基于區(qū)域路網(wǎng)協(xié)調(diào)的高速公路安全施工交通組織研究

楊湖平,李凌云

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063;2.山東科技大學(xué),山東 青島 266590)

0 引言

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，我國(guó)的交通基礎(chǔ)設(shè)施也得到了一定發(fā)展，但隨著交通量的日益增長(zhǎng)[1-3]，部分既有的交通基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在需求，需要對(duì)原有的道路進(jìn)行改擴(kuò)建。這種在原有公路基礎(chǔ)上進(jìn)行改擴(kuò)建的項(xiàng)目與新建項(xiàng)目存在一定差異，其交通組織設(shè)計(jì)有自身的特點(diǎn)和難點(diǎn)[4]，是改擴(kuò)建工程中一個(gè)重要內(nèi)容。本文用路阻函數(shù)及交通疏導(dǎo)起點(diǎn)-終點(diǎn)矩陣兩個(gè)重要參數(shù)為依據(jù)用分析軟件Trans CAD建立了交通組織設(shè)計(jì)方法，以服務(wù)水平、環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)效益和安全性為評(píng)級(jí)指標(biāo)建立了綜合評(píng)級(jí)體系，最后以安徽省內(nèi)3條高速公路改擴(kuò)建為例，按照Trans CAD結(jié)果給出了區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)導(dǎo)行關(guān)鍵參數(shù)并對(duì)導(dǎo)行方案進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)分析，結(jié)果表明以區(qū)域路網(wǎng)為基礎(chǔ)的導(dǎo)行方案綜合評(píng)價(jià)效果在良好以上。

1 交通組織設(shè)計(jì)

在區(qū)域路網(wǎng)前提下高速公路改擴(kuò)建工程的交通組織設(shè)計(jì)是充分發(fā)揮路網(wǎng)優(yōu)勢(shì)下，采用的交通引流方式，不僅滿足了交通流的通行壓力，對(duì)于高速公路改擴(kuò)建施工也是十分有利的[6]，其交通組織設(shè)計(jì)步驟如圖1所示。

圖1 交通組織設(shè)計(jì)步驟

道路分析是交通組織設(shè)計(jì)的前提[7]。道路分析的核心是對(duì)不同施工階段下改擴(kuò)建道路和區(qū)域路網(wǎng)的路阻函數(shù)，即建立道路運(yùn)行狀況時(shí)間函數(shù)，其計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

其中,T(q)為在q流量下車輛的通行時(shí)間；T0為車流量為0條件下車輛通行時(shí)間；C為設(shè)計(jì)通行能力；α、β為不同道路條件下計(jì)算參數(shù)。

區(qū)域路網(wǎng)OD(Origin-Destination，起點(diǎn)-終點(diǎn))矩陣是區(qū)域內(nèi)道路互相聯(lián)系，組成道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的前提[8-9]。本文是以高速公路的改擴(kuò)建為背景，區(qū)域路網(wǎng)的分流是匝道或者與之相連的其他高速公路，因此采用高速公路上兩個(gè)收費(fèi)站作為研究的起點(diǎn)和終點(diǎn)。OD矩陣是調(diào)查基礎(chǔ)上按照增長(zhǎng)計(jì)算模型通過(guò)公式計(jì)算而得，其計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

其中,Qi j為從目的地i到目的地j的交通量；Pi為從i地出發(fā)的交通量；Aj為從j地到達(dá)的交通量；Tij為兩地的正常行駛時(shí)間；k、α、β、γ為與行車類型相關(guān)的計(jì)算參數(shù)，其取值如表1所示。

表1 參數(shù)取值Table 1 Parameter values參數(shù)客車貨車α0.750.65β0.630.52γ0.790.61k0.5761.723

路網(wǎng)仿真模型構(gòu)建是利用分析軟件Trans CAD對(duì)交通組織設(shè)計(jì)中關(guān)鍵因素進(jìn)行模擬分析。通過(guò)模型中道路屬性植入、型心連桿設(shè)置、路段阻抗值輸入等關(guān)鍵參數(shù)的輸入，模型中會(huì)根據(jù)輸入的道路信息生成區(qū)域路網(wǎng)交通分配方法，用數(shù)值模擬的方法按照計(jì)算原理進(jìn)行計(jì)算分析。道路屬性設(shè)置是模型仿真的基礎(chǔ)，將道路的行車速度、行車時(shí)間、通行能力參數(shù)賦予幾何圖形，使幾何圖形具有道路屬性。型心連桿是路網(wǎng)建設(shè)的核心，是根據(jù)不同道路的交通量分配情況，按照比例分配的原則建立不同道路的交通流信息，其設(shè)置方法如圖2所示。

圖2 型心連桿設(shè)置

交通分流是一個(gè)綜合性的交通控制方法，是受到各種現(xiàn)實(shí)因素制約的交通疏導(dǎo)方案，要綜合車型因素、周邊路網(wǎng)因素、施工安全因素等各種因素的影響，表2為分流影響因素。

根據(jù)表2的影響因素，Trans CAD對(duì)區(qū)域路段交通分流量以迭代計(jì)算的方法進(jìn)行計(jì)算分析，其迭代步驟如下：① 系統(tǒng)初始化，對(duì)路網(wǎng)信息賦值；② 以計(jì)算值為標(biāo)準(zhǔn)，路段時(shí)間更新；③ 以計(jì)算為標(biāo)準(zhǔn)，路段車流量更新；④ 達(dá)到收斂，停止迭代，否則返回步驟②繼續(xù)迭代。

表2 分流影響因素Table 2 Influencing factors of shunt車型路網(wǎng)影響因素通行能力因素安全因素施工因素大貨車大型車載量大,對(duì)周邊路網(wǎng)影響大,行車對(duì)道路影響大提高道路通行能力,使單位時(shí)間通行量增加降低施工風(fēng)險(xiǎn)源,提高施工安全性有利于改擴(kuò)建施工小客車軸重輕、對(duì)周邊道路安全性和使用功能影響低對(duì)通行能力提高作用有限施工安全風(fēng)險(xiǎn)增加對(duì)施工進(jìn)度、安全不利

2 交通組織評(píng)價(jià)分析

基于區(qū)域路網(wǎng)協(xié)調(diào)的交通組織設(shè)計(jì)是高速公路改擴(kuò)建施工的前提，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣及科學(xué)性直接影響到后續(xù)施工的安全性及通行效率[10-12]。因此必須建立一套以各項(xiàng)指標(biāo)為依據(jù)的交通組織設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

按照路段服務(wù)水平、路段交通環(huán)境影響水平、路段經(jīng)濟(jì)效益影響及路段交通安全性幾項(xiàng)指標(biāo)建立了如圖3所示的高速公路改擴(kuò)建施工交通組織設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系。

圖3 交通組織設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系

路段服務(wù)水平包含通行能力、通行速度、通行密度等各項(xiàng)指標(biāo)，是衡量交通組織設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一。

通行能力衡量施工區(qū)間路段內(nèi)單位時(shí)間某斷面積上最大交通量，計(jì)算如式(3)所示。

C=C0×fw×fHV×fp×fi×n

(3)

其中，C0為高速公路每車道的通行能力；fw為道路車道寬度修正系數(shù)；fHV為行車類型修正系數(shù)；fp為駕駛員路況修正系數(shù)；fi為與施工區(qū)環(huán)境相關(guān)的環(huán)境影響系數(shù)；n為行車道數(shù)。

施工區(qū)間平均車速是經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到了車輛的平均速度，交通密度是交通量與車速的比值，其值用K表示，表3給出了K值大小與交通擁擠度關(guān)系。

表3 交通密度與交通擁擠度關(guān)系Table 3 Relationship between traffic density and traffic congestionK值大小交通擁擠度評(píng)價(jià)K<13順暢流通13≤K<20較順暢20≤K<28較密集28≤K<36較擁堵36≤K<45擁堵45≤K嚴(yán)重?fù)矶?/p>

車道占用率是某時(shí)間段內(nèi)車輛長(zhǎng)度之和與路段長(zhǎng)度的比值。其計(jì)算式如(4)所示。

(4)

其中,L為車輛平均長(zhǎng)度；S為計(jì)算路段長(zhǎng)度；K為交通密度。

交通組織設(shè)計(jì)的環(huán)境評(píng)價(jià)采用定性的方法，以污染物排放、尾氣排放及噪聲污染為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，將環(huán)境分為優(yōu)、良、差3級(jí)。

經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)是以車輛行駛過(guò)該施工路段時(shí)間及能源消耗情況為評(píng)價(jià)依據(jù)，采用正常行駛和施工交通導(dǎo)行對(duì)比的方法，分析路段的時(shí)間及能源附加消耗[13-14]。

交通安全是評(píng)價(jià)體系的重要組成部分之一。按照事故率、安保措施和行車安全指數(shù)3個(gè)指標(biāo)定性的對(duì)交通組織的安全性進(jìn)行分析。

按照上述評(píng)價(jià)指標(biāo)建立了如圖4所示的交通組織設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)流程。該評(píng)價(jià)流程是建立在評(píng)價(jià)指標(biāo)分析基礎(chǔ)上，根據(jù)施工項(xiàng)目的特點(diǎn)選取不同的權(quán)重比例，用科學(xué)的評(píng)價(jià)方法對(duì)交通組織設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖4 評(píng)價(jià)流程

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的公路工程施工相關(guān)規(guī)范，按照上述評(píng)價(jià)流程建立了表4所示的交通組織方案評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將方案分為優(yōu)良中差4級(jí)，每一級(jí)都有與之對(duì)應(yīng)的定量指標(biāo)。

表4 交通組織方案評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Evaluation criteria of traffic organization scheme項(xiàng)目平均車速/( km·h-1)車流密度/(pcu·km-1·ln-1)車道占有率飽和度出行延誤/(s·vel-1·km-1)優(yōu)>79<9<0.23<0.35<3良(69,79][9,17)[0.23,0.31)[0.35,0.46)[3,6)中(59,69][17,32)[0.31,0.52)[0.46,0.0.85)[6,15)差≤59≥32≥0.52≥0.85≥15

3 施工組織設(shè)計(jì)實(shí)例分析

本文以安徽省內(nèi)G5011、G40、G3這3條高速公路的改擴(kuò)建施工交通組織設(shè)計(jì)為例，其中G5011高速改擴(kuò)建項(xiàng)目總長(zhǎng)度54.23 km，采用路基加寬的擴(kuò)建方式，由25 m路基增寬到45 m，G40高速擴(kuò)建項(xiàng)目總里程89.25 km，采用雙向加寬，由四車道變?yōu)榘塑嚨?，G3擴(kuò)建總長(zhǎng)度52.25 km，采用雙向加寬，由四車道變?yōu)榘塑嚨溃?條道路的改擴(kuò)建施工對(duì)合肥東部、南部的交通產(chǎn)生了較大壓力。區(qū)域內(nèi)有國(guó)道206及多條省道，其交通信息如表5所示。

表5 區(qū)域路網(wǎng)交通量 Table 5 Regional road network traffic volumepcu/d道路名稱小貨車大貨車小客車大客車合計(jì)折算合計(jì)G2068168232 6737315 0436 556S3136249373 7628916 2148 203S2187531 0212 9329135 6197 642S1056891 6313 2141 0146 5488 643S1037691 8033 5079637 0429 365

利用Trans CAD軟件進(jìn)行了模擬，以區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)為基礎(chǔ)，得到了表6所示的路網(wǎng)行車主要參數(shù)和交通導(dǎo)行方案評(píng)價(jià)結(jié)果。

表6 區(qū)域路網(wǎng)行車參數(shù)Table 6 Traffic parameters of regional road network項(xiàng)目平均車速/km·h-1 車流密度/pcu·km-1·ln-1 車道占有率飽和度出行延誤/s·vel-1·km-1 綜合評(píng)價(jià)G501165210.260.65良G4061230.290.66良G359250.270.77良

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，一些早期設(shè)計(jì)建設(shè)的高速公路已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在日益繁重的出行需求，目前通用的經(jīng)濟(jì)合理的辦法是對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行改擴(kuò)建，與新建道路相比，改擴(kuò)建施工交通組織設(shè)計(jì)有其特殊性。本文以改擴(kuò)建施工中區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)協(xié)調(diào)為前提，采用施工分流的方法研究了區(qū)域路網(wǎng)的路阻特性和OD矩陣，利用分析軟件Trans CAD建立了路網(wǎng)連接，以服務(wù)水平、環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)效益和安全性為評(píng)級(jí)指標(biāo)建立了綜合交通組織設(shè)計(jì)評(píng)級(jí)體系，用量化指標(biāo)對(duì)交通組織設(shè)計(jì)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，最后以安徽省區(qū)域內(nèi)3條高速擴(kuò)建為例給出了交通組織設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)并對(duì)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。