qū)互通立交匝道限速研究提供一定的參考和借鑒價(jià)值。但是，對于本文采用的35 km/h匝道限速值，駕駛員的適應(yīng)性情況有待進(jìn)一步研究。