機(jī)非混行公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)警告區(qū)長(zhǎng)度研究

宋學(xué)文，臧小雙，董 云，朱鵬宇，程永振

(1．宿遷市交通運(yùn)輸局，江蘇 宿遷 223999；2．江蘇宿遷交通工程建設(shè)有限公司，江蘇 宿遷 223899；3．淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

截止2020年底，我國(guó)公路通車總里程接近519.81萬(wàn)km[1]。隨之而來(lái)的是公路大中修養(yǎng)護(hù)的日益繁重。公路養(yǎng)護(hù)需封閉部分車道施工，勢(shì)必造成養(yǎng)護(hù)控制區(qū)車速降低、車輛排隊(duì)甚至擁堵，具有較大的安全隱患[2-4]。為保證養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)車輛、人員和財(cái)產(chǎn)的安全，需設(shè)置交通管控區(qū)域，分為警告、上游過(guò)渡、緩沖、工作、下游過(guò)渡和終止等區(qū)域，并在警告區(qū)內(nèi)采取限速控制[5]。為保證行車狀態(tài)的平穩(wěn)過(guò)渡，警告區(qū)應(yīng)具有一定的長(zhǎng)度。警告區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置須考慮正常車速降至最終限速行駛的距離、車輛至排隊(duì)尾部所需最小安全距離及排隊(duì)長(zhǎng)度[6-7]。彭余華等[8]利用Vissim模擬了養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)的交通運(yùn)行，得出了不同交通量和大車率情況下工作區(qū)長(zhǎng)度閾值和路段服務(wù)水平的對(duì)應(yīng)關(guān)系。張立華和張寶成[9]采用作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度優(yōu)化理論，提出了不同交通量下養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)的最佳長(zhǎng)度。李道福等[10]基于車輛換道過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)，建議以車輛不刻意減速情況下進(jìn)行換道所需要的總長(zhǎng)度作為警告區(qū)長(zhǎng)度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度開(kāi)展了大量的研究，且規(guī)范對(duì)各區(qū)段的長(zhǎng)度做了一般性的規(guī)定，但是鮮有考慮養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)機(jī)非混行環(huán)境。本文采用微觀交通仿真軟件Vissim建立養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)仿真模型，重點(diǎn)研究機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車交通量和設(shè)計(jì)車速對(duì)排隊(duì)長(zhǎng)度的影響，提出不同設(shè)計(jì)速度公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)警告區(qū)的最小長(zhǎng)度。

1 警告區(qū)長(zhǎng)度理論分析

《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30—2015)[6]和《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線第4部分：作業(yè)區(qū)》(GB 5768.4—2017)[7]均規(guī)定了警告區(qū)的最小長(zhǎng)度，其理論計(jì)算公式為：

S=S1+S2+S3

(1)

式中：S為警告區(qū)最小長(zhǎng)度，m；S1為正常車速降至最終限速行駛的距離，m；S2為車輛至排隊(duì)尾部所需最小安全距離，m；S3為封閉車道引起的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，m。

S1可以用下式計(jì)算：

(2)

式中：vxq為限速前車輛行駛速度，km/h；vxh為限速后車輛行駛速度，km/h。

S2為車輛以vxh行駛時(shí)，不與前面排隊(duì)車輛發(fā)生碰撞的最小安全距離，以下式計(jì)算：

(3)

式中：t為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，常取2.5 s；φ為道路縱向摩阻系數(shù)，取值范圍為0.29～0.44；i為道路縱坡，下坡取“-”，上坡取“+”；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

在進(jìn)行橋梁施工設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須要保證混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，并且滿足張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，其中在張拉過(guò)程中要控制好千斤頂加卸力的速度，對(duì)持荷時(shí)間實(shí)施有效的控制[2]。另外，張拉結(jié)束后，預(yù)應(yīng)力依然增加，這就需要施工人員對(duì)此進(jìn)行仔細(xì)的觀察，避免對(duì)混凝土過(guò)快切割，同時(shí)仍然要控制張拉力，以此改進(jìn)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉工藝。

S3為車道減少引起的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，主要受交通量的影響。規(guī)范規(guī)定警告區(qū)最小長(zhǎng)度時(shí)考慮了交通量的影響，但未考慮機(jī)非混行。S1和S2分布于警告區(qū)的前段，此時(shí)，非機(jī)動(dòng)車行駛于路肩上，對(duì)其影響甚微。而當(dāng)非機(jī)動(dòng)車行駛至警告區(qū)末端與機(jī)動(dòng)車合流后，將對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度產(chǎn)生顯著影響。因此，機(jī)非混行環(huán)境下S3將成為計(jì)算警告區(qū)最小長(zhǎng)度的關(guān)鍵指標(biāo)。而規(guī)范中并未明確S3的計(jì)算方法或取值依據(jù)，利用Vissim建立公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)的仿真模型，研究機(jī)非混行環(huán)境下的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，探討警告區(qū)最小長(zhǎng)度取值。

2 警告區(qū)排隊(duì)長(zhǎng)度仿真

2.1 作業(yè)區(qū)仿真模型構(gòu)建

選用微觀交通分析軟件Vissim模擬不同封道模式下養(yǎng)護(hù)作業(yè)控制區(qū)的交通運(yùn)行。首先標(biāo)定軟件描述交通流特性和駕駛行為特征的參數(shù)[11]。某些參數(shù)如車輛幾何尺寸及加減速性能，國(guó)內(nèi)外差異甚微，可不做標(biāo)定。以S324宿遷段大中修工程為依托，采用手持式測(cè)速儀，采集不同類別車輛經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)時(shí)的行駛速度，統(tǒng)計(jì)車速累積頻率分布，標(biāo)定期望車速。選用Wiedemann 74跟車模型，利用孫劍等人的研究成果[12]，標(biāo)定跟馳行為和車道變換參數(shù)。

建立雙向四車道半幅路面的仿真模型。機(jī)動(dòng)車道寬度取3.5 m，非機(jī)動(dòng)車道寬度取2.5 m。參考《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30—2015)的規(guī)定，上游過(guò)渡區(qū)和緩沖區(qū)長(zhǎng)度分別取200 m和150 m。交通量較大時(shí)，車輛排隊(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為此本次模擬中警告區(qū)長(zhǎng)度取4000 m。此外，模擬時(shí)不考慮車輛不按規(guī)定車道行駛及路肩停車等不安全駕駛行為。

2.2 警告區(qū)限速方案

國(guó)家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)的限速值，具體見(jiàn)表1?！豆佛B(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30—2015)規(guī)定的警告區(qū)限速值略微保守。但是公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)限速值不是越小越好，交通量足夠大時(shí)，過(guò)小的最終限速值將導(dǎo)致上游過(guò)渡區(qū)及上游路段出現(xiàn)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度增加，發(fā)生交通擁堵。此時(shí)，車輛以明顯低于最終限速值的車速行駛，車頭間距小而易發(fā)生沖突?！兜缆方煌?biāo)志和標(biāo)線第4部分：作業(yè)區(qū)》(GB 5768.4—2017)規(guī)定限速差不應(yīng)大于20 km/h，推薦每200 m降低20 km/h。而《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30—2015)則規(guī)定逐級(jí)限速應(yīng)按每100 m降低10 km/h設(shè)置。

表1 養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)最終限速值 km·h-1

綜合考慮以上兩種規(guī)范對(duì)養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)限速控制的規(guī)定，本次研究采用的最終限速值和限速方案見(jiàn)表2。限速差按每100 m降低10 km/h設(shè)置。

表2 養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)限速控制方案 km·h-1

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30—2015)指出在交通流量較小時(shí)，車速較快，排隊(duì)長(zhǎng)度應(yīng)著重考慮最大排隊(duì)長(zhǎng)度；在交通流量較大時(shí)，車流發(fā)生擁堵而車速較慢，可著重考慮平均排隊(duì)長(zhǎng)度。因此，本次研究選取警告區(qū)末端車輛的最大排隊(duì)長(zhǎng)度和平均排隊(duì)長(zhǎng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 不同封道模式警告區(qū)長(zhǎng)度

3.1 封閉內(nèi)側(cè)車道模式

圖1 封閉內(nèi)側(cè)車道平均排隊(duì)長(zhǎng)度隨交通量的變化規(guī)律

圖2 封閉內(nèi)側(cè)車道最大排隊(duì)長(zhǎng)度隨交通量的變化規(guī)律

交通量較小時(shí)，設(shè)計(jì)速度對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度的影響不顯著，隨著交通量的增加，車輛排隊(duì)長(zhǎng)度受設(shè)計(jì)速度的影響略有增加。當(dāng)設(shè)計(jì)速度為100 km/h、80 km/h和60 km/h時(shí)，相同交通量下車輛排隊(duì)長(zhǎng)度變化不大，而當(dāng)設(shè)計(jì)速度降到40 km/h時(shí)，車輛排隊(duì)長(zhǎng)度則有顯著上升。

隨著交通量的增加，平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度均快速增加。當(dāng)交通量為1600 pcu/h/ln時(shí)，即使設(shè)計(jì)速度取40 km/h，最大排隊(duì)長(zhǎng)隊(duì)僅有139 m，而當(dāng)交通量增加到1800 pcu/h/ln時(shí)，設(shè)計(jì)速度為100 km/h時(shí)最大排隊(duì)長(zhǎng)隊(duì)亦超過(guò)700 m。因此，當(dāng)交通量≤1600 pcu/h/ln時(shí)，以最大排隊(duì)長(zhǎng)度確定S3，而當(dāng)交通量>1600 pcu/h/ln時(shí)，則以平均排隊(duì)長(zhǎng)度確定S3。封閉內(nèi)側(cè)車道，不同設(shè)計(jì)速度公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)警告區(qū)長(zhǎng)度取值(取整)見(jiàn)表3。

表3 封閉內(nèi)側(cè)車道警告區(qū)長(zhǎng)度取值

3.2 封閉外側(cè)車道模式

封閉外側(cè)車道養(yǎng)護(hù)施工時(shí)，由于路肩和外側(cè)車道封閉，非機(jī)動(dòng)車將進(jìn)入內(nèi)側(cè)車道與機(jī)動(dòng)車混行，模擬時(shí)需考慮非機(jī)動(dòng)車交通量對(duì)排隊(duì)長(zhǎng)度的影響。

設(shè)計(jì)速度100 km/h公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)控制區(qū)，封閉外側(cè)車道模式下交通量對(duì)平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度的影響見(jiàn)圖3和圖4。同一非機(jī)動(dòng)車流量下，平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度均隨著交通量的增加而快速上升。由于機(jī)非混行時(shí)，非機(jī)動(dòng)車在車道右側(cè)行駛，車道寬度較大時(shí)，非機(jī)動(dòng)車對(duì)機(jī)動(dòng)車正常行駛的干擾較小。因此，平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度受非機(jī)動(dòng)車流量的影響不顯著，隨著非機(jī)動(dòng)車流量的增加，排隊(duì)長(zhǎng)度略有上升。當(dāng)交通量為1600 pcu/h/ln時(shí)，非機(jī)動(dòng)車流量為800 pcu/h/ln時(shí)的最大排隊(duì)長(zhǎng)隊(duì)僅有26 m，而當(dāng)交通量增加到1800 pcu/h/ln時(shí)，非機(jī)動(dòng)車流量?jī)H為200 pcu/h/ln時(shí)的最大排隊(duì)長(zhǎng)隊(duì)也可達(dá)到628 m。因此，取交通量1600 pcu/h/ln為平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度的分界點(diǎn)。

圖3 設(shè)計(jì)速度100 km/h公路養(yǎng)護(hù)區(qū) 封閉外側(cè)車道平均排隊(duì)長(zhǎng)度

圖4 設(shè)計(jì)速度100 km/h公路養(yǎng)護(hù)區(qū) 封閉外側(cè)車道最大排隊(duì)長(zhǎng)度

設(shè)計(jì)速度80 km/h公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)控制區(qū)，封閉外側(cè)車道模式下交通量對(duì)平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度的影響見(jiàn)圖5和圖6。排隊(duì)長(zhǎng)隊(duì)隨著交通量的增加而快速上升，而受非機(jī)動(dòng)車流量的影響并不顯著。當(dāng)交通量為1600 pcu/h/ln時(shí)，非機(jī)動(dòng)車流量為800 pcu/h/ln時(shí)的最大排隊(duì)長(zhǎng)隊(duì)為93 m，而當(dāng)交通量增加到1800 pcu/h/ln時(shí)，非機(jī)動(dòng)車流量?jī)H為200 pcu/h/ln時(shí)的最大排隊(duì)長(zhǎng)隊(duì)接近800 m。因此，平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度的分界點(diǎn)宜取1600 pcu/h/ln。

圖5 設(shè)計(jì)速度80 km/h公路養(yǎng)護(hù)區(qū) 封閉外側(cè)車道平均排隊(duì)長(zhǎng)度

圖6 設(shè)計(jì)速度80 km/h公路養(yǎng)護(hù)區(qū) 封閉外側(cè)車道最大排隊(duì)長(zhǎng)度

設(shè)計(jì)速度60 km/h公路養(yǎng)護(hù)控制區(qū)，封閉外側(cè)車道模式下交通量對(duì)平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度影響見(jiàn)圖7和圖8。排隊(duì)長(zhǎng)度隨著非機(jī)動(dòng)車流量增加而略有上升。交通量從1600 pcu/h/ln增加1800 pcu/h/ln，最大排隊(duì)長(zhǎng)度增加接近1000 m。

圖7 設(shè)計(jì)速度60 km/h公路養(yǎng)護(hù)區(qū) 封閉外側(cè)車道平均排隊(duì)長(zhǎng)度

圖8 設(shè)計(jì)速度60 km/h公路養(yǎng)護(hù)區(qū) 封閉外側(cè)車道最大排隊(duì)長(zhǎng)度

設(shè)計(jì)速度40 km/h公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)控制區(qū)，封閉外側(cè)車道模式下交通量對(duì)平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度的影響見(jiàn)圖9和圖10。相同交通量下，設(shè)計(jì)速度較低時(shí)，上游過(guò)渡區(qū)及上游路段更易發(fā)生擁堵，因此，平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度均有所上升?；诎踩紤]，仍取1600 pcu/h/ln為平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度的分界點(diǎn)。

圖9 設(shè)計(jì)速度40 km/h公路養(yǎng)護(hù)區(qū) 封閉外側(cè)車道平均排隊(duì)長(zhǎng)度

圖10 設(shè)計(jì)速度40 km/h公路養(yǎng)護(hù)區(qū) 封閉外側(cè)車道最大排隊(duì)長(zhǎng)度

綜上所述，以1600 pcu/h/ln為平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度的分界點(diǎn)，不同設(shè)計(jì)速度公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)控制區(qū)S3和警告區(qū)長(zhǎng)度取值(取整)見(jiàn)表4。隨著設(shè)計(jì)速度的減小，S1和S2的計(jì)算值逐漸減小，而S3取值則逐漸增大。這是因?yàn)橄嗤煌肯?，車速越低，上游過(guò)渡區(qū)擁堵越嚴(yán)重，警告區(qū)末端的排隊(duì)長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

表4 封閉外側(cè)車道警告區(qū)長(zhǎng)度取值

4 結(jié)論

(1)封閉內(nèi)側(cè)車道模式下，警告區(qū)末端車輛排隊(duì)長(zhǎng)度隨著交通量的增加而快速上升，而設(shè)計(jì)速度對(duì)排隊(duì)長(zhǎng)度的影響不顯著。

(2)封閉外側(cè)車道模式下，警告區(qū)末端排隊(duì)長(zhǎng)度主要受交通量的影響，非機(jī)動(dòng)車流量對(duì)排隊(duì)長(zhǎng)度的影響甚微。

(3)平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度的分界點(diǎn)宜取1600 pcu/h/ln，以確定不同設(shè)計(jì)速度公路機(jī)非混行環(huán)境警告區(qū)的最小長(zhǎng)度。