立交環(huán)形匝道平面線形組合安全性研究

王 桀，陳雨人，曾學科

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室)

1 環(huán)形匝道平面線形組合安全設計

1.1 考慮運行車速的匝道設計

城市快速路立交匝道之所以發(fā)生較多的交通事故，其主要原因之一是匝道上的運行速度變化頻繁。車輛進入立交區(qū)，從主線駛入減速車道，再到匝道正常路段，再駛入加速車道最后駛入主線，其行駛速度是在不斷變化的。而《城市道路設計規(guī)范(CJJ 37-1990)》僅以匝道設計速度作為依據(jù)設計整條匝道的線形，該速度僅是滿足匝道受限制路段的最大安全半徑，若以該速度指導其他段的線形設計，必然有產生較大安全隱患的可能性。因此，應從安全性的要求出發(fā)，采取靈活的設計手段，根據(jù)可能的運行狀況設計與之相適應的匝道線形，確定出相適應的平縱線形指標。這不但有利于較好地控制立交規(guī)模，適應地形限制，減少用地和節(jié)約造價，而且更可以使立交線形美觀協(xié)調，滿足行駛功能和安全需求。

相關研究均表明，運行車速的主要影響因素是平曲線的半徑。要使匝道上的線形適應運行速度的要求，最主要的一點就是使匝道的平面線形適應運行車速一致性變化的需求。在道路上行駛時，駕駛人根據(jù)自己對車輛的了解和對前景道路線形視覺景觀等判斷和調整車速，他們并不清楚行駛道路的設計車速。運行車速理論的核心就是通過改善相鄰路段指標組合，降低容許運行速度差，從而消除安全隱患。運行車速的一致性在于使相鄰路段的運行速度差小于一定的臨界值，對于匝道的情況，運行車速的一致性就是要使匝道上的運行車速加減過程放緩，避免速度急劇增減帶給駕駛員過多駕駛負擔，避免翻車和追尾事故的發(fā)生，提高車輛的穩(wěn)定性和乘客的舒適度。

1.2 城市快速路環(huán)形匝道及其平面線形組合情況

在各種匝道類型中，環(huán)形匝道往往是制約立交規(guī)模和功能的關鍵，其線形直接影響整個立交的服務水平和運營經濟性。環(huán)形匝道中往往集中了立交的最小技術指標(如最小平曲線半徑、最大縱坡、最大超高等)，直接影響行車的舒適性和安全性。因此，對環(huán)形匝道進行足夠的研究尤為迫切。另一方面，環(huán)形匝道的平面線形組合又相對簡單，由此入手平面線形組合的安全性問題可以為研究打開一個突破口。

平面線形的組合可以分成基本型、S型、卵型、凸型、C型和復合型等。就環(huán)形匝道而言，其平面線形組合形式以基本型和復合型為主，復合型又分為復曲線組合型、三心圓對稱組合型、三心圓非對稱組合型等。取國內的20個快速路立交上的37條基本型線形的環(huán)形匝道進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其緩和曲線與圓曲線長度比存在以下規(guī)律:大多數(shù)環(huán)形匝道的緩圓比在0.2到1之間，平均值為0.515 1。

1.3 環(huán)形匝道線形組合對安全的影響性分析

汽車在環(huán)形匝道上的運行速度變化頻繁，行車速度不一致導致各類事故的發(fā)生，其事故類型一般有分流減速過程中的尾撞事故、出口端或勻速段的翻車事故、加速合流過程的擠撞事故、入口端的碰撞事故。環(huán)形匝道的緩圓比與安全存在一定的聯(lián)系。緩和曲線作為設置在直線和圓曲線或者不同半徑圓曲線之間的一種曲率變化連續(xù)的曲線，其目的在于通過線形曲率漸變使速度合理漸變，并且使得線形在視覺上美觀協(xié)調。此目的對緩和曲線的設計提出基本要求，而《城市道路設計規(guī)范(CJJ 37-1990)》只對緩和曲線最小長度和匝道緩和段的最大縱坡做出了規(guī)定，而對匝道緩和段的緩和曲線參數(shù)和緩圓比這些影響到匝道安全的參數(shù)均未作出規(guī)定，使得設計中一般根據(jù)具體情況和經驗來選擇，往往具有一定的隨意性。

圖1 緩和曲線與圓曲線長度比分布圖

圖2 匝道各組成部分事故類型分布圖

緩和曲線長度和緩圓比設計不合理將影響交通安全。沒有緩和曲線將使曲率和速度缺乏漸變，而過長的緩和曲線將使駕駛員高估曲線半徑而超速行駛。理想的緩和曲線長度等于按所需轉向操作時間行駛的距離。匝道的緩和曲線在于和車輛的合理加減速軌跡相適應，即合理的緩圓比要與車輛的加減速距離吻合。由于環(huán)形匝道上的圓曲線半徑一般都很小，車輛從線形條件較好的主線上進入這些匝道基本都存在曲率的較大變化，這就要求緩和段要起到足夠的減速作用;另一方面，車輛從小半徑的匝道中段到相交道路上也存在曲率的較大變化，也需要緩和段滿足加速作用;加減速過程之間也需要圓曲線給駕駛員足夠的適應和緩沖。故此三段長度比對安全尤為重要。

2 不同線形組合條件下的匝道安全性研究模擬駕駛實驗

2.1 實驗場景設計

本實驗通過AutoCAD繪制立交匝道，然后導入SketchUp建立匝道模型。通過1.2節(jié)的分析，可以得到環(huán)形匝道平面線形組合中的代表性緩圓比值分布情況，即大多數(shù)環(huán)形匝道的緩和曲線/圓曲線比值在0.2～1之間。因此，本實驗選擇下列緩圓比的情況分別建立匝道及附近區(qū)域模型，這些緩圓比包括0.2、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.2，故共計建7 個模型。根據(jù)城市道路設計規(guī)范對環(huán)形匝道(設計速度40 km/h)和快速路等級的要求，圓曲線半徑都取為60 m，令前緩和曲線和后緩和曲線長度相同，通過改變緩和曲線參數(shù)A值來改變緩和曲線和圓曲線的長度比值，得到的緩和曲線與圓曲線長度均符合規(guī)范要求。減速車道和加速車道長度分別按規(guī)范取為85 m和210 m，匝道段道路寬度取8 m，中間繪制標線。

2.2 實驗過程

實驗者為五名持證駕駛員，駕齡2～5年之間。首先讓駕駛員熟悉駕駛模擬器，正式實驗開始后，駕駛員首先從500 m外沿主路直行開到減速車道處，并保證在減速車道口的瞬時速度在60 km/h以上。然后依次開過減速車道、環(huán)形匝道、加速車道，最后駛離加速車道口。每個駕駛員對每個模型做一次實驗，故共計實驗35次，較好地反映了實驗數(shù)據(jù)的真實性。

3 實驗結果分析

3.1 環(huán)形匝道的運行速度分布特性

車速是描述車輛運動的一個基本參數(shù)，是度量車輛運行安全情況的一項主要指標。為了全面深入地了解環(huán)形匝道的線形安全性，需要從運行車速的分布特性角度展開分析。通過上述實驗，可以得出運行車速在匝道上各點的分布狀況，以緩圓比為1∶1∶1的情況為例，經過分析可以得到如下速度與加速度在路段各處的分布圖。

圖3 緩圓比為1∶1∶1時的匝道與加減速車道速度分布圖

圖4 緩圓比為1∶1∶1時的匝道與加減速車道速度分布圖

從圖中可以得到，車輛在匝道前后的行駛明顯地分成減速、勻速、加速三個段。車輛的減速行為主要發(fā)生在減速車道的前半段與出口之后57 m一段，這兩段的減速度值較大，最大的減速度值甚至達到3.64;而在減速車道的后半段則較小，最大的減速度值約為0.55。從減速車道后半段到出口后一段的減速度急劇變化，反映了緩和曲線曲率變大給駕駛員帶來的心理影響，使駕駛員產生急劇減速的要求。與此對應，車輛加速行為(加速段主要含入口前90 m一段和加速車道段)中的加速度值則基本上保持一致性，在0.97～1.17之間，總體上表明加速過程較平緩，這主要是由于環(huán)形匝道上的曲率較大，同時前一段上的勻速行駛也使駕駛員不傾向于過大的改變速度。而從出口之后57 m到入口之前90 m的中間段，長270 m，車輛加速度在-0.55～0.42之間上下擺動，基本上可以視為勻速運動。從環(huán)形匝道的線形角度，車輛大體在前緩和曲線的前半段就已急劇完成減速，而加速過程則平緩地在整個后緩和曲線和加速車道上完成，上述規(guī)律也表現(xiàn)在其他緩圓比下的實驗結果中。

3.2 不同平面線形組合對匝道安全性的影響

車輛行駛中在不涉及換道時，能夠盡量不偏離道路設計者為其設計的道路中心線，使車輛軌跡依循道路，是確保道路安全的重要方面。故良好的道路線形應從駕駛員的視覺、心理出發(fā)，注重線形對視覺的誘導作用，能夠預告道路前方路況的變化，使道路景觀設計符合駕駛員的需要。良好的立交線形設計應該使得不同駕駛者在同一路段上的行駛軌跡能夠較好地擬合出一條大致的曲線，這是線形對視覺誘導作用的外在體現(xiàn)。通過所做的環(huán)形匝道不同緩圓比下的實驗，可以通過擬合測得的測點分布位置(x，y)數(shù)據(jù)，回歸出這樣一條曲線，然后通過對比擬合曲線方差和均方根來對比擬合一致性而判斷優(yōu)劣。

加速段和減速段一直是立交匝道事故分布的最主要區(qū)段。根據(jù)3.1節(jié)的結論，即車輛在環(huán)形匝道上的加速段和減速段都是相對集中的，故本節(jié)主要選取的研究區(qū)段包括減速段指減速車道和出口后60 m，加速段指入口前90 m和加速車道。通過Matlab嘗試多種回歸模型，發(fā)現(xiàn)四次多項式擬合較好，確定系數(shù)大多數(shù)在0.8以上，擬合結果見表1。四次多項式回歸模型可以表示為

表1 不同緩圓比的環(huán)形匝道模擬駕駛實驗結果

由表1可知，對于全路段來說，隨著緩圓比的增大全路段的速度平均值略有所增，速度標準差則相差不大，說明緩圓比對速度的影響不太大，因此軌跡的擬合一致性變得更重要。而表1 顯著地說明，當 L緩∶L圓∶L緩=1.0∶1∶1.0 時，軌跡的擬合一致性最好。該結果表示，當前后緩和曲線與圓曲線長度相等時，環(huán)形匝道線形對駕駛員視線的誘導作用最佳，使得駕駛員能夠最好的保持車道，從而保證了安全。

4 結論

通過模擬駕駛實驗對快速路互通立交上環(huán)形匝道的平面線形組合帶來的安全性問題進行了研究。對環(huán)形匝道上以及前后加減速車道上的加減速規(guī)律進行了研究，得到了車輛減速集中在減速車道前半部和出口后60 m且減速較大，加速集中在入口前90 m和加速車道上且加速度較小的規(guī)律。對不同緩圓比條件下的平面線形組合安全性進行對比研究，以加速段和減速段上軌跡擬合一致性作為切入點，得出當前后緩和曲線與圓曲線長度相等時線形對駕駛員視線誘導作用最佳的結論。

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