多車道高速公路內(nèi)外分幅條件下互通最小間距研究

劉 敏， 馬天奕， 熊文磊

(1.廣東省高速公路有限公司， 廣州 510100； 2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 武漢 430010)

近年來，隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善和國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國東部地區(qū)城鎮(zhèn)化水平連年提升，居民長距離的出行需求不斷提升，高速公路的日均車流量不斷上漲。為滿足民眾日趨上漲的出行需求，已運營的高速公路需通過改擴(kuò)建設(shè)計提升通行能力。但多車道高速公路因道路線形、交通組織、交通組成等明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的4車道高速公路，其交通安全風(fēng)險大。其中高速公路互通間距是影響交通流的關(guān)鍵因素，也是高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)之一，直接關(guān)系到高速公路的服務(wù)水平、交通安全與工程造價等?；ネ⒔蛔钚￠g距應(yīng)滿足前一個互通的入口匝道漸變段結(jié)尾處與后一個互通出口匝道之間的汽車非交織運行安全需求，也要滿足駕駛員盡快接收到下一互通出口信息前的一系列前置提醒標(biāo)示設(shè)置所需的位置區(qū)間要求。我國現(xiàn)行的《公路立體交叉設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D21—2014)規(guī)定互通立交最小凈距為1 km，但目前標(biāo)準(zhǔn)研究的對象僅為4車道高速公路，針對復(fù)雜多車道高速公路的互通立交最小間距研究欠缺。

近幾年，隨著我國高速公路網(wǎng)的逐步完善，互通立交區(qū)間內(nèi)的交通問題日益凸顯，嚴(yán)重制約了高速公路的通行能力，影響了居民出行的幸福感。對此，有關(guān)學(xué)者也對城市快速路和高速公路的互通區(qū)的交通流特征和最小間距進(jìn)行了相關(guān)研究。倪娜等[1]分析了交織區(qū)的通行能力，構(gòu)建了交通運轉(zhuǎn)特性模型對交織區(qū)的通行能力進(jìn)行評價；劉向南等[2]結(jié)合交通流理論對各種連接方法的互通進(jìn)行研究；姚晶[3]以交織沖突率為指標(biāo)，采取模糊聚類法對交通設(shè)施最小間距進(jìn)行安全性評估；潘兵宏等[4]結(jié)合可插入間隙原則，分析大小型車加速特性，分析了連續(xù)入口的最小間距指標(biāo)；裴玉龍等[5]采用間隙接受理論，綜合考慮主線車道數(shù)和匝道車速給出了三級服務(wù)水平下快速路出入口最小間距；另有學(xué)者[6-10]從設(shè)置輔助車道等方面對互通最小間距進(jìn)行了相關(guān)研究。

本文以交通流理論為基礎(chǔ)，考慮汽車的分合流、交織等主要因素，探索多車道高速公路互通立交最小間距計算模型，并以某高速公路改擴(kuò)建工程為例，提出合適的互通立交最小間距值。

1 多車道高速公路互通間距統(tǒng)計

在互通立交最小間距理論值計算基礎(chǔ)上，須綜合分析雙向10車道高速公路設(shè)計時對其功能的定位及相關(guān)影響因素，并調(diào)研已通車的10車道高速公路互通立交間距設(shè)置，考慮分功能、分條件確定合理安全的互通立交間距值。參考現(xiàn)有的工程實踐發(fā)現(xiàn)，滬寧高速、沈大高速、水官高速通車時間較早，對這3條高速互通立交間距進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示。

表1 多車道高速公路互通立交間距統(tǒng)計 km

由表1可以看出，在互通立交平均間距方面，滬寧高速和沈大高速分別約為11 km和13 km，互通間距較長，這是由于滬寧高速和沈大高速作為國高網(wǎng)干線，周邊城市化水平相對較低，且貨車比例較高。而水官高速的互通立交平均間距僅為2.9 km，最小互通間距僅為0.9 km，水官高速作為深圳市內(nèi)的一條高速公路，道路沿線城市化水平高，貨車比例較低。作為10車道高速公路，首要任務(wù)是保證高效、安全的運輸，兼顧確保重要經(jīng)濟(jì)中心地區(qū)的通達(dá)性，對互通立交間距的合理取值要求高。

2 互通最小間距計算

2.1 多車道互通式立交最小間距影響因素

從車輛運行狀態(tài)及微觀交通流理論視角考慮互通設(shè)計，若設(shè)置互通最小間距較小，不利于車輛安全行駛，若間距較大，則會影響轉(zhuǎn)向交通量較大的區(qū)域。為此，梳理了影響互通立交最小間距的主要因素。

1) 道路交通量與服務(wù)水平

多車道高速公路在設(shè)計時必須考慮服務(wù)水平及交通量，它們是確定互通最小間距的基礎(chǔ)。以某高速公路為例，通過前期的工可分析，發(fā)現(xiàn)該高速公路為4級服務(wù)水平，以120 km/h設(shè)計速度下對應(yīng)的單車道服務(wù)交通量最大值為1 980 pcu/h。

2) 道路交通流特性

多車道高速公路主線交通流量大，受車輛分合流的影響，車輛交織行為頻繁，特別是在互通附近，區(qū)域交通流在高峰小時極易處于不穩(wěn)定狀態(tài)[11-12]。因此，在進(jìn)行最小間距計算模型構(gòu)建時需對交通流特性進(jìn)行研究。

3) 各車道管控策略及車道數(shù)的影響

由于多車道高速公路車道數(shù)不同，根據(jù)各高速公路不同的特性及其在區(qū)域路網(wǎng)不同的功能，其車道管控策略也各不相同。如某高速公路內(nèi)側(cè)2車道為小客車專用道，外側(cè)3車道為客貨車混行，在此情況下，各車輛相應(yīng)的變道次數(shù)和變道距離也會有所差別。

4) 主線各車道運行速度的影響

由于多車道高速公路的分車道管控策略，各個不同車道中車輛類型與其相應(yīng)的限速有所區(qū)別。而換道過程中車輛變道的前提是不影響目標(biāo)車道的車輛行駛，在變道時相應(yīng)的車速會出現(xiàn)變化。因此，建模時應(yīng)考慮各車道不同的運行速度對間距的影響。

5) 主線車道車頭時距影響

當(dāng)高速公路交通量較小，主線車輛為自由流行駛時，主線車頭時距較大，可插入間隙較多，車輛易于進(jìn)行車道變換；當(dāng)交通量較大時，相應(yīng)的車頭時距減少，換道就變得相對困難。相關(guān)研究表明[13]，交通量較大時，車頭時距服從移位負(fù)指數(shù)分布，車輛在變道前尋找目標(biāo)車道可插入間隙時間較長，行駛距離相對增長，進(jìn)而加大了最小間距值。

6) 交通標(biāo)志的布置

《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》(GB 5768—1999)[14]中明確規(guī)定：高速公路出口預(yù)告標(biāo)志分別設(shè)在距出口2 km、1 km和500 m處，出口標(biāo)志設(shè)在距出口0 km處。因此，需在高速公路上設(shè)置一系列標(biāo)志來提醒駕駛員互通出入口位置，以便讓其來安全駛離高速公路。

7) 駕駛舒適性

若兩互通間隔過近，會強(qiáng)迫駕駛員在短時間內(nèi)完成對相關(guān)標(biāo)志的判讀和對主線各車道運行狀態(tài)的判斷，同時還要根據(jù)本車情況完成相應(yīng)的換道行為，這一過程中，駕駛員需接收并處理大量信息，精神可能高度緊張，駕駛存在安全隱患，容易引起交通事故[15]。因此，從駕駛舒適性考慮，相鄰互通間需保持一定距離。

8) 經(jīng)濟(jì)因素和相應(yīng)景觀需求

互通立交建設(shè)需綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和周邊土地利用情況以及環(huán)境景觀需求，若互通立交密度過高，從經(jīng)濟(jì)考慮，工程造價高，征地成本提升，投資收益相對降低；從景觀考慮，構(gòu)造物和交通量集中，視覺效果受較大影響，空氣質(zhì)量也會下降[16]。因此，在考慮互通立交間距時，還需考慮相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

2.2 互通最小間距參數(shù)分析與確定

為安全考慮[17]，發(fā)現(xiàn)影響互通間距的最主要因素為：道路交通量與服務(wù)水平、主線各車道運行速度。同時，車道管控策略和交通流特性也有一定影響。

互通間距的計算需考慮車道1的車輛，其間距為駕駛員在接收到下一互通出口標(biāo)志提示后，車輛由車道1橫跨4條車道轉(zhuǎn)換到車道5，再安全行駛至減速車道前端所需距離，包括標(biāo)志反應(yīng)距離D1、尋找間隙距離D2、變換車道距離D3和確認(rèn)距離D4，如圖1所示。

圖1 流出交通運行示意

2.2.1 標(biāo)志反應(yīng)距離

車輛駕駛員對交通標(biāo)志識別的反應(yīng)距離包括辨認(rèn)、讀取、決策等過程所需的距離。根據(jù)對已有資料分析，車速越快，判讀距離越短，根據(jù)《交通工程手冊》[18]提供的數(shù)據(jù)，得出標(biāo)志反應(yīng)距離如表2所示。

表2 標(biāo)志反應(yīng)距離D1

2.2.2 尋找間隙距離

根據(jù)已有的相關(guān)研究成果，高速公路車輛的車頭時距服從移位負(fù)指數(shù)分布[19]。

移位負(fù)指數(shù)分布基本公式如下：

P(h≥t)=e-λ(t-τ)t≥τ

(1)

式中：P(h≥t)為車頭時距h≥t的概率；λ為單位時間的平均到達(dá)率，輛/s；τ為車頭時距的最小值，s。

等待可插入間隙平均時間tw計算公式如下：

(2)

可插入間隙平均等待時間如表3所示。

可插入間隙平均時間tw可通過計算得到。在決定變道后行駛時間達(dá)到tw時，車流中出現(xiàn)可插入間隙，同時駕駛員決定利用此間隙進(jìn)行變道操作，在此過程中所行駛的路程即為尋找間隙距離D2。

表3 可插入間隙平均等待時間

(3)

駕駛員找到可插入間隙并決定改變車道后，將打開轉(zhuǎn)向指示燈，同時調(diào)整車速和方向，直至車輛與擬并入的車道間隙并行，這樣便于通過該間隙并入相應(yīng)的車道。此過程中的行駛距離為調(diào)整車位的距離。

車輛在調(diào)整車位的時間內(nèi)，以最低換到車速v1勻速行駛。研究表明[16]，v1約為設(shè)計速度v的0.76倍，由此可得等待可插入間隙等待距離D2。

1) 變換車道距離

車輛在調(diào)整好行駛速度和車輛方向并于將要并入的目標(biāo)車道可插入間隙平行之后，即可橫向調(diào)整匯入目標(biāo)車道。實施這一操作并完成車道轉(zhuǎn)換過程中車輛所行駛的距離即為變換車道距離D3，由下式計算：

(4)

式中：v為主線設(shè)計速度，km/h；t3為車輛橫移一個車道所需時間，一般為車道寬度/車輛橫移速度，由于不同高速公路車道寬度有微小的差異，結(jié)果略有不同，變化幅度不大，一般取3 s～4 s。換道距離D3如表4所示。

2) 確認(rèn)距離

表4 變換車道距離

確認(rèn)距離指車輛進(jìn)入最外側(cè)車道后保持自由流狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)研究[2]確認(rèn)本車需要駛向出口匝道的安全距離，如表5所示。

表5 確認(rèn)距離

3) 互通立交最小間距計算

當(dāng)高速公路為雙向10車道時，最內(nèi)側(cè)車道車輛若需在下個互通駛離高速公路就需要進(jìn)行多次切換車道行為。當(dāng)駕駛員注意到互通出口標(biāo)志的提醒后，由主線車道1向車道2轉(zhuǎn)換，并逐步進(jìn)行換到直至進(jìn)入車道5駛?cè)氤隹谠训赖臏p速車道。

根據(jù)上述計算分析，常規(guī)不進(jìn)行車道管控的雙向10車道高速公路相鄰互通間距計算公式為：

D=D1+4(D2+D3)+D4

(5)

綜上所述，若根據(jù)各車道平均交通量估計，不同設(shè)計速度下互通立交間距最小值如表6所示。

表6 基于各車道平均交通量的最小間距取值

若根據(jù)路段設(shè)計服務(wù)水平估計，不同設(shè)計速度下互通立交間距最小值如表7所示。

表7 基于路段設(shè)計服務(wù)水平的最小間距取值

3 基于橫斷面組成的某高速公路互通最小間距研究

某高速公路同時承擔(dān)南部三市的對外交通、三城市間的區(qū)域交通、沿線城市的市內(nèi)交通3方面的功能，道路兩側(cè)城市化水平高。根據(jù)該高速公路的工可及相關(guān)橫斷面研究，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計末年，該高速的交通功能在3個城市間的區(qū)域交通功能日益增強(qiáng)，同時承擔(dān)短途交通量比重較大，城市化出行特征明顯，兼顧短途市內(nèi)交通功能，且短途出行交通量比例超過50%。

綜合交通流仿真與區(qū)段交通需求分析結(jié)果，初步確定該高速公路改擴(kuò)建項目采用內(nèi)外分幅的交通組織模式，內(nèi)幅2車道為小客車專用車道，外幅3車道為客貨混合車道，如圖2所示。

圖2 內(nèi)外分幅交通組織模式

同時，根據(jù)對該高速改擴(kuò)建工程未來年的交通量預(yù)測結(jié)果，對此模式下該高速公路項目全段的飽和度即服務(wù)水平進(jìn)行分析，結(jié)果如表8所示。

表8 某高速不同區(qū)段飽和度及服務(wù)水平分析結(jié)果

由表8可知，該高速公路全線為4級服務(wù)水平。結(jié)合圖2中初步確定的該高速內(nèi)外分幅組織模式：內(nèi)幅2車道為小客車專用車道，速度120 km/h；外幅3車道為客貨混合車道，速度100 km/h，得出該模式的互通最小間距計算結(jié)果為1 483 m，取整后為1 500 m。

綜上所述，得出道路兩側(cè)城市化水平較高的高速公路在內(nèi)幅2車道為小客車專用道，外幅3車道為客貨車混行的交通組成模式，且全線為4級服務(wù)水平條件下的互通最小間距為1.5 km。而對于實際情況下互通間距小于1.5 km的互通組合，建議將相鄰的互通式立體交叉合并設(shè)置為復(fù)合式互通立體交叉。在采用復(fù)合式互通立交形式設(shè)置時，應(yīng)增加設(shè)置相應(yīng)的輔助車道，但輔助車道僅在外側(cè)車道增加了車流的交織空間，不能避免準(zhǔn)備駛離高速的車輛為躲避交織車流而在出口匝道處進(jìn)行緊急變道，從而導(dǎo)致的直行交通延誤和事故風(fēng)險。因此，在設(shè)置復(fù)合式互通時，還需將相應(yīng)的警示預(yù)告標(biāo)志、相關(guān)的管理標(biāo)線即管控手段一并考慮，以規(guī)范交通運行。

4 結(jié)束語

1) 調(diào)研了國內(nèi)現(xiàn)有10車道高速公路互通間距情況，分析總結(jié)了多車道互通式立交最小間距的影響因素，發(fā)現(xiàn)道路服務(wù)水平、車道運行速度為重要影響因素。

2) 采用可插入間隙理論，以道路平均交通量、服務(wù)水平和設(shè)計車速為影響因素，建立了多車道高速公路互通最小安全間距計算模型。最后以某高速公路為對象，結(jié)合多車道高速公路互通最小安全間距計算模型和該高速的橫斷面交通組成模式計算得出：在采用內(nèi)幅2車道為小客車專用道，外幅3車道為客貨車混行的交通組成模式且路段為4級服務(wù)水平條件下，該高速公路的互通最小安全間距為1.5 km。

3) 針對互通間距小于該值的互通，建議設(shè)置復(fù)合式互通，并提出相應(yīng)復(fù)合式互通設(shè)置原則。對于10車道以上高速公路和復(fù)合式互通高速公路，車道管理的方案將更為復(fù)雜，互通最小間距有待進(jìn)一步研究。