互通區(qū)主輔分離式高速公路輔道設(shè)計(jì)速度研究

熊文磊， 劉 敏， 馬天奕

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 武漢 430056； 2.廣東省高速公路有限公司， 廣州 510100)

伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，道路交通量逐年劇增，特別是城市群中某些特定區(qū)域更甚，高速公路在承擔(dān)區(qū)域交通的基礎(chǔ)上需兼顧沿線(xiàn)城市短途交通功能，隨著城市內(nèi)區(qū)域路網(wǎng)的完善，短途交通量比例不斷增加，現(xiàn)有高速公路的通行能力已不能滿(mǎn)足區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求，改擴(kuò)建工程中除增加車(chē)道數(shù)外仍需增設(shè)互通樞紐節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而形成互通密集的高速公路段落。為減少車(chē)輛的交織程度，改善車(chē)輛運(yùn)行條件，改擴(kuò)建方案中將根據(jù)實(shí)際情況對(duì)部分路段采用主輔分離式的橫斷面布置形式，主線(xiàn)供長(zhǎng)途車(chē)輛行駛，輔道主要承擔(dān)與各路段互通的交織轉(zhuǎn)換和集散功能。

針對(duì)互通密集區(qū)高速公路主輔分離式情況，現(xiàn)行《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20—2017)未對(duì)高速公路輔道進(jìn)行特別說(shuō)明，其設(shè)計(jì)速度按照一般高速公路的規(guī)定進(jìn)行，即不宜低于100 km/h，受地形、地質(zhì)等條件限制時(shí)，可選用80 km/h。由于交通量大增，導(dǎo)致車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度相差過(guò)大，造成資源浪費(fèi)和行車(chē)不協(xié)調(diào)，進(jìn)而引發(fā)其他交通問(wèn)題。為此，筆者認(rèn)為對(duì)與原道路相似的輔道，除了從線(xiàn)形指標(biāo)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)速度的選取外，還需從交通條件和道路條件等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)速度的選取研究[1-4]。

1 運(yùn)行速度影響因素分析

從交通角度，評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)速度是否合理，主要考慮設(shè)計(jì)速度與運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性方面，因此需對(duì)影響運(yùn)行速度的因素進(jìn)行研究[5]。

1.1 主要影響因素

1) 輔道交通條件和道路條件的影響

交通條件包括各出入口交通量、客貨比。道路條件包括車(chē)道數(shù)、互通數(shù)及間距。交通量決定車(chē)道數(shù)，而車(chē)道數(shù)、各出入口流量和互通間距則影響車(chē)道的交織程度，交織程度和不同的客貨比則直接影響車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行速度。

2) 主輔路及匝道三者之間的相互影響

主線(xiàn)、輔道和匝道之間設(shè)計(jì)速度轉(zhuǎn)換的流暢性和協(xié)調(diào)性影響轉(zhuǎn)換車(chē)輛的行車(chē)安全及流暢，同時(shí)車(chē)輛在三者間的轉(zhuǎn)換流量和實(shí)際運(yùn)行速度的差異也會(huì)影響各自道路對(duì)轉(zhuǎn)換車(chē)輛的消解能力，進(jìn)而影響各自車(chē)道上的運(yùn)行[6-7]。

3) 駕駛員變道行為及心理狀態(tài)的影響

變道行為有自由變道、超車(chē)變道、爭(zhēng)搶變道和強(qiáng)行變道，其中爭(zhēng)搶變道和強(qiáng)行變道這2種變道行為對(duì)駕駛員心理和車(chē)輛運(yùn)行影響較大[8]。而在交織程度大幅提升的輔道上，這2種變道行為比例明顯提高。因此，需要考慮駕駛員這2種變道行為的心理狀況。

1.2 次要影響因素

設(shè)計(jì)速度是確定線(xiàn)形指標(biāo)的重要基礎(chǔ)，高速公路運(yùn)行速度與線(xiàn)形指標(biāo)存在相關(guān)性，但線(xiàn)形指標(biāo)還與地形條件、工程造價(jià)等因素有關(guān)，同時(shí)考慮到本次研究主要從交通需求的角度對(duì)設(shè)計(jì)速度進(jìn)行分析，因此研究中把線(xiàn)形指標(biāo)作為次要因素，以盡量減少線(xiàn)形指標(biāo)的影響[9]。

2 仿真建模

以廣深高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目深圳段為例，對(duì)主輔分離的輔道設(shè)計(jì)速度進(jìn)行研究。結(jié)合上述影響運(yùn)行速度的前2個(gè)主要因素，確定仿真模擬需要的數(shù)據(jù)類(lèi)型。為使仿真結(jié)果能為深圳段輔道設(shè)計(jì)速度選取提供參考依據(jù)，需對(duì)深圳段路段交通參數(shù)進(jìn)行分析。

2.1 仿真對(duì)象特征分析

1) 環(huán)境

深圳段全長(zhǎng)41 km，現(xiàn)有互通8處，改擴(kuò)建方案建議新增4處互通，6處簡(jiǎn)易出入口，導(dǎo)致該段互通間距小于規(guī)范規(guī)定的最小合理間距4 km。改建后的互通如圖1所示。

圖1 廣深高速公路深圳段互通布設(shè)示意

2) 道路斷面形式

參照廣深高速2050年預(yù)測(cè)交通量，改擴(kuò)建方案建議深圳段設(shè)置為雙向10車(chē)道，如圖2所示。針對(duì)雙10主輔分離方案下主線(xiàn)和輔道車(chē)道數(shù)的2種分配方式，即“主線(xiàn)3+輔道2”和“主線(xiàn)2+輔道3”，需根據(jù)交通需求從車(chē)輛出行距離分布的角度進(jìn)行討論，確定合理的車(chē)道數(shù)分配方案，為下述輔道設(shè)計(jì)速度研究中的簡(jiǎn)化路段仿真模擬確定合理的主輔車(chē)道數(shù)分配方案。

圖2 5車(chē)道主輔分離示意

3) 主輔連接方案

主線(xiàn)供長(zhǎng)途車(chē)輛直行，輔道承擔(dān)交織轉(zhuǎn)換和集散的功能，考慮到互通的密集程度，為減少車(chē)輛的轉(zhuǎn)換與交織，把主輔道與互通的連接每3個(gè)劃分為1組[10]，如圖3所示，從主線(xiàn)到輔道后至少經(jīng)過(guò)3個(gè)互通后才能再到主線(xiàn)上。

圖3 主-輔-匝連接示意

4) 對(duì)象

由于新建互通在何處設(shè)置分離的斷面形式還未明確，加上各新建互通的具體交通流難以預(yù)測(cè)，因此無(wú)法對(duì)具體方案進(jìn)行詳細(xì)仿真，為確保仿真對(duì)實(shí)際情況具有切實(shí)的參考價(jià)值，需要以原有互通為基礎(chǔ)，通過(guò)提取各路段的相似性來(lái)替代選取典型路段，建立簡(jiǎn)化的路段模型[11-13]，為輔道設(shè)計(jì)速度選取提供參考。

2.2 仿真輸入?yún)?shù)分析

1) 互通間距

從東莞長(zhǎng)安互通到廣深高速末端福田互通，深圳段原有設(shè)計(jì)共包括8個(gè)互通，樁號(hào)從K72+000到K113+000，總長(zhǎng)41 km。改擴(kuò)建后計(jì)劃新增互通4個(gè)，新增簡(jiǎn)易出入口6個(gè)，平均互通間距為3.4 km。考慮到新增節(jié)點(diǎn)，各互通分布較為均勻，因此選擇3.4 km作為各互通的模擬間距。

2) 互通形式

根據(jù)深圳段初步的互通改擴(kuò)建方案及原有互通形式可知，互通形式分別為8個(gè)菱形，1個(gè)復(fù)合式，3個(gè)單喇叭式，菱形互通占比較多。

簡(jiǎn)易出入口的布置形式為雙向?qū)ΨQ(chēng)布置，單向?yàn)橹边B式，由于單向簡(jiǎn)易出入口的間距較短，大多數(shù)為一出一進(jìn)的形式[14]，與菱形互通相似，仿真時(shí)可視為菱形形式的互通。綜上所述，仿真模擬的互通形式選擇占比較多的菱形互通形式。

3) 相鄰互通間的單向交通量

根據(jù)深圳段各互通間的年預(yù)測(cè)交通量，取深圳段處2050年預(yù)測(cè)交通量最小值112 729 pcu/d ，換算成設(shè)計(jì)小時(shí)交通量為4 103 pcu/h。

4) 主輔車(chē)道交通量分布

從圖1和圖3可知，車(chē)輛在輔道大致行駛4個(gè)互通距離即10 km～15 km，把行駛距離在15 km以下的車(chē)輛定義為短途交織車(chē)輛[15]，行駛距離大于15 km的車(chē)輛定義為長(zhǎng)途出行車(chē)輛。對(duì)深圳段各互通匝道口駛?cè)胲?chē)輛的出行距離按照長(zhǎng)、短途進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。分析圖4可知，深圳段多數(shù)互通匝道口駛?cè)氲亩掏窘豢椳?chē)輛平均在60%左右，結(jié)合上述交通量設(shè)定，計(jì)算輔道有2 461 pcu/h的交通量從各互通匝道口駛?cè)牒螅谳o道上行駛15 km以?xún)?nèi)的距離，便從匝道口駛出，其余1 642 pcu/h的車(chē)輛則從輔道上到主線(xiàn)，行駛超過(guò)15 km后再?gòu)闹骶€(xiàn)下到輔道，最后駛出高速。

圖4 各互通入口不同出行距離車(chē)輛比例

5) 匝道轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出交通量

考慮新建互通及簡(jiǎn)易出入口的目的是平衡交通量，因此將輔道交通量平均分配到3個(gè)匝道出口，即每個(gè)出口820 pcu/h，入口與出口交通量一致。

6) 車(chē)道數(shù)分配

初擬的車(chē)道數(shù)分配方案中包括“主線(xiàn)3+輔道2”和“主線(xiàn)2+輔道3”2種車(chē)道分配方式。由上述交通量分析可知，主線(xiàn)交通量和輔道交通量之比基本為2∶3，因此，從需求角度考慮，推薦車(chē)道數(shù)分配形式為“主線(xiàn)2+輔道3”。

7) 客貨比及行車(chē)組織

根據(jù)廣深高速2050年的車(chē)型預(yù)測(cè)結(jié)果，深圳段小汽車(chē)基本在80%～90% ，大客車(chē)2%～3%，大貨車(chē)則在6%～18%。不實(shí)行客貨分離的形式，因此取小汽車(chē)比例為85%，大客車(chē)為3%，貨車(chē)為12%。

2.3 仿真模型建立

結(jié)合上述對(duì)深圳段交通特性分析，獲得仿真建模的形式和所需的輸入數(shù)據(jù)。分別對(duì)“主線(xiàn)3+輔道2”和“主線(xiàn)2+輔道3”的主輔分離式車(chē)道分配方案進(jìn)行交通仿真建模，仿真模型設(shè)定道路轉(zhuǎn)換段設(shè)計(jì)速度100 km/h，車(chē)道寬度為3.75 m，交通量為4 103 pcu/h，其他參數(shù)如表1所示。

表1 仿真輸入數(shù)據(jù)

2.4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述仿真過(guò)程，最終得到仿真輸出數(shù)據(jù)，如表2所示。

由交通量分析及表2仿真結(jié)果可知， “主線(xiàn)3+輔道2”車(chē)道分配方案不適用于廣深高速公路深圳段未來(lái)交通狀況，主要原因是主、輔車(chē)道數(shù)與實(shí)際承擔(dān)交通量比例失衡，導(dǎo)致道路轉(zhuǎn)換段行車(chē)交織嚴(yán)重，并造成交通擁堵，通過(guò)該瓶頸路段后，車(chē)輛正常行駛，該方案無(wú)法發(fā)揮高速公路的高效通行能力，不具備進(jìn)一步分析價(jià)值。后續(xù)僅對(duì)“主線(xiàn)2+輔道3”車(chē)道分配方案仿真輸出結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

1) 平均運(yùn)行速度對(duì)比

“主線(xiàn)2+輔道3”仿真分析中，平均運(yùn)行速度對(duì)比結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，各數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的平均運(yùn)行速度顯示，設(shè)計(jì)速度100 km/h僅略大于80 km/h設(shè)計(jì)速度。從運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度的協(xié)調(diào)性來(lái)看，雖然在100 km/h的設(shè)計(jì)速度下，除了輔道下匝道的分流點(diǎn)處，其他檢測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度相差基本在20 km/h內(nèi)，但與80 km/h的設(shè)計(jì)速度下的協(xié)調(diào)性相比則相對(duì)較差。另外，二者在主線(xiàn)下輔道處和輔道下匝道處的平均運(yùn)行速度基本相近，說(shuō)明在轉(zhuǎn)換段設(shè)計(jì)速度為100 km/h、匝道設(shè)計(jì)速度為40 km/h時(shí)，輔道設(shè)計(jì)速度分別為100 km/h和80 km/h對(duì)主線(xiàn)和匝道的影響相似，因此輔道采用100 km/h的設(shè)計(jì)速度不合理。

表2 仿真輸出數(shù)據(jù)

圖5 平均運(yùn)行速度對(duì)比

2) 排隊(duì)時(shí)間對(duì)比

仿真結(jié)果中，排隊(duì)時(shí)間對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，各檢測(cè)點(diǎn)處，設(shè)計(jì)速度為100 km/h的排隊(duì)時(shí)間較80 km/h長(zhǎng)，結(jié)合圖5分析原因認(rèn)為，由于100 km/h設(shè)計(jì)速度下車(chē)輛的運(yùn)行速度較快，但是在輔道與匝道的連接處，車(chē)輛的運(yùn)行速度與80 km/h設(shè)計(jì)速度下的運(yùn)行速度基本一致，加上相鄰互通凈距較短，導(dǎo)致在100 km/h設(shè)計(jì)速度下，前方下匝道的車(chē)輛還沒(méi)來(lái)得及駛出，后方下匝道的車(chē)輛就已經(jīng)駛?cè)耄罱K導(dǎo)致車(chē)輛排隊(duì)。因此，從主輔匝之間的連接轉(zhuǎn)換和行車(chē)流暢性分析，80 km/h的設(shè)計(jì)速度較好。

圖6 排隊(duì)時(shí)間對(duì)比

3) 沖突數(shù)對(duì)比

仿真分析2種設(shè)計(jì)速度下的沖突情況，如圖7所示。由圖7可知，換道沖突相似，但100 km/h下發(fā)生追尾的沖突數(shù)比80 km/h下的追尾沖突數(shù)多84起。結(jié)合圖5、圖6分析追尾原因，在高速及密集間距互通環(huán)境下，部分車(chē)輛在進(jìn)行強(qiáng)行變道時(shí)，容易造成后方車(chē)輛突然減速，從而導(dǎo)致后方車(chē)輛追尾，并可能引發(fā)二次事故。因此，輔道上不宜采用100 km/h的設(shè)計(jì)速度。

圖7 不同設(shè)計(jì)速度沖突數(shù)對(duì)比

4) 服務(wù)水平對(duì)比

根據(jù)《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20—2017)對(duì)高速公路服務(wù)水平等級(jí)劃分原則可知，80 km/h和100 km/h設(shè)計(jì)速度下的服務(wù)水平如表3所示。當(dāng)輔道交通量取深圳段各互通2050年預(yù)測(cè)交通量的最小值時(shí)，在100 km/h和80 km/h的設(shè)計(jì)速度下，兩者的輔道服務(wù)水平均為二級(jí)，其中由兩者每 km車(chē)道上的車(chē)輛密度可知，100 km/h下服務(wù)水平較80 km/h的要略高，即V/C較低；從通行能力方面分析，由于交通量在仿真模擬時(shí)是一定的，因此100 km/h的通行能力較80 km/h的要大，但兩者差別不大。結(jié)合上述分析，輔道不建議采用100 km/h的設(shè)計(jì)速度。

表3 不同設(shè)計(jì)速度下的輔道服務(wù)水平

綜上所述，在深圳段2050年預(yù)測(cè)的最小交通量下，仿真模擬分析結(jié)果顯示，80 km/h的設(shè)計(jì)速度在主-輔-匝三者之間的連接轉(zhuǎn)換及行車(chē)流暢性、設(shè)計(jì)速度與運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性以及行車(chē)安全方面較100 km/h的設(shè)計(jì)速度表現(xiàn)好。盡管80 km/h設(shè)計(jì)速度下的車(chē)輛密度較大，通行能力較小，但與100 km/h設(shè)計(jì)速度相差較小，兩者的服務(wù)水平同屬二級(jí)服務(wù)水平?？紤]駕駛員心理特性，在80 km/h的設(shè)計(jì)速度下，駕駛員的心理狀態(tài)更好，發(fā)生駕駛失誤的概率更小，因此，輔道建議選取80 km/h的設(shè)計(jì)速度標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)廣深高速公路深圳段2050年預(yù)測(cè)交通條件下的4種主輔分離式車(chē)道布置方案進(jìn)行交通仿真研究，最終建議廣深高速公路深圳段雙向10車(chē)道主輔分離式車(chē)道分配方案為“主線(xiàn)2+輔道3”，輔道設(shè)計(jì)速度推薦為80 km/h?；诖搜芯?，得出以下結(jié)論：

1) 主輔分離式車(chē)道分配方案設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮設(shè)計(jì)年限內(nèi)交通量分布與相應(yīng)功能車(chē)道數(shù)量的匹配度，保證車(chē)道分配比例與承載交通量比例吻合。

2) 主輔分離形式下，輔道承擔(dān)高速公路與地方交通之間便捷轉(zhuǎn)換的“紐帶”功能，輔道設(shè)計(jì)速度應(yīng)低于對(duì)應(yīng)高速公路主線(xiàn)設(shè)計(jì)速度，設(shè)計(jì)速度差值不應(yīng)小于20 km/h。

3) 考慮相鄰段落設(shè)計(jì)速度差值對(duì)車(chē)輛行車(chē)速度離散度的影響，主輔分離形式下的輔道設(shè)計(jì)速度選取應(yīng)充分考慮與相應(yīng)匝道設(shè)計(jì)速度的協(xié)調(diào)銜接，兩者設(shè)計(jì)速度差值以40 km/h為宜，以保證行車(chē)舒適度及道路安全水平。

4) 本文提出的互通密集區(qū)高速公路主輔分離式的輔道設(shè)計(jì)速度研究方法充分考慮了人-車(chē)-路等綜合因素影響，并通過(guò)VISSIM仿真進(jìn)行效果評(píng)估，研究結(jié)果具有一定的普適性，可為后續(xù)相似研究提供參考。