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山地城市快速路加速车道设置长度研究

发表时间：2020/10/13 来源：《基层建设》2020年第19期作者：戴伟1 周通2

[导读] 摘要：在快速路合流区设计中，加速车道长度确定是其核心内容之一。

        武汉市政工程设计研究院有限责任公司重庆分公司
        摘要：在快速路合流区设计中，加速车道长度确定是其核心内容之一。为了更加合理地确定快速路合流区加速车道的长度，基于主线和匝道在不同设计速度下的服务交通量，对比分析了山地城市地方标准、国家标准及国外标准，利用数学模型对不同情形下加速车道长度对合流区服务水平的影响进行研究，在此基础上提出了快速路合流区加速车道长度的合理建议值。
        关键词：山地城市；快速路；加速车道
        一前言
        快速路作为城市典型的道路类型之一，承担着大中运量的快速交通的功能，由于巨大的交通出行需求，目前许多大城市的快速路在高峰时段服务水平基本维持在低等级。快速路合流区是主线交通和汇入交通交汇路段，存在大量车道变换行为，往往会引发主线交通流的紊乱以及行车速度降低，尤其是在主线交通流近饱和状态下，容易引发交通拥堵状况的发生，从而形成交通瓶颈。由此可见，有效化解快速路合流区的交通瓶颈问题是保障整个快速路系统交通畅通的关键。
        作为山地城市的典型代表，重庆市主城区受两江三山阻隔，城市布局呈现典型的多中心组团式，组团间交通联系主要依靠有限的快速路或主干道进行衔接。与其他城市相比，快速路在路网系统中所占比例较小，但需要承担相对更多的内部和过境集散交通量，因此机动性与可达性的矛盾更为突出，其中以道路分合流点为甚。现有加速车道设置标准中存在城市地方标准和国家标准存在不统一的问题，本文利用数学模型对不同情形下加速车道长度对合流区服务水平的影响进行了分析，对比研究了山地城市地方标准、国家标准及国外标准，在此基础上提出了快速路合流区加速车道长度的合理建议值。
        加速车道是快速路的重要组成部分，其形状分类决定合流区的类别。根据《城市快速路设计规程》（CJJ129-2009）的规定，快速路合流区加速车道共包括两大类。一种是平行式加速车道，平行式加速车道的加速车道平行于主线车道，汇入车辆通过在一定长度的加速车道上运行，以提高运行速度并以较为合理的运行状态汇入主线，该类型加速车道适用于汇入车流量相对较大的情况，目前也是被北京、上海和广州等一些大城市的快速路广泛采用的形式。
        另一种是直接式加速车道，直接式加速车道的加速车道平顺地与匝道、主线车道相连接，起到主线与匝道之间连通的功能，这种类型适用于汇入流量较小的情况。由于直接式加速车道对主线车道车流的影响较大，目前在北京、上海、广州等大城市建设的快速路合流区主要采用平行式加速车道的形式，因此本文主要对此类型的加速车道进行研究。
        二加速车道长度影响因素分析
        加速车道长度存在的问题
        加速车道长度的确定需综合考虑匝道及主线的技术指标、车流特征、车辆性能、人为因素等众多方面的影响。在影响加速车道长度的诸多因素中，下面仅就一些关键因素进行分析。
        1.道路主线与匝道之间相对车速的影响
        加速车道作用之一是为匝道车辆提供一个与主线合流的机会。合流车辆必须在加速车道上加速到合流车速并利用较大的间隙才能安全汇入主线。合流车辆在驶过汇流鼻的速度为汇流鼻初速度，汇入主线（汇流点）时的速度为汇流点末速度，两者速度之差即为相对车速。显然，相对车速越大，匝道车辆为完成加速所行驶的距离越长，所需的加速车道也就越长。
        2.车辆可接受插入间隙与主线车头时距的影响
        合流车辆不应影响直行车辆的正常行驶，就路权优先而言，直行车辆的优先级较高。合流车辆欲安全、顺利地汇入主线，除加速完成速差外，还必须等待直行车辆较大的车头时距，即可插入间隙（对合流车辆而言）。当可插入间隙较小时，主线车流车头时距符合该间隙的概率较大，所需的加速车道较短；反之，当可插入间隙较大时，主线车流车头时距符合该间隙的概率较小，所需的加速车道较长。
        3.车辆加速度的影响
        车辆加速度是影响加速车道长度的关键因素之一。当相对车速一定时，由运动学方程可知，不同的加速度对应的提速时间不同，得到的加速段长度亦不同。如果车辆加速性能较好，提供的加速度较大，则所需的加速段较短；如车辆加速性能较差，提供的加速度较小，则所需的加速段较长。同时，当车辆能提供的加速度较大时，其加速性能较好，其可插入间隙较小，车辆插入机会较多，所需等待时间较短，汇流点末速度一定时，对应的等待段长度就较短，反之，会越长。
        4.车型构成的影响
        不同车型对应的加速度性能、可插入间隙不同。小型车加速度性能较大型车好、可插入间隙较大型车小、车身短小、惯性小、汇入过程所需的时间较短。大型车加速性能较差、车身较长（特别是拖挂车）、惯性大、可插入间隙大，使大车所需的提速时间、等待时间和汇入过程均较长，所需的加速车道较长。
        三国外、中国与重庆地方指标对比
        国外对于加速车道长度的研究较为深入，并根据具体研究对其进行了具体规定。美国各州公路与运输工作者协会对各州不同设计速度高速公路合流区主线及匝道上车辆运行状况进行大量的调查，研究发现加速车道长度与主线和匝道的平均行驶速度有关，并对不同设计速度对应平均行驶速度下的加速车道长度作出相应的规定；日本《日本高速公路设计要领》依据主线的设计速度对加速车道长度进行了相关的规定；德国对合流匝道线形指标进行了详细的研究，而对加速车道长度的研究较少，并将其规定为200m。在具体的研究方法上，
        Blumenfeld和Weiss[9]提出延误理论，基于交通流理论，研究合流车辆汇入的概率与加速车道长度的关系；Evans、Eleferiadou、Gautam等运用MARKOV链和概率论对合流行为失败而被迫停车的概率进行研究；Alexander通过进行大量的观测和数据采集，分析总结互通式立交区的交通流运行特性，应用计算机程序对其进行模拟，建立符合道路实际行驶条件的交通仿真模型。国外、中国与重庆地方指标对比加速车道长度规定见表1.1~1.4。
        表1.1美国加速车道最小长度〈单车道）

表1.2日本加速车道最小长度

表 1.3 我国加速车道最小长度（城市快速路设计规程（CJJ129-2009））

        表 1.4 重庆市加速车道最小长度（城市道路交通规划及路线设计规范（DBJ50-064-2007）

        目前我国主流快速路设计车速为80km/h至100km/h，对比发现，美国及日本设置加速车道偏长，我国的偏短。
        四计算分析
        参考孔令臣《多车道高速公路互通式立交加减速车道长度及最小净距研究》，合流小型车以汇流鼻初速度匀加速到汇流点末速度所需的长度为：

        式中：Vb——小型车汇流鼻初速度；
        Ve ——小型车汇流点末速度；
        a ——小型车平均加速度，详见表1.5；
        表1.5 平均加速度坡度取0

        计算发现：
        表1.6 计算加速段长度

        对比发现，较欧美国家，我国《规范》规定的加速车道长度偏小，建议稍作调整，建议值如下：
        表 1.7 建议加速车道最小长度

        五结论
        加速车道长度快速路设计的重要指标，为了更加合理地确定快速路合流区加速车道的长度，基于主线和匝道在不同设计速度下的服务交通量，对比分析了山地城市地方标准、国家标准及国外标准，利用数学模型对不同情形下加速车道长度对合流区服务水平的影响进行研究，在此基础上提出了快速路合流区加速车道长度的合理建议值。
        参考文献：
        ［1］交通部工程管理司译制组译.日本高速公路设计要领[M].西安：陕西旅游出版社，1991
        ［2］城市快速路设计规程（CJJ129-2009）[M].北京：中国建筑工业出版社，2009
        ［3］城市道路交通规划及路线设计规范（DBJ50-064-2007）[M].重庆：重庆市出版社，2007
        ［4］美国各州公路运输者协会著.公路与城市道路几何设计[M].西安：西北工业大学出版社，1988
        ［5］美国交通研究委员会著.任福田等译.道路通行能力手册[M].北京：人民交通出版社，2007
        ［6］W.杜尔特著.联邦德国道路设计[M]．北京：人民交通出版社，1987
        ［7］张金喜等.道路工程专论[M].北京：科学出版社，2010
        ［8］王治中，张文魁，冯理堂译.日本公路技术标准的解说与运用[M].北京：人民交通出版社，1979
        ［9］孔令臣.多车道高速公路互通式立交加减速车道长度及最小净距研究[D].长安大学，2012.