高速公路改擴建施工區限速研究

陸 蓉

(武漢輕工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430023)

近年來我國高速公路建設飛速發展，已建的公路隨著時間的增長與長期使用，道路也受到了不同程度的破壞，其通行能力與服務水平受到了嚴重的影響，而改建、擴建及其維護成為解決上述問題的首選方案。在此過程中，改擴建路段施工一般“不中斷交通”，即一邊施工一邊通車，這種復雜環境不僅僅影響公路的通行能力更影響交通安全。如高速公路最低限速60 km/h，最高時速120 km/h，突然降速會導致速度變化很大，很容易發生交通事故，根據能量定律，能量與速度的平方成正比，一旦發生交通事故，其破壞性將是致命的。因此改擴建路段前一段距離對行車速度的限制及根據車速合理進行交通安全設施設置特別重要。

1 高速公路改擴建路段交通特點分析

1.1 改擴建路段交通環境復雜，必須由實際調查得到交通量

改擴建導致車道數量減少，這會導致通行能力下降，交通量增加。同時存在分合流、變換車道、跟車行駛等復雜的車輛運行狀態。工人、施工機械、路邊施工護欄和作業區來往的車輛構成了一個危險的交通環境。不中斷交通施工，施工區和行車區一定的重疊，施工組織與交通組織必須相互配合。另外由于施工占道，也導致可通行路段交通流量增大，因此必須提前進行合理的速度限制。

1.2 改擴建路段存在速度“瓶頸”期，行車安全勢必受到很大影響

高速公路改擴建施工區不中斷交通施工，作業區定會形成特別復雜的環境，因此，必須在作業區的一定路段對車輛行駛速度加以限制，如果速度限制區太短必然與原來正常行駛時形成較大的速度差，如果速度限制區太長，必定會使改擴建路段影響范圍增大。在改擴建路段必然存在速度“瓶頸”期，這對改擴建路段交通安全的影響特別大，這就要求行駛車輛在進入改擴建路段前在速度上形成一個降速漸變段，不能形成降速突變段，因此限速必須設計合理。

2 分析改擴建路段交通量，指導改擴建路段速度限制分析與計算

車輛由正常路段行駛到改擴建路段時存在的速度差會導致交通事故發生的幾率增大，因此進入改擴建路段各車輛的速度必須限制在一個穩定的閾值內，如果超過這個閾值，則發生交通事故的概率大大增加。車輛的行駛速度和道路交通量密切相關,目前我國對改擴建路段速度的限制并沒有詳細考慮交通量這一因素，僅憑經驗以及以往的工程實例而確定，沒有理論支撐，而且僅在JTG H30-2015《公路養護安全作業規程》中給出了相應的規定。以下將交通量引入到改擴建施工區,對分級速度進行計算。

2.1 改擴建路段前警告區最小長度計算

假設：高速公路改擴建路段行車速度降低，但不為零。根據1993年格林希爾茲研究得出的結論[1]：速度-密度關系：

V=a-bK

(1)

式中:a，b為常數。當K=0或者K=Kj時，得到a=Vfb=Vf/K。

再由速度-密度-流量公式：

Q=KV

(2)

得到：

(3)

由式(2)、式(3)可得：

(4)

解式(4)得：

(5)

令式(5)為：

(6)

解式(6)得：

(7)

在高速公路上，其最低速度不應低于60 km/h，則：

(8)

上式中：a、b為常數；K為密度，輛/km；Q為流量，輛/h；Vf為暢行速度，km/h；Kj為最大密度；V為區間車速。

根據JTG H30-2004《公路養護安全作業規程》[2]，在作業控制區分為警告、上游過渡區、緩沖、工作、下游過渡和終止6個區，現根據上述推導以下公式：

S=S1+S2+S3

(9)

(10)

假設高速公路對交通量進行限制，不出現排隊的現象，因此：S3不應該出現，即在工作區地段附近封閉、車道數減少、行車條件改變等因素引起的車輛擁擠時的排隊長度S3=0，則最終警告區長度計算公式應為：

S=S1+S2

(11)

式(1)～式(11)中：S為警告區最小長度；S1為從正常行駛車速降至所限制的行駛車速所需要的距離，m，即車輛到達工作區地段附近的排隊尾部時 的最小安全距離，m；S3為在工作區地段附近車道封閉，車道數減少，行車條件改變等因素引起的擁擠時的車輛排隊長度，m；V1為減速錢車速，km/h；V2為減速后車速，km/h；t為駕駛員反映時間，通常取2.5 s；φ為道路縱向摩阻系數，取值范圍0.29～0.44；i為道路縱坡，上坡為+，下坡為-；g為重力加速度，9.8 m/s2。

2.2 對高速公路改擴建路段速度分級限制

JTG H30-2015《公路養護安全作業規程》中給出了各種設計速度條件下的最終速度值，并未考慮各高速公路在養護作業區(改擴建路段)的交通量，以及分級限速。規范中給出的設計速度與最終速度來計算的警告區長度未考慮駕駛員及乘客的舒適性及安全性。根據占輝等人對廣東佛開高速公路《高速公路改擴建施工區限速研究》及其仿真研究[3]，為提高行車駕駛員的舒適性和安全性，避免車輛由設計速度陡然降速到作業區所限制的速度，作業區的速度限制應采用分級限速，而且最好的是二級限速，即：120～90～60 km/h的限速方案。當考慮分級限速出現分級速度區段時，就出現一個問題：由作業區交通量所計算出來的速度V是位于120～90 km/h范圍內還是位于90～60 km/h范圍內？根據交通工程學研究，各速度區段的長度應按下式計算，現就以交通量所計算的速度值引入，計算各速度區段長度理論值。

(1)速度120～90 km/h警告區長度為：

(12)

(2)速度90～60 km/h警告區長度為：

(13)

則

S1=S11+S12

(14)

由規范得：

(15)

(16)

綜上，有：

S=S1+S2+S3

(17)

式中:q為發生在車道上的交通事件引起交通擁擠的最小流量，輛/h；L為每輛車的平均長度，按7 m計；n為車道數；S為警告區最小長度；S1為從正常行駛車速降至所限制的行駛車速所需要的距離，m，即車輛到達工作區地段附近的排隊尾部時 的最小安全距離，m；S3為在工作區地段附近車道封閉，車道數減少，行車條件改變等因素引起的擁擠時的車輛排隊長度，m；V1為減速錢車速，km/h；V2為減速后車速，km/h；t為駕駛員反應時間，通常取2.5 s；φ為道路縱向摩阻系數，取值范圍0.29～0.44；i為道路縱坡，上坡為+，下坡為-；g為重力加速度，9.8 m/s2。

2.3 車輛速度分級限制計算結果

(1) 當由式(8)計算出的V∈[80,90),則V取80 km/h，分級限速120～100～80 km/h。

(2)當由式(8)計算出的V∈[70,80),則V取70 km/h，分級限速120～100～70 km/h。

(3) 當由式(8)計算出的V∈[60,70),則V取60 km/h，分級限速120～90～60 km/h。

3 基于速度分級限制后改擴建路段限速標志牌設置的研究

由于警告區分級限速，各級速度范圍內的警告區長度必然不同，則限速標志牌的個數在各級速度段內的間距而并不相同，相應于不同速度下的各標志牌間的距離也不相同。而JTG H30-2015《公路養護安全作業規程》只是規定：在作業控制區內除設置施工標志的施工標志外，其他位置要設置超車，限速等標志。并未指出施工警告區內限速標志設置的個數以及設置的距離，相應的研究以及規范標準都未做細致的研究與說明。有關學者研究確定了高速公路限速標志的合理間距為運行速度的10倍[4]。

當作業區交通條件良好時，由交通量計算出來的為80 km/h，設計速度為120 km/h時，則分級限速為120～100～80 km/h，則根據式(12)、式(13)算得：

S11=153m

S12=118m

S1=S11+S12=153+118=271m

同時根據式(15)、式(16)求得：

S2=156m，S3=1260m

于是：S=S1+S2+S3

S=153+118+156+1260=1687m，而120～100～80 km/h，速度均勻變化，取中值100 km/h的標志設置間距：由式(19)算出為S′=1000m，根據最終算出的S和S′，取限制長度S0為：S0=max{S,S′}=1687m。

4 結束語

高速公路改擴建作業區的速度限制既要保證車輛及乘客的安全，又要考慮通行能力的要求。本文考慮改擴建路段交通量變化對改擴建路段速度影響，對其進行理論研究與計算，得出如下結論:

(1)考慮到作業區的通行能力，車輛速度情況以及行車的舒適性，高速公路改擴建施工區速度限制必須引入實際交通量的計算，再合理調整標志牌間距。

(2)為保證車輛在進入改擴建施工區過程中，車輛的安全性以及駕駛員乘客的舒適性。在改擴建路段前的一段距離車輛應該分級限速。

(3)考慮駕駛員心理特點，分級限速段的標志牌應該根據上述計算得出，改擴建施工區速度限制規劃。