王軍平， 呂紀(jì)云， 陳昶

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 湖北 武漢 430056)

伴隨著高速公路的建設(shè)步伐加快，貨運(yùn)產(chǎn)業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展，貨車保有量日趨增長，2017年中國民用載貨汽車保有量達(dá)到了2 338.85萬輛，公路營運(yùn)載貨汽車達(dá)到了1 368.62萬輛，相應(yīng)的高速公路上超限超載問題愈發(fā)嚴(yán)重。如何應(yīng)對超限運(yùn)輸給道路帶來的危害已是一個顯著問題，國家雖然出臺了一定的超限管理辦法，但JTG D20-2006《公路路線設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于超限檢測站的設(shè)置條件以及車輛駛離高速公路的勸返車道設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)仍未有詳細(xì)規(guī)定，有必要對超限檢測站及勸返車道設(shè)置技術(shù)進(jìn)行研究，從而完善和細(xì)化道路設(shè)計規(guī)范。

1 超限檢測站設(shè)置研究

目前中國對于貨車的計重主要依賴于“靜止”稱重，貨車以較低速度通過稱重臺，滿足規(guī)定的駛?cè)敫咚俟?，不滿足規(guī)定的進(jìn)行相應(yīng)處理。由于檢測系統(tǒng)布設(shè)在收費(fèi)廣場漸變部分，稱重技術(shù)相對滯后，在一定程度上制約了高速公路的通行能力。所以，為避免類似于“京藏高速大堵車”之類的事件繼續(xù)發(fā)生，對于不停車計重收費(fèi)系統(tǒng)(EWTC)的研究尤為迫切。EWTC結(jié)合了電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)和動態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)二者的功能，收費(fèi)與稱重同時進(jìn)行，將有效保障道路的通行效率。

1.1 EWTC車道寬度

《高速公路收費(fèi)站及收費(fèi)廣場設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于ETC的車道寬度的規(guī)定是3.5 m，這能否滿足大貨車的需求是值得商榷的。根據(jù)“波良可夫”模型，車道橫向安全距離采用式(1)計算：

(1)

式中：W為車道寬度(m)；W1為車輛寬度(m)；W2為車輛所需安全間距(m)；V為設(shè)計速度(km/h)。

通常收費(fèi)廣場限速為20 km/h，可得出車輛所需安全間距為0.6 m。大型貨車的車寬取2.5 m，進(jìn)而得到車輛所需的最小寬度為3.7 m?？紤]到車輛在稱重臺與周邊結(jié)構(gòu)物的安全距離并避免司機(jī)快速通過時心理上產(chǎn)生影響，EWTC寬度取4 m。

1.2 稱重區(qū)長度

稱重區(qū)長度由3部分組成：車輛長度、設(shè)備布設(shè)長度和設(shè)備響應(yīng)距離，如式(2)所示：

L稱重區(qū)=L1+L2+L3

(2)

式中：L稱重區(qū)為稱重區(qū)長度(m)；L1為車輛長度(m)；L2為設(shè)備布設(shè)長度(m)；L3為設(shè)備響應(yīng)距離(m)。

現(xiàn)階段中國最長的拖掛車長度為24 m，L1取24 m；設(shè)備布設(shè)長度L2為2.04 m；稱重區(qū)設(shè)備的響應(yīng)時間為0.5 s，L3取2.78 m，進(jìn)而得出稱重區(qū)長度為28.82 m，取整為30 m。在車輛進(jìn)入稱重區(qū)前后，通信天線的距離各為10 m。當(dāng)車輛完全駛出稱重區(qū)后，司機(jī)調(diào)整車速的反應(yīng)距離采用信息量處理模型計算，計算結(jié)果為17.6 m，取為20 m。所以整個稱重區(qū)的布設(shè)如圖1所示。

當(dāng)收費(fèi)廣場直線段長度不足以滿足稱重區(qū)設(shè)置條件時，可利用收費(fèi)廣場漸變段布設(shè)，如圖2所示。

圖1 稱重區(qū)布置示意圖1(單位：cm)

圖2 稱重區(qū)布置示意圖2(單位：cm)

2 稱重區(qū)寬度漸變指標(biāo)研究

2.1 車輛換道模型研究

如圖2所示，當(dāng)車輛駛?cè)敕Q重區(qū)時，存在換道行為。現(xiàn)階段，國內(nèi)外對于車輛的換道行為與運(yùn)行軌跡研究已取得了一定成果。根據(jù)車輛換道做S形行駛的特點(diǎn)，可簡化為緩和曲線與圓曲線兩種換道模型。在低速行駛中駕駛員習(xí)慣于快速轉(zhuǎn)動方向盤進(jìn)行換道，車輛行駛軌跡曲率是突變的，可簡化為兩段反向圓曲線。從直觀性與計算簡便性來看，低速行駛時可推薦圓曲線作為車輛換道模型，車輛運(yùn)行軌跡如圖3所示。圓曲線換道模型的基本條件為：① 換道中臨界點(diǎn)附近方向盤瞬時性轉(zhuǎn)動；② 換道過程中車輛運(yùn)行速度基本不變；③ 圖中凸形曲線由兩段反向圓曲線組成，其半徑以安全轉(zhuǎn)彎半徑來控制。

圖3 圓曲線換道模型軌跡圖

如圖3所示，當(dāng)前車道寬度為W1，目標(biāo)變換車道寬度為W2，圓曲線半徑分別為R1、R2。根據(jù)圖3所示換道軌跡，曲線各幾何元素計算如下列各式所示：

圓心角：α1=arccos[(R1-W1/2)/R1]

(3)

切線長度：T1=R1·tan(α1/2)

(4)

同理計算出切線長度T2。得到車輛的橫向移動寬度和縱向前進(jìn)距離分別為：

(5)

式中：α=α1=α2。

2.2 車輛換道安全轉(zhuǎn)彎半徑

根據(jù)車輛行駛的受力平衡方程可得：

(6)

式中：R為圓曲線半徑(m)；v為行駛速度(km/h)；μ為橫向力系數(shù)；ih為超高值。

利用式(6)計算車輛換道安全轉(zhuǎn)彎半徑的前提是確定不同設(shè)計速度下的最大橫向力系數(shù)與ih(收費(fèi)廣場直線路段為路拱橫坡)。當(dāng)橫向力系數(shù)μ=0.15時，車輛燃料消耗為120%，輪胎磨耗為390%，轉(zhuǎn)彎時已感到有曲線存在，但尚屬于平穩(wěn)。從駕駛的安全性與舒適性來考慮，計算轉(zhuǎn)彎半徑時μ不宜大于0.15。結(jié)合車輛不發(fā)生橫向滑移的要求與研究成果，最大橫向力系數(shù)的取值如表1所示。

表1 最大橫向力系數(shù)取值

根據(jù)表1中的橫向力系數(shù)取值，可得出不同設(shè)計速度與橫坡下車輛安全換道的最小半徑，如表2所示。由于車輛在收費(fèi)廣場速度普遍較低，故僅計算低速情況下車輛的安全轉(zhuǎn)彎半徑。

表2 安全轉(zhuǎn)彎半徑值

2.3 稱重區(qū)寬度漸變指標(biāo)值

車輛換道橫向移動寬度與縱向移動距離的比值即是行車道寬度漸變率。如式(7)所示：

K=Lx/Ly

(7)

式中：Lx為橫向移動寬度(m)；Ly為縱向移動距離(m)。

結(jié)合ETWC車道寬度與車輛安全轉(zhuǎn)彎半徑，可以確定車輛換道的橫向移動寬度與縱向移動距離，進(jìn)而得出不同設(shè)計速度與路拱橫坡下的車道寬度漸變率，計算結(jié)果如表3所示。

表3 換道模型車道寬度漸變率

根據(jù)表3可發(fā)現(xiàn)：① 路拱橫坡不變，設(shè)計速度越高，所需的漸變率越??；② 設(shè)計速度不變、路拱橫坡越大，所需的漸變率越小，但路拱橫坡對漸變率的影響相對較小。當(dāng)車道寬度發(fā)生變化時，稱重區(qū)寬度漸變指標(biāo)取值可參照表3，其推薦值如表4所示。

表4 稱重區(qū)寬度漸變指標(biāo)值推薦值

3 勸返車道設(shè)置研究

經(jīng)過稱重區(qū)后，超載車輛存在兩種選擇：① 卸載部分貨物，繼續(xù)駛?cè)敫咚俟罚虎?拒絕卸載貨物，利用勸返車道返回。當(dāng)車輛選擇返回時，就需要設(shè)置勸返車道以方便車輛駛離。通常，勸返車道有兩種布設(shè)方式：① 車輛離開稱重區(qū)后，從收費(fèi)廣場右側(cè)調(diào)頭，駛離高速公路；② 當(dāng)受地形條件限制時，利用收費(fèi)廣場開口引導(dǎo)車輛駛離。

3.1 利用勸返車道調(diào)頭

對于地形條件較好，征地不受限制的地區(qū)，勸返車道可布設(shè)在稱重區(qū)與收費(fèi)站入口之間。車輛經(jīng)過勸返車道駛離，進(jìn)入地方路，如圖4所示。在G1816烏海至瑪沁國家高速公路景泰至中川機(jī)場段施工圖設(shè)計中，擬建的喜泉互通便采用了圖4的布設(shè)方式。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了勸返車輛與正常行駛車輛的完全分離，避免了交織，可以有效地保障行車安全。同時，該方案可以有效彌補(bǔ)執(zhí)法人員不足的缺失，節(jié)約一定的人力成本。當(dāng)收費(fèi)站距離地方路較遠(yuǎn)時可采用圖5中的布設(shè)方式。在平?jīng)鲋辆d陽國家高速公路(G8513)平?jīng)?華亭)至天水段施工圖設(shè)計中擬建的安伏互通與中灘互通便采取了圖5所示方式。對于收費(fèi)廣場與勸返車道之間的征地可用作卸貨區(qū)征地與執(zhí)法人員的住房用地。

圖4 勸返車道布置示意圖(方案1)(單位：m)

圖5 勸返車道布置示意圖(方案2)(單位：m)

對于勸返車道的轉(zhuǎn)彎半徑，最小值可采用表2的計算結(jié)果，有條件的情況下可適當(dāng)加大圓曲線半徑以保證車輛平穩(wěn)駛出。結(jié)合收費(fèi)廣場的速度限制與上述計算結(jié)果，建議勸返車道半徑最小采用25 m。

3.2 利用收費(fèi)廣場調(diào)頭

當(dāng)收費(fèi)廣場周邊地形條件受限或征地困難時，勸返車輛可利用收費(fèi)廣場掉頭。車輛從收費(fèi)廣場中穿過，與正常行駛車輛存在交織，所以該處是事故發(fā)生的一個隱患點(diǎn)。若勸返車道采用此方案，則需要通過執(zhí)法人員的引導(dǎo)以及相應(yīng)標(biāo)志、標(biāo)線的設(shè)置才可以充分保證行車安全。

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)約占地，避免專門設(shè)置一條勸返車道，可減少部分開支。缺點(diǎn)在于存在沖突點(diǎn)，貨車轉(zhuǎn)彎時會影響到正常行駛車輛，會引起堵塞或交通事故。所以，在實(shí)際應(yīng)用時，盡量避免此種布設(shè)方案。

4 結(jié)論

(1) 結(jié)合超限運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀，提出了不停車計重收費(fèi)系統(tǒng)(EWTC)建設(shè)的必要性，并通過分析“波良可夫”模型與貨車稱重需求，確定了EWTC車道寬度與稱重區(qū)長度。

(2) 基于車輛換道行駛軌跡特征，提出了圓曲線換道模型，進(jìn)而確定了車輛換道的安全轉(zhuǎn)彎半徑，從而明確了稱重區(qū)寬度漸變指標(biāo)取值。

(3) 通過分析超載車輛的駛離選擇，提出了勸返車道的不同設(shè)置方式及其相應(yīng)的工程實(shí)例。同時，明確了不同布設(shè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，以期為工程建設(shè)提供參考。