粵港澳大灣區(qū)高速公路互通立交通行能力分析

馮心宜

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507)

粵港澳大灣區(qū)是中國開放程度最高、經(jīng)濟活力最強的區(qū)域之一。2019年，灣區(qū)以占中國不足1%的土地，約5%的人口，創(chuàng)造了中國12%的中國國內(nèi)生產(chǎn)總值，是中國經(jīng)濟的重要增長極。大灣區(qū)城市群聯(lián)系密切，城際間交通出行需求規(guī)模巨大，當(dāng)前大灣區(qū)11個城市之間的城際交通日均出行總量約為980萬人次，常住人口城際交通出行率為0.14次/(人·日)，機動車保有量為1 688萬輛。大灣區(qū)同時也是中國高速公路網(wǎng)密度最大的地區(qū)，至2020年底，大灣區(qū)內(nèi)地實現(xiàn)高速公路通車?yán)锍? 000 km，且大多為雙向六車道或以上標(biāo)準(zhǔn)，部分前期修建的雙向四車道高速公路近期正開展改擴建研究。隨著高標(biāo)準(zhǔn)高速公路網(wǎng)的全面覆蓋，高速公路與地方道路相接的節(jié)點即互通立交通行能力不足問題日益突出。

1 大灣區(qū)交通流及路網(wǎng)的主要特點

該文以京港澳高速公路廣州至深圳段(以下簡稱“廣深高速”)、京港澳高速公路南沙至珠海段(以下簡稱“廣珠東線”)、珠三角環(huán)形高速公路東莞至深圳段(以下簡稱“莞深高速”)3個典型項目為背景，對大灣區(qū)的交通流及路網(wǎng)主要特點進行分析。

1.1 出行交通量大且增速快

2019年大灣區(qū)中廣州客貨出行總量最大、達(dá)到206.1×104pcu/d，其次深圳出行總量達(dá)162.9×104pcu/d，東莞出行總量達(dá)99.7×104pcu/d；近20年來，廣州與深圳間的通道交通量增長幅度達(dá)546%；同時遠(yuǎn)景年預(yù)測交通量還將大幅增長(表1)。

表1 典型高速公路全線平均交通量

1.2 小型車占比高

隨著區(qū)域GDP及人口總量的快速增長，以及產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，大灣區(qū)的主要高速公路通行的車型比例，已逐漸演變?yōu)樾⌒蛙?即一類車)占絕對多數(shù)(表2)。

表2 典型高速公路一類車占比

1.3 高峰小時不明顯

由于灣區(qū)已高度城市化，其全天交通量分布較為均衡，高峰小時系數(shù)小(廣深、莞深、廣珠東線分別為0.068、0.074、0.078)，多數(shù)項目均小于規(guī)范推薦值0.085；特別是在08：00—21：00時段，多數(shù)項目交通量均維持在相對高位，導(dǎo)致?lián)矶掳l(fā)生時，往往持續(xù)時間較長。

1.4 出行里程短

如2019年車輛在廣深高速上的平均出行距離為19.4 km；出行距離小于20 km的車輛占總交通流的2/3；其中東莞段平均出行距離為8.19 km，不到2個立交間距；深圳段平均出行距離為13.8 km，大致為3個立交間距。如圖1所示。

圖1 2019年廣深高速車輛出行距離分析

2019年車輛在廣珠東線上的平均出行距離為26.3 km；出行距離小于30 km的車輛也約占總交通流的2/3。

1.5 互通立交密度大且出入口交通流量大

由于交通量大，且出行里程短，灣區(qū)內(nèi)各典型高速公路互通立交布設(shè)密度大(表3)，且各互通立交出入口的交通流量大；部分高速公路互通立交出入口的擁堵，經(jīng)常引發(fā)主線擁堵，降低路網(wǎng)的服務(wù)水平(圖2、3)。

表3 典型高速公路互通立交間距

圖2 2019年廣深高速出入口交通量

2 影響高速公路互通立交通行能力的主要因素

根據(jù)以上交通流及路網(wǎng)特點分析，灣區(qū)各高速公路的服務(wù)水平，高度依賴互通立交的通行能力，而影響互通立交通行能力的主要因素主要有以下幾個方面。

2.1 匝道本身的通行能力

根據(jù)現(xiàn)行JTG/T D21—2014《公路立體交叉設(shè)計細(xì)則》(以下簡稱《細(xì)則》)，匝道基本路段單車道和雙車道的設(shè)計通行能力如表4所示。

圖3 2019年灣區(qū)相關(guān)高速出入口平均交通量

表4 匝道基本路段的設(shè)計通行能力

2.2 主線和匝道分合流連接部的通行能力

由于灣區(qū)高速公路互通立交密集且交通流量大，主線和匝道連接部的通行能力是對路段服務(wù)水平及互通立交通行能力影響最大的因素；該部分通行能力主要受設(shè)計速度、主線外側(cè)第1、2車道的交通量、匝道交通量、變速車道長度等因素影響。在灣區(qū)的高速公路，由于匝道分合流區(qū)域通行能力不足，導(dǎo)致主線外側(cè)1、2車道擁堵，從而影響路段通行能力的現(xiàn)象時有發(fā)生，這在雙向六車道高速公路上表現(xiàn)尤為明顯，該文將重點分析此部分通行能力。

2.3 主線和匝道連接部存在交織區(qū)時的通行能力

根據(jù)灣區(qū)路網(wǎng)特點，不可避免出現(xiàn)部分互通立交間距較近的情況；根據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)規(guī)定，互通立交最小間距不宜小于4 km，凈距不應(yīng)小于1 000 m；而受限于征地拆遷等客觀建設(shè)條件，部分新建高速公路與已建高速公路間設(shè)置樞紐立交時，難免出現(xiàn)與已建高速公路上服務(wù)型立交凈距小于1 000 m的情況，此時除了按《規(guī)范》要求設(shè)置輔助車道或集散車道外，還應(yīng)驗算兩互通相鄰出入口間交織段的通行能力。

2.4 服務(wù)型互通匝道收費站的通行能力

服務(wù)型立交即與地方道路連接的一般互通立交，在交通運輸部大力推行高速公路ETC收費之前，部分連接主要城鎮(zhèn)的收費站常年擁堵，灣區(qū)多個高速公路的收費站均開展了改擴建。但隨著ETC普及率的逐漸提高，問題得到了極大緩解；2019年底，灣區(qū)多數(shù)城市的ETC安裝率已達(dá)到80%，小客車ETC安裝率更高，而大灣區(qū)高速公路通行的小客車比例多數(shù)已超過80%；以通行小客車的收費車道為例，ETC車道一般情況下平均通行時間不足6 s，而原有的人工收費車道平均通行時間為18～20 s，通行效率提高了3倍多；原有車道數(shù)改造為ETC車道后，大多數(shù)匝道收費站通行能力已不再是瓶頸。

2.5 服務(wù)型互通匝道與地方道路連接處的通行能力

在匝道收費站通行能力大幅提高后，隨之而來的是匝道與地方道路連接處的通行能力不足，特別是部分采用平面交叉形式連接的交叉口；由于地方道路連接形式多樣且各不相同，通行能力也與地方采取的交叉口管理措施相關(guān)，該文暫不討論此部分內(nèi)容。

3 灣區(qū)高速公路互通立交通行能力分析及服務(wù)水平驗算

3.1 匝道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選擇及其設(shè)計通行能力

根據(jù)《規(guī)范》要求，當(dāng)匝道交通量大于等于1 200 pcu/h時，應(yīng)采用雙車道；當(dāng)匝道交通量小于1 200 pcu/h時，可采用單車道或滿足超車需要的雙車道，此時采用單車道出入口。同時廣東省交通運輸廳也在2019年發(fā)文要求灣區(qū)互通立交匝道原則上采用雙車道標(biāo)準(zhǔn)。

各匝道基本路段設(shè)計通行能力可參照該文表4；在立交匝道普遍采用雙車道標(biāo)準(zhǔn)的情況下，匝道自身的通行能力均得到了較大的提升，此時通行能力的瓶頸主要集中在匝道與主線的分合流區(qū)域，特別是采用單車道出入口時。

3.2 主線和匝道分合流連接部的通行能力分析

該文重點分析灣區(qū)最常見的主線雙向六車道且匝道采用單車道出入口的情況。連接部通行能力分析時，《規(guī)范》雖允許采用四級服務(wù)水平，但由于灣區(qū)互通立交間距小密度大，若連接部均采用四級服務(wù)水平則串聯(lián)起全線的服務(wù)水平也將下降為四級，因此連接部應(yīng)與一般高速公路主線路段采用相同的服務(wù)水平，即不低于三級。該文參照美國交通研究委員會《道路通行能力手冊》(以下簡稱《手冊》)中提供的相關(guān)公式，對連接部通行能力及服務(wù)水平進行計算。

3.2.1 匝道合流的服務(wù)水平計算

以設(shè)計速度120 km/h的雙向六車道高速公路單車道入口為例，驗算不同匝道合流交通量下合流連接部的交通流密度；假設(shè)該連接部合流后下游主線交通已達(dá)到三級服務(wù)水平的下限，參考《規(guī)范》為每車道1 650 pcu/h，即單向總交通量為4 950 pcu/h(若超過此數(shù)值則主線本身服務(wù)水平不能滿足要求)；加速車道長度采用《規(guī)范》值LA=230 m。

根據(jù)《手冊》，首先應(yīng)確定合流區(qū)上游主線外側(cè)第1、第2車道的交通量(V12)，再計算合流區(qū)的車流密度DR：

V12=VF×PFM

(1)

式中：VF為合流區(qū)上游交通量(pcu/h)。

六車道高速公路：

PFM=0.577 5+0.000 092LA

(2)

式中：PFM為交通量比例。

DR=3.402+0.004 56VR+0.004 8V12-0.012 78LA

(3)

式中：VR為匝道交通量。

根據(jù)《規(guī)范》及《手冊》中的相關(guān)規(guī)定，互通立交連接部的車流密度不大于17 pcu/(km·車道)時，可滿足三級服務(wù)水平要求。此時計算結(jié)果如表5所示。

表5 六車道合流區(qū)車流密度驗算結(jié)果(LA=230 m，合流后交通量4 950 pcu/h)

根據(jù)表5，在主線及單車道匝道交通量均較為飽和時，連接部的服務(wù)水平也接近三級服務(wù)水平下限17 pcu/(km·車道)。同時由式(3)可知，在交通流不變的前提下，影響車流密度的主要控制因素是加速車道長度；而一般情況下匝道駕駛員均傾向于提早匯入主線，未能充分利用加速車道，此時將影響合流區(qū)的通行(表6)。

表6 六車道合流區(qū)車流密度驗算結(jié)果(LA=160 m，合流后交通量4 950 pcu/h)

由表6可知，若匝道交通流均提早至加速車道前160 m匯入主線，則服務(wù)水平不能滿足三級要求。因此在合流連接部，應(yīng)采取相關(guān)措施，提醒駕駛員充分利用加速車道，合理匯入。

同時若對連接部匝道采用雙車道入口，則其通行能力將大幅提升，參照《手冊》，PFM可取0.555，加速車道長度采用《規(guī)范》值400 m，計算結(jié)果如表7所示。

表7 六車道合流區(qū)車流密度驗算結(jié)果(LA=400 m，合流后交通量4 950 pcu/h)

此時即使合流區(qū)匝道交通量達(dá)到雙車道的飽和狀態(tài)，也能滿足三級服務(wù)水平要求。

3.2.2 匝道分流的服務(wù)水平計算

同樣以設(shè)計速度為120 km/h的雙向六車道高速公路單車道出口為例，驗算不同匝道分流交通量下連接部的交通流密度；假設(shè)該連接部分流前上游主線交通量已達(dá)到三級服務(wù)水平的下限，即單向VF=4 950 pcu/h；減速車道長度采用《規(guī)范》值LD=145 m。此時：

V12=VR+(VF-VR)×PFD

(4)

式中：V12、VF與VR的含義同前文；PFD為交通量比例。

六車道高速公路：

PFD=0.760-0.000 025VF-0.000 046VR

(5)

DR=2.642+0.005 3V12-0.018 3LD

(6)

得到六車道分流區(qū)車流密度驗算結(jié)果見表8。

表8 六車道分流區(qū)車流密度驗算結(jié)果(LD=145 m，分流前交通量4 950 pcu/h)

由表8可知：除非分流交通量下降至400 pcu/h(實際較難實現(xiàn))，否則分流區(qū)已不能滿足三級服務(wù)水平要求；同時由于一般駕駛員均傾向于較遲駛?cè)霚p速車道，實際減速長度較短，因此實際車流密度還將增大。以上結(jié)果解釋了為何部分高速公路一般路段不擁堵、而出口擁堵的原因；對于灣區(qū)高速公路互通密度大、且車流高峰持續(xù)時間長的情況，擁堵還將加劇。

而當(dāng)分流區(qū)上游主線交通量下降為單向4 600 pcu/h時，方可滿足三級服務(wù)水平要求(表9)。

表9 六車道分流區(qū)車流密度驗算結(jié)果(LD=145 m，分流前交通量4 600 pcu/h)

若對連接部采用雙車道出口，即使主線單向交通量達(dá)4 950 pcu/h，分流區(qū)通行能力也將大幅提升；參照《手冊》，PFD取0.450，LD取《規(guī)范》值225 m，計算結(jié)果如表10所示。

表10 六車道分流區(qū)車流密度驗算結(jié)果(LD=225 m，分流前交通量4 950 pcu/h)

在雙車道分流交通量不超過2 300 pcu/h時，分流區(qū)能滿足三級服務(wù)水平要求。

3.2.3 分合流連接部通行能力及服務(wù)水平改進措施

根據(jù)以上分析，改善灣區(qū)互通立交分合流連接部通行能力及服務(wù)水平的措施有：① 通過主線改擴建，增加主線車道數(shù)，降低主線交通流飽和度，從而減少分布在主線外側(cè)第1、2車道的交通量，降低連接部車流密度，提高服務(wù)水平；② 部分項目在全線改擴建時機尚未成熟，而局部路段交通流飽和度大、部分互通立交出入口擁堵嚴(yán)重時，可通過將互通立交改建為雙車道出入口，從而提高通行能力；③ 在受征地拆遷等客觀建設(shè)條件影響，出入口的雙車道改建也難以實施時，則只能通過延長加減速車道長度，并設(shè)置相關(guān)設(shè)施，引導(dǎo)分合流車輛更加均勻分布，提高服務(wù)水平。

3.3 交織區(qū)的通行能力分析

當(dāng)互通立交入口匝道后方緊跟出口匝道時，就構(gòu)成了交織區(qū)。影響高速公路交織區(qū)通行能力的主要因素有：交織區(qū)長度、交織區(qū)寬度(即車道數(shù))、交織區(qū)總交通量、參與交織的交通量及其與總交通量的比值、交織區(qū)主線設(shè)計速度等。

當(dāng)交織區(qū)的最大長度超過750 m時，一般認(rèn)為交織將不再是路段通行能力的控制因素，而是該文3.2節(jié)中分析的匝道分、合流連接部的通行能力。因此互通立交設(shè)計階段，當(dāng)互通立交凈距小于1 000 m、交織難以避免時，一般盡量控制交織區(qū)長度大于750 m。

同時為提高交織區(qū)通行能力，可采取的主要措施有：增長交織區(qū)長度、增加交織區(qū)寬度、提高路段設(shè)計速度等。由于灣區(qū)各高速公路存在交織長度小于750 m的交織區(qū)相對較少，且各交織區(qū)的長度、寬度、設(shè)計速度、交通量等各不相同，因此該文不再贅述。

4 結(jié)語

對于一般高速公路項目，由于其交通流飽和度相對較低、高峰時間短，互通立交通行能力不足引起的問題不甚突出；而粵港澳大灣區(qū)的交通流及路網(wǎng)特點，卻使互通立交的通行能力容易成為部分項目的瓶頸，因此對其進行全面系統(tǒng)分析十分必要。該文提出的相關(guān)思路及方法，可供下階段相關(guān)問題分析時參考。