緊急避險車道與互通立交設置間距研究

藺 琳

(山西省公路局,山西 太原 030006)

0 引言

避險車道是在主線道路旁設置的一種專用車道,當主線車流中的車輛失去控制時,供其駛離主線車道、減緩車速和自救。在立交區域設置緊急避險車道時,應避免在立交區域的內部及下游設置緊急避險車道,降低失控車輛與主線交通流產生沖突的風險。但限于地形地貌與貨車運行特性的影響,當在立交區域設置緊急避險車道成為不可調整的設置方案時,研究緊急避險車道與立交的設置距離是非常必要的。

1 避險車道設置影響因素分析

立交的設置形式有先入后出型與先出后入型兩種[1],對于先入后出型立交,當緊急避險車道設置于先入后出型立交區域前后時,立交對緊急避險車道的設置不產生影響。當緊急避險車道設置與先出后入型的立交區域前后時,立交區域主線的交通流對緊急避險車道的設置產生影響,因此僅針對先出后入型立交進行分析。避險車道與互通立交間距主要受交通特性、救援、交通工程設施、車道內事故的影響。

1.1 交通特性的影響

研究表明,立交出口匝道處存在明顯的減速行為與換車道駕駛行為,而立交入口匝道存在明顯的加速行為與換車道駕駛行為[2],無論是在出口匝道的上游還是入口匝道的下游,主線交通流均為紊流狀態。失控車輛若能成功避險,則其必須成功駛離主線進入緊急避險車道,因此,失控貨車與主線交通流也存在交織行為。但鑒于失控貨車的運行車速非常快,若其與主線慢性交通流交織,發生事故的概率會明顯提高,因此,失控貨車應該盡量避免與立交區域慢行交通流產生交織。

1.2 救援的影響

救援對設置位置的影響分為兩個方面,一是對事故人員及事故現場的救援時間的影響,二是托運車輛的運行車速對主線交通流的影響。失控車輛駛入緊急避險車道后,如果失控車輛的車速過快,存在駕駛員發生傷亡事故及車輛發生火災或側翻至主線等事故的風險,在這種情形下救援時間變得尤為重要,當緊急避險車道設置于入口匝道的后方時,救援人員與救援車輛可以迅速的到達事故發生的緊急避險車道處,傷亡人員與事故車輛可以得到快速的緊急救援,為駕駛員的救助提供寶貴的時間,同時,火災、占用主線車道等事件可以盡快救援或疏通,減少財產損失,避免發生二次事故。同時,也能盡快將緊急避險車道恢復原貌,提高其利用率。因此,從救援時間與避免二次事故發生的角度上講,緊急避險車道應設置于入口匝道的后方。

對于托運車輛,其托運大型故障貨車后的運行車速明顯降低,會對主線交通流的平穩運行產生影響,但是,如若前后有警車帶隊通行,則可降低帶來事故的風險。

對比出口區域與入口區域,Khorashadi與Lundy指出,無論從事故頻率還是平均事故率來考慮,出口匝道區域都比入口匝道區域更易發生事故[3]。綜合以上分析,從救援的角度來講,緊急避險車道宜設置于入口匝道的后方。

1.3 交通工程設施的影響

立交與緊急避險車道均為高速公路上與主線相連的匝道,均有從匝道或緊急避險車道駛出的車輛與主線交通流分合流,因此,兩類基礎設施的前方均設置有預告標志、警告標志與標線,提醒駕駛員注意分合流車輛,如圖1所示。在立交出口區域內,主要的交通標志為出口預告標志,分流警告標志,在立交出口區域設置緊急避險車道,必然對駕駛員識認立交出口產生影響,尤其是在夜間。因此,緊急避險車道的設置位置不能對駕駛員識認出口匝道產生影響。在立交入口區域,主要的影響因素為主線標線的影響,匯入主線的交通流逐漸與主線交通流合流并加速,逐漸形成穩定交通流。在這個過程中,匯入交通流的匯入點對緊急避險車道的設置產生重要的影響,而匯入點的分布受主線交通標線設置的影響,尤其是受白色實線的影響。

1.4 緊急避險車道內事故的影響

因緊急避險車道的流出角度較小,加之失控車輛在制動床內行駛時不能控制車輛的行駛方向,失控車輛與護欄的大角度碰撞及高速碰撞不可避免,因此,極有可能發生失控車輛側翻至主線的事故,給主線交通流造成影響,如圖2所示。緊急避險車道的設置位置應避免對主線交通流產生影響。

2 緊急避險車道與出口匝道的設置距離

緊急避險車道與出口匝道的設置距離受以下因素的影響:1)緊急避險車道設置于出口匝道分離交通流的前方;2)預告標志的設置避免對駕駛員識認匝道出口產生影響;3)緊急避險車道拋灑物及事故車輛對主線的影響距離不影響車輛駛離主線。

2.1 出口匝道分流距離

Finnegan等認為在沒有其他車輛影響的情況下駕駛員平均需要3.7 s 來觀察車流準備車道變換,有車輛影響的情況平均需要6.1 s。建議采用 6.6 s[4]。在出口匝道處車輛分流的距離為駕駛員識別出口位置的距離[5]與駕駛員換車道的行駛距離之和。考慮最不利情況,車輛自超車道換車道行駛至匝道,則共有1.5次換道。

將變換車道過程簡化為連續反向圓曲線的幾何描述模型,如圖3所示。

則車輛換車道行駛的最小縱向間距為:

(1)

其中,R1為反向曲線上車輛變道開始時圓曲線的半徑;ΔY1為車輛在第一個轉向過程中的橫向位移;ΔX為縱向位移。

車輛在換車道行駛過程中,轉彎半徑必須大于車輛抗側滑的最小曲線半徑,根據汽車轉彎的橫向穩定性分析可得臨界圓曲線半徑計算公式:

(2)

考慮車輛寬度和車道寬度的特征,縱向位移不得超過當前車道和目標車道的寬度,即變換1次車道的縱向位移ΔY1不應超過車道寬度W1的0.75倍,即ΔY1≤0.75W1。因此,完成換車道行駛的最小安全距離為:

ld=Vnts+2ΔX

(3)

其中,Vn為試圖變換車道車輛n的車速,km/h;ts為駕駛員的觀察時間;μ為路面縱向附著系數;i為路線縱坡(上坡為“+”,下坡為“-”)。

不同設計速度條件下,駕駛員在出口匝道的分流距離見表1。

表1 駕駛員在匝道處的分流距離

2.2 出口匝道標志設置

根據GB 5768.2—2022道路交通標志和標線 第2部分:道路交通標志的規定[6],在高速公路互通立交前500 m處設置出口預告標志。按照最不利情況考慮,假設駕駛員自標志的消失點開始觀察車道準備變道,至減速車道起點處變換車道完畢,則提供給駕駛員的分流距離為:匝道標志的設置距離與標志消失距離之和減去減速車道的設置距離,如圖4所示。

根據人機工效學的原理,匝道的消失角度為15°,則雙向四車道高速公路標志的消失距離為43.68 m。根據出口匝道標志的設置距離計算出口匝道的分流距離見表2。

表2 出口匝道的分流距離

對比表1與表2數據,雙向四車道高速公路,駕駛員需要的分流距離小于高速公路提供的分流距離,因此,僅需考慮出口匝道處標志的設置對緊急避險車道的影響。對比《公路通行能力手冊》中對出口匝道影響范圍的規定:從出口匝道連接處起,其上游760 m的范圍為出口匝道的影響范圍,計算分流距離低于出口匝道的影響范圍,考慮到駕駛員可能在標志的消失點之前采取換車道駕駛行為,因此,取手冊中規定的影響范圍。同時,采用手冊中的影響范圍設置值,確保緊急避險車道的警告標志與出口預告標志之前的距離較大,避免駕駛員混淆出口。

2.3 拋灑物對出口匝道的影響

若緊急避險車道的拋灑物占用主線車道,勢必對主線交通流造成影響,若緊急避險車道距離出口匝道過近,則一旦緊急避險車道內發生占用主線車道的事故,影響主線分流車流的駛出時,會在事故車流的前方因車輛轉向距離過短造成駛出主線車輛在事故地點的前后排隊,堵塞交通流。因此,保持緊急避險車道終點與匝道出口的距離是必要的。

駛出主線車輛在發現拋灑物之后,由超車道避讓拋灑物,在超車道上行駛過程中,發現匝道出口并駛出。該過程與正常駕駛員在匝道處分流的距離相同。

綜上所述,緊急避險車道入口距離匝道出口的距離不低于750 m,緊急避險車道制動床的終點距離匝道出口不低于300 m。

3 緊急避險車道與入口匝道的設置距離

緊急避險車道與入口匝道的設置距離受主線匯入車輛行駛速度的影響,即失控車輛在駛出主線匯入緊急避險車道的過程中,避免與行駛速度較慢的車輛產生沖突。因此,緊急避險車道距離入口匝道的設置距離為匯入車輛的加速距離與失控貨車駛入緊急避險車道的換車道行駛距離之和。

車輛的加速距離計算過程中,假設車輛在匝道終點處的速度與匝道的設計速度保持一致,車輛自駛入加速車道開始,一直做勻加速運動,至車輛的運行速度與主線的設計速度保持一致之后保持勻速行駛。車輛在加速過程中,完成車輛自匝道向主線車輛匯合的過程,換道行駛過程中,車輛的運行速度保持不變。因立交區域主線線形的設計指標較高,因此,忽略主線縱坡對匯入車輛行駛速度的影響。取匯入車輛的加速度為標準加速度1 m/s2。因此,車輛在主線段的加速度距離為車輛自匝道終點加速至主線設計速度的距離與減速車道之差,見表3。

表3 車輛在主線段的加速度距離

考慮最不利情況,失控車輛需要自超車道駛出至緊急避險車道,則失控車輛共需1.5次換道距離。因此,緊急避險車道與入口匝道的最小距離見表4。

表4 緊急避險車道與入口匝道的最小距離

將表4中計算結果與《公路通行能力手冊》規定的進口匝道的影響范圍(從匝道接入點起,下游760 m范圍)比較,計算得到的加速車輛的影響范圍小于手冊制定的進口匝道的影響范圍,考慮一定的安全距離,由手冊規定的760 m作為緊急避險車道與進口匝道設置的最小距離。

4 結論

立交進出口匝道對避險車道設置間距的影響因素有四個,分別為交通特性、救援、交通工程設施與緊急避險車道內事故。通過分析,緊急避險車道與匝道出口的間距應不低于750 m,緊急避險車道制動床的終點與匝道出口的間距應不低于300 m。匝道入口與緊急避險車道入口的間距應不低于760 m。