高速公路樞紐互通交織區長度計算分析

黃 濤 劉 參

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司 武漢 430060)

高速公路樞紐互通是實現高速公路之間交通轉換的重要紐帶，其通行能力和服務水平是后期運營過程中十分關注的問題。由于道路建設受諸多控制因素的限制，在某些情況下，匝道之間的連接形成了交織。交織區是樞紐互通通行的瓶頸，交織區段長度設置不合理，會造成道路擁堵，嚴重影響道路通行和行車安全，因此，保證合理的交織區長度是提高道路通行能力和服務水平的有效措施[1-3]。目前，國內針對交織區長度的計算主要以經驗公式為主，并沒有形成統一的計算方法，本文以設計實例來計算分析交織區合理長度。

1 交織區概述

1) 交織的定義。2個或2個以上的交通流沿道路長時間運行的方向相同，且在沒有任何交通安全措施情況下相交而過的運行定義為交織。交織區長度是從匯合三角區外側車道右邊緣至匯合車道左邊緣的距離為0.6 m的一點，至分離三角區外側車道右邊緣至分離車道左邊緣距離為3.7 m的點的距離[4]，交織區長度示意見圖1。

圖1 交織區長度示意圖(單位：m)

2) 交織區構造形式。交織區構造形式由交織車輛在通過交織路段時所必須進行的最少變換車道數來區分，主要分為A，B，C 3類，構造形式見圖2。

圖2 交織區構造形式

①A類。每輛交織車輛至少需要進行1次車道變換才能完成交織運行。

②B類。一組交織車輛無需進行車道變換就能完成交織運行，而另一組車輛最多需要進行1次車道變換就可完成交織運行。

③C類。一組交織車輛無需進行車道變換就能完成交織運行，而另一組車輛最少需要進行2次車道變換才能完成交織運行。

3) 交織運行形式。交織運行分為約束運行和非約束運行。在交織區中所有車輛通常總是企圖在使所有交通流達到同樣行駛速度的方式下來利用可使用的車道，但有些情況下交織構造會限制交織車輛充分利用車道來達到上述平衡運行，此時交織車輛只利用了可供使用車道中比所期望使用的較少的部分，而非交織車輛則利用了比期望更多的部分。在此限制情況下，交織區的運行為約束運行。當交織構造不限制交織車輛利用所期望使用的部分時，交織運行為非約束運行[4]。

4) 交織區長度影響因素。根據上述對交織區的介紹和分析，影響交織區長度確定的因素較多，主要有交織區的構造形式、車輛交織的運行形式、交織區段的車道總數、交織區段的交通量組成情況及道路的服務水平。

2 交織區長度計算方法

1) 交織車輛運行速度Sw和非交織車輛運行速度Snw計算。查《公路通行能力手冊》[5]中經驗公式有：

Sw或Snw=24.1+

(1)

式中：a，b，c，d為常數，根據交織的運行形式查表1可知；V為交織區段的總交通量，pcu/h；VR為交織區段的總交織交通量與總交通量之比；N為交織區段車道總數；L為交織區段長度，m。

表1 常數a，b，c，d

注：資料來源《公路通行能力手冊》。

2) 交織區段服務水平確定。交織區段服務水平的劃分主要是以交織車輛的運行速度和非交織車輛的運行速度來衡量判定，服務水平標準見表2。

表2 交織區服務水平標準 km/h

注：資料來源《公路通行能力手冊》。

在設計時通常采用二級服務水平，當有困難需要采取改進措施時，可降低采用三級服務水平[6-7]。因此，在計算交織區的長度時，應保證交織區的服務水平最低為三級，此時對應的交織區長度為最小值。

3) 交織區長度的計算。為保證交織區段的道路通行能力，設置的交織區段應確保交織運行為非約束運行。若為交織運行，則交織車輛可利用的車道較少，道路通行能力較差。因此，交織區長度的計算應在非約束交織運行的前提下進行。由式(1)計算得

(2)

具體計算步驟如下。

①根據交織區組成情況確定交織區構造型式和交織區段車道總數N。

②根據預測交通量計算交織區段的總交通量V和交通量比VR。

③在非約束交織運行形式下，根據交織區構造型式查表1確定交織車輛運行速度和非交織車輛運行速度分別對應的a，b，c，d常數值。

④將步驟③中查表得到的a，b，c，d常數值分別代入式(1)中，計算得到交織車輛運行速度Sw和非交織車輛運行速度Snw。

⑤由服務水平查表2確定最小交織速度S1和最小交織速度S2。

⑥令S1=Sw，S2=Snw，分別代入式(2)計算得到L1和L2，交織區最小長度取L1和L2中的較大值。

3 工程實例

某高速公路樞紐互通因受地形限制，設計最終采用了雙喇叭形樞紐互通方案，該方案導致連接的互通匝道之間形成了2處交織區段，互通方案布置見圖3。選擇其中一交織區段(匝道A，B，G段)進行交織區長度計算分析，該交織區段每小時交通量預測情況見圖4。

圖3 互通方案布置圖

圖4 交通量預測示意圖(單位：pcu/h)

1) 根據匝道A，B，G交織區段組成情況可以確定該交織區構造形式為A形，A匝道為雙向4車道(單向2車道)，故該交織區段車道總數N=2。

2) 根據圖4中的交通量情況，將設計小時交通量換算成理想條件下的小客車當量交通量，由工程資料查表得車道寬度及側向寬度修正系數fw=0.937，大型車修正系數fHV=0.681 7，駕駛者總體特征修正系數fp=0.923，根據公式V=設計小時交通量/(fw·fHV·fp)計算得

交織區段中的總交織交通量Vw=628 pcu/h。

交織區段中的總非交織交通量Vnw=639 pcu/h。

交織區段的總交通量V=Vw+Vnw=1 267 pcu/h，交通量比VR=Vw/V=0.5。

3) 在非約束交織運行下，根據交織區構造形式A型查表1確定交織車輛運行速度Sw和非交織車輛運行速度Snw分別對應的a，b，c，d常數值見表3。

表3 a，b，c，d值

4) 將a，b，c，d常數值，總交通量V和交通量比VR代入式(1)中得交織車輛運行速度Sw=24.1+80.47/(1+120L-0.9)，非交織車輛運行速度Snw=24.1+80.47L/(L+19.55)。

5) 若要保證互通匝道的通行能力，必須確保該交織區段的服務水平至少為三級，查表2可知，最小交織速度S1=64 km/h，最小非交織速度S2=67 km/h。

6) 令S1=Sw，S2=Snw，分別代入式(2)，得出L1=200 m，L2=155 m，交織區最小長度L取L1和L2中的較大值200 m。

因此，針對該互通交織區段若要保證互通匝道的通行能力，不造成交通堵塞，在互通匝道的設計過程中，應保證交織區段長度大于200 m。同時，在后期運營管理中，應針對該交織區段進行道路通行能力和服務水平跟蹤計算分析，及時保證道路通行和行車安全。

4 結語

在一些條件特殊、情況復雜的區域，樞紐互通的布線受到限制,樞紐互通匝道上的交織區段不可避免。如何保證交織區段不影響道路的通行能力和服務水平,需要在設計時確保交織區段有足夠的長度。文章根據國內外研究成果,提出了一種交織區段長度的計算方法,并結合實際設計實例進行計算分析,希望能為類似工程的互通交織區段設計提供參考。

[1] 劉振.多車道高速公路交織區安全設計與運營風險評價研究[D].上海：同濟大學，2014.

[2] 韋正敏，趙慶鑫.基于交通密度的城市快速路交織區長度設計研究[J].交通標準化，2014,42(23)：8-13.

[3] 高霄.城市快速路交織區長度確定方法研究[J].交通與運輸，2005(12)：56-60.

[4] 王煒，過秀成.交通工程學[M].南京：東南大學出版社，2000.

[5] 周榮貴，鐘連德.公路通行能力手冊[M].北京：人民交通出版社，2017.

[6] 孫焰,高源發,鄭文家,等.物流樞紐對周邊交通影響分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2014,38(6):1188-1192.

[7] 公路工程技術標準：JTG B01-2014[S].北京：人民交通出版社，2014.