平面交叉口定向匝道設(shè)置條件與技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價

張夢凡　韓寶?！钫稹≈斐闪铡↑S媛

摘 要：利用定向匝道減少交叉口延誤是緩解城市節(jié)點(diǎn)擁堵問題的手段之一，考慮到用地、資金和環(huán)境等約束，需要謹(jǐn)慎論證修建立體交叉口的適用性與條件。本研究針對城市內(nèi)修建左轉(zhuǎn)定向匝道的前期可行性，通過對其所需的道路條件、交通條件進(jìn)行分析，利用VISSIM仿真得出修建匝道前后交叉口的延誤、排放及燃料消耗量的差值，用擬定的標(biāo)準(zhǔn)交叉口估算定向匝道的修建費(fèi)用，對比分析其經(jīng)濟(jì)性，得出快速評估修建左轉(zhuǎn)定向匝道可行性的方法。該研究對改進(jìn)城市立交規(guī)劃可行性提出了新的思路。

關(guān)鍵詞：定向匝道;適用條件;交通仿真;費(fèi)用與效益;延誤

中圖分類號：U491.23??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2021）02-0104-06

Setting Conditions and Technical and Economic Evaluation

of Directional Ramp at Plane Intersection

ZHANG Mengfan， HAN Baorui*， YANG Zhen， ZHU Chenglin， HUANG Yuan

（College of Automobile and Traffic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract：Using directional ramps to reduce intersection delays is one of the means to alleviate the problem of urban node congestion. However， taking into account the constraints of land use， capital and environment， it is necessary to carefully demonstrate the applicability and conditions of constructing an interchange. This study aims at the preliminary feasibility of building a left-turn directional ramp in the city. It analyzes the required road conditions and traffic conditions， and uses VISSIM simulation to obtain the delays， emissions and fuel consumption of the intersection before and after the ramp. Estimate the construction cost of the directional ramp through the proposed standard intersection， compare and analyze its economics， and summarize the method for quickly assessing whether a left-turn directional ramp can be built. The study puts forward new ideas for improving the feasibility study of urban interchange planning.

Keywords：Directional ramp; applicable conditions; traffic simulation; expense and benefits; delay

收稿日期：2020-10-23

基金項目：江蘇省自然科學(xué)基金資助項目 （BK20170932）

第一作者簡介：張夢凡，碩士研究生。研究方向為交通規(guī)劃與交通流特征。E-mail： zmf07@qq.com

通信作者：韓寶睿，博士，副教授。研究方向為交通規(guī)劃與交通流特征。E-mail： hbr@njfu.com.cn

引文格式：張夢凡，韓寶睿，楊震，等.平面交叉口定向匝道設(shè)置條件與技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價[J].森林工程，2021，37（2）：104-109.

ZHANG M F， HAN B R， YANG Z， et al. Setting conditions and technical and economic evaluation of directional ramp at plane intersection[J]. Forest Engineering，2021，37（2）：104-109.

0 引言

在城市道路網(wǎng)的平面交叉口中，左轉(zhuǎn)車流增加了交叉口范圍內(nèi)沖突點(diǎn)的個數(shù)，并且占用主要的時空資源，導(dǎo)致交叉口通行能力受限[1]。且車輛類型與左轉(zhuǎn)車比例有強(qiáng)耦合作用，尤其大型車左轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)彎半徑過大，容易造成嚴(yán)重的交通沖突[2]。若采用左轉(zhuǎn)定向匝道，僅建一座跨線橋就可以實現(xiàn)消除大部分沖突點(diǎn)，不僅可以提高通行能力，還可以減少延誤等。然而修建匝道不僅需要一定的空間，還需要合理的交通條件。此外，匝道是否能在投資回收期內(nèi)通過減少延誤而回收社會成本也是值得分析的問題。一般修建立交橋需要專項評估立交綜合效益，本文擬根據(jù)道路設(shè)計基本原則，制定一套快速分析修建定向匝道的評估過程，以期能節(jié)約分析成本。

針對交叉口設(shè)置左轉(zhuǎn)匝道的問題，Wang等[3]研究了左轉(zhuǎn)定向匝道的交通特性及車速和交通流分布的關(guān)系，給出了匝道的建議通行能力值;Hamad等[4]將帶環(huán)路半定向匝道連接的定向式立體交叉性能與常規(guī)帶環(huán)路的定向式立體交叉進(jìn)行了比較，根據(jù)交通運(yùn)營情況評估了各種交通需求條件下前者的性能;施軼峰等[5]提出了直接式匝道的設(shè)計速度取值范圍;張寶玉等[6]以重慶市古木峰立交為例，研究了快速路直接式左轉(zhuǎn)匝道的服務(wù)水平;李宙峰等[7]利用上海市快速路3年事故數(shù)據(jù)和交通流量檢測數(shù)據(jù)，針對立交匝道的不同單元分析了交通流特征對安全性的影響;房瑞偉等[8]采用層次分析法建立樞紐立交左轉(zhuǎn)匝道選型評價模型，用實例對比直連式和半直連式匝道，并進(jìn)行靈敏度分析，確定評價關(guān)鍵因素。利用匝道消除平面交叉口內(nèi)的左轉(zhuǎn)車流，可提高交叉口通行能力。然而，何種條件下能夠采用左轉(zhuǎn)定向匝道，依然是工程中忽略的問題。

本文擬通過分析虛擬交叉口的建設(shè)環(huán)境與要素，構(gòu)建一條左轉(zhuǎn)定向匝道，將交通量大的左轉(zhuǎn)車流利用定向匝道從平面交叉口分離，首先分析匝道設(shè)置所需的道路與交通條件，其次通過交通仿真對比修建匝道前后的延誤等指標(biāo)，將修建匝道節(jié)約的延誤、燃油等轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)和社會效益以分析其經(jīng)濟(jì)性。

1 定向匝道的適用條件分析

本文從道路空間條件、交通條件兩方面進(jìn)行分析。

1.1 道路空間條件

（1）相交道路等級

由于該類型匝道針對較大的交通量及快速交通，故一般道路不考慮，通常相交道路等級均為主干道以上。相交道路路段基本車道至少為雙向六車道。

（2）匝道布設(shè)空間

根據(jù)《城市道路交叉口設(shè)計規(guī)程》，匝道自身需設(shè)置行車道以及緊急停車帶，加上護(hù)欄凈空范圍，一般單向單車道匝道寬不少于6.0 m。為了保證橋墩的布設(shè)空間，路段中分帶寬度應(yīng)大于4 m。

（3）交叉口處墩柱的布設(shè)空間

由于橋梁墩柱設(shè)在交叉口范圍內(nèi)，容易阻擋行車視線形成安全隱患，因此墩柱盡量利用中間分隔帶、側(cè)分帶、渠化島和人行道空間布設(shè)，如圖1所示。

（4）相鄰交叉口的間距

車輛在進(jìn)入左轉(zhuǎn)匝道前需完成車道變更，駛離匝道的車輛也即將進(jìn)行交叉口轉(zhuǎn)向，均會與平面車流進(jìn)行交織，為減少交織導(dǎo)致的交通紊亂，須使匝道設(shè)置的起終點(diǎn)與相鄰交叉口的上下游保持足夠的距離。交叉口間距最少包括交織段、起橋段和展寬漸變段等，如圖2所示。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，出口匝道端部離下游平面交叉口進(jìn)口道展寬漸變段起點(diǎn)宜大于100 m， 入口匝道的入口端宜布置在交叉口出口道展寬漸變段的下游， 且最小距離不宜小于80 m[9]。主干路相交展寬段至少80 m，漸變段至少30 m[10]。因此設(shè)置匝道的交叉口距入口匝道上游的交叉口至少450 m?？紤]到匝道出口車速較高，距出口匝道下游交叉口至少500 m。

1.2 交通條件

（1）交通量

左轉(zhuǎn)定向匝道由于線型簡單，一般適用于左轉(zhuǎn)交通量較大的情況。根據(jù)《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》，道路網(wǎng)改造時，當(dāng)交叉口交通量達(dá)到最大通行能力的80%，應(yīng)首先改善道路網(wǎng)調(diào)低交通量，然后在該處設(shè)置立體交叉。根據(jù)美國HCM2000方法計算，改造前該交叉口最大通行能力約為5 600 輛/h，即當(dāng)總交通量達(dá)到4 480 輛/h時可考慮修建立體交叉。當(dāng)左轉(zhuǎn)匝道設(shè)計交通量大于1 200 輛/h，應(yīng)優(yōu)先考慮定向式或半定向式。

（2）服務(wù)水平

信號交叉口的服務(wù)水平通常采用平均延誤表示[11]，我國規(guī)范將信號交叉口服務(wù)水平分為4個等級，并規(guī)定新建交叉口應(yīng)按三級服務(wù)水平設(shè)計[9]。當(dāng)信號交叉口服務(wù)水平為四級時，即控制延誤大于60 s/輛，可能會影響相交道路甚至路網(wǎng)的服務(wù)水平，因此可考慮修建此類匝道減少延誤。該匝道適用于：①左轉(zhuǎn)延誤較大，或左轉(zhuǎn)車輛等待多個周期方能通過的情況;②左轉(zhuǎn)交通量過大，當(dāng)某方向設(shè)置兩條左轉(zhuǎn)專用車道不能滿足轉(zhuǎn)向需求時;③交叉口各向交通量總和超出正常信號交叉口通行能力。

（3）大型車比例

由于自身動力性能等因素，大型車在上坡段與小汽車的速度差會逐漸增大，導(dǎo)致車頭間距增大，尤其在單車道匝道上無法超車，將引起通行能力下降。當(dāng)大型車混入率大于20%且交通密度大時，混合車流中的小型車行駛速度不能保持如單一車流時穩(wěn)定[12]。因此匝道上的大型車比例宜小于20%。

2 定向匝道的設(shè)計參數(shù)

匝道建造成本隨匝道的類型和具體環(huán)境而有較大差異，為說明問題，本文針對理想的正交十字平面交叉修建一條定向匝道，與未修建匝道的普通平面交叉口進(jìn)行仿真對比。

2.1 擬定匝道相關(guān)參數(shù)

假設(shè)原交叉口為兩條主干道相交，路段基本車道為雙向六車道，道路設(shè)置于水平區(qū)域（無縱坡），假定西—北方向交通流明顯較大。西進(jìn)口當(dāng)前設(shè)置兩個左轉(zhuǎn)車道，如圖3所示。通過初步仿真得出各個方向的飽和交通量，如圖4所示。原信號控制相位如圖5所示。

針對此類情況提出采用左轉(zhuǎn)定向匝道，以單車道匝道替代兩條地面左轉(zhuǎn)車道，該類匝道通過中分帶的空間設(shè)置橋墩，地面的多余空間可用來設(shè)置直行車道。假設(shè)該道路設(shè)計車速各方向均為50 km/h，匝道設(shè)計車速35 km/h。根據(jù)《城市道路交叉口設(shè)計規(guī)程》，匝道有關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。匝道長度對交叉口間距的設(shè)置有重要影響，根據(jù)機(jī)動車的設(shè)計輪廓尺寸和凈高，橋下凈空高度最小為5.5 m[13]，橋梁構(gòu)造物與路面鋪裝厚度為1.0 m，總高度為6.5 m。匝道縱坡應(yīng)小于4.0%[14]，因此匝道起橋段長度最小宜為165 m。

2.2 左轉(zhuǎn)定向匝道的交通仿真

為估算左轉(zhuǎn)匝道產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，本文以獨(dú)立交叉口為研究對象，采用微觀仿真軟件VISSIM進(jìn)行修建匝道前后的交叉口對比分析。選擇車均延誤、總延誤、一氧化碳排放、氮氧化合物排放和燃料消耗量等參數(shù)作為輸出數(shù)據(jù)。

（1）仿真準(zhǔn)備

車道寬度設(shè)為3.5 m，道路類型為市區(qū)道路，默認(rèn)仿真時長為3 600 s，改變隨機(jī)種子重復(fù)仿真10次。其他參數(shù)見表2。

對仿真進(jìn)行假定：車輛進(jìn)入交叉口時均不會掉頭;仿真過程不考慮行人和非機(jī)動車。

分別建立仿真底圖，如圖6所示。實際通過的交通量和信號配時分別采用圖4、圖5中虛擬交叉口設(shè)定的數(shù)據(jù)。

（2）仿真結(jié)果分析

在交通量相同的條件下比較延誤等評價指標(biāo)，仿真結(jié)果以一個高峰小時為單位，見表3。修建匝道后可使延誤降低13.48%，使污染氣體排放和燃料消耗降低8.19%。

由于修建匝道后，地面直行車道可設(shè)置兩條，因此可通過調(diào)整信號相位來減少其他車道的延誤。調(diào)整后的信號控制如圖7所示。

調(diào)整信號配時后，得出的仿真結(jié)果見表3。延誤相比修建匝道前下降了28.97%，污染氣體排放減少17.63%，燃料節(jié)省了18.54%。由于本案例為飽和交通狀態(tài)測試，實際運(yùn)行中，各個方向不均勻性較大，則修建匝道導(dǎo)致信號配時重新分配，節(jié)約的延誤將高于目前平均值。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價

3.1 匝道建造成本估算

城市道路造價的影響因素主要有路基工程長度、路面工程面積、排水工程、橋梁隧道工程和占地面積等，而影響立交橋梁結(jié)構(gòu)物的因素主要有主線或匝道的縱坡坡度和橋梁段長度、跨越方式和位置等。

與平面交叉口相比，造價差異主要在于匝道結(jié)構(gòu)物的建造成本。假定匝道建在地面平整地帶，在凈空高度一致的情況下，左轉(zhuǎn)匝道橋梁段長105 m，總長435 m，考慮排水工程、防護(hù)工程和路面工程等，每延米預(yù)估造價7萬元[15-18]，估算匝道造價為3 045萬元。

3.2 效益分析

修建匝道帶來的效益主要包括節(jié)約延誤效益、節(jié)約燃油效益和環(huán)境效益。改變信號控制后，平均延誤減少31.2 s，整個交叉口高峰小時內(nèi)共節(jié)省延誤222 411 s，節(jié)省燃油 220 L，按照建成初年每小時運(yùn)輸時間價值為30元、燃油價格6元/L計，1個高峰小時可節(jié)省3 173元。以1天內(nèi)總延誤是高峰小時延誤的4倍估算，1天的收益為12 692元。每年的增長率為5%，使用年限內(nèi)效益可達(dá)到15 287萬元，不僅能收回建造成本，還可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)仿真結(jié)果推算，一氧化碳排放使用年限內(nèi)可減少93.9 t，氮氧化物排放減少18.3 t，極大減少了汽車尾氣排放量，具有良好的社會效益。

4 結(jié)論

本文分析了城市道路中左轉(zhuǎn)定向匝道設(shè)置所需的道路空間條件和交通條件，通過VISSIM仿真和估算建造成本評價其經(jīng)濟(jì)性。從長遠(yuǎn)利益和節(jié)約能源的角度來看，在左轉(zhuǎn)交通量較大、普通平面交叉口較為擁堵且用地受到限制的情況下，左轉(zhuǎn)定向匝道有利于減少延誤，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

本研究是針對一些固定堵點(diǎn)進(jìn)行疏解時用以快速評估決策的方法，將優(yōu)化交叉口得到的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益做了粗略的估算，實際情況可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于本研究內(nèi)容，且受具體環(huán)境、政策影響，需要對設(shè)置匝道是否可行進(jìn)一步分析。

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