袁國(guó)泰

(甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

中國(guó)高速公路與世界其他國(guó)家高速公路相比，具有路程長(zhǎng)、路況復(fù)雜、交通承載量大等特點(diǎn)。高速公路互通式立體交叉變速車道是指高速路與匝道交叉的路口段，供行駛的車輛進(jìn)行變速和駛?cè)搿Ⅰ偝鲈训?。高速公路變速車道的設(shè)計(jì)在一定程度上保障了汽車的行駛安全[1]。若高速公路變速車道設(shè)計(jì)不科學(xué)，會(huì)導(dǎo)致減速車道的車輛無法準(zhǔn)確地判斷出入口，而加速車道的車輛則無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地加速超車，嚴(yán)重時(shí)可能造成交通事故[2]。相關(guān)研究結(jié)果表明：48%的高速公路交通事故發(fā)生在高速公路的變速車道交匯處。高速公路變速車道的合理設(shè)計(jì)能很大程度地降低高速公路的事故發(fā)生率。較長(zhǎng)的高速公路變速車道能在一定程度上降低事故發(fā)生的概率，但常常伴隨著高昂的成本。因此，安全和經(jīng)濟(jì)性均衡的高速公路互通式立體交叉變速車道的設(shè)計(jì)尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高速公路互通式立體交叉變速車道已經(jīng)有了諸多研究。楊杰超[3]通過建模的方式，從成本的角度分析了變速車道長(zhǎng)度的合理設(shè)計(jì)值。黃建峰等[4]將相關(guān)的經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法應(yīng)用到互通式立交變速車道的研究中，通過建立事故統(tǒng)計(jì)模型并結(jié)合成本分析的方法提出了相應(yīng)的變速車道長(zhǎng)度建議值。史靜等[5]對(duì)比了美國(guó)、日本的高速公路變速車道的設(shè)計(jì)規(guī)范，系統(tǒng)地分析了高速公路互通式立體交叉變速車道長(zhǎng)度的合理范圍。王董晶[6]從變速車道的形式和車道控制參數(shù)等方面入手，重點(diǎn)闡述了變速車道橫縱坡的設(shè)計(jì)因素。

本文基于上述文獻(xiàn)的研究，綜合考慮了變速車道在經(jīng)濟(jì)、安全、適用性等各方面的條件，設(shè)計(jì)了各方面因素較為均衡的高速公路互通式立體交叉變速車道。

1 高速公路變速車道定義及特點(diǎn)

1.1 變速車道的定義

高速公路變速車道在保障汽車安全行駛方面起到重要的作用。立體交叉變速車道主要組成部分如圖1所示。立體交叉變速車道在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的是加速車道、減速車道。

圖1 立體交叉變速車道主要組成部分

1.2 變速車道形式及特點(diǎn)

高速公路的變速車道總體上可以劃分為兩種，分別為平行式和直接式。

1.2.1 平行式變速車道

平行式變速車道是在正線外側(cè)平行增設(shè)的一條附加車道。平行式變速車道的特點(diǎn)是車道劃分明確、行車容易辨認(rèn)。其包含加速車道和減速車道。

平行式變速車道形式如圖2所示。

圖2 平行式變速車道形式

平行式加速或減速車道是指將變速車道作為一個(gè)附加的車道增加在高速公路一旁，并與其保持平行。平行式變速車道的優(yōu)點(diǎn)是車輛在行駛的過程中有足夠的空間進(jìn)行加速或減速，可以相應(yīng)地增加司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間。

1.2.2 直接式變速車道

直接式變速車道不設(shè)平行路段，由正線斜向漸變加寬，形成一條與匝道連接的附加車道。直接式變速車道也包含加速車道和減速車道。

直接式變速車道形式如圖3所示。

圖3 直接式變速車道形式

直接式加速或減速車道是指附加在高速公路主干道的一段附加車道。直接式變速車道的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在整體變速的過程中車輛一直保持著原來的形式和方向，不用變化車道，減少了變化車道帶來的交通事故。

2 變速車道長(zhǎng)度研究

2.1 加速車道長(zhǎng)度確定

目前，針對(duì)高速公路變速車道模型的研究方法基本相同，都是假設(shè)高速行駛的車輛進(jìn)入變速車道時(shí)就維持一定的速度[7]。具體的計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中：LAcc為車輛在加速過程中所需要的變速車道的長(zhǎng)度；vm為車輛在變速車道上匯合之后的速度；vr為車輛駛出匝道時(shí)的瞬時(shí)速度；a為行駛車輛的加速度。

車輛的加速度的計(jì)算式為：

(2)

式中：v為汽車行駛的速度;t為時(shí)間;g為重力加速度；ε為車輛在加速過程中的阻尼比；η為機(jī)械效率；Bh為車輛有效輸出馬力；W為車輛整體的重量；μ為車輛的滾動(dòng)摩擦系數(shù)；R為空氣阻力系數(shù)；A為車輛投影面積。

2.2 減速車道長(zhǎng)度確定

車輛在減速的過程中，要完成車道之間的轉(zhuǎn)換，以及車輛行駛速度由高速向低速之間的轉(zhuǎn)變。減速車道主要作用是為主線交通流中的車輛駛出提供出口，并為使車輛達(dá)到與匝道線形比較適合的車速提供安全的附加車道。減速車道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的計(jì)算式需要根據(jù)車輛的實(shí)際減速要求設(shè)計(jì)。

(3)

式中：LDecel為車輛減速車道所需要設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度；vh為車輛在匝道分流時(shí)的瞬時(shí)速度；va為車輛在減速過程中的平均速度；dn為車輛在第一個(gè)階段減速過程中的加速度；tn為車輛在第一個(gè)階段減速過程持續(xù)的時(shí)間；dwb為車輛在第二個(gè)階段減速過程中的加速度。

va=vh+dntn

(4)

3 影響變速車道設(shè)計(jì)的因素

影響變速車道設(shè)計(jì)的因素有很多。這些因素有的來自駕駛員，有的來自不同車輛的動(dòng)力性能，還有的來自公路線形本身指標(biāo)。

3.1 駕駛員的因素

駕駛員的因素通過駕駛員的生理和心理特性體現(xiàn)。由于變速車道的作用是為了汽車在行駛的過程中能夠安全、快速地駛?cè)牖蝰偝鲈训?，所以變速車道的合理設(shè)計(jì)對(duì)車輛的行車安全、交通順暢起到很大的作用。如果高速公路的變速車道設(shè)計(jì)得太短，那么匝道上的車輛就極有可能出現(xiàn)排隊(duì)的現(xiàn)象，影響后續(xù)車輛的行駛安全。如果高速公路的變速車道設(shè)計(jì)得太長(zhǎng)，會(huì)增加其建設(shè)的成本，同時(shí)駕駛員在行駛的過程中會(huì)出現(xiàn)注意力不集中的情況。

3.1.1 駕駛員的視距

在汽車行駛的過程中，駕駛員在汽車內(nèi)會(huì)有一定的視野局限，并不能完全掌握周圍的交通情況。

3.1.2 駕駛員的視覺特征

駕駛員的視覺信息會(huì)受到很多因素的影響，包括反應(yīng)時(shí)間、視野等。由于駕駛員在行駛的過程中主要通過視覺接收外界的信息，所以駕駛員的視覺特征很大程度上影響了行車的安全。針對(duì)駕駛員的相關(guān)視覺特征，汽車在行駛的過程中會(huì)有一個(gè)安全的速度。駕駛員視力與汽車安全行駛速度的關(guān)系如表1所示[8]。

表1 駕駛員視力與汽車安全行駛速度的關(guān)系

3.2 車輛動(dòng)力性能的因素

不同汽車的性能有所區(qū)別，導(dǎo)致了汽車在行駛過程中會(huì)出現(xiàn)不同的安全距離。針對(duì)不同的車輛，在其行駛過程中需單獨(dú)考慮變速時(shí)的車速和方向。當(dāng)不同車型行駛于變速車道時(shí)，所需的安全變速行駛長(zhǎng)度也是不同的。以上因素對(duì)變速車道長(zhǎng)度的選取造成了很大的困難。路線設(shè)計(jì)規(guī)范要求必須針對(duì)車道上主要的代表車型進(jìn)行變速車道的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。按照我國(guó)的公路設(shè)計(jì)規(guī)范，須選取車道上的代表車型作為設(shè)計(jì)時(shí)的車輛進(jìn)行考慮。

3.3 公路線形本身指標(biāo)的因素

公路線形本身指標(biāo)影響因素主要是指公路的平、縱、橫等幾何線性指標(biāo)和它們之間的線形組合對(duì)變速車道長(zhǎng)度的影響。公路在設(shè)計(jì)相關(guān)指標(biāo)時(shí)都會(huì)一定程度影響汽車行駛的速度，從而間接影響高速公路變速車道的長(zhǎng)度。影響變速車道設(shè)計(jì)的主要因素是公路相關(guān)的平、縱、橫的指標(biāo)。規(guī)范提供的彎道半徑與汽車設(shè)計(jì)速度關(guān)系如圖4所示。

圖4 規(guī)范提供的彎道半徑與汽車設(shè)計(jì)速度關(guān)系

由圖4可知：當(dāng)變速車道的彎道半徑不同時(shí)，汽車駕駛員在行駛過程中的運(yùn)行速度表現(xiàn)出不同的特性。當(dāng)彎道半徑小于700 m時(shí)，隨著半徑逐漸增加，駕駛員的駕駛速度也按正比例提升。當(dāng)彎道半徑在700 m以上時(shí)，隨著半徑逐漸增加，駕駛員的駕駛速度緩慢增加，甚至不變。

汽車行駛速度和橫向力系數(shù)關(guān)系曲線如圖5所示[9]。由圖5可知：當(dāng)高速公路彎道半徑小于設(shè)計(jì)值時(shí)，汽車的橫向力系數(shù)與行駛速度關(guān)系曲線呈現(xiàn)非常陡的狀態(tài)。這說明了當(dāng)駕駛員行駛在彎道比較小的高速公路時(shí)，其整體的行駛舒適性會(huì)降低，甚至有可能影響其行駛的安全。

4 變速車道建設(shè)成本與效益成本比

4.1 變速車道建設(shè)成本模型

本小節(jié)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)和分析國(guó)內(nèi)高速公路互通式立交變速車道相關(guān)的交通情況。根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]的造價(jià)估算模型，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，本文構(gòu)建的高速公路變速車道長(zhǎng)度建設(shè)成本模型如式(5)所示。

CZ=578.84Y1+103.83Y2+249.52Y4-371.43×

4 807.22 lg(Y7)+507.63Y8+12 964.27

(5)

式中：CZ為建立高速公路互通式立交變速車道單位長(zhǎng)度的成本；Y1為高速公路路基的寬度；Y2為高速公路路基在施工過程中填土的高度；Y3為路面的結(jié)構(gòu)面厚度；Y4為路面的面層厚度；Y5為橋隧比；Y6為征地所用的面積；Y7為高速公路互通式立交的綠化長(zhǎng)度；Y8為互通式立交的交叉數(shù)量。

根據(jù)式(5)可以估算出變速車道長(zhǎng)度建設(shè)成本。其中，Y1=10 m；Y2=0.8 m；Y3=54 cm；Y4=20 cm；Y5=0；Y6=15 km2；Y7=1 km；Y8=1個(gè)。由此可以得出CZ=19 587.52萬元。

4.2 效益成本比

根據(jù)4.1節(jié)確定的建設(shè)成本模型和文獻(xiàn)[11]變速車道事故統(tǒng)計(jì)模型、直接財(cái)產(chǎn)損失數(shù)據(jù)，本文建立的高速公路互通式立體交叉變速車道的效益成本比為：

(6)

式中：B為單位里程變速車道長(zhǎng)度增加時(shí)事故數(shù)量和直接財(cái)產(chǎn)損失減少帶來的效益；C為單位里程變速車道長(zhǎng)度增加產(chǎn)生的建設(shè)成本；ΔN為增加變速車道相應(yīng)減少的交通事故數(shù)量；L為變速車道的長(zhǎng)度。

圖6 規(guī)范提供的彎道半徑與汽車行駛速度關(guān)系

由圖6可知建立高速公路互通式立體交叉變速車道的設(shè)計(jì)建議值。出口/入口變速車道長(zhǎng)度建議值如表2所示。

表2 出口/入口變速車道長(zhǎng)度建議值

5 結(jié)論

由于我國(guó)的高速公路的交通路況、承載量等與其他國(guó)家都不盡相同，所以在統(tǒng)計(jì)交通數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行狀況。對(duì)于高速公路互通式立體交叉變速車道的設(shè)計(jì)，本文采用已運(yùn)行的高速公路作為數(shù)據(jù)采集對(duì)象。本文根據(jù)以往高速公路的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析了變速車道的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值。依照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，互通式立體交叉變速車道的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合不同車輛的速度、乘車人員的舒適度、交通事故發(fā)生的概率等因素。本文通過采納變速車道的效益成本比和相關(guān)交通運(yùn)行的參數(shù)，最終形成互通式立體交叉變速車道長(zhǎng)度的合理設(shè)計(jì)模型。