超多車道高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目左側(cè)硬路肩縱向尺寸設(shè)置

張于平

(廣深高速公路改擴(kuò)建管理處，廣東 廣州 510699)

0 引言

隨著汽車人均保有量逐年遞增，早期修建的高速公路交通量已日趨飽和，部分交通繁忙的國(guó)家高速公路擴(kuò)容改造已納入頂層規(guī)劃，特別是全程處于高度城鎮(zhèn)化地區(qū)的高速公路，大多是早期修建的六車道高速公路，因沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且人口密度極高，為滿足未來交通需求，該類高速公路改擴(kuò)建工程橫斷面布設(shè)方案以十車道及以上的超寬斷面為主?！豆仿肪€設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20-2017)針對(duì)雙向八車道及以上高速公路規(guī)定：宜設(shè)置左側(cè)硬路肩，其寬度應(yīng)不小于2.5m[1]。而隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，高速公路周邊已分布大量的房屋建筑，上跨下穿工程密布，嚴(yán)重限制了高速公路的平面擴(kuò)建空間。為此，針對(duì)八車道及以上的改擴(kuò)建項(xiàng)目設(shè)置左側(cè)硬路肩時(shí)，會(huì)存在斷面寬度不足的受限路段和分離式路基路段，導(dǎo)致左側(cè)硬路肩無法連續(xù)設(shè)置[2]。

本文以廣深高速公路為研究對(duì)象，從車輛緊急避險(xiǎn)需求及左側(cè)硬路肩對(duì)司機(jī)駕駛行為的影響方面出發(fā)，對(duì)左側(cè)硬路肩設(shè)置的縱向間距和縱向長(zhǎng)度(圖1)進(jìn)行研究。

圖1 左側(cè)硬路肩縱向間距和長(zhǎng)度設(shè)置

1 工程概況

廣深高速公路為雙向六車道斷面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度采用120km/h，全長(zhǎng)122.8km。是聯(lián)通廣州、東莞、深圳、香港的重要通道，一直以來被稱為國(guó)內(nèi)交通最繁忙的高速公路之一，目前全線年平均交通量已達(dá)12.3萬pcu/d，部分路段如太平至五點(diǎn)梅段已高達(dá)18.7萬pcu/d。

廣深高速公路改擴(kuò)建擬采用雙向十車道整體拼寬為主，部分路段受控制因素制約及交通量影響，采用分離式十四車道擴(kuò)建方式，設(shè)計(jì)速度采用100～120km/h，改擴(kuò)建路段全長(zhǎng)118.2km。

2 左側(cè)硬路肩縱向長(zhǎng)度

左側(cè)硬路肩的縱向長(zhǎng)度應(yīng)考慮故障車輛減速停車距離、停車區(qū)長(zhǎng)度及恢復(fù)速度行駛至內(nèi)側(cè)車道等距離，并且左側(cè)硬路肩前后應(yīng)設(shè)置供車輛減速駛?cè)牒图铀亳偝龅倪^渡段。考慮駕駛行為特征及車輛行駛性能[3]，主線輕微故障車輛駛?cè)胱髠?cè)硬路肩的運(yùn)動(dòng)過程主要分為三段：(1)司機(jī)首先利用側(cè)向安全余寬開始向左變道，調(diào)整行駛方向并橫向移動(dòng)至過渡段內(nèi)車道位置，該過程未發(fā)生減速行為。(2)司機(jī)在車輛完全駛離內(nèi)側(cè)車道后減速進(jìn)入左側(cè)硬路肩停車區(qū)。(3)車輛故障排除后，司機(jī)根據(jù)主線車流運(yùn)行情況擇機(jī)駛離左側(cè)硬路肩停車區(qū)，經(jīng)過渡段加速后匯入主線內(nèi)側(cè)車道。

根據(jù)車輛在左側(cè)硬路肩行駛的完整運(yùn)動(dòng)過程，可將車輛在左側(cè)硬路肩的減速過程分為減速漸變段和減速段，同理，車輛在左側(cè)硬路肩的加速過程可分為加速漸變段和加速段。

2.1 理論計(jì)算

2.1.1 減速漸變段

司機(jī)駕駛車輛高速行駛時(shí)，橫向偏移出一條車道的空間所產(chǎn)生的前進(jìn)方向長(zhǎng)度即為減速漸變段長(zhǎng)度。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，車輛在漸變段范圍車速變化不大，可認(rèn)為是勻速行駛，司機(jī)駕駛車輛橫向偏移1m時(shí)需要的時(shí)間大約為1s[4]。因此，司機(jī)駕駛車輛實(shí)際需要橫向偏移的寬度為左側(cè)硬路肩寬度與側(cè)向安全余寬的差值，可采用下式計(jì)算減速漸變段的長(zhǎng)度L0：

L0=V1(3-By)

(1)

式中：V1為初始速度(km/h)，可取路段內(nèi)側(cè)車道V85運(yùn)行速度，為109km/h；左側(cè)硬路肩寬度取3m；By為左側(cè)側(cè)向安全余寬寬度(m)，取1.25m。

因此，L0取值為53.0m。

2.1.2 減速段

司機(jī)駕駛車輛完全進(jìn)入左側(cè)硬路肩后，采取制動(dòng)措施進(jìn)行減速行駛，直至車輛完全停止，該過程被認(rèn)定為勻減速過程。根據(jù)物理運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，減速段長(zhǎng)度L1可采用下式計(jì)算：

(2)

式中：V1為初始速度(km/h)，可取路段內(nèi)側(cè)V85運(yùn)行速度，為109km/h；V2為終點(diǎn)速度(km/h)，車輛進(jìn)入停車區(qū)前的速度一般為10km/h；ad為減速度(m/s2)，取4m/s2。

調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，司機(jī)駕駛車輛因突發(fā)狀況需減速行駛時(shí)，部分車輛減速度值會(huì)大于4.5m/s2，90%的車輛減速度會(huì)高于3.4m/s2。因此,L1取值113.6m。

2.1.3 加速段

司機(jī)駕駛車輛經(jīng)過加速措施實(shí)現(xiàn)與主線內(nèi)側(cè)車道合流所需的最短加速距離即為加速段。加速行為發(fā)生在司機(jī)已確認(rèn)主線內(nèi)側(cè)車道存在可插入間隙后，因此加速過程僅需考慮實(shí)際加速距離即可，該過程被認(rèn)定為勻加速過程，可采用下式計(jì)算加速段長(zhǎng)度L2:

(3)

式中：V3為匯入速度，采用主線設(shè)計(jì)速度的0.76倍[5]，為91.2km/h；aa為加速度值(m/s2)，小客車加速度aa的范圍為2.30～2.78m/s2。

因此,L2的取值范圍為115.4～139.5m。

2.1.4 加速漸變段

加速漸變段長(zhǎng)度的計(jì)算過程可參考減速漸變段的計(jì)算過程，其中車輛的速度為匯入速度，即0.76V1，因此加速車道漸變段長(zhǎng)度L3可采用下式計(jì)算:

L3=0.76V1(3-By)

(4)

因此,L3取值為44.3m。

2.1.5 停車區(qū)

為滿足最不利條件下的停車需求，停車區(qū)距離的計(jì)算需考慮多輛大型車輛?？康那闆r，停車區(qū)長(zhǎng)度為50m時(shí)可同時(shí)容納3輛大型載重汽車的?？?，建議停車區(qū)長(zhǎng)度L4取50m。

因此,左側(cè)硬路肩總長(zhǎng)度范圍為312～430m。

2.2 模擬仿真驗(yàn)證

通過上述理論計(jì)算，初步得出了左側(cè)硬路肩最小縱向長(zhǎng)度的各部分取值。為驗(yàn)證以上計(jì)算結(jié)果是否合理，本文通過模擬仿真進(jìn)行驗(yàn)證分析?？紤]到減速段和停車段一方面從空間角度分析，兩者相對(duì)于高速行車路段各自屬于一個(gè)獨(dú)立的單元，對(duì)于高速車道基本沒有影響；另一方面，從時(shí)間角度分析，故障車在這兩個(gè)單元上的停留時(shí)間基于實(shí)際駕駛員對(duì)自身情況的判斷，導(dǎo)致在時(shí)間上不具備連續(xù)性。基于上述分析，不考慮對(duì)兩者進(jìn)行模擬仿真對(duì)比分析，僅改變加速段長(zhǎng)度來驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性。

圖2 仿真建模

仿真模型中的紅色車代表故障車，先從內(nèi)側(cè)車道向左側(cè)變道進(jìn)入減速過渡段，經(jīng)過減速段后停留在停車區(qū)，在停車區(qū)內(nèi)檢修車輛后，若決定繼續(xù)行駛，則從加速段開始加速直到再次進(jìn)入內(nèi)側(cè)高速車道。期間對(duì)故障車在加速段末端及故障車合流進(jìn)主線處進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

表1 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

為保證模擬的安全富裕度，交通量和事故車輛數(shù)均取現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的最大值，將結(jié)果整理如圖3～圖5所示。

圖3 加速段長(zhǎng)度與平均速度和平均加速度關(guān)系

圖4 加速段長(zhǎng)度與合流點(diǎn)平均速度和排隊(duì)時(shí)間關(guān)系

圖5 加速度段長(zhǎng)度與合流點(diǎn)沖突數(shù)關(guān)系

分析圖3～圖5可知，在交通量和事故數(shù)最大的條件下，隨著左側(cè)硬路肩加速段長(zhǎng)度的增加，加速段的平均速度逐漸增加，加速度逐漸減小，在合流處的車輛平均速度則在115m下到達(dá)最大，而排隊(duì)時(shí)間和沖突數(shù)則在115m時(shí)最小。因此，綜上分析認(rèn)為，理論計(jì)算中最小加速段長(zhǎng)度115.4m較為合理。

通過理論計(jì)算、模擬仿真等手段，對(duì)數(shù)據(jù)取整后分析認(rèn)為左側(cè)硬路肩的最小縱向長(zhǎng)度滿足380m即可。

3 左側(cè)硬路肩縱向間距

3.1 可行駛距離

類比右側(cè)緊急停車帶的設(shè)置規(guī)則，重點(diǎn)考慮故障車輛滑行距離以及人力推動(dòng)車輛可移動(dòng)距離[6]，綜合兩種因素確定左側(cè)硬路肩的縱向設(shè)置間距。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，車輛故障致因主要是輪胎破損和發(fā)動(dòng)機(jī)故障，該類情況下行車速度的大小直接影響車輛的滑行距離，一般取值200～300m[7]。車輛發(fā)生故障制動(dòng)距離可按下式計(jì)算：

(5)

式中：V1為初始速度(km/h)，可取路段內(nèi)側(cè)V85運(yùn)行速度，為109km/h；V4為終點(diǎn)速度(km/h)，取60km/h；ad為減速度(m/s2)[8]。

經(jīng)計(jì)算，初速度為109km/h下降到60km/h的制動(dòng)距離為79.9m。因此綜合考慮車輛故障后的剎車行為等因素對(duì)車輛滑行造成的影響，認(rèn)為內(nèi)側(cè)車道車輛可行駛距離為300～400m。

3.2 人力可推動(dòng)距離

受汽車自身重量及路面摩擦力等影響，高速公路環(huán)境下成年人推動(dòng)故障小型客車可移動(dòng)200m，理想狀態(tài)下可推行500m。本文采用平均可推動(dòng)距離350m。

3.3 不同間距對(duì)車輛行駛的影響

為了分析左側(cè)硬路肩不同縱向間距對(duì)正常車輛行駛的影響，對(duì)不同縱向間距時(shí)的車輛橫向偏移量及速度變化進(jìn)行模擬駕駛分析。

(1)表2數(shù)據(jù)為左側(cè)硬路肩不同縱向間距下的車輛橫向偏移量，圖6為左側(cè)硬路肩不同縱向間距下的車輛橫向偏移量分布特征。

表2 不同縱向間距下車輛橫向偏移量 (單位:m)

圖6 不同縱向間距下車輛橫向偏移量分布特征

由圖6可知，司機(jī)駕駛車輛的橫向偏移值隨著左側(cè)硬路肩縱向間距的增大呈現(xiàn)先減小后增大最后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，其中左側(cè)硬路肩縱向設(shè)置間距在250～750m之間時(shí)，司機(jī)駕駛車輛的橫向偏移量隨著縱向間距增大而逐漸降低。左側(cè)硬路肩縱向設(shè)置間距在750m左右時(shí)，有60%的司機(jī)駕駛車輛的橫向偏移量出現(xiàn)較大差異，但偏移量數(shù)值均比較小，說明該間距下司機(jī)駕駛車輛的橫向平穩(wěn)性最好。左側(cè)硬路肩縱向設(shè)置間距在750～1 000m之間時(shí)，司機(jī)駕駛車輛的橫向偏移量隨著縱向間距增大而逐漸增大。

(2)表3數(shù)據(jù)為左側(cè)硬路肩不同縱向間距下車輛的行駛速度，圖7為左側(cè)硬路肩不同縱向間距下車輛行駛速度的分布特征。

表3 不同縱向間距下車輛行駛速度 (單位:km/h)

圖7 不同縱向間距下車輛行駛速度分布特征

由圖7可知，司機(jī)駕駛車輛的行駛速度隨著左側(cè)硬路肩的縱向間距增大呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，其中左側(cè)硬路肩縱向設(shè)置間距在250～750m之間時(shí)，司機(jī)駕駛車輛的行駛速度隨著縱向間距增大而遞增的趨勢(shì)較為明顯。左側(cè)硬路肩縱向設(shè)置間距大于等于1 000m時(shí)，司機(jī)駕駛車輛的行駛速度趨于穩(wěn)定，此時(shí)左側(cè)硬路肩縱向設(shè)置間距對(duì)司機(jī)駕駛車輛的行駛速度不產(chǎn)生明顯的影響。圖7表明左側(cè)硬路肩縱向間距較小時(shí)，司機(jī)駕駛車輛的行車速度比較保守；左側(cè)硬路肩縱向間距較大時(shí)，司機(jī)駕駛車輛的行車速度明顯提升。

綜上分析，左側(cè)硬路肩縱向設(shè)置間距在750m左右時(shí)，司機(jī)駕駛車輛的橫向平穩(wěn)性最好。當(dāng)間距大于1 000m時(shí)，橫向偏移量浮動(dòng)趨勢(shì)基本平穩(wěn)，速度也趨于穩(wěn)定且更加接近于內(nèi)側(cè)車道的運(yùn)行速度。

綜合故障車輛可行駛距離、人力可推動(dòng)距離和行駛車輛橫向偏移及速度等因素，本文認(rèn)為當(dāng)整體式十車道路段縱向長(zhǎng)度達(dá)到750m時(shí)宜設(shè)置左側(cè)硬路肩。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合廣深高速公路改擴(kuò)建工程的實(shí)際情況，從考慮緊急停車需求方面對(duì)左側(cè)硬路肩設(shè)置的縱向尺寸進(jìn)行研究。結(jié)果表明，當(dāng)整體式十車道路段縱向長(zhǎng)度達(dá)到750m時(shí)宜設(shè)置左側(cè)硬路肩，左側(cè)硬路肩設(shè)置長(zhǎng)度應(yīng)不小于380m。

在斷面寬度受限路段建議優(yōu)先考慮壓縮右側(cè)硬路肩，盡可能保證左側(cè)硬路肩的連續(xù)性。此外，還應(yīng)考慮突然出現(xiàn)的左側(cè)硬路肩對(duì)駕駛?cè)说鸟{駛行為影響，該方面研究尚不成熟，下階段需進(jìn)一步深入研究。

(收稿日期：2022-03-04)

ResearchonLongitudinalDimensionsofLeftHardShoulderinSuperMulti-laneExpresswayReconstructionandExpansionProject

ZHANGYuping

(Guangzhou-Shenzhen Expressway Reconstruction and Expansion Management Office Guangzhou 510699，Guangdong， China)

Abstract:In view of the severely limited plane expansion space of the super multi-lane expressway reconstruction and expansion project in highly urbanized areas, the left hard shoulder cannot be set continuously. In order to solve the emergency parking needs of vehicles, relying on the reconstruction and expansion project of Guangzhou-Shenzhen Expressway, the longitudinal spacing and longitudinallength of the left hard shoulder have been studied by means of theoretical calculation, simulation and driving simulation, and the recommended values of the maximum longitudinal spacing and minimum longitudinal length of the left hard shoulder have been provided.

Keywords: expressway; reconstruction and expansion project; left hard shoulder; longitudinal spacing; longitudinal length