改擴建互通出入口中分帶開口合理長度研究

王守偉 李美玲，2 冉 晉 張軍華

(1.山東建筑大學交通工程學院 濟南 250101； 2.山東高校重點實驗室道路與交通工程實驗室 濟南 250101；3.山東省交通科學研究院 濟南 250102； 4.山東高速股份有限公司 濟南 250101)

隨著我國社會和經濟的快速發展,交通出行需求日益增加，雙車道高速公路日趨難以滿足大眾的出行需求，拓寬改擴建成為解決該難題的首選方法[1]。由于高速公路改擴建期間需單側保通，通行車輛需跨越中分帶出入高速公路，使得互通區路段的交通環境危險且復雜, 降低了道路服務水平。本文對高速公路改擴建工程中互通立交處的交通效率和安全問題進行研究,進而提出互通出入口中分帶開口合理長度設置方案，以保障互通立交處交通安全暢通。

高速公路改擴建期間影響互通出入口交通安全的因素主要是中分帶開口長度和不同道路幾何特征所帶來的不同車輛并入方式。Sarhan等[2]研究了主線交通量及匝道幾何特征與交通事故數之間的關系，并建立模型，分析三者相互作用的影響。王曉飛等[3]研究高速公路互通出入口區域的車輛特征并對該區域的行車風險進行了分析。王子豪等[4]提出公路接入口與中央分隔帶和平面交叉口最小間距的計算模型，計算得出各類接入口最小間距推薦值。張可等[5]從行車安全的角度出發確定山區高速公路老路中央分隔帶封閉長度。上述研究證明了改擴建期間高速公路互通出入口行車安全的重要性，也為本文研究中分帶開口合理長度提供了借鑒。

由于獲取互通區域相應事故數據較為困難，因此采用直接事故統計的方法進行的安全評價還存在困難[6]，也就很難確定最佳的中分帶開口長度。基于此，現采用VISSIM微觀交通仿真結合SSAM模型進行安全分析，確定最優中分帶開口的設置方案，以保障互通立交處交通的安全暢通。

1 問題描述

濟南至青島段高速公路在改擴建期間高速公路一側為單車道行駛，另一側為雙車道行駛，現有設計中兩側均未設置專用加減速車道，其平面示意見圖1。

圖1 未設置專用加減速車道平面示意

如圖1所示，行駛的車輛需跨施工區進行出入，在行駛過程中還需要跨越中分帶。實際問題中設置中分帶開口長度越長，越方便設置科學完善的交通誘導設施，能最大限度地消除開口區域的安全隱患；設置中分帶開口長度較小，路面需要改造的工程量就越小，建設更加經濟。本文力圖找到合理的中分帶開口長度，使得在盡可能經濟的情況下保障互通處行車的安全。

值得一提的是，在一些國家和地區，高速公路應急車道除了發揮應急的功能外，在某些特殊情況下還承擔著緩解交通擁堵的功能。由于在改擴建特殊時期安全行車的緊急性和客觀性，本研究提出改擴建期間占用部分施工區方向的應急車道設置專用加減速道，設置專用加速車道見圖2、設置專用減速車道見圖3，使得駕駛員的加速和減速過程在應急車道的直線段進行，旨在提高行車過程的效率和安全性。

圖2 設置專用加速車道互通入口

圖3 設置專用減速車道互通出口

2 合理開口長度范圍選取

由于改擴建期間的中分帶開口合理長度的確定屬于新事物，在現有的JTG H30-2015 《公路養護安全作業規程》和JTG D20-2017 《公路路線設計規范》等規范中并未明確規定，現參考相關規范中未改擴建期間的互通出入口開口長度進行推算，且在此基礎上滿足安全視距的要求。

2.1 現可參考的指標

根據調查，濟青高速互通出入口相鄰車道限速80～100 km/h，匝道限速40 km/h。現有JTG D20-2017 《公路路線設計規范》中對未改擴建期間互通出入口車道長度有關規定如下：當主線上車輛的行車速度為80 km/h時，互通入口車道長度應為210 m，出口車道長度應為130 m；當主線車輛行車速度為100 km/h時，互通入口車道長度應為240 m，出口車道長度應為150 m。JTG H30-2015 《公路養護安全作業規程》規定：當匝道限速為40 km/h時，互通入口車道長度應為100 m，出口車道長度應為90 m。濟青高速現行設計資料中規定轉序區限速為40 km/h時，中央分隔帶開口長度為105 m。

2.2 安全視距的要求

在考慮幾何條件影響互通出入口中分帶開口長度時，重點要對視距安全性進行分析。按照《公路路線設計規范》相關規定，高速公路互通出入口內供車輛加減速道路的視距均應滿足停車視距的要求，在此基礎上增加5～10 m的安全距離。按照式(1)計算車輛的停車視距。

(1)

式中：S為車輛在互通出入口范圍的停車視距，m；v為車輛在互通出入口的實際運行速度，km/h；t為駕駛員的操作反應時間，一般取2.5 s；g為重力加速度，一般取9.8 m/s2；f為路面縱向摩阻系數，高速公路一般取0.7～1.1，出于安全考慮，本研究取為0.7。

由于進入匝道后汽車速度不應大于40 km/h，取匝道汽車運行速度最大40 km/h得出安全的停車視距為50 m。

綜上所述，得出中央分隔帶合理開口長度范圍推算表見表1。

表1 中分帶開口合理長度匯總表

3 仿真方案設計

3.1 研究問題及評價指標

現以不同的交通量組合條件(主線和匝道的不同流量)作為背景變量，設置仿真方案以研究以下2個問題。

1) 針對出入口是否設置專用加減速車道，研究哪個更有效率、安全性更高。

2) 對于高速公路有無設置專用加減速車道的方案，不同中分帶開口長度對應不同加減速車道長度，研究哪個方案更有效率、安全性更高。

根據研究問題對交通效率和交通安全進行評價。VISSIM輸出交通效率評價指標——車均延誤和平均行程時間。通過交通安全評價軟件SSAM可得施工區交通轉換帶的交通沖突數及交通沖突類型。為客觀地反映交通安全水平,將交通沖突數與交通量、路段長度的比值定義為交通沖突率，其計算方法見式(2)。

(2)

式中:f為單位小時交通轉換帶沖突率,次/(pcu·km);Nrc為單位小時內的交通沖突數,次/h;Q為交通轉換帶單位小時交通量,pcu/h;L為交通轉換帶研究范圍長度,km。

3.2 仿真參數設置

3.2.1路網仿真參數設置

對濟青高速公路改擴建路段實際狀況進行數據采集，分方向、分車道、分車型，按樁號進行地點車速、車流、交通構成調查，確定仿真路網長度為1.5 km，車道寬度3.75 m。小客車占樣本總量70%、大客車占10%、小貨車占5%、中貨占5%、大貨占10%。大車率約為0.2。

仿真路網輸入交通量，采取單向輸入的方式。根據實際調查結果，高速公路主線交通量根據不同位置從1 000～2 000 pcu/h不等,匝道交通量從200～400 pcu/h不等。根據飽和度和各路段通行能力推算，仿真輸入交通量為低飽和度1 000 pcu/h、中飽和度1 500 pcu/h、高飽和度2 000 pcu/h 3個水平，匝道輸入相應自然車輛數200,300,400 pcu/h。

3.2.2模型標定和參數輸入

現有VISSIM模型參數是根據國外交通情況設定，不同地區、不同研究對象的交通特性存在差異，因此在仿真模型應用前必須先進行模型微觀參數的檢驗和標定(參數標定試驗設計見表2)。根據濟青高速公路實測數據進行分析，選取流量、平均速度、延誤、行程時間和排隊長度5個標定指標和14個微觀參數開展敏感性分析工作。最終通過試驗分析和最優解的判定，可得重要微觀參數見表3。

表2 參數標定試驗設計 km/h

表3 標定主要參數取值表

3.3 設計仿真方案

高速公路改擴建時期的中分帶開口合理長度仿真流程見圖4。

圖4 中分帶最優長度仿真流程

據互通出入口段中分帶開口合理長度對比表(見表1)可得，設置專用加速車道中分帶開口合理長度分布在100～240 m，設置專用減速車道中分帶開口合理長度分布在90～150 m，進而得出設計仿真方案。不同主線和匝道流量飽和度兩兩相互組合形成9組不同的飽和度方案，入口處中分帶開口長度分為100，125，150，175，200，225和250 m 7個仿真長度，出口處中分帶開口長度分為90，100，110，120，130，140，150 m 7個仿真長度。分別進行主線和匝道不同飽和度下未設置加減速車道和設置加減速車道方案仿真。

4 仿真方案評價

4.1 設置加減速車道交通評價

針對不同中分帶開口長度、不同交通流飽和度下的加減速車道進行交通評價，按照仿真方案進行VISSIM仿真和SSAM評價。根據評價結果，未設置專用加速車道與設置專用加速車道的匯入段和駛離段平均行程時間和平均延誤并沒有明顯的差別，但在沖突率方面，未設置專用加速車道沖突率見圖5。

圖5 未設置專用加速車道沖突率

由圖5可見，沖突率集中在0.5%～8.5%之間，隨著開口長度的增加有先降低后升高的趨勢，沖突率均值在中分帶開口175～200 m時達到低峰。且匝道流量飽和度的變化對沖突率的影響更為明顯，匝道流量越高沖突率也普遍越高。設置專用加速車道沖突率圖，見圖6。

圖6 設置專用加速車道沖突率

由圖6可見，沖突率大多集中在0.5%～5.5%，同時受匝道流量飽和度的影響也較為明顯。相比可知，設置專用加速車道的沖突率有明顯的降低，在開口長度為150 m時，沖突率平均值達到了最低2.67%。

減速車道的沖突率集中在0.1%～1.5%，設置專用減速車道沖突率集中在0～0.75%之間，兩者差距較小，且各飽和度流量下的行車均較為安全。綜上，濟青高速公路出入口占用部分應急車道區域設置加減速車道能較大地提升行車安全性，故在有條件的情況下應盡量選擇設置專用加減速車道。

4.2 中分帶開口長度評價

根據VISSIM仿真所得的各評價指標的數據對不同交通流飽和度下的中分帶開口長度進行評價。未設置專用加速車道平均行程時間見圖7，未設置專用加速車道平均延誤見圖8。根據圖7、圖8仿真結果，未設置專用加速車道匯入段隨著開口長度的不斷增加平均行程時間震蕩起伏。在開口長度為225 m左右時，根據不同飽和度交通量的平均行程時間圖(圖7)和平均延誤圖(圖8)顯示，各指標均處于低峰，且此時車道的沖突率也處于較低的狀態。故在濟青高速未設置專用加速車道時，應以225 m為最佳參考長度。

同時，未設置專用減速車道仿真方案的平均行程時間隨著開口長度和車流飽和度的變化并無明顯的變化。高飽和度流量的平均延誤隨著開口長度的變化有較大的起伏，且在開口長度為100 m時平均延誤為最小值。故在濟青高速設置減速車道時，應以100 m為最佳參考長度。

圖7 未設置專用加速車道平均行程時間

圖8 未設置專用加速車道平均延誤

在設置專用加速車道時，評價指標受主線流量飽和度的影響較為明顯，且飽和度越高平均行程時間和平均延誤也越高。專用加速車道平均行程時間見圖9，專用加速車道平均延誤見圖10。由圖9、圖10可見，隨著開口長度的不斷增加，根據匯入段的平均行程時間圖(見圖9)和平均延誤圖(見圖10)顯示，各指標都在緩慢降低，各飽和度流量的評價指標在開口長度為250 m時普遍達到最低水平，此時沖突率的平均值為3.1%，處于各開口長度下的中等水平。故在綜合考量安全性與效率的情況下，在濟青高速設置專用加速車道時，應以250 m為最佳參考長度。

圖9 專用加速車道平均行程時間

圖10 專用加速車道平均延誤

專用減速車道的平均行程時間和平均延誤隨著開口長度的增加都在緩慢降低，與此同時沖突率的平均值也處于較低水平，故在有條件的情況下應盡量選取最大的150 m開口長度。

綜合仿真數據，高速設置專用加減速車道行車的平均行程時間和平均延誤在中、高飽和度流量時有較為明顯的優化，但在低飽和度和高飽和度流量中并沒有顯示出這種變化。故在實際案例中應綜合考慮不同時期的流量等多方面因素進行設置。

5 結論

1) 與未設置專用加減速車道的方案相比，設置了專用加減速車道的道路行車沖突率更低，安全性更高。

2) 現行設計方案(中分帶開口長度105 m)并不是最佳的開口長度。現狀未設置專用加減速車道，互通入口處中分帶開口長度以225 m為宜，出口處中分帶開口長度以100 m為宜，此時不同飽和度交通量的平均行程時間和平均延誤時間都處于較低水平。

3) 綜合考慮行車安全和效率，設置專用加減速車道的濟青高速公路入口處中分帶開口長度以250 m為宜，出口處中分帶開口長度以150 m為宜，且應在有條件的情況下盡量設置專用加減速車道。