城市過江通道施工期交通影響分析
——以橘子洲大橋為例

謝冰， 史曉瓊， 薛浩楠

(1．湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司， 湖南 長沙 410008； 2．新疆交通規(guī)劃勘察設計研究院)

對于沿江發(fā)展的城市，完善的過江通道是跨江發(fā)展的重要保障。隨著機動化和城市化的不斷推進，過江車輛急劇增加，高峰時期過江通道的擁堵會嚴重影響整個路網(wǎng)的運行效率，目前已成為城市交通的瓶頸之地。此外，建設年限較早跨江大橋的橋面鋪裝還出現(xiàn)了不同程度的病害，影響了行車安全性與舒適性。為提升橋梁的通行能力，緩解城市交通擁堵，減少后期養(yǎng)護成本，對過江通道進行提質(zhì)改造迫在眉睫。過江通道在施工期間會迫使出行者繞行至其他通道過江，增加了影響區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)的交通負荷，因此有必要對施工期過江通道對周圍道路交通的影響進行分析。

目前中國對于過江通道施工期交通影響分析的研究尚處于起步階段，關于大型市政工程施工交通影響分析的研究大多是圍繞城市道路或軌道交通。Arash Olia等提出采用車聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)實現(xiàn)車輛與基礎設施之間的互聯(lián)互通，可避免車輛行駛至施工區(qū)域；Ahmed AI-Kaisy等統(tǒng)計了加拿大多倫多市加丁納高速公路上的大量交通流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)施工區(qū)路段的通行能力存在顯著差異；王志強等針對城市高架道路，提出了不同施工過程的交通組織方法，并應用到武漢市二環(huán)線施工項目中，達到了預期的效果；王東煒等基于系統(tǒng)可靠度的思想，提出了地鐵施工期間的路網(wǎng)可靠度算法，并以鄭州地鐵2號線為例進行分析。針對城市過江通道施工的研究較少，使得現(xiàn)在往往依靠管理者的經(jīng)驗來制定過江通道的施工和交通組織方案，普遍以定性為主，存在著主觀性，缺少相關的定量研究。已有的研究主要是側(cè)重于提出過江通道施工期的交通組織方案，沒有對過江通道施工期的交通影響分析展開研究。

基于現(xiàn)有研究，該文以城市過江通道施工期交通影響分析為研究對象，從交通影響范圍的確定、轉(zhuǎn)移交通量的生成與分配等方面，系統(tǒng)性地提出一種過江通道施工期交通影響分析思路和方法。

1 過江通道施工期交通影響分析思路

過江通道施工期交通影響分析包括交通影響范圍的確定、轉(zhuǎn)移交通量的生成、轉(zhuǎn)移交通量的分配3個步驟，如圖1所示。具體思路如下：

(1) 交通影響范圍的確定

先根據(jù)過江通道施工項目所在區(qū)域的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和交通特性，基于居民的出行特征采用結(jié)合路阻函數(shù)和干道合圍的方法確定核心影響區(qū)和外圍影響區(qū)，再運用手機信令分析方法獲取過江通道影響范圍內(nèi)車流OD分布，進而識別主要分流通道與分方向的分流比例。

(2) 轉(zhuǎn)移交通量的生成

先根據(jù)車道寬度、非機動車和行人交通、施工大型車混入等因素，分析施工對過江通道通行能力的影響，計算由于施工需向周邊通道分流轉(zhuǎn)移的交通量，具體包括轉(zhuǎn)移交通總量和分方向轉(zhuǎn)移交通量，再基于過江通道周邊的替代通道及其他道路的通行能力，推算剩余交通容量。

(3) 轉(zhuǎn)移交通量的分配

預測流量在影響范圍內(nèi)路網(wǎng)上的分配情況，根據(jù)現(xiàn)狀與施工期分流后的交通量和飽和度指標，分析施工對周邊通道及路網(wǎng)的影響程度。

圖1 交通影響分析思路

2 過江通道施工期交通影響分析方法

2.1 交通影響范圍的確定

(1) 核心影響區(qū)和外圍影響區(qū)的劃定

交通影響范圍指由于受施工區(qū)域影響的交通流的輻射范圍，可分為核心影響區(qū)和外圍影響區(qū)，常用的交通影響范圍確定方法有經(jīng)驗法、圈層外推法和煙雨模型法等，但這些方法存在主觀性強、假設條件太多、參數(shù)標定較困難等缺陷。該文提出一種結(jié)合路阻函數(shù)和干道合圍的方法來確定交通影響范圍，基本思想是先計算交通影響范圍半徑，再結(jié)合城市實際干道布局綜合確定核心影響區(qū)和外圍影響區(qū)。設第h種出行方式的交通影響范圍半徑為rh，用式(1)表示：

rh=fh×T×α×β

(1)

式中：fh為第h種出行方式的路阻函數(shù)值(km/h)；h為出行方式(1,2,3分別表示私家車、出租車和公交車)；T為居民可接受的最長出行時間(h)；α為施工規(guī)模等級系數(shù)；β為路網(wǎng)折算系數(shù)。

在確定單一出行方式交通影響范圍的基礎上，根據(jù)施工區(qū)域周邊各種交通方式的分擔率，對影響范圍半徑進行加權(quán)平均，將加權(quán)值最大的作為交通影響范圍半徑r，用式(2)表示：

r=max{rh×ωh}/ωh

(2)

式中：ωh為第h種出行方式的權(quán)重。

通過分析施工路段鄰近區(qū)域周圍的交叉口，比較施工前后施工路段以及周邊道路和交叉口的交通流量，該文提出的交通影響范圍確定方法的核心在于各相關參數(shù)的選取。其中不同出行方式的路阻函數(shù)值、可接受的最長出行時間和各種出行方式權(quán)重可根據(jù)居民出行調(diào)查結(jié)果得到，施工規(guī)模等級系數(shù)按照道路施工周期和范圍綜合確定，路網(wǎng)折算系數(shù)通常與實際道路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)相關。

(2) 主要分流通道的識別及分向分流比例的計算

主要分流通道的識別及分向分流比例的計算需要首先獲取跨江車流OD分布，針對傳統(tǒng)OD調(diào)查時間成本投入大、可靠性差、樣本量有限等缺陷，該文基于手機信令獲取并分析過江通道影響范圍內(nèi)的出行者OD分布特征，具有精度高、樣本量大、連續(xù)性好等優(yōu)點。其主要思路是：首先采集路網(wǎng)和運營商基站扇區(qū)分布信息，其次將基站覆蓋和道路進行匹配與擬合，形成高速公路、快速路、城市主次干道的扇區(qū)與道路的對應關系，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行過濾和格式化，剔除缺失了重要字段和重復冗余的數(shù)據(jù)，最后通過篩查得到跨江車流OD數(shù)據(jù)。在對手機信令數(shù)據(jù)進行跨江車流出行行為分析時，關鍵是要識別手機用戶出行軌跡點的狀態(tài)，進而獲得跨江車流的OD信息，再通過分析OD數(shù)據(jù)，進一步識別出主要分流通道，獲得各方向的分流比例。

出行軌跡點狀態(tài)分為停留狀態(tài)和運動狀態(tài)兩種，該文利用同一個手機用戶在相鄰時間定位點之間的距離和設定的距離閾值進行比較，從而判斷出行軌跡點狀態(tài)，同時剔除運動狀態(tài)的點，剩余停留狀態(tài)的點可形成出行軌跡線，以此獲取跨江車流的OD。設i時刻和j時刻的狀態(tài)分別為li和lj，i時刻與j時刻之間的距離為sij，設定的空間距離閾值為s，軌跡點狀態(tài)的判定步驟如下：

步驟1：初始化每個手機用戶的狀態(tài)均為停留狀態(tài)，設定s并計算sij。

步驟2：判斷l(xiāng)i是否為停留狀態(tài)，若是，則轉(zhuǎn)到步驟3，若不是，則轉(zhuǎn)到步驟4。

步驟3：判斷sij是否小于s，若是，則lj為停留狀態(tài)，若不是，則lj為移動狀態(tài)。

步驟4：判斷sij是否小于s，若是，則li和lj均為停留狀態(tài)，若不是，則li和lj均為移動狀態(tài)。

2.2 轉(zhuǎn)移交通量的生成

轉(zhuǎn)移交通量的生成是指根據(jù)過江通道因施工而損失的通行能力，結(jié)合周邊通道的剩余容量計算需轉(zhuǎn)移的交通量。其中轉(zhuǎn)移交通總量為現(xiàn)狀交通量與通道通行能力的差值，分方向轉(zhuǎn)移交通量為轉(zhuǎn)移交通總量按分向比例進行折算，周邊通道剩余容量可根據(jù)過江通道周邊道路的通行能力和現(xiàn)狀飽和度進行計算。因此，關鍵問題是確定因過江通道施工而折損的通行能力以及需轉(zhuǎn)移的交通量。

關于過江通道施工占用道路的范圍，可將施工封閉方案分為雙向封閉和半幅封閉兩種類型。其中雙向封閉會阻斷現(xiàn)有交通，施工期過江通道的通行能力為0。半幅封閉不僅會使得通行能力減半，而且由于受到車道寬度、非機動車和行人交通、施工大型車混入等因素的影響，通行能力減半后仍會進一步折減。設半幅封閉施工方案下過江通道的實際通行能力為cs，由式(3)表示，需轉(zhuǎn)移的交通量為vt，由式(4)表示。

cs=cj×kf×kr×kv×kd×kw

(3)

vt=vm-cs

(4)

式中：cj為減半后的過江通道基本通行能力(pcu/h)；kf為非機動車修正系數(shù)；kr為行人修正系數(shù)；kv為大型車混入率修正系數(shù)；kd為駕駛員適應性修正系數(shù)；kw為車道寬度修正系數(shù)；vm為過江通道未施工時的現(xiàn)狀交通量(pcu)。

2.3 轉(zhuǎn)移交通量的分配

(1) 各分流通道交通量的分配

將過江通道因施工需分流的交通量分配到影響區(qū)域內(nèi)的其他道路上，該文提出一種基于隨機用戶均衡的配流模型，假設過江通道施工影響范圍內(nèi)的OD需求總量不變，在各個交叉口每個進口道均設有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和直行車道，且不計右轉(zhuǎn)車輛的延誤。模型如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

tm=t0(ym)[1+γ(ym/cm)δ]

(10)

(11)

(2) 現(xiàn)狀與施工期分流后飽和度的對比

將不同施工方案下分流后的路網(wǎng)飽和度與現(xiàn)狀情況進行對比，分析過江通道施工期對區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)的交通影響，判斷交通車流狀態(tài)的負載程度，城市道路路段及交叉口服務水平判定標準見表1。

表1 路段及交叉口服務水平判定標準

3 實例分析

3.1 項目概述

橘子洲大橋是長沙市最早建設的跨湘江大橋，地處城市中心區(qū)域，東臨五一大道，西接楓林一路，串聯(lián)橘子洲公園、岳麓山景區(qū)、西湖文化園、梅溪湖新區(qū)，一直是長沙最繁忙的過江通道之一。為解決當前橘子洲大橋橋面坑洼較多，影響車輛安全通行等問題，需要對橋梁進行升級改造，既有施工封閉方案如表2所示。為配合橘子洲大橋封閉施工，采取“三橋兩隧”限行方案，限行通道為福元路大橋、銀盆嶺大橋、猴子石大橋、南湖路隧道和營盤路隧道，限行時間為07:00—22:00。下文具體分析不同封閉方案和是否采取限行措施情況下對周邊路網(wǎng)的交通影響。

3.2 現(xiàn)狀交通調(diào)查

(1) 現(xiàn)狀路網(wǎng)設施

橘子洲大橋全長1 250 m，橋面凈寬20 m，其中車行道14 m，雙向四車道，兩側(cè)人行道各3 m。周邊共有過江通道7條，快速路4條，主干路20條，次干路7條，如表3所示。

表2 既有施工封閉方案

表3 橘子洲大橋周邊過江通道及主要道路情況

(2) 現(xiàn)狀路網(wǎng)交通運行

根據(jù)連續(xù)一周的交通量觀測，城區(qū)內(nèi)主要過湘江通道的高峰小時交通量及飽和度如表4所示，現(xiàn)狀早高峰路網(wǎng)運行情況如圖2(a)所示。

表4 過江通道高峰小時交通量及飽和度

3.3 交通影響分析

(1) 交通影響范圍的確定

根據(jù)2.1節(jié)關于核心影響區(qū)和外圍影響區(qū)的劃定方法，首先根據(jù)長沙市居民出行調(diào)查結(jié)果得到各種交通方式的路阻函數(shù)值和不同出行目的下居民可接受的最長出行時間，然后通過分析橘子洲大橋提質(zhì)改造施工方案確定施工規(guī)模等級系數(shù)，由于長沙市中心城區(qū)的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)較不規(guī)則，因此該文采用棋盤式路網(wǎng)的折算系數(shù)進行計算，最終劃定橘子洲大橋提質(zhì)改造施工期間的核心影響區(qū)為芙蓉路、南湖路隧道、阜埠河路、麓山路、楓林路、金星路、岳麓大道和三一大道圍合的區(qū)域，外圍影響區(qū)為東二環(huán)、南二環(huán)、西二環(huán)、北二環(huán)圍合的范圍，如圖2(b)所示。

圖2 現(xiàn)狀早高峰路網(wǎng)運行情況及交通影響范圍

根據(jù)2.1節(jié)中關于主要分流通道的識別及分向分流比例的計算方法，首先采集長沙市中心城區(qū)路網(wǎng)和運營商基站扇區(qū)分布信息，得到路網(wǎng)與基站扇區(qū)的對應關系，其次采用手機信令方法對長沙市居民出行和機動車出行OD數(shù)據(jù)進行調(diào)查，得到長沙市跨江車流的OD分布，然后對數(shù)據(jù)進行處理，剔除缺失、有誤和重復冗余的數(shù)據(jù)，接著以湘江為東西方向界線，橘子洲大橋為南北方向界線，針對橘子洲大橋周邊的7個跨湘江通道，分析跨江車流的OD出行分布特征，最后得出通過橘子洲大橋的車流OD絕大多數(shù)位于福元路大橋以南、湘府路大橋以北的區(qū)域。橘子洲大橋南北兩側(cè)鄰近的兩條過江通道具有較大程度的替代性，南湖路隧道和營盤路隧道將承擔主要的分流任務。經(jīng)測算，以橘子洲大橋為界限，南部與北部交通生成量之比約為6∶4，即設定南北分流比例為6∶4。

(2) 轉(zhuǎn)移交通量的生成

根據(jù)2.2節(jié)關于轉(zhuǎn)移交通量的生成方法，通過對現(xiàn)狀交通調(diào)查數(shù)據(jù)的分析，得到各封閉方案下需轉(zhuǎn)移的交通量，如表5所示。

表5 各封閉方案下橘子洲大橋需轉(zhuǎn)移的交通量

結(jié)合現(xiàn)狀影響區(qū)內(nèi)各條主要道路的流量及飽和度，測算出不同施工方案下周邊主要分流通道高峰期的剩余交通容量，其中夜間半幅和整幅封閉機動車道情況下周邊通道的剩余交通容量充足，橘子洲大橋周邊南湖路隧道、營盤路隧道均為自由流，可滿足分流要求。日間整幅封閉機動車道和24 h封閉半幅人行道情況下的周邊通道剩余交通容量如表6所示。

表6 部分封閉方案下周邊通道剩余交通容量

(3) 轉(zhuǎn)移交通量的分配

根據(jù)2.3節(jié)關于轉(zhuǎn)移交通量的分配方法，將轉(zhuǎn)移的交通量加載到周邊道路上，得到不同封閉方案下橘子洲大橋交通疏解后的路網(wǎng)交通分配結(jié)果。

在夜間半幅封閉機動車道方案下，橘子洲大橋飽和度有所增加，但仍處于較為暢通的狀態(tài)，周邊路網(wǎng)運行順暢，交通影響可接受，如圖3(a)所示。

在夜間整幅封閉機動車道方案下，橘子洲大橋周邊的營盤路隧道和南湖路隧道飽和度有較大的增加，增幅分別達到47.92%和76.19%，但路網(wǎng)整體運行較順暢，交通影響可接受，如圖3(b)所示。

在日間整幅封閉機動車道方案下，橘子洲大橋施工對自身及周邊通道影響非常明顯，周邊過江通道均為超飽和狀態(tài)，其中營盤路隧道和南湖路隧道飽和度增幅分別為47.30%和29.41%，對橘子洲大橋兩端銜接道路及分流轉(zhuǎn)換道路的影響非常明顯，受分流影響五一大道和楓林一路的飽和度有所降低，咸嘉湖路、岳麓大道、南二環(huán)等部分路段的飽和度超過0.95，瀟湘中路、湘江中路、芙蓉路等道路的交通壓力明顯增長，對外圍影響區(qū)的銀杉路、金星路等也有一定的影響，路網(wǎng)整體運行不順暢，交通影響不可接受，見圖3(c)。

在24 h封閉半幅人行道方案下，橘子洲大橋?qū)ψ陨砑爸苓呁ǖ烙幸欢ㄓ绊?，部分疏解通道接近飽和狀態(tài)，其中營盤路隧道和南湖路隧道飽和度漲幅分別為5.88%和10.81%，對橘子洲大橋兩端銜接道路及分流轉(zhuǎn)換道路的影響較小，受分流影響五一大道和楓林一路的飽和度有小幅度的降低，南湖路、三一大道、南二環(huán)等部分路段的飽和度有一定程度增長，瀟湘中路、湘江中路、三一大道等道路交通壓力增長不明顯，飽和度增長幅度均在6%以內(nèi)，如圖3(d)所示。

圖3 不同封閉方案下的路網(wǎng)運行情況

在實施“三橋兩隧”限行方案的情況下，由于整個核心影響區(qū)的過江交通將受到施工影響，部分車輛會繞行至湘府路大橋和三汊磯大橋，部分車主會放棄繞行轉(zhuǎn)向公共交通等其他交通方式出行，通過測算限行后過江通道交通量會減少約35%。橘子洲大橋周邊通道得到明顯緩解，飽和度較限行前大幅度降低，整體運行較為順暢，但三汊磯大橋受繞行交通量影響，飽和度有所增大，達到0.95。橘子洲大橋兩端銜接道路及分流轉(zhuǎn)換道路交通壓力明顯下降，五一大道、楓林一路、咸嘉湖路、南二環(huán)等道路的飽和度均在0.7以下，瀟湘中路、湘江中路、書院路等核心影響區(qū)內(nèi)的其他道路交通壓力均有所降低，銀杉路、金星路等外圍影響區(qū)的道路交通運行較為順暢，如圖4所示。

圖4 “三橋兩隧”限行情況下路網(wǎng)運行情況

根據(jù)以上分析，在配合“三橋兩隧”限行措施下的施工封閉方案交通影響最小，因此采取限行措施情況下的施工方案。

4 結(jié)論

(1) 基于現(xiàn)有關于施工項目交通影響分析的相關研究，結(jié)合過江通道施工期的交通特性及居民出行特征，提出了交通影響范圍的確定、車流OD分布特征的分析、轉(zhuǎn)移交通量的生成、轉(zhuǎn)移交通量的分配等一系列交通影響分析方法。

(2) 運用該文提出的交通影響分析方法體系，對橘子洲大橋封閉施工項目進行了實例研究，分析結(jié)果表明所提出的方法合理可行，為城市過江通道施工封閉方案的比選提供了理論支撐，具有一定的實用性和參考價值。

(3) 該文僅分析了單個過江通道施工的情形，還可以針對多個過江通道同時施工的情況展開研究，轉(zhuǎn)移交通的配流模型還可根據(jù)分流情況進行細化，實例分析中只給出了部分施工方法，對于其他施工種類的分析有待進一步研究。