王守偉 李美玲，2 冉 晉 張軍華

(1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院 濟(jì)南 250101； 2.山東高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室道路與交通工程實(shí)驗(yàn)室 濟(jì)南 250101；3.山東省交通科學(xué)研究院 濟(jì)南 250102； 4.山東高速股份有限公司 濟(jì)南 250101)

隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,交通出行需求日益增加，雙車(chē)道高速公路日趨難以滿足大眾的出行需求，拓寬改擴(kuò)建成為解決該難題的首選方法[1]。由于高速公路改擴(kuò)建期間需單側(cè)保通，通行車(chē)輛需跨越中分帶出入高速公路，使得互通區(qū)路段的交通環(huán)境危險(xiǎn)且復(fù)雜, 降低了道路服務(wù)水平。本文對(duì)高速公路改擴(kuò)建工程中互通立交處的交通效率和安全問(wèn)題進(jìn)行研究,進(jìn)而提出互通出入口中分帶開(kāi)口合理長(zhǎng)度設(shè)置方案，以保障互通立交處交通安全暢通。

高速公路改擴(kuò)建期間影響互通出入口交通安全的因素主要是中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度和不同道路幾何特征所帶來(lái)的不同車(chē)輛并入方式。Sarhan等[2]研究了主線交通量及匝道幾何特征與交通事故數(shù)之間的關(guān)系，并建立模型，分析三者相互作用的影響。王曉飛等[3]研究高速公路互通出入口區(qū)域的車(chē)輛特征并對(duì)該區(qū)域的行車(chē)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。王子豪等[4]提出公路接入口與中央分隔帶和平面交叉口最小間距的計(jì)算模型，計(jì)算得出各類(lèi)接入口最小間距推薦值。張可等[5]從行車(chē)安全的角度出發(fā)確定山區(qū)高速公路老路中央分隔帶封閉長(zhǎng)度。上述研究證明了改擴(kuò)建期間高速公路互通出入口行車(chē)安全的重要性，也為本文研究中分帶開(kāi)口合理長(zhǎng)度提供了借鑒。

由于獲取互通區(qū)域相應(yīng)事故數(shù)據(jù)較為困難，因此采用直接事故統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行的安全評(píng)價(jià)還存在困難[6]，也就很難確定最佳的中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度。基于此，現(xiàn)采用VISSIM微觀交通仿真結(jié)合SSAM模型進(jìn)行安全分析，確定最優(yōu)中分帶開(kāi)口的設(shè)置方案，以保障互通立交處交通的安全暢通。

1 問(wèn)題描述

濟(jì)南至青島段高速公路在改擴(kuò)建期間高速公路一側(cè)為單車(chē)道行駛，另一側(cè)為雙車(chē)道行駛，現(xiàn)有設(shè)計(jì)中兩側(cè)均未設(shè)置專(zhuān)用加減速車(chē)道，其平面示意見(jiàn)圖1。

圖1 未設(shè)置專(zhuān)用加減速車(chē)道平面示意

如圖1所示，行駛的車(chē)輛需跨施工區(qū)進(jìn)行出入，在行駛過(guò)程中還需要跨越中分帶。實(shí)際問(wèn)題中設(shè)置中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越方便設(shè)置科學(xué)完善的交通誘導(dǎo)設(shè)施，能最大限度地消除開(kāi)口區(qū)域的安全隱患；設(shè)置中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度較小，路面需要改造的工程量就越小，建設(shè)更加經(jīng)濟(jì)。本文力圖找到合理的中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度，使得在盡可能經(jīng)濟(jì)的情況下保障互通處行車(chē)的安全。

值得一提的是，在一些國(guó)家和地區(qū)，高速公路應(yīng)急車(chē)道除了發(fā)揮應(yīng)急的功能外，在某些特殊情況下還承擔(dān)著緩解交通擁堵的功能。由于在改擴(kuò)建特殊時(shí)期安全行車(chē)的緊急性和客觀性，本研究提出改擴(kuò)建期間占用部分施工區(qū)方向的應(yīng)急車(chē)道設(shè)置專(zhuān)用加減速道，設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道見(jiàn)圖2、設(shè)置專(zhuān)用減速車(chē)道見(jiàn)圖3，使得駕駛員的加速和減速過(guò)程在應(yīng)急車(chē)道的直線段進(jìn)行，旨在提高行車(chē)過(guò)程的效率和安全性。

圖2 設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道互通入口

圖3 設(shè)置專(zhuān)用減速車(chē)道互通出口

2 合理開(kāi)口長(zhǎng)度范圍選取

由于改擴(kuò)建期間的中分帶開(kāi)口合理長(zhǎng)度的確定屬于新事物，在現(xiàn)有的JTG H30-2015 《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》和JTG D20-2017 《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范中并未明確規(guī)定，現(xiàn)參考相關(guān)規(guī)范中未改擴(kuò)建期間的互通出入口開(kāi)口長(zhǎng)度進(jìn)行推算，且在此基礎(chǔ)上滿足安全視距的要求。

2.1 現(xiàn)可參考的指標(biāo)

根據(jù)調(diào)查，濟(jì)青高速互通出入口相鄰車(chē)道限速80～100 km/h，匝道限速40 km/h。現(xiàn)有JTG D20-2017 《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)未改擴(kuò)建期間互通出入口車(chē)道長(zhǎng)度有關(guān)規(guī)定如下：當(dāng)主線上車(chē)輛的行車(chē)速度為80 km/h時(shí)，互通入口車(chē)道長(zhǎng)度應(yīng)為210 m，出口車(chē)道長(zhǎng)度應(yīng)為130 m；當(dāng)主線車(chē)輛行車(chē)速度為100 km/h時(shí)，互通入口車(chē)道長(zhǎng)度應(yīng)為240 m，出口車(chē)道長(zhǎng)度應(yīng)為150 m。JTG H30-2015 《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》規(guī)定：當(dāng)匝道限速為40 km/h時(shí)，互通入口車(chē)道長(zhǎng)度應(yīng)為100 m，出口車(chē)道長(zhǎng)度應(yīng)為90 m。濟(jì)青高速現(xiàn)行設(shè)計(jì)資料中規(guī)定轉(zhuǎn)序區(qū)限速為40 km/h時(shí)，中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度為105 m。

2.2 安全視距的要求

在考慮幾何條件影響互通出入口中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度時(shí)，重點(diǎn)要對(duì)視距安全性進(jìn)行分析。按照《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，高速公路互通出入口內(nèi)供車(chē)輛加減速道路的視距均應(yīng)滿足停車(chē)視距的要求，在此基礎(chǔ)上增加5～10 m的安全距離。按照式(1)計(jì)算車(chē)輛的停車(chē)視距。

(1)

式中：S為車(chē)輛在互通出入口范圍的停車(chē)視距，m；v為車(chē)輛在互通出入口的實(shí)際運(yùn)行速度，km/h；t為駕駛員的操作反應(yīng)時(shí)間，一般取2.5 s；g為重力加速度，一般取9.8 m/s2；f為路面縱向摩阻系數(shù)，高速公路一般取0.7～1.1，出于安全考慮，本研究取為0.7。

由于進(jìn)入匝道后汽車(chē)速度不應(yīng)大于40 km/h，取匝道汽車(chē)運(yùn)行速度最大40 km/h得出安全的停車(chē)視距為50 m。

綜上所述，得出中央分隔帶合理開(kāi)口長(zhǎng)度范圍推算表見(jiàn)表1。

表1 中分帶開(kāi)口合理長(zhǎng)度匯總表

3 仿真方案設(shè)計(jì)

3.1 研究問(wèn)題及評(píng)價(jià)指標(biāo)

現(xiàn)以不同的交通量組合條件(主線和匝道的不同流量)作為背景變量，設(shè)置仿真方案以研究以下2個(gè)問(wèn)題。

1) 針對(duì)出入口是否設(shè)置專(zhuān)用加減速車(chē)道，研究哪個(gè)更有效率、安全性更高。

2) 對(duì)于高速公路有無(wú)設(shè)置專(zhuān)用加減速車(chē)道的方案，不同中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)不同加減速車(chē)道長(zhǎng)度，研究哪個(gè)方案更有效率、安全性更高。

根據(jù)研究問(wèn)題對(duì)交通效率和交通安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。VISSIM輸出交通效率評(píng)價(jià)指標(biāo)——車(chē)均延誤和平均行程時(shí)間。通過(guò)交通安全評(píng)價(jià)軟件SSAM可得施工區(qū)交通轉(zhuǎn)換帶的交通沖突數(shù)及交通沖突類(lèi)型。為客觀地反映交通安全水平,將交通沖突數(shù)與交通量、路段長(zhǎng)度的比值定義為交通沖突率，其計(jì)算方法見(jiàn)式(2)。

(2)

式中:f為單位小時(shí)交通轉(zhuǎn)換帶沖突率,次/(pcu·km);Nrc為單位小時(shí)內(nèi)的交通沖突數(shù),次/h;Q為交通轉(zhuǎn)換帶單位小時(shí)交通量,pcu/h;L為交通轉(zhuǎn)換帶研究范圍長(zhǎng)度,km。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2.1路網(wǎng)仿真參數(shù)設(shè)置

對(duì)濟(jì)青高速公路改擴(kuò)建路段實(shí)際狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分方向、分車(chē)道、分車(chē)型，按樁號(hào)進(jìn)行地點(diǎn)車(chē)速、車(chē)流、交通構(gòu)成調(diào)查，確定仿真路網(wǎng)長(zhǎng)度為1.5 km，車(chē)道寬度3.75 m。小客車(chē)占樣本總量70%、大客車(chē)占10%、小貨車(chē)占5%、中貨占5%、大貨占10%。大車(chē)率約為0.2。

仿真路網(wǎng)輸入交通量，采取單向輸入的方式。根據(jù)實(shí)際調(diào)查結(jié)果，高速公路主線交通量根據(jù)不同位置從1 000～2 000 pcu/h不等,匝道交通量從200～400 pcu/h不等。根據(jù)飽和度和各路段通行能力推算，仿真輸入交通量為低飽和度1 000 pcu/h、中飽和度1 500 pcu/h、高飽和度2 000 pcu/h 3個(gè)水平，匝道輸入相應(yīng)自然車(chē)輛數(shù)200,300,400 pcu/h。

3.2.2模型標(biāo)定和參數(shù)輸入

現(xiàn)有VISSIM模型參數(shù)是根據(jù)國(guó)外交通情況設(shè)定，不同地區(qū)、不同研究對(duì)象的交通特性存在差異，因此在仿真模型應(yīng)用前必須先進(jìn)行模型微觀參數(shù)的檢驗(yàn)和標(biāo)定(參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2)。根據(jù)濟(jì)青高速公路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取流量、平均速度、延誤、行程時(shí)間和排隊(duì)長(zhǎng)度5個(gè)標(biāo)定指標(biāo)和14個(gè)微觀參數(shù)開(kāi)展敏感性分析工作。最終通過(guò)試驗(yàn)分析和最優(yōu)解的判定，可得重要微觀參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)設(shè)計(jì) km/h

表3 標(biāo)定主要參數(shù)取值表

3.3 設(shè)計(jì)仿真方案

高速公路改擴(kuò)建時(shí)期的中分帶開(kāi)口合理長(zhǎng)度仿真流程見(jiàn)圖4。

圖4 中分帶最優(yōu)長(zhǎng)度仿真流程

據(jù)互通出入口段中分帶開(kāi)口合理長(zhǎng)度對(duì)比表(見(jiàn)表1)可得，設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道中分帶開(kāi)口合理長(zhǎng)度分布在100～240 m，設(shè)置專(zhuān)用減速車(chē)道中分帶開(kāi)口合理長(zhǎng)度分布在90～150 m，進(jìn)而得出設(shè)計(jì)仿真方案。不同主線和匝道流量飽和度兩兩相互組合形成9組不同的飽和度方案，入口處中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度分為100，125，150，175，200，225和250 m 7個(gè)仿真長(zhǎng)度，出口處中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度分為90，100，110，120，130，140，150 m 7個(gè)仿真長(zhǎng)度。分別進(jìn)行主線和匝道不同飽和度下未設(shè)置加減速車(chē)道和設(shè)置加減速車(chē)道方案仿真。

4 仿真方案評(píng)價(jià)

4.1 設(shè)置加減速車(chē)道交通評(píng)價(jià)

針對(duì)不同中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度、不同交通流飽和度下的加減速車(chē)道進(jìn)行交通評(píng)價(jià)，按照仿真方案進(jìn)行VISSIM仿真和SSAM評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，未設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道與設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道的匯入段和駛離段平均行程時(shí)間和平均延誤并沒(méi)有明顯的差別，但在沖突率方面，未設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道沖突率見(jiàn)圖5。

圖5 未設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道沖突率

由圖5可見(jiàn)，沖突率集中在0.5%～8.5%之間，隨著開(kāi)口長(zhǎng)度的增加有先降低后升高的趨勢(shì)，沖突率均值在中分帶開(kāi)口175～200 m時(shí)達(dá)到低峰。且匝道流量飽和度的變化對(duì)沖突率的影響更為明顯，匝道流量越高沖突率也普遍越高。設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道沖突率圖，見(jiàn)圖6。

圖6 設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道沖突率

由圖6可見(jiàn)，沖突率大多集中在0.5%～5.5%，同時(shí)受匝道流量飽和度的影響也較為明顯。相比可知，設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道的沖突率有明顯的降低，在開(kāi)口長(zhǎng)度為150 m時(shí)，沖突率平均值達(dá)到了最低2.67%。

減速車(chē)道的沖突率集中在0.1%～1.5%，設(shè)置專(zhuān)用減速車(chē)道沖突率集中在0～0.75%之間，兩者差距較小，且各飽和度流量下的行車(chē)均較為安全。綜上，濟(jì)青高速公路出入口占用部分應(yīng)急車(chē)道區(qū)域設(shè)置加減速車(chē)道能較大地提升行車(chē)安全性，故在有條件的情況下應(yīng)盡量選擇設(shè)置專(zhuān)用加減速車(chē)道。

4.2 中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度評(píng)價(jià)

根據(jù)VISSIM仿真所得的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)對(duì)不同交通流飽和度下的中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。未設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道平均行程時(shí)間見(jiàn)圖7，未設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道平均延誤見(jiàn)圖8。根據(jù)圖7、圖8仿真結(jié)果，未設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道匯入段隨著開(kāi)口長(zhǎng)度的不斷增加平均行程時(shí)間震蕩起伏。在開(kāi)口長(zhǎng)度為225 m左右時(shí)，根據(jù)不同飽和度交通量的平均行程時(shí)間圖(圖7)和平均延誤圖(圖8)顯示，各指標(biāo)均處于低峰，且此時(shí)車(chē)道的沖突率也處于較低的狀態(tài)。故在濟(jì)青高速未設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道時(shí)，應(yīng)以225 m為最佳參考長(zhǎng)度。

同時(shí)，未設(shè)置專(zhuān)用減速車(chē)道仿真方案的平均行程時(shí)間隨著開(kāi)口長(zhǎng)度和車(chē)流飽和度的變化并無(wú)明顯的變化。高飽和度流量的平均延誤隨著開(kāi)口長(zhǎng)度的變化有較大的起伏，且在開(kāi)口長(zhǎng)度為100 m時(shí)平均延誤為最小值。故在濟(jì)青高速設(shè)置減速車(chē)道時(shí)，應(yīng)以100 m為最佳參考長(zhǎng)度。

圖7 未設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道平均行程時(shí)間

圖8 未設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道平均延誤

在設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)受主線流量飽和度的影響較為明顯，且飽和度越高平均行程時(shí)間和平均延誤也越高。專(zhuān)用加速車(chē)道平均行程時(shí)間見(jiàn)圖9，專(zhuān)用加速車(chē)道平均延誤見(jiàn)圖10。由圖9、圖10可見(jiàn)，隨著開(kāi)口長(zhǎng)度的不斷增加，根據(jù)匯入段的平均行程時(shí)間圖(見(jiàn)圖9)和平均延誤圖(見(jiàn)圖10)顯示，各指標(biāo)都在緩慢降低，各飽和度流量的評(píng)價(jià)指標(biāo)在開(kāi)口長(zhǎng)度為250 m時(shí)普遍達(dá)到最低水平，此時(shí)沖突率的平均值為3.1%，處于各開(kāi)口長(zhǎng)度下的中等水平。故在綜合考量安全性與效率的情況下，在濟(jì)青高速設(shè)置專(zhuān)用加速車(chē)道時(shí)，應(yīng)以250 m為最佳參考長(zhǎng)度。

圖9 專(zhuān)用加速車(chē)道平均行程時(shí)間

圖10 專(zhuān)用加速車(chē)道平均延誤

專(zhuān)用減速車(chē)道的平均行程時(shí)間和平均延誤隨著開(kāi)口長(zhǎng)度的增加都在緩慢降低，與此同時(shí)沖突率的平均值也處于較低水平，故在有條件的情況下應(yīng)盡量選取最大的150 m開(kāi)口長(zhǎng)度。

綜合仿真數(shù)據(jù)，高速設(shè)置專(zhuān)用加減速車(chē)道行車(chē)的平均行程時(shí)間和平均延誤在中、高飽和度流量時(shí)有較為明顯的優(yōu)化，但在低飽和度和高飽和度流量中并沒(méi)有顯示出這種變化。故在實(shí)際案例中應(yīng)綜合考慮不同時(shí)期的流量等多方面因素進(jìn)行設(shè)置。

5 結(jié)論

1) 與未設(shè)置專(zhuān)用加減速車(chē)道的方案相比，設(shè)置了專(zhuān)用加減速車(chē)道的道路行車(chē)沖突率更低，安全性更高。

2) 現(xiàn)行設(shè)計(jì)方案(中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度105 m)并不是最佳的開(kāi)口長(zhǎng)度。現(xiàn)狀未設(shè)置專(zhuān)用加減速車(chē)道，互通入口處中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度以225 m為宜，出口處中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度以100 m為宜，此時(shí)不同飽和度交通量的平均行程時(shí)間和平均延誤時(shí)間都處于較低水平。

3) 綜合考慮行車(chē)安全和效率，設(shè)置專(zhuān)用加減速車(chē)道的濟(jì)青高速公路入口處中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度以250 m為宜，出口處中分帶開(kāi)口長(zhǎng)度以150 m為宜，且應(yīng)在有條件的情況下盡量設(shè)置專(zhuān)用加減速車(chē)道。