城市快速路主輔路出口長(zhǎng)度研究

龔 威，張安宇，吳文飛

(1.成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610021；2.四川交投設(shè)計(jì)咨詢研究院有限責(zé)任公司，四川 成都 610041)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化率的提高，國內(nèi)大部分省會(huì)城市正在完善快速路路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)和舊路快速化改造，以緩解城市交通擁堵壓力，減少區(qū)域或組團(tuán)間的通勤時(shí)間。根據(jù)相關(guān)研究表明：城市快速路和高速公路的交通事故數(shù)約占總交通事故數(shù)的60%，其中發(fā)生在匝道及變速車道的交通事故數(shù)占40%以上[1]。

交通兼集散功能的城市快速路均設(shè)置有輔道系統(tǒng)，以滿足沿線集散交通功能的需求。針對(duì)主輔路出路，駕駛?cè)诵柽M(jìn)行在主路上變換車道分流、減速車道上減速駛出、輔道上合流等一系列操作，其交通安全問題較為突出。因此對(duì)城市快速路主輔出口的安全設(shè)計(jì)尤為重要。

我國《城市快速路設(shè)計(jì)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)中規(guī)定，主輔路出入口連接的兩條道路，在快速路主路上必須設(shè)置變速車道，相接道路宜增設(shè)一個(gè)車道，保證快速路進(jìn)出主線通暢[2]。通過對(duì)成都地區(qū)已建快速路出口運(yùn)營狀況進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：(1)因受道路紅線寬度、規(guī)劃用地等因素的限制，出口并未設(shè)置連接道路，大部分僅設(shè)置減速車道；(2)快速路沿線地塊開發(fā)強(qiáng)度高、輔道交通量較大時(shí)，部分出口減速車道出現(xiàn)交通擁堵，甚至反堵至主線，嚴(yán)重影響主線的通行能力；(3)減速車道末段，駕駛?cè)嗽诓遘嚭狭鲿r(shí)，易發(fā)生刮擦、碰撞等交通事故。

針對(duì)快速路主輔路出口出現(xiàn)的安全狀況，究其原因：(1)主輔路出口減速車道長(zhǎng)度僅按《規(guī)程》取值，未考慮輔道設(shè)計(jì)速度對(duì)變速車道的長(zhǎng)度影響；(2)主輔路出口減速車道長(zhǎng)度未考慮車輛插入輔道的等待距離，當(dāng)輔道交通量較大時(shí)，車輛強(qiáng)行換道易發(fā)生交通擁堵與交通事故。目前，國內(nèi)關(guān)于變速車道的研究主要集中在高速公路互通式立體交叉區(qū)域，關(guān)于城市道路減速車道及等待段長(zhǎng)度的研究較少，因而，有必要結(jié)合主輔路出口的交通運(yùn)營特征對(duì)減速車道長(zhǎng)度、等待段長(zhǎng)度等做進(jìn)一步研究。

1 主輔路出口減速車道設(shè)置及交通運(yùn)行特征

1.1 出口減速車道設(shè)置

《規(guī)程》規(guī)定主輔路出入口連接的兩條道路，在快速路上必須設(shè)置變速車道。主輔路減速車道形式可分為直接式減速車道和平行式減速車道；直接式減速車道能提供駕駛?cè)撕侠淼闹本€駛離主線的行駛軌跡，有關(guān)研究表明，大部分車輛都能以較高的速度駛離直行車道，從而減少了由于在直行主線車道上開始減速而引起尾部碰撞事故的發(fā)生；平行式減速車道其行駛軌跡是一條S型曲線，可能導(dǎo)致減速車道車輛在直行主線上減速而發(fā)生追尾沖突，但平行式減速車道主線和寬度緩和段起點(diǎn)輪廓線的轉(zhuǎn)折明顯，能防止直接式減速車道的漸變段誘導(dǎo)直行車輛誤入減速車道的現(xiàn)狀。通常城市快速路因受規(guī)劃紅線寬度、用地等因素影響，主輔路出口減速車道采用平行式減速車道，減速車道的位置可利用主輔路分隔帶布置，如圖1所示。設(shè)置有變速車道的分隔帶，建議其寬度應(yīng)≥3.5 m，有條件時(shí)設(shè)置寬度≥4.5 m。

圖1 出口平行式減速車道設(shè)置示意圖

1.2 出口交通運(yùn)行特征

對(duì)于減速車道連接匝道的出口，以小客車為對(duì)象，車輛在平行式減速車道運(yùn)行形式有如下特征：(1)將要駛出主線的車輛以該主線上的平均行駛速度通過減速車道的前段；(2)進(jìn)入減速車道后立即用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速，并持續(xù)3 s，駕駛員再用制動(dòng)器平緩地減速，在減速車道的尾端，達(dá)到匝道的平均速度[3]。

通過對(duì)成都市三環(huán)路(快速路)25個(gè)主輔路出口車輛運(yùn)行特征調(diào)查，針對(duì)減速車道連接主輔道路的出口得出如下結(jié)論：(1)車輛在減速車道上的運(yùn)行特征與匝道上基本一致；(2)車輛在減速車道末端行駛特征與匝道上明顯不同，車輛在減速車道末端，需以一定速度尋找輔道插車間隙，然后變換車道進(jìn)入輔道；(3)輔道交通量對(duì)車輛尋找插車間隙的等待時(shí)間影響較大。故車輛在主輔路出口減速車道上需考慮合流等待長(zhǎng)度。根據(jù)對(duì)主輔路出口車輛運(yùn)行特征分析，主輔路出口長(zhǎng)度的組成由減速車道長(zhǎng)度(含漸變段)、等待段長(zhǎng)度(含漸變段)組成，結(jié)合城市快速路路幅組成特點(diǎn)，出口長(zhǎng)度組成如圖2所示。

圖2 主輔路出口減速車道組成部分示意圖

2 主輔路出口長(zhǎng)度計(jì)算模型

2.1 減速車道長(zhǎng)度計(jì)算模型

在減速過程與減速車道長(zhǎng)度研究方面，美國AASHTO通過試驗(yàn)研究提出了采用二次減速理論計(jì)算減速車道長(zhǎng)度，日本的計(jì)算理論與美國相同，區(qū)別在于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)減速起點(diǎn)計(jì)算點(diǎn)不同[4-5]。

結(jié)合前文分析，城市快速路主輔出口減速車道一般采用平行式減速車道。根據(jù)相關(guān)研究，我國平行式減速車道車輛行駛特征與日本假設(shè)較為吻合[6]，即減速車道長(zhǎng)度由發(fā)動(dòng)機(jī)減速長(zhǎng)度和制動(dòng)器減速長(zhǎng)度構(gòu)成，車輛在漸變段起點(diǎn)處先以發(fā)動(dòng)機(jī)減速，然后以制動(dòng)器減速至減速車道末端。

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)減速段長(zhǎng)度

用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)持續(xù)t秒時(shí)間內(nèi)的行駛距離s1：

(1)

式中：v0——初速度(m/s)；

t——發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)器作用時(shí)間，取3 s；

a1——減速度(m/s2)。

2.1.2 制動(dòng)器減速段長(zhǎng)度

從踩下制動(dòng)器開始后所行駛的距離s2：

(2)

式中：a2——減速度(m/s2)；

v1——制動(dòng)器減速前發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速后的行駛速度(m/s)；

v2——制動(dòng)器減速后的行駛速度(m/s)，本文取輔道設(shè)計(jì)速度(m/s)。

2.2 等待段長(zhǎng)度計(jì)算模型

車輛行駛至減速車道末端后，需等待插入輔道間隙時(shí)間，其行駛的距離Lw為：

(3)

式中：v2——輔道設(shè)計(jì)速度(km/h)；

tw——需要變換車道車輛等待一個(gè)可插入間隙的平均等候時(shí)間(s)。

關(guān)于tw的計(jì)算，相關(guān)研究標(biāo)明[7]，城市道路車輛到達(dá)符合泊松分布，則車頭時(shí)距服從負(fù)指數(shù)分布,可以用移位負(fù)指數(shù)分布曲線進(jìn)行描述。根據(jù)移位負(fù)指數(shù)分布函數(shù),可得出需要變換車道車輛等待一個(gè)可插入間隙的平均等候時(shí)間:

(4)

式中：λ——單位時(shí)間的平均到達(dá)概率(輛/s);

t——車輛臨界間隙,根據(jù)研究，小汽車一般取4.5～10 s，本文取6 s[6-8]；

τ——車頭時(shí)距的最小值(s)，根據(jù)研究，小轎車一般取2～3 s，本文中取2 s。

2.3 漸變段計(jì)算模型

漸變段Lt通過車輛橫移一個(gè)車道所需時(shí)間計(jì)算：

(5)

式中：v2——輔道設(shè)計(jì)速度(km/h)；

ts——3.0～4.0 s，本文取3 s。

2.4 參數(shù)取值

2.4.1 速度v0和v1

初速度v0的取值，根據(jù)美國各州公路工作者協(xié)會(huì)1994版《鄉(xiāng)村地區(qū)公路幾何設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》，中等交通量時(shí)的平均行駛速度與計(jì)算行車速度關(guān)系圖確定的初速度，其值如表1所示。

表1 計(jì)算行車速度與初速度關(guān)系表

v1是發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速后的行駛速度，平行式減速車道的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)段位于寬度緩和段(漸變段)，計(jì)算時(shí)不用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速，也能保證安全的減速車道長(zhǎng)度，使v1=v0。

2.4.2 減速度a1與a2

(1)a1與a2分別為發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速度、制動(dòng)器制動(dòng)減速度，AASHTO推薦值如表2所示。

表2 AASHTO推薦值關(guān)系表

(2)計(jì)算用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的減速度a1[9]：

(6)

式中：μ——滾動(dòng)摩擦系數(shù)；

R——空氣阻力系數(shù)(kg·s2/m4)；

g——重力加速度(m/s-2)；

γ——發(fā)動(dòng)機(jī)阻力系數(shù)；

A——汽車投影面積(m2)，取6.2 m2；

W——作用于輪胎的重量(kg)，取14 000 kg；

ε——加速阻力比，取0.05；

V0——初始行駛速度(m/s)。

計(jì)算a1時(shí)，假設(shè)μ=0.01(路面良好)，R=0.02 kg·s2/m4，γ=0.055(90 km/h)、0.05(80 km/h)、0.045(70 km/h)、0.04(60 km/h)，具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 a1計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算用制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)的減速度a2：

(7)

用制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)的減速度可以由駕駛?cè)俗杂烧{(diào)節(jié)，所以a2主要是制動(dòng)阻力系數(shù)f的函數(shù)，如采用假設(shè)f計(jì)算a2意義不大，因此，將a2最大值定位為2.4 m/s2為宜。

通過對(duì)表2與表3進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)AASHTO推薦值a1比表3大，AASHTO推薦值a2比2.4 m/s2小，結(jié)合城市道路車輛行駛運(yùn)行特點(diǎn)及國內(nèi)相關(guān)規(guī)范建議值，本文建議a1按表3取值，a2取值2.4 m/s2。

2.4.3 平均到達(dá)概率λ和等待tw

《規(guī)程》中輔道設(shè)計(jì)車速為30～40 km/h，設(shè)計(jì)速度為30 km/h的一條車道基本通行能力為1 600 pcu/h，設(shè)計(jì)速度為40 km/h的一條車道基本通行能力為1 650 pcu/h[10]。考慮輔道在穩(wěn)定流時(shí)，取V/C為0.6～0.75。根據(jù)式(4)，λ與tw的取值如表4所示。結(jié)合表4的計(jì)算結(jié)果，本文建議tw取4 s。

表4 λ與tw取值表

3 主輔路出口長(zhǎng)度計(jì)算

我國《規(guī)程》中規(guī)定，快速路設(shè)計(jì)車速宜采用60 km/h、80 km/h、100 km/h，輔道設(shè)計(jì)車速30～40 km/h。根據(jù)式(1)～(5)、表1～4，可得到主線和輔道不同設(shè)計(jì)速度下的減速車道長(zhǎng)度、等待段長(zhǎng)度、漸變段長(zhǎng)度，如表5所示。

表5 減速車道長(zhǎng)度、等待段長(zhǎng)度與漸變段長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果表

通過對(duì)表4中的計(jì)算結(jié)果分析，減速車道長(zhǎng)度與《規(guī)程》中規(guī)定的長(zhǎng)度基本一致，考慮等待段長(zhǎng)度和漸變段長(zhǎng)度后，其出口總長(zhǎng)度均大于《規(guī)程》的減速車道總長(zhǎng)度。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)快速路主輔路出口的交通特征分析與研究，得出如下結(jié)論：

(1)針對(duì)城市快速路主輔路斷面特征，明確了減速車道形式及布置方式。

(2)通過對(duì)城市快速路出口交通運(yùn)行特征調(diào)查，因受用地、紅線寬度等條件限制，未能增設(shè)一條車道時(shí)，主輔路出口減速車道末端需要考慮等待段長(zhǎng)度，由此確定主輔路出口的組成部分由減速車道長(zhǎng)度、等待段長(zhǎng)度和漸變段長(zhǎng)度組成。

(3)根據(jù)城市快速出口交通運(yùn)行特征，建立了減速車道長(zhǎng)度、等待段長(zhǎng)度和漸變段長(zhǎng)度計(jì)算模型，并通過其中參數(shù)取值分析，計(jì)算出不同主路與輔路設(shè)計(jì)速度下，減速車道長(zhǎng)度值、等待段長(zhǎng)度值與漸變段長(zhǎng)度值，為快速路主輔路出口工程設(shè)計(jì)提供參考。