基于運行速度分析的環式匝道安全性評價及優化策略

馬小利 丁 盛

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

我國《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)(以下簡稱《標準》)規定“互通式立體交叉分為樞紐互通式立交和一般互通式立交”[1]。 隨著我國以高速公路為主的國家公路網的逐漸形成，樞紐互通式立交將大量涌現，并在高速公路運行效率方面占據重要地位， 合理且安全的樞紐互通式立交對疏導高速交通、完善路網規劃、促進經濟發展等方面起到積極作用。 路線設計指標與車輛實際行駛速度所要求的線形指標之間的脫節， 往往是造成交通事故的主要原因之一[2]。本文主要基于對變異苜蓿葉型樞紐互通式立交中左轉環式匝道的運行速度協調性和一致性的評價，提出幾點提高此類環圈匝道安全性的建議。

1 研究背景

樞紐互通式立交有多種類型， 變異苜蓿葉型是比較最為常見的類型。

對于各種變異苜蓿葉形互通式立交， 其中的環形匝道，大部分采用設計時速40km/h，斷面采用《公路路線設計規范》(JTG D20-2017)(以下簡稱《路線規范》)[3]中規定的Ⅰ型標準單向單車道， 并根據匝道圓曲線半徑選取路面加寬值，設計時一般采用40km/h 設計時速對應的最小平曲線半徑一般值，即60m，路面加寬值為0.25m。

《路線規范》 中指出有條件時宜采用被交路上跨方式， 但實際建設過程中多數情況為新建高速公路跨越既有高速公路。 因此左轉環圈匝道往往采用上跨被交路形式，上跨被交路處設置凸型變坡點，且環圈匝道下坡坡度一般超過3%。 如此，必然造成環圈匝道線形由高指標到較低指標的變化。即在環圈彎道前，平面線形為直線或較大半徑圓曲線，縱面亦較緩，運行速度≥60km/h 以上，而環圈的圓曲線半徑一般較小(60m)，同時位于大縱坡的底部，若運行速度大于設計速度，而設計仍采用設計速度對應的指標，則非常危險。

文獻[4]、[5]中對大半徑曲線緊接小半徑曲線的線形組合情況基于高速公路運行速度測算模型進行了運行速度的計算， 提出大半徑圓曲線接小半徑回轉匝道線形組合協調性與車輛實際運行速度的協調性不匹配。 根據交通部頒發的 《公路項目安全性評價規范》(JTG B05-2015)(以下簡稱《安全評價規范》)對互通式匝道路段的運行速度計算方法進行了重新描述： 匝道路段運行速度按本規范第B.4.5～B.4.8 條有關規定執行； 設計速度40km/h 及以上二級公路、三級公路、互通式立體交叉匝道路段運行速度預測宜符合B.4 節的有關規定[6]。本文利用其中介紹的“模型法”對變異苜蓿葉樞紐互通環圈匝道運行速度協調性進行分析。

2 運行速度計算與協調性評價

某樞紐互通中E 匝道為環圈匝道，最小曲線半徑為60m，單向單車道，路基寬度9m，設計速度采用40km/h，B匝道設計速度為60km/h，正線設計速度為80km/h。 E 匝道平縱面設計如圖1、圖2 所示。

表1 分析單元劃分原則

圖1 E 匝道平面線位圖

圖2 E 匝道縱斷面圖

依據表1 分析單元劃分原則， 對E 匝道計算結點進行劃分，如圖1，QD 為本匝道線形設計起點，D1 點(該點曲率半徑為600m)為平直路段終點，D2 點(曲率半徑=60，縱斷面3.5%) 為彎坡組合路段圓曲線中點，D3 點曲率半徑為600m，為平曲線路段曲出點。

2.1 匝道初始速度和期望速度

2.1.1 初始速度

根據《安全評價規范》，匝道的初設速度宜采用分流鼻端通過速度。 E 匝道從B 匝道分流，線形起點QD 的速度為B 匝道設計速度，即60km/h，E 匝道分流鼻端FD 通過速度根據公式v=v02+2as 可計算得到。

2.1.2 期望速度

小客車期望運行速度取85km/h，大貨車期望運行速度取70km/h。

2.1.3 推薦加速度

考慮小客車加速性能有高有低， 本次計算小客車推薦加速度值取平均值，即0.3，大貨車載物重，猛加速情況并不多見，推薦加速度值取較小值0.2。

表2 平直路段上加速度推薦值

2.2 環圈匝道路段結點速度測算及分析

結點速度測算模型詳見《安全評價規范》附錄B.4 章節。

E 匝道(小客車)各結點運行速度如表3 所示。

表3 E 匝道(小客車)各結點運行速度表km/h

E 匝道(大貨車)各結點運行速度如表4 所示。

表4 E 匝道(大貨車)各結點運行速度表km/h

E 匝道平直路段與彎坡組合段相鄰路段運行速度差|Δ85| 大于20km/h，相鄰路段運行速度協調性不良。

E 匝道平直路段上設計速度與運行速度的差值大于20km/h，協調性不良。

綜上，變異型苜蓿葉環形匝道以40km/h 設計速度選取設計指標存在不足， 需要根據路段結點的運行速度調整優化平縱橫指標。 根據運行速度測算結果， 匝道半徑R=60m 曲線上小客車的運行速度達到58.83km/h， 當最大橫斷面坡度i=8%、μ 取最大橫向力系數0.15 時， 利用公式(1)計算：

經計算，曲線半徑需要118.5m，該半徑增大，對樞紐占地及工程規模影響非常大， 在我國提倡經濟節約的前提下是不合適的，因此主要考慮采取限速措施。 但是，在實際樞紐互通運營中， 匝道限速標志僅設立于匝道入口處，且匝道上并未設置定點測速等監控措施，很多駕駛人員并未嚴格按照設計速度行駛， 行駛在類似E 匝道的線形上，誤以為是線形指標較高的半定向匝道，則不自覺高速行駛，不能及時預料到前方是下坡右彎道的不利組合，尤其在夜間行車時極易造成沖出匝道或追尾等安全事故。

因此，僅采取簡單限速措施遠遠不夠，仍需在設計初期就考慮安全行車的容錯設計。

3 改善建議

3.1 平面線形

基本思路是避免高指標到低指標的突變， 實現線形平穩過渡。 因此考慮在平直線與 圓曲線之間再插入一段的圓曲線，各節點運行速度計算結果如表5 所示：

表5 優化后E 匝道(小客車)各結點運行速度表(km/h)

圖3 E 匝道平面優化圖

由上述計算結果可見， 水滴型環圈匝道線形與運行速度過渡吻合較好，能實現線形平穩過渡。

若受占地及工程規模等不能采用水滴形匝道時，考慮適當增加緩和曲線段長度。 假設處于直線段的車輛察覺前方線形變化時開始減速(即利用緩和曲線段減速)，利用公式計算：

式中， Sc——小客車減速長度(m)；

v85—— 運行速度的計算值(km/h)；

v限—— 限制速度(km/h)；

t—— 空駛時間，即反應時間，取2.2s；

g—— 重力加速度，取9.8m/s2；

f—— 縱向摩阻系數， 依運行速度和路面狀況而定，本次計算取0.32。

可計算得出不同的縱坡對應需要的減速段長度，如表6 所示：

表6 不同縱坡對應的減速與行程關系

對于本案例中的E 匝道，坡度為3.5%，由80.12km/h減速至40km/h，減速段長度需要118.37m，因此建議緩和曲線長度取值大于118.37m。

3.2 縱面線形

縱面線形優化主要針對具有較高運行速度的平直路段，尤其是上跨被交路后的陡坡變坡點，優化的目的是提高視距，以便于駕駛人員提前觀察，對于本案例中的E 匝道，平直線路段的坡長、坡度及上跨被交路處(陡坡變坡點)的豎曲線半徑按《規范》設計速度80km/h 對應的一般值選取，若條件受限，可采用極限值，但需驗證視距，保證滿足80km/h 行駛速度下的停車視距要求。

3.3 橫斷面設計

3.3.1 超高

超高根據規范取值，過大容易側滑，正常情況下限定最大超高為8%，積雪冰凍地區，限定最大超高為6%。

3.3.2 橫凈距

橫凈距是保證停車視距的關鍵， 是安全設計的核查重點，若環圈匝道處于挖方段，挖方邊坡會妨礙視線，需要根據運行速度計算挖方段匝道所需橫凈距。 若環圈匝道處于填方段，橫凈距范圍內不能有阻礙物阻擋視線。

橫凈距是指行車軌跡線與視距曲線之間的距離，橫凈距的計算公式為：

式中，m—— 所需橫凈距(m)；

R—— 內車道中線處的曲線半徑(m)；

S—— 小客車或貨車的相應停車視距(m)。

通過停車視距就可以計算出不同的平曲線半徑所需要的橫凈距，停車視距公式為：

式中，Sc—— 停車視距(m)；

v85—— 運行速度的計算值(km/h)；

t—— 空駛時間，即反應時間；

g—— 重力加速度，取9.8m/s2；

f—— 縱向摩阻系數，依運行速度和路面狀況而定，小客車取0.33，大貨車取0.23；

i——路線縱坡度，小客車不計該值。

本案例E 匝道 平曲線上運行速度未超過60km/h，按60km/h 對應的停車反應時間和縱向摩阻系數來計算(見表7)。

表7 停車反應時間和縱向摩阻系數

對于本案例的E 匝道，匝道在R=60m 平曲線路段上小客車運行速度達到58.5km/h， 大貨車運行速度為54.06km/h，利用公式(4)計算得到，小客車停車視距是76.58m， 大貨車停車視距是64.56m， 小客車停車視距較長，以小客車停車視距計算匝道橫凈距，利用公式(3)得出，其橫凈距需要11.81m。

曲線內側道路可以提供的橫凈距為3.5/2 (行車道)+0.25(路面加寬值)+3.0(硬路肩)+0.75(土路肩)+0.6(蓋板邊溝)+2(碎落臺)=8.35m，需要通過調整挖方坡率或開挖視距臺補足，坡率需要緩于1∶2.9。 目前互通內部挖方坡率一般采用1∶3，是可行的。 本案列計算中道路提供的橫凈距若減少， 例如碎落臺取1m 時， 那么環圈匝道平曲線R=60 范圍內的挖方坡率應調整為1∶4。

由上可見，匝道設計時不能一味套規范，尤其遇小半徑曲線時，應當核查運行速度的視距是否滿足，從而調整諸如碎落臺尺寸或者邊坡坡率等值， 為實際行車提供安全富裕值，避免視距不足而導致事故的發生。

3.4 其他安全措施

上述平縱橫三點建議基于設計層面， 供設計人員在新建變異型苜蓿葉互通時參考。 對于已建成正在運營的樞紐，可采取其他一些措施：

(1)增設限速標識并定點測速，以提醒監督駕駛人員減速。

(2)在平直路段上設置減速振蕩線，迫使駕駛人被動減速。

(3)增設彎道提醒標志，加密布設線形誘導，使駕駛人主動提前減速。

(4)填高大于3m 平曲線路段，曲線外側護欄提高防護等級，防止高速車輛轉向不及時沖出路基，造成二次傷害。

4 結語

本文案例中的環圈式互通式匝道在樞紐互通中非常普遍，通過運行速度檢驗，發現上跨式左轉環圈匝道的安全性確實較低，存在一定的安全隱患，設計人員在設計中需采取一些方法改善其線形設計中的安全問題， 減少交通事故發生的可能性， 盡可能在有限的條件下使該特殊形式的樞紐互通匝道達到最好的安全水平。