山地城市互通式立體交叉同側(cè)相鄰匝道最小凈距計(jì)算研究

楊進(jìn), 龔華鳳,2, 趙聰霄,2

(1.林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司, 重慶 401121; 2.重慶市山地城市可持續(xù)交通工程技術(shù)研究中心, 重慶 401121)

互通式立交作為城市交通系統(tǒng)中的重要交通節(jié)點(diǎn),起著車流轉(zhuǎn)換和道路之間連接的作用。隨著道路里程和路網(wǎng)密度的增加及立交建設(shè)的復(fù)雜化,立交主線出現(xiàn)連續(xù)匝道出入口的情況越來越多。

相比于平原城市,山地城市地形高低起伏,道路縱坡大,除高速路與快速路外,在城市主、次干道上存在大量互通立交。該類互通立交的主線設(shè)計(jì)速度偏低,交通流量大,立交功能多樣,為滿足轉(zhuǎn)換需求,相鄰匝道間易形成短距離的連續(xù)匯入、匯出。作為山地城市路網(wǎng)規(guī)劃和立交布局的重要研究?jī)?nèi)容,連續(xù)合、分流點(diǎn)凈距直接影響立交的選型、規(guī)模、投資等,也影響互通式立交車輛運(yùn)行狀態(tài)。匝道連續(xù)分流點(diǎn)凈距過大,則無法滿足交通轉(zhuǎn)換需求;匝道連續(xù)分流點(diǎn)凈距過小,則會(huì)影響互通立交的通行能力和交通安全水平。

1 研究現(xiàn)狀

美國(guó)等西方國(guó)家對(duì)互通式立交匝道間距與交織段的研究較早且成果較多,但因交通系統(tǒng)的復(fù)雜性,無法達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)知。1950年發(fā)布的《公路通行能力手冊(cè)》(HCM 1950)基于多個(gè)州的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),首次提出了針對(duì)公路交織區(qū)運(yùn)行與設(shè)計(jì)的分析方法[1]。1965年發(fā)布的HCM 1965根據(jù)Normann O. K.、Karl Moskowitz等的研究成果,進(jìn)一步區(qū)分了不同服務(wù)水平下進(jìn)出匝道與主線的交織分析,擴(kuò)大了交織段長(zhǎng)度與交織流量的選擇設(shè)計(jì)范圍,但未明確交織段和上下游服務(wù)水平的影響[2]。Denney R. W.等考慮不同交織構(gòu)型對(duì)交織段的影響,將交織段進(jìn)一步分為主線交織和匝道交織,認(rèn)為交織車輛與非交織車輛在同一服務(wù)水平下的運(yùn)行速度不同[3]。文獻(xiàn)[4]對(duì)交織區(qū)通行能力進(jìn)行修改并形成了新的計(jì)算方法,但由于計(jì)算過程煩瑣,該方法未得到廣泛應(yīng)用。1985年發(fā)布的HCM 1985對(duì)匝道端部通行能力分析方法進(jìn)行修訂,并考慮了匝道變速車道長(zhǎng)度對(duì)主線外側(cè)兩條車道交通流分布的影響[5]。2010年發(fā)布的HCM 2010對(duì)交織長(zhǎng)度、寬度和構(gòu)型等進(jìn)行了全新定義,同時(shí)更新了交織區(qū)通行能力計(jì)算方法[6], 但計(jì)算僅針對(duì)高速公路環(huán)境,計(jì)算中無法考慮低速下交織段通行能力。Leisch J. E.等根據(jù)大量實(shí)測(cè)交通數(shù)據(jù),通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和數(shù)理學(xué)方法,得出了不同交織構(gòu)型情況下服務(wù)水平、交織流量、交織密度及高峰小時(shí)系數(shù)等與車道數(shù)之間的關(guān)系[7],該方法被納入美國(guó)加利福尼亞州《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)》(HDM)[8]并沿用至今。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)互通立交凈距的研究成果和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)多基于公路項(xiàng)目。賀玉龍等從駕駛員心理特征入手,建立了城市快速路互通立交最小間距計(jì)算模型[9],但預(yù)測(cè)結(jié)果基于最不利駕駛情況且假設(shè)較保守,導(dǎo)致預(yù)測(cè)間距過大。吳明先等分析了八車道高速公路小間距互通式立交間車輛的運(yùn)行特性和變道行為,構(gòu)建了最小凈距計(jì)算模型,并運(yùn)用數(shù)理方法結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)標(biāo)定了八車道高速公路小間距互通式立交最小凈距模型的關(guān)鍵參數(shù)[10]。孫劍等對(duì)上海市60處快速路典型交織區(qū)進(jìn)行調(diào)查,通過分析典型因素與交織區(qū)通行能力之間的關(guān)系,提出了城市快速路交織區(qū)通行能力模型[11]。徐俊軍通過交通仿真軟件模擬快速路出入口的交通運(yùn)行狀況,以主路車道數(shù)、主路流量、出入口交織比等影響快速路出入口間距的因素作為外部條件,對(duì)不同建設(shè)條件下快速路出入口最小間距進(jìn)行了細(xì)化,預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果擬合較好[12]。

現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)匝道凈距的概念及范圍尚未形成統(tǒng)一,導(dǎo)致不同標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求差異較大。JTG/T D21—2014《公路立體交叉設(shè)計(jì)細(xì)則》中,相鄰互通立交最小凈距根據(jù)主線設(shè)計(jì)速度和主線車道數(shù)確定,但未提供建議值的計(jì)算過程[13];CJJ 129—2009《城市快速路設(shè)計(jì)規(guī)程》對(duì)快速路上相鄰出入口間距(端部之間的距離)最小值的規(guī)定見表1[14];CJJ 152—2010《城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程》根據(jù)不同相鄰匝道組合形式(見圖1)提出了相鄰匝道出入口凈距的一般值和極限值(見表2)[15]。

表1 CJJ 129—2009中相鄰出入口的最小間距L

圖1 相鄰匝道組合形式

1.1 最小凈距的定義

最初對(duì)相鄰匝道距離L的界定源于美國(guó)的一系列研究成果。早期統(tǒng)一稱為匝道距離,后期逐漸對(duì)匝道細(xì)部進(jìn)行了明確。AASHTO綠皮書(2004版)將相鄰匝道距離定義為相鄰匝道鼻端而非物理楔形端點(diǎn)之間的距離[16]。得克薩斯州《道路設(shè)計(jì)手冊(cè)》中建議值也指鼻端之間的距離[17]。

《公路立體交叉設(shè)計(jì)細(xì)則》定義立交相鄰匝道凈距為相鄰入、出口之間主線基本路段的最小長(zhǎng)度,包括變速車道漸變段,但不包括變速車道長(zhǎng)度?！冻鞘锌焖俾吩O(shè)計(jì)規(guī)程》明確相鄰出入口端部之間的距離為匝道間距,包含加減速車道長(zhǎng)度?！冻鞘械缆方徊婵谠O(shè)計(jì)規(guī)程》中未明確相鄰匝道凈距定義,但指出匝道出入口之間的間距應(yīng)考慮變速車道長(zhǎng)度,即凈距不包含加減速車道長(zhǎng)度。

綜上,將匝道最小凈距定義為相鄰入、出口之間主線基本路段的最小長(zhǎng)度(見圖2)。

圖2 相鄰立交匝道最小凈距示意圖

1.2 交織段長(zhǎng)度的定義

根據(jù)Leisch J. E.的研究成果和HCM 2000,交織段長(zhǎng)度指交織區(qū)入口處三角端寬度0.6 m 位置到出口處三角端寬度3.7 m 處的距離。后期研究中對(duì)交織段長(zhǎng)度的定義出現(xiàn)爭(zhēng)議,HCM和美國(guó)得克薩斯州《道路設(shè)計(jì)手冊(cè)》[17]中共包含3種長(zhǎng)度:1) 最短交織段長(zhǎng)度LS,指相鄰入、出口之間主線基本路段的最小長(zhǎng)度;2) 基本交織段長(zhǎng)度LB,指相鄰匝道物理楔形端點(diǎn)之間的距離;3) 最長(zhǎng)交織段長(zhǎng)度LL,指相鄰匝道鼻端之間的距離。3種交織段長(zhǎng)度見圖3。美國(guó)加利福尼亞州《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)》(HDM)將交織段長(zhǎng)度定義為相鄰匝道物理楔形端點(diǎn)之間的距離[8]。

圖3 不同交織段長(zhǎng)度定義示意圖

國(guó)內(nèi)研究普遍認(rèn)為交織段長(zhǎng)度=減速車道長(zhǎng)度+加速車道長(zhǎng)度+漸變段長(zhǎng)度×2+輔助車道長(zhǎng)度[18-19]。

綜上,基于交織段為車輛完成車道變換提供空間的作用,經(jīng)過對(duì)比國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求及相關(guān)研究成果,將同側(cè)先駛?cè)?、后駛出匝道之間合理的交織段長(zhǎng)度定義為相鄰匝道凈距+漸變段長(zhǎng)度×2,即相鄰匝道物理楔形端點(diǎn)之間的距離(LB)。

2 匝道凈距計(jì)算模型

HDM中使用Leisch法,通過圖表的形式考慮匝道構(gòu)型(同側(cè)或雙側(cè))和車道數(shù)配置(平衡或不平衡)進(jìn)行交織段參數(shù)選擇,不同服務(wù)水平下可通過交織段流量確定交織長(zhǎng)度建議值,具體關(guān)系見圖4。

1英尺≈ 0.305 m

2.1 確定服務(wù)水平

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法中將連續(xù)流條件下道路服務(wù)水平分為A～F 6個(gè)等級(jí),CJJ 152—2010《城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程》將道路服務(wù)水平分為一、二、三、四 4個(gè)等級(jí),其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表 3?？紤]到城市立交多為B類(一般立交),對(duì)立交主線與一般服務(wù)水平的匝道均建議采用Ⅱ2級(jí)服務(wù)水平(相當(dāng)于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中D級(jí))下相關(guān)折減系數(shù),針對(duì)D級(jí)服務(wù)水平(LOS D)計(jì)算對(duì)應(yīng)交織段長(zhǎng)度。

表3 中美標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中立交服務(wù)水平的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 確定交織段流量

HCM中將需要進(jìn)行變換車道的交通量視為交織交通量。當(dāng)車輛由匝道進(jìn)入主路或離開主路進(jìn)入匝道時(shí),均需要進(jìn)行車道變換。因此,可假設(shè)最大交織流量產(chǎn)生于所有入口匝道車輛都將匯入主線且出口匝道達(dá)到最大流量時(shí)。最大交織段流量為進(jìn)匝道最大流量VRM和出匝道最大流量VMR之和。

按照不同匝道的交織構(gòu)型(匝道車道數(shù)配置),匝道最大通行量可根據(jù)匝道基本路段通行能力C在不同立交服務(wù)水平下的比例αR進(jìn)行折減。同時(shí)交織段因匝道和主線車輛有交織沖突,還應(yīng)考慮主線在相對(duì)應(yīng)服務(wù)水平下的折減αM。綜上,交織段流量計(jì)算公式為:

式中:N=進(jìn)匝道車道數(shù)+出匝道車道數(shù)

匝道通行能力見表 4,Ⅱ2級(jí)服務(wù)水平下折減比例見表 5。

表4 匝道基本路段的設(shè)計(jì)通行能力

表5 Ⅱ2級(jí)服務(wù)水平下最大通行量折減比例V/C(CJJ 152—2010)

先根據(jù)D級(jí)服務(wù)水平下不同主線和匝道構(gòu)型的最大交通量,計(jì)算得到預(yù)測(cè)交織流量Vw,然后根據(jù)HDM設(shè)計(jì)曲線得到交織段長(zhǎng)度,最后根據(jù)CJJ 129—2010要求確定相鄰匝道入、出口兩端的漸變段長(zhǎng)度,從而得到凈距長(zhǎng)度計(jì)算值。

3 同側(cè)相鄰入、出口匝道最小凈距建議值比較

將HDM相鄰匝道最小凈距與JTG/T D21—2014、CJJ 129—2009、CJJ 152—2010及英國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)DMRB[20]、國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果[12]中相鄰入口、出口匝道形式下最小凈距建議值進(jìn)行比較。為了便于在同一維度進(jìn)行比較,根據(jù)工程項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中建議值做如下假設(shè):1) JTG/T D21—2014對(duì)不同匝道速度和匝道數(shù)未作要求,但最小凈距隨著主線車道數(shù)的增加而增加,根據(jù)一般山地城市主線車道數(shù),采用主線單向三車道情況下的凈距建議值。2) CJJ 152—2010規(guī)定在先駛?cè)?、后駛出的情況下最小凈距L所乘系數(shù)為1.25L～2.00L,根據(jù)不同匝道速度對(duì)系數(shù)進(jìn)行選擇,假設(shè)60 km/h時(shí)采用2.00L、50 km/h時(shí)采用1.75L、40 km/h時(shí)采用1.50L、30 km/h時(shí)采用1.25L。3) CJJ 129—2009假設(shè)出入口最小凈距=最小間距-兩側(cè)匝道加減速過渡段長(zhǎng)度。根據(jù)以上計(jì)算和假設(shè),結(jié)合凈距與交織段的關(guān)系,對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及相關(guān)研究中最小凈距建議值進(jìn)行比較,結(jié)果見表 6、圖5。

表6 不同標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及相關(guān)研究中最小凈距建議值比較

圖5 不同標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與研究成果中最小凈距比較

從表 6、圖5可以看出:1) 在30種不同工況(不同入-出匝道車道數(shù))下,CJJ 129—2009的最小凈距長(zhǎng)度建議值均高于推薦值,平均偏差為61%。CJJ 129—2009未考慮不同匝道組合情況下交織流量對(duì)最小凈距的影響,其建議值僅與主線速度相關(guān)且最小凈距過長(zhǎng),在城市立交環(huán)境中可能較難實(shí)施。2) JTG/T D21—2014的最小凈距建議值均高于推薦值,平均偏差為55%。JTG/T D21—2014僅考慮不同主線車道數(shù)對(duì)交織段長(zhǎng)度的影響,忽略了交織段長(zhǎng)度即交織流量與匝道通行能力的直接關(guān)系,考慮到公路對(duì)速度和密度的要求更高,JTG/T D21—2014最小凈距建議值不適用于集約型城市立交。3) CJJ 152—2010的最小凈距建議值中50%大于推薦值,平均偏差為30%。這是由于CJJ 152—2010建議值僅考慮交織流量低(匝道≤二進(jìn)一出)情況下的最小距離,雙進(jìn)雙出情況則通過增加輔助車道另行設(shè)計(jì)。此外,CJJ 152—2010建議值是基于駕駛員辨認(rèn)標(biāo)志所需時(shí)間5～10 s確定的最小距離,未考慮車輛在交織段中的運(yùn)行特征,在流量較大的情況下其取值偏小。4) 英國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)DMRB的最小凈距建議值中10%大于推薦值,平均偏差為25%。DMRB采用與HDM類似的系統(tǒng),在不同主線密度和設(shè)計(jì)速度下考慮交織流量對(duì)最小凈距的影響。5) 文獻(xiàn)[12]的最小凈距建議值中53%大于推薦值,平均偏差為38%。文獻(xiàn)[12]通過建立VISSIM仿真模型,考慮交織過程中車輛組成、主線交通量、運(yùn)行速度和優(yōu)先通行權(quán)等因素的影響確定城市快速路出入口間距,由于模型中交通量和V/C比選擇范圍有限,未能給出交織流量較大情況下的最小凈距。

4 結(jié)論

本文針對(duì)中國(guó)規(guī)范對(duì)城市立交相鄰匝道凈距定義不明確、設(shè)置不合理的問題,通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究體系明確最小凈距和交織段的定義和構(gòu)成,并基于美國(guó)加利福尼亞州《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)》(HDM),考慮主線速度、匝道速度、車道數(shù)、組合形式、服務(wù)水平等因素,計(jì)算同側(cè)先入后出相鄰匝道間的最小交織長(zhǎng)度推薦值。將該推薦值與JTG/T D21—2014、CJJ 129—2009、CJJ 152—2010及英國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)DMRB、文獻(xiàn)[12]中凈距建議值進(jìn)行對(duì)比,推薦值介于上限值(JTG/T D21—2014與CJJ 129—2009)和下限值(CJJ 152—2010和文獻(xiàn)[12])之間,與 DMRB建議值的擬合度較高。

山地城市存在立交多、立交形式復(fù)雜且交通流量大等特點(diǎn)。根據(jù)工程項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn),山地立交相鄰匝道凈距如直接采用JTG/T D21—2014與CJJ 129—2009建議值則過于保守,而直接采用CJJ 152—2010建議值會(huì)導(dǎo)致凈距過小。HDM模型經(jīng)過美國(guó)加利福尼亞州多個(gè)山地城市立交實(shí)踐證明其取值合理,同時(shí)該模型采用圖表查閱,簡(jiǎn)單直觀,適用于山地城市新建、改建立交匝道的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)。