高速公路互通式立交最小間距研究

彭偉宸 王曉玉

摘要 針對(duì)我國(guó)高速公路網(wǎng)不斷加密，互通式立交間距較近已成為常態(tài)。高速公路互通式立交的最小間距是決定車輛運(yùn)行安全的重要指標(biāo)，道路車輛密度、匝道幾何特性、分合流區(qū)及交織區(qū)的交通流特性對(duì)互通式立交的間距有重要影響。文章根據(jù)駕駛員對(duì)交通標(biāo)志的認(rèn)知特性、行駛特性以及車輛的運(yùn)行特性，結(jié)合高速公路服務(wù)水平給出了不同運(yùn)行速度下獨(dú)立的兩互通立交所需的最小凈距建議值，為高速公路互通式立交的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞 高速公路；互通式立交；最小間距

中圖分類號(hào) U412.352.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）14-0036-03

0 引言

高速公路的規(guī)劃建設(shè)中，互通式立交的設(shè)置是一項(xiàng)重要的規(guī)劃內(nèi)容，隨著我國(guó)高速公路路網(wǎng)的不斷加密，互通立交的設(shè)置間距也越來越密集。而互通式立交的合理間距對(duì)于高速公路的服務(wù)水平、車流運(yùn)行穩(wěn)定性的影響又非常重要，尤其是互通式立交之間的最小間距對(duì)車輛的行車安全影響最大。

目前在這方面的研究國(guó)外已經(jīng)取得眾多成果，相關(guān)研究比較成熟，如美國(guó)的相關(guān)研究成果已寫到《道路通行能力手冊(cè)》等相關(guān)規(guī)范中，日本的《高速公路設(shè)計(jì)要領(lǐng)》等規(guī)范中也給出了互通式立交間距的規(guī)定。由于前期我國(guó)高速公路建設(shè)滯后、路網(wǎng)稀疏，互通式立交的間距問題不是很明顯，但是近幾年我國(guó)高速公路以及地方公路建設(shè)突飛猛進(jìn)，立交的間距問題也越來越突出。我國(guó)《公路立體交叉設(shè)計(jì)細(xì)則》中對(duì)互通式立交的間距也給出了相關(guān)的參數(shù)，各科研單位以及高校等研究人員也針對(duì)我國(guó)實(shí)際狀況已經(jīng)作了很多相關(guān)的研究，主要根據(jù)立交區(qū)各組成部分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、車輛運(yùn)行特性、通行能力、行車安全等方面對(duì)間距進(jìn)行分析，相關(guān)方面的研究也逐漸完善[1-3]，但多以單個(gè)車輛的運(yùn)行特性為研究對(duì)象，未綜合考慮道路的整體運(yùn)行狀況。

綜上所述，互通式立交最小間距對(duì)服務(wù)水平、行車安全以及運(yùn)營(yíng)效益的影響越來越大，控制好互通式立交間距有助于加強(qiáng)車輛運(yùn)行的安全性，防止交通事故的發(fā)生。該文結(jié)合高速交通量特性，研究不同服務(wù)水平下互通式立交的合理凈距，對(duì)于提高高速公路的通行能力和服務(wù)水平具有重要意義，同時(shí)為相關(guān)行業(yè)的設(shè)計(jì)提供借鑒參考。

1 互通式立交間距影響因素分析

高速公路互通式立交的最小間距是在保證鄰近立交之間的交通在可控范圍之內(nèi)、滿足設(shè)計(jì)需求的情況下，對(duì)互通式立交設(shè)置間距的一個(gè)控制要素，但是由于受路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、地形等因素影響其距離往往受限，而凈距是影響兩互通式立交間距的重要指標(biāo)（見圖1）。影響互通式立交間距的因素有很多，結(jié)合該文研究情況，主要分析交通密度、匝道幾何特性、分合流區(qū)等因素[4-5]。

1.1 交通密度

相鄰互通式立交在距離的設(shè)計(jì)上主要依據(jù)交通流量，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的交通流量確立互通式立交的間距，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的合理分流、合流，同時(shí)保證相鄰立交在車流上的均勻分布，避免一處立交上交通量非常少，另一處立交的交通量比較集中，這樣容易導(dǎo)致高速公路在交通流量控制上的不均，影響道路的服務(wù)水平。

1.2 匝道的幾何特性

匝道的幾何特征包含眾多層面，其對(duì)高速公路的引流、分流等起到重要作用，在高速公路交通流量的控制上起到關(guān)鍵作用。常見的特征有車道的數(shù)量、類型、速度控制以及匝道之間的距離等，在控制交通量上起到重要作用。合理的匝道設(shè)計(jì)可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的匯入和分流需求，提升互通式立交的功能性和科學(xué)性。

1.3 分合流區(qū)

合流區(qū)就是從匝道進(jìn)入主線的車輛與主線上車輛一同行駛在主線上的場(chǎng)所。合流區(qū)車輛需要與匝道進(jìn)入的車輛保持一定的間距，保證現(xiàn)場(chǎng)車輛的有序通行，滿足車輛對(duì)車道的選擇，使得車輛可以在最短時(shí)間內(nèi)匯入主線。一般匝道上駛來的車輛在進(jìn)入合流區(qū)的時(shí)候就應(yīng)該立即選擇車道，并且在合適的時(shí)機(jī)匯入主線車道，避免對(duì)主線上正常行駛的車輛造成影響。

分流區(qū)車輛要確保與相鄰車道之間預(yù)留出充足的間距，然后進(jìn)行降速操作，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)快速完成車道的變換。車輛在進(jìn)入分流區(qū)時(shí)，車輛需要立即從過境車道中分離，并匯入分流區(qū)鄰近車道，便于在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)匯入分流區(qū)，同時(shí)不會(huì)對(duì)主線上正常行駛的車輛造成影響。

1.4 交織區(qū)

交織區(qū)是指交織路段相鄰立交匝道的合流點(diǎn)到分流點(diǎn)間的路段，在這一區(qū)域內(nèi)車輛必須按照自己的需求完成車道的變換，交織車輛應(yīng)該在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)立即完成變道，保證自身車輛安全的前提下，后方車輛也不需要因?yàn)樽约旱淖兊劳蝗唤邓?，提前做出預(yù)判是保證車輛正常行駛的關(guān)鍵。

互通式立交之間在距離的確定上需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、景觀等要求，如果立交布置過密，不僅造價(jià)高，而且構(gòu)造物和交通量較為集中，線形變化復(fù)雜，視覺及景觀效果都較差。

2 互通式立交凈距分析

相鄰互通式立交在連接的方式上有獨(dú)立的連接方式、以輔助車道或以集散道路連接的方式2種。結(jié)合目前相鄰互通式立交應(yīng)用較多的形式，該文主要研究獨(dú)立的兩個(gè)互通式立交相鄰時(shí)其間距的合理取值。立交間距構(gòu)成主要由互通相鄰側(cè)的構(gòu)造長(zhǎng)度和相鄰互通式立交間的凈距離D0兩部分構(gòu)成。構(gòu)造長(zhǎng)度主要為兩個(gè)互通的變速車道長(zhǎng)度，凈距離D0則為前一個(gè)互通漸變段終點(diǎn)至后一個(gè)互通漸變段起點(diǎn)之間的距離，而兩立交之間的凈距是影響最小間距的關(guān)鍵因素。

互通式立交的構(gòu)造長(zhǎng)度主要包括變速車道長(zhǎng)度和互通立交匝道區(qū)長(zhǎng)度，可根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行取值，相對(duì)來說兩立交之間的凈距離將是研究的關(guān)鍵。立交間的凈距長(zhǎng)度需要滿足匝道出入口之間車輛所需變換車道的長(zhǎng)度以及到達(dá)下一個(gè)互通立交之前需設(shè)置的交通指示標(biāo)志的距離，保證駕駛員能夠有充足的時(shí)間完成車道的變換。最小凈距要求如圖2所示[6]。

通過圖2可知立交之間的最小凈距如下：

D0=L1+k2L2+L3+L4 （1）

式中，L1——標(biāo)志反應(yīng)距離，發(fā)現(xiàn)標(biāo)志到作出決定之間的距離；L2——等待可插入間隙時(shí)車輛的行駛距離；L3——換車道距離，間隙出現(xiàn)點(diǎn)至車輛完成車道變換之間的距離；L4——確認(rèn)距離，車道變換結(jié)束點(diǎn)至出口匝道漸變段起點(diǎn)之間的距離；k2——等待可插入間隙行駛距離的修正系數(shù)。

標(biāo)志反應(yīng)距離L1的取值包含三個(gè)部分，即辨認(rèn)距離l1、讀取距離l2和決策距離l3，其取值的確定都跟車速有很大關(guān)系，一般駕駛員的辨認(rèn)時(shí)間為2 s，當(dāng)駕駛員開始認(rèn)讀標(biāo)志上的信息到讀取完成，該過程一般為2.6 s，而駕駛員根據(jù)信息到?jīng)Q策完成的距離一般為200 m，因此標(biāo)志反應(yīng)距離如下：

高速公路車輛的車頭時(shí)距服從負(fù)指數(shù)分布，根據(jù)移位負(fù)指數(shù)分布函數(shù)得到車輛在變道過程中需要等待變道機(jī)會(huì)出現(xiàn)的平均時(shí)間[7]，再結(jié)合實(shí)際車輛在變道過程中的行駛速度以及其與主線上行駛車輛的相對(duì)速度得到等待可插入間隙時(shí)的行駛距離L2：

式中，v——主線車輛的計(jì)算行車速度（km/h）；v1——車輛等待換道的行駛速度（km/h），取計(jì)算行車速度v的0.76倍；tw——換道車輛等待可插入間隙的平均時(shí)間，該文研究對(duì)象為雙向四車道，取1.09 s。

目前等待可插入間隙時(shí)車輛的行駛距離研究多以單個(gè)車輛的運(yùn)行狀態(tài)為對(duì)象，而實(shí)際中該項(xiàng)參數(shù)受道路交通量的影響很大，車輛越多行駛距離越長(zhǎng)，因此需對(duì)該項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行修正。高速公路服務(wù)水平可間接反映車輛的運(yùn)行狀態(tài)，《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）中規(guī)定高速公路的服務(wù)水平不得低于三級(jí)[8]，取三級(jí)服務(wù)水平下基準(zhǔn)通行能力與最大服務(wù)交通量比值為該修正系數(shù)，當(dāng)服務(wù)水平為一級(jí)時(shí)，可不進(jìn)行修正，當(dāng)服務(wù)水平為二級(jí)時(shí)，取一級(jí)和三級(jí)服務(wù)水平下修正系數(shù)的中位數(shù)作為二級(jí)服務(wù)水平的修正系數(shù)，具體取值見表1：

換道距離L3指駕駛員明確自己需要變換的車道并且從最初的車道變換至確認(rèn)的車道需要的時(shí)間，其距離需結(jié)合駕駛員的反應(yīng)時(shí)間和操縱車輛的時(shí)間確定：

式中，t1——反應(yīng)時(shí)間，駕駛員從感知信號(hào)到采取行動(dòng)所需時(shí)間，取4 s；t2——操縱時(shí)間，車輛橫移至目標(biāo)車道所需時(shí)間，取3.75 s；確認(rèn)距離L4是指車輛在最外側(cè)正常行駛的過程中，對(duì)于出口的信息已經(jīng)明確下的安全距離，一般選取100 m。

3 互通式立交最小間距確定

通過分析互通式立交的車流特性、結(jié)構(gòu)組成以及駕駛員的駕駛行為等因素，確定了影響互通式立交之間最小凈距的四個(gè)重要組成部分，并給出了相關(guān)計(jì)算方法。由于不同車道數(shù)對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)以及車輛變換車道的時(shí)間影響較大，并結(jié)合目前我國(guó)高速公路實(shí)際情況，該文以雙向四車道高速公路為研究對(duì)象，結(jié)合上述計(jì)算方法給出不同速度和不同服務(wù)水平下互通立交最小凈距值見表2。

該文通過計(jì)算給出不同服務(wù)水平、不同設(shè)計(jì)速度下互通式立交最小凈距D0的建議值，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定可確定變速車道長(zhǎng)度取值，再結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)互通立交匝道區(qū)的長(zhǎng)度即可確定兩互通立交的最小間距建議值。該文不僅考慮了單個(gè)車輛的運(yùn)行特性，還綜合考慮交通量的情況，為互通式立交最小間距的取值提供參考。

4 結(jié)語

互通式立交的最小間距是在保證相鄰互通式立交之間的交通流穩(wěn)定、滿足服務(wù)水平的前提下，對(duì)互通式立交設(shè)置最小間距的一個(gè)控制要素，其對(duì)車輛的運(yùn)行安全也有著很大的影響。該文從交通密度、分合流區(qū)以及交織區(qū)車輛的運(yùn)行特性分析了互通式立交間距的影響因素，根據(jù)駕駛員的標(biāo)志反映距離、等待可插入間隙、換車道距離、確認(rèn)距離等確認(rèn)車輛行駛距離，并結(jié)合高速公路服務(wù)水平等級(jí)給出了不同運(yùn)行速度下所需的互通立交最小凈距建議值，為高速公路互通式立交的設(shè)計(jì)提供參考。

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