南京快速內(nèi)環(huán)限速值合理性研究

方利君

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

經(jīng)過20多年建設(shè)，南京主城區(qū)道路形成“井字三環(huán)、軸向放射、組團(tuán)快聯(lián)”的快速路系統(tǒng)，以低于10%的道路網(wǎng)里程承擔(dān)了40%以上 “車·公里”機(jī)動車交通量，有效緩解了地面道路交通壓力。根據(jù)南京市交管部門發(fā)布的2019年12月交通出行狀況大數(shù)據(jù)分析可知，南京快速路系統(tǒng)尤其快速內(nèi)環(huán)擁堵狀況不斷加劇[1-2]。

南京快速內(nèi)環(huán)隧道連續(xù)成群：內(nèi)環(huán)西線4段隧道，東線3段隧道，北線2段隧道。隧道段限速60 km/h，超速現(xiàn)象較為普遍，限制車速已對南京快速路效能發(fā)揮作用出現(xiàn)限制性影響，亟須對快速路系統(tǒng)及其運行效能開展專題研究，深入分析存在的問題和癥結(jié)，對南京快速路進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)評估，合理確定限制車速以及相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計和管制措施。

1 快速內(nèi)環(huán)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 快速內(nèi)環(huán)分布及限速現(xiàn)狀和相交道路現(xiàn)狀

南京主城區(qū)規(guī)劃快速路網(wǎng)85 km，已建成快速路里程70 km，其中內(nèi)環(huán)總里程23.3 km，已建成快速路密度0.25 km/km2。

快速內(nèi)環(huán)主要由城西干道(虎踞路)、城東干道(龍蟠路)、緯三路(模范馬路)、緯七路及其延伸的8條放射性道路等組成，形態(tài)呈“井”字。西環(huán)、北環(huán)、東環(huán)主要采用隧道段-地面段的快速通過形式，南環(huán)、鳳臺南路、玄武大道則主要采用高架橋段-地面段的快速通過形式；賽虹橋立交橋、古平崗立交橋、新莊立交橋、雙橋門立交橋是快速內(nèi)環(huán)重要的樞紐，承載著快速內(nèi)環(huán)之間大量交通流量的轉(zhuǎn)換[3-5]。南京主城快速內(nèi)環(huán)道路設(shè)施如表1所示。

表1 南京主城快速內(nèi)環(huán)道路設(shè)施

1.1.1 限速現(xiàn)狀

快速路作為城市不同組團(tuán)之間的快速聯(lián)系通道，限速值主要根據(jù)設(shè)計指標(biāo)確定，總體而言，高架橋段限速60～80 km/h，隧道段限速60 km/h，匝道限速40 km/h。南京主城快速路限速情況如表2所示。

表2 南京主城快速路限速情況 (km/h)

1.1.2 相交道路現(xiàn)狀

南京快速路與周邊主干路相交路口較多，車輛匯入、匯出隧道主線與地面輔道的車流交織變道頻繁，排隊嚴(yán)重。如內(nèi)環(huán)西線由南至北方向，隧道入口與北京東路、清涼門大街、漢中門大街、水西門大街、集慶門大街等5條城市主干道相交；內(nèi)環(huán)東線由南至北方向，隧道入口與北京東路、中山東路、大光路等3條城市主干路相交。

1.2 地點車速分析

根據(jù)路側(cè)激光車速調(diào)查儀結(jié)果分析，草場門隧道、清涼門隧道、集慶門隧道由南向北方向，隧道出入口上下游地點車速分布特征如下：

(1) 平峰時段，草場門隧道、清涼門隧道車輛速度值較高，部分車輛在隧道內(nèi)超速行駛。以草場門隧道為例，平均車速58.5 km/h，85分位車速68.9 km/h，最高車速77.8 km/h。

(2) 集慶門隧道距賽虹橋立交橋較近，車輛進(jìn)入隧道后，再進(jìn)入賽虹橋立交橋交織區(qū)道路較短，分流車因需轉(zhuǎn)入下行輔道或匝道而減速行駛，車輛行駛速度較慢，個別車輛幾乎停止，分流或合流會影響內(nèi)側(cè)3車道快速路的平均速度。實測隧道上下游內(nèi)側(cè)快速路速度分布如表3所示。草場門隧道快速路車速分布如圖1所示。

表3 實測隧道上下游內(nèi)側(cè)快速路速度分布 (km/h)

(a) 北出口合流區(qū)

1.3 快速內(nèi)環(huán)交通流量現(xiàn)狀

分析早高峰(7:00—9:00)、晚高峰(17:00—19:00)和部分路段的全天流量，南京快速路交通量呈現(xiàn)如下特征：

(1) 擁堵向全天蔓延。南京主城“井”字形快速路流量大，各條道路之間聯(lián)系緊密，主干路流量大，主輔路之間車流交織頻繁，嚴(yán)重影響車流速度。

(2) 空間分布上，高峰期南京快速內(nèi)環(huán)呈現(xiàn)全線擁堵態(tài)勢；平峰期車輛順暢通行，交通量約為高峰期的45%～55%。

(3) 西線隧道密集、交織段距離過短，交織比僅為0.1～0.3，擁堵黑點主要集中在漢中門隧道交織區(qū)、集慶門隧道交織區(qū)；東線隧道較少，交織比高，達(dá)到0.3～0.4，擁堵黑點為隧道出入口交織區(qū)。

(4) 進(jìn)出隧道大型客車比例較低，約為1%～4%。

2018年主城快速路斷面交通量數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 2018年主城快速路斷面交通量數(shù)據(jù)

2 南京快速內(nèi)環(huán)限速技術(shù)參數(shù)

2.1 設(shè)計指標(biāo)參數(shù)

參考《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》(CJJ 37—2012)[6]，基于安全的不同限速標(biāo)準(zhǔn)，分析平縱線形指標(biāo)所需滿足的數(shù)值指標(biāo)，不同限速指標(biāo)如表5所示。

表5 不同限速指標(biāo)

2.2 隧道指標(biāo)參數(shù)

南京快速內(nèi)環(huán)隧道指標(biāo)均按照設(shè)計速度60 km/h，結(jié)合最大縱坡、平曲線最小半徑等指標(biāo)可知：

(1) 九華山隧道、西安門隧道、通濟(jì)門隧道、草場門隧道、集慶門隧道線型指標(biāo)滿足限速80 km/h一般值要求。

(2) 玄武湖隧道線型指標(biāo)滿足設(shè)超高限速70 km/h一般值要求。

(3) 清涼門隧道、新模范馬路隧道線型指標(biāo)滿足限速70 km/h設(shè)超高極限值要求。

(4) 水西門隧道線型指標(biāo)滿足不設(shè)超高，限速60 km/h一般值要求。

快速內(nèi)環(huán)隧道縱斷面指標(biāo)數(shù)據(jù)[7-9]如表6所示。

表6 快速內(nèi)環(huán)隧道縱斷面指標(biāo)數(shù)據(jù)

(續(xù)表)

3 南京市快速內(nèi)環(huán)限速仿真研究

3.1 仿真模型建立

3.1.1 隧道限速仿真

以草場門交叉口下穿隧道為參考背景，在Vissim軟件中建立典型下穿隧道的仿真模型。隧道前后有地面路段過渡隧道段的長度各200 m，坡度設(shè)置為4%，隧道內(nèi)長度為350 m。為不受上下游影響，隧道前后各連接760 m地面路段。由于隧道中不能換道，仿真模型設(shè)為單車道，且車型全部設(shè)置為小汽車。單車道下穿交叉口隧道仿真模型示意如圖1所示。

圖1 單車道下穿交叉口隧道仿真模型示意(單位：m)

仿真模型按限速60 km/h和80 km/h進(jìn)行模擬，對比因隧道上下坡對通過能力產(chǎn)生的影響，尤其是上坡段會使車流減速。限速60 km/h工況下隧道上游入口來車速度按(40.0，60.0)近似正態(tài)分布設(shè)置；車流在隧道下坡段的整體加速(不超過限速)由Vissim軟件自行處理，將隧道出口上坡路段設(shè)置為減速區(qū)，期望速度分布按英國曲率和坡度對速度影響公式設(shè)置為(31.2，51.2)。

限速80 km/h工況下入口處速度分布為(50.0，80.0)，隧道出口上坡路段期望速度分布為(41.2，71.2)。仿真中單車道輸入車流量的變化為1 500～2 200 veh/h。下穿隧道通過能力仿真結(jié)果如表7所示，由于仿真全部采用標(biāo)準(zhǔn)小車，并不考慮駕駛員與車輛的隨機(jī)因素，仿真結(jié)果即為通行能力的極限值。

由表7可知，在穩(wěn)定交通流情況下，限速80 km/h 的隧道通過能力大于限速60 km/h的隧道通行能力。限速60 km/h工況在單車道車流量1 800 pcu/h時開始堵車，限速80 km/h工況在單車道車流量2 100 pcu/h以后才開始堵車。

表7 下穿隧道通過能力仿真結(jié)果 (pcu/h)

3.1.2 快速路交織區(qū)仿真

交織區(qū)內(nèi)有4股車流，分別是快速路的非交織過境車流，輔道非交織過境車流、上行交織車流和下行交織車流。我國交織區(qū)通過能力和車流速度的計算方法尚未有專門規(guī)范，主要參考美國《道路通行能力手冊》。5車道交織區(qū)仿真模型示意如圖2所示。

圖2 5車道交織區(qū)仿真模型示意

《道路通行能力手冊》(2000)規(guī)定，當(dāng)交織段長度大于750 m時，該交織段不稱為交織區(qū)，上行和下行車流視為獨立的合分流行為，無相互影響。南京快速內(nèi)環(huán)隧道之間路段長度普遍較短，故其都屬于A型交織區(qū)?！兜缆吠ㄐ心芰κ謨浴?2010)明確了高速公路交織區(qū)參量的計算方法，以高速公路為研究對象，固定了自由流速度為120 km/h，僅適用于部分城市快速路。

由于南京城市快速內(nèi)環(huán)地面段采用單向3車道，與其平行并列的2車道或3車道輔道兼匝道和加減速區(qū)，不屬于快速路，考慮到快速路的建設(shè)指標(biāo)低于高速公路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對3車道快速路加2車道輔道的交織區(qū)采用高速5車道交織區(qū)通過能力值可能偏大，故適當(dāng)折減估算交織區(qū)的通過能力。

為估算交織區(qū)通過能力，參考《道路通行能力手冊》(2000)不同自由流速度，交織比VR=0.1或0.2，雙向5車道交織區(qū)通行能力如表8所示，其中80 km/h自由流速的通過能力由數(shù)值變化規(guī)律計算所得。

表8 雙向5車道交織區(qū)通行能力 (pcu/h)

高速公路通行能力折減0.90后，得到自由流速度80 km/h、交織流量比0.1和0.2時不同長度交織區(qū)的通行能力。

快速內(nèi)環(huán)交織區(qū)交通服務(wù)量如表9所示。隨著交織流量比增加，交織區(qū)單車道通行能力下降；交織長度越長，通行能力越高。

表9 快速內(nèi)環(huán)交織區(qū)交通服務(wù)量 (pcu/ln/h)

3.1.3 建立模型

模型范圍為南起軟件大道高架橋與鳳臺南路交匯處、北止草場門隧道出口(古平崗立交橋)，全程快速路，主線3車道，由南向北的車流運行狀況。交織區(qū)輔道大多為2車道，部分為3車道。立交橋和下穿隧道的坡度與平曲線按設(shè)計圖紙布設(shè)，道路走向按百度地圖設(shè)置。高峰期流量由調(diào)查確定，平峰流量在高峰流量基礎(chǔ)上折算而得，車流下行匝道分流比例不變。

依據(jù)現(xiàn)場實測車輛速度，快速路車速接近正態(tài)分布。限速60 km/h時車速為(40，70)分布；限速80 km/h時車速為(50，90)分布。由于交織區(qū)下行匝道下游交通控制復(fù)雜，下行匝道按2車道無反射設(shè)置，上行匝道則由上行交通量控制，匝道上過境流量暫不考慮。仿真兩種工況通行能力如表10所示。

表10 仿真兩種工況通行能力 (pcu/h)

結(jié)合實測數(shù)據(jù)和部分推算結(jié)果，確定仿真中各交織區(qū)的交織比為0.14～0.35，城市中心區(qū)的交織比較大，內(nèi)環(huán)線交織區(qū)交織比如表1所示。

表11 內(nèi)環(huán)線交織區(qū)交織比

3.2 內(nèi)環(huán)西線仿真

3.2.1 高峰期仿真

高峰小時仿真選擇早高峰7:30—8:30時段的實測值，西線車流由南向北全線限速分別為60 km/h、70 km/h、80 km/h，恒定加載早高峰流量。高峰期內(nèi)環(huán)西線限速提高，總體服務(wù)水平略高。

(1) 限速值越高，車輛平均運行速度越大。

(2) 限速值越高，道路通行能力提高幅度越大。

(3) 限速70 km/h對全線服務(wù)水平提高幅度更為明顯：限速70 km/h道路通行能力提高幅度10%，限速80 km/h道路通行能力提高幅度12%。

內(nèi)環(huán)西線早高峰恒定加載仿真結(jié)果如表12所示，其主線長度為5 739.1 m。

表12 內(nèi)環(huán)西線早高峰恒定加載仿真結(jié)果

由表12可知，當(dāng)?shù)缆窛撛诘膿矶鹿?jié)點(如交織區(qū)或分流匯流點)的交通量小于其最大通過能力時，限速值的提高會提升道路的通過能力。當(dāng)交通量接近或已達(dá)到潛在擁堵節(jié)點的通過能力，提高限速值可能會加快上游來車的速率，使?jié)撛邳c發(fā)生擁堵，降低道路的通過能力。因此，當(dāng)高峰期道路發(fā)生擁堵時，限速值已沒有意義，車流無法按限速值行駛。

3.2.2 平峰期仿真

平峰期仿真選擇11:30—12:00的實測交通值，西/東線車流由南向北，北線車流由西向東。全線限速設(shè)置為60 km/h、70 km/h、80 km/h，恒定加載流量，平峰期交通量占高峰期交通量的55%～65%，部分區(qū)域甚至更高，內(nèi)環(huán)交通開始呈現(xiàn)平峰不平的特點。內(nèi)環(huán)西線平峰恒定加載仿真結(jié)果如表13所示。

表13 內(nèi)環(huán)西線平峰恒定加載仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，限速80 km/h與限速70 km/h、60 km/h相比，快速路各斷面的車速明顯提高，限速80 km/h對全線總體的服務(wù)水平提升效果更顯著。

(1) 限速值越高，車輛平均運行速度越大。

(2) 限速值越高，道路通行能力提高幅度越大。

(3) 平峰期內(nèi)限速80 km/h對內(nèi)環(huán)西線通行能力提高幅度更為明顯。限速70 km/h道路通行能力提高幅度11%，限速80 km/h道路通行能力提高幅度20%。

3.3 仿真結(jié)果對比

南京快速內(nèi)環(huán)限速仿真結(jié)果如表14所示。

表14 南京快速內(nèi)環(huán)限速仿真結(jié)果

3.3.1 內(nèi)環(huán)西線

根據(jù)不同情景輸入，對比快速內(nèi)環(huán)西線仿真結(jié)果，平峰期限速70 km/h服務(wù)水平高。內(nèi)環(huán)西線隧道平均速度增加13.7%，主線平均行程時間縮短10.4%。

3.3.2 內(nèi)環(huán)東線

平峰期，限速70 km/h服務(wù)水平高，隧道(九華山隧道、通濟(jì)門隧道、西安門隧道)平均速度增加9.5%；主線平均行程時間縮短8.5%。

3.3.3 內(nèi)環(huán)北線

平峰期，限速80 km/h服務(wù)水平高。隧道(玄武湖隧道、新模范馬路隧道)平均速度增加20.5%；主線平均行程時間縮短14.7%。

3.3.4 小結(jié)

與限速80 km/h對比，快速內(nèi)環(huán)限速70 km/h對道路的通行能力提高幅度更為顯著，快速內(nèi)環(huán)隧道段限速值由60 km/h提升至70 km/h是合理的。快速內(nèi)環(huán)通行能力對比如圖3所示。

(a) 高峰期

由圖3可知：

(1) 高峰期，限速70 km/h時，內(nèi)環(huán)東線、西線和北線，道路的通行能力提高5%～11%，增幅更顯著。

(2) 平峰期，限速70 km/h時，內(nèi)環(huán)東線、西線和北線道路通行能力增幅8%～11%。

4 南京市快速內(nèi)環(huán)限速合理限速值建議

草場門隧道、集慶門隧道、九華山隧道、西安門隧道、通濟(jì)門隧道限速值可由60 km/h提高至70 km/h；水西門隧道、清涼門隧道、玄武湖隧道、新模范馬路隧道可維持限速60 km/h不變，若限速值提高至70 km/h，需要采取工程措施。

4.1 內(nèi)環(huán)西線

草場門隧道、集慶門隧道線型條件較好，限速值可由60 km/h提高至70 km/h，隧道內(nèi)匝道等特殊路段限速不變。

水西門隧道、清涼門隧道平曲線半徑較小。其中，清涼門隧道在設(shè)置超高情況下，滿足限速70 km/h 極限值要求；水西門隧道最小平曲線半徑滿足不設(shè)超高限速60 km/h要求；水西門隧道、清涼門隧道可維持限速60 km/h不變，若限速值提高至70 km/h，需要采取工程措施，改造路面材料，提高摩阻力。

4.2 內(nèi)環(huán)北線

玄武湖隧道、新模范馬路隧道平曲線半徑較小，在設(shè)置超高情況下，分別滿足限速70 km/h一般值和極限值的要求，若提高限速值至70 km/h，需要采取工程措施，改造路面材料，提高摩阻力。

4.3 內(nèi)環(huán)東線

九華山隧道、西安門隧道、通濟(jì)門隧道線型條件較好，限速值可由60 km/h提高至70 km/h。隧道內(nèi)匝道段等特殊路段限速不變。南京快速內(nèi)環(huán)限速值建議如表15所示。

表15 南京快速內(nèi)環(huán)限速值建議

5 總結(jié)

本文重點研究南京快速內(nèi)環(huán)限速值提高的必要性和可行性。從南京快速內(nèi)環(huán)限速技術(shù)參數(shù)著手，對比相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求，分析限速值提高的可行性。通過Vissim軟件仿真，分別驗證60～80 km/h 不同限速值情形下，南京快速內(nèi)環(huán)路網(wǎng)交通運行效果。研究結(jié)果表明南京快速內(nèi)環(huán)部分隧道限速值提升至70 km/h，符合相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求，但提升效率有限，需在主輔路交織段行駛安全、全線交通通行貫通性、隔離設(shè)施規(guī)范符合性等方面開展專項研究。