高速公路改擴(kuò)建施工區(qū)限速研究

陸 蓉

(武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430023)

近年來(lái)我國(guó)高速公路建設(shè)飛速發(fā)展，已建的公路隨著時(shí)間的增長(zhǎng)與長(zhǎng)期使用，道路也受到了不同程度的破壞，其通行能力與服務(wù)水平受到了嚴(yán)重的影響，而改建、擴(kuò)建及其維護(hù)成為解決上述問(wèn)題的首選方案。在此過(guò)程中，改擴(kuò)建路段施工一般“不中斷交通”，即一邊施工一邊通車(chē)，這種復(fù)雜環(huán)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(shí)速120 km/h，突然降速會(huì)導(dǎo)致速度變化很大，很容易發(fā)生交通事故，根據(jù)能量定律，能量與速度的平方成正比，一旦發(fā)生交通事故，其破壞性將是致命的。因此改擴(kuò)建路段前一段距離對(duì)行車(chē)速度的限制及根據(jù)車(chē)速合理進(jìn)行交通安全設(shè)施設(shè)置特別重要。

1 高速公路改擴(kuò)建路段交通特點(diǎn)分析

1.1 改擴(kuò)建路段交通環(huán)境復(fù)雜，必須由實(shí)際調(diào)查得到交通量

改擴(kuò)建導(dǎo)致車(chē)道數(shù)量減少，這會(huì)導(dǎo)致通行能力下降，交通量增加。同時(shí)存在分合流、變換車(chē)道、跟車(chē)行駛等復(fù)雜的車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)。工人、施工機(jī)械、路邊施工護(hù)欄和作業(yè)區(qū)來(lái)往的車(chē)輛構(gòu)成了一個(gè)危險(xiǎn)的交通環(huán)境。不中斷交通施工，施工區(qū)和行車(chē)區(qū)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(dǎo)致可通行路段交通流量增大，因此必須提前進(jìn)行合理的速度限制。

1.2 改擴(kuò)建路段存在速度“瓶頸”期，行車(chē)安全勢(shì)必受到很大影響

高速公路改擴(kuò)建施工區(qū)不中斷交通施工，作業(yè)區(qū)定會(huì)形成特別復(fù)雜的環(huán)境，因此，必須在作業(yè)區(qū)的一定路段對(duì)車(chē)輛行駛速度加以限制，如果速度限制區(qū)太短必然與原來(lái)正常行駛時(shí)形成較大的速度差，如果速度限制區(qū)太長(zhǎng)，必定會(huì)使改擴(kuò)建路段影響范圍增大。在改擴(kuò)建路段必然存在速度“瓶頸”期，這對(duì)改擴(kuò)建路段交通安全的影響特別大，這就要求行駛車(chē)輛在進(jìn)入改擴(kuò)建路段前在速度上形成一個(gè)降速漸變段，不能形成降速突變段，因此限速必須設(shè)計(jì)合理。

2 分析改擴(kuò)建路段交通量，指導(dǎo)改擴(kuò)建路段速度限制分析與計(jì)算

車(chē)輛由正常路段行駛到改擴(kuò)建路段時(shí)存在的速度差會(huì)導(dǎo)致交通事故發(fā)生的幾率增大，因此進(jìn)入改擴(kuò)建路段各車(chē)輛的速度必須限制在一個(gè)穩(wěn)定的閾值內(nèi)，如果超過(guò)這個(gè)閾值，則發(fā)生交通事故的概率大大增加。車(chē)輛的行駛速度和道路交通量密切相關(guān),目前我國(guó)對(duì)改擴(kuò)建路段速度的限制并沒(méi)有詳細(xì)考慮交通量這一因素，僅憑經(jīng)驗(yàn)以及以往的工程實(shí)例而確定，沒(méi)有理論支撐，而且僅在JTG H30-2015《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》中給出了相應(yīng)的規(guī)定。以下將交通量引入到改擴(kuò)建施工區(qū),對(duì)分級(jí)速度進(jìn)行計(jì)算。

2.1 改擴(kuò)建路段前警告區(qū)最小長(zhǎng)度計(jì)算

假設(shè)：高速公路改擴(kuò)建路段行車(chē)速度降低，但不為零。根據(jù)1993年格林希爾茲研究得出的結(jié)論[1]：速度-密度關(guān)系：

V=a-bK

(1)

式中:a，b為常數(shù)。當(dāng)K=0或者K=Kj時(shí)，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(yīng)低于60 km/h，則：

(8)

上式中：a、b為常數(shù)；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(qū)間車(chē)速。

根據(jù)JTG H30-2004《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》[2]，在作業(yè)控制區(qū)分為警告、上游過(guò)渡區(qū)、緩沖、工作、下游過(guò)渡和終止6個(gè)區(qū)，現(xiàn)根據(jù)上述推導(dǎo)以下公式：

S=S1+S2+S3

(9)

(10)

假設(shè)高速公路對(duì)交通量進(jìn)行限制，不出現(xiàn)排隊(duì)的現(xiàn)象，因此：S3不應(yīng)該出現(xiàn)，即在工作區(qū)地段附近封閉、車(chē)道數(shù)減少、行車(chē)條件改變等因素引起的車(chē)輛擁擠時(shí)的排隊(duì)長(zhǎng)度S3=0，則最終警告區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算公式應(yīng)為：

S=S1+S2

(11)

式(1)～式(11)中：S為警告區(qū)最小長(zhǎng)度；S1為從正常行駛車(chē)速降至所限制的行駛車(chē)速所需要的距離，m，即車(chē)輛到達(dá)工作區(qū)地段附近的排隊(duì)尾部時(shí) 的最小安全距離，m；S3為在工作區(qū)地段附近車(chē)道封閉，車(chē)道數(shù)減少，行車(chē)條件改變等因素引起的擁擠時(shí)的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度，m；V1為減速錢(qián)車(chē)速，km/h；V2為減速后車(chē)速，km/h；t為駕駛員反映時(shí)間，通常取2.5 s；φ為道路縱向摩阻系數(shù)，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(duì)高速公路改擴(kuò)建路段速度分級(jí)限制

JTG H30-2015《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》中給出了各種設(shè)計(jì)速度條件下的最終速度值，并未考慮各高速公路在養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)(改擴(kuò)建路段)的交通量，以及分級(jí)限速。規(guī)范中給出的設(shè)計(jì)速度與最終速度來(lái)計(jì)算的警告區(qū)長(zhǎng)度未考慮駕駛員及乘客的舒適性及安全性。根據(jù)占輝等人對(duì)廣東佛開(kāi)高速公路《高速公路改擴(kuò)建施工區(qū)限速研究》及其仿真研究[3]，為提高行車(chē)駕駛員的舒適性和安全性，避免車(chē)輛由設(shè)計(jì)速度陡然降速到作業(yè)區(qū)所限制的速度，作業(yè)區(qū)的速度限制應(yīng)采用分級(jí)限速，而且最好的是二級(jí)限速，即：120～90～60 km/h的限速方案。當(dāng)考慮分級(jí)限速出現(xiàn)分級(jí)速度區(qū)段時(shí)，就出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題：由作業(yè)區(qū)交通量所計(jì)算出來(lái)的速度V是位于120～90 km/h范圍內(nèi)還是位于90～60 km/h范圍內(nèi)？根據(jù)交通工程學(xué)研究，各速度區(qū)段的長(zhǎng)度應(yīng)按下式計(jì)算，現(xiàn)就以交通量所計(jì)算的速度值引入，計(jì)算各速度區(qū)段長(zhǎng)度理論值。

(1)速度120～90 km/h警告區(qū)長(zhǎng)度為：

(12)

(2)速度90～60 km/h警告區(qū)長(zhǎng)度為：

(13)

則

S1=S11+S12

(14)

由規(guī)范得：

(15)

(16)

綜上，有：

S=S1+S2+S3

(17)

式中:q為發(fā)生在車(chē)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(chē)的平均長(zhǎng)度，按7 m計(jì)；n為車(chē)道數(shù)；S為警告區(qū)最小長(zhǎng)度；S1為從正常行駛車(chē)速降至所限制的行駛車(chē)速所需要的距離，m，即車(chē)輛到達(dá)工作區(qū)地段附近的排隊(duì)尾部時(shí) 的最小安全距離，m；S3為在工作區(qū)地段附近車(chē)道封閉，車(chē)道數(shù)減少，行車(chē)條件改變等因素引起的擁擠時(shí)的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度，m；V1為減速錢(qián)車(chē)速，km/h；V2為減速后車(chē)速，km/h；t為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，通常取2.5 s；φ為道路縱向摩阻系數(shù)，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(chē)輛速度分級(jí)限制計(jì)算結(jié)果

(1) 當(dāng)由式(8)計(jì)算出的V∈[80,90),則V取80 km/h，分級(jí)限速120～100～80 km/h。

(2)當(dāng)由式(8)計(jì)算出的V∈[70,80),則V取70 km/h，分級(jí)限速120～100～70 km/h。

(3) 當(dāng)由式(8)計(jì)算出的V∈[60,70),則V取60 km/h，分級(jí)限速120～90～60 km/h。

3 基于速度分級(jí)限制后改擴(kuò)建路段限速標(biāo)志牌設(shè)置的研究

由于警告區(qū)分級(jí)限速，各級(jí)速度范圍內(nèi)的警告區(qū)長(zhǎng)度必然不同，則限速標(biāo)志牌的個(gè)數(shù)在各級(jí)速度段內(nèi)的間距而并不相同，相應(yīng)于不同速度下的各標(biāo)志牌間的距離也不相同。而JTG H30-2015《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》只是規(guī)定：在作業(yè)控制區(qū)內(nèi)除設(shè)置施工標(biāo)志的施工標(biāo)志外，其他位置要設(shè)置超車(chē)，限速等標(biāo)志。并未指出施工警告區(qū)內(nèi)限速標(biāo)志設(shè)置的個(gè)數(shù)以及設(shè)置的距離，相應(yīng)的研究以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)都未做細(xì)致的研究與說(shuō)明。有關(guān)學(xué)者研究確定了高速公路限速標(biāo)志的合理間距為運(yùn)行速度的10倍[4]。

當(dāng)作業(yè)區(qū)交通條件良好時(shí)，由交通量計(jì)算出來(lái)的為80 km/h，設(shè)計(jì)速度為120 km/h時(shí)，則分級(jí)限速為120～100～80 km/h，則根據(jù)式(12)、式(13)算得：

S11=153m

S12=118m

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

同時(shí)根據(jù)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(biāo)志設(shè)置間距：由式(19)算出為S′=1000m，根據(jù)最終算出的S和S′，取限制長(zhǎng)度S0為：S0=max{S,S′}=1687m。

4 結(jié)束語(yǔ)

高速公路改擴(kuò)建作業(yè)區(qū)的速度限制既要保證車(chē)輛及乘客的安全，又要考慮通行能力的要求。本文考慮改擴(kuò)建路段交通量變化對(duì)改擴(kuò)建路段速度影響，對(duì)其進(jìn)行理論研究與計(jì)算，得出如下結(jié)論:

(1)考慮到作業(yè)區(qū)的通行能力，車(chē)輛速度情況以及行車(chē)的舒適性，高速公路改擴(kuò)建施工區(qū)速度限制必須引入實(shí)際交通量的計(jì)算，再合理調(diào)整標(biāo)志牌間距。

(2)為保證車(chē)輛在進(jìn)入改擴(kuò)建施工區(qū)過(guò)程中，車(chē)輛的安全性以及駕駛員乘客的舒適性。在改擴(kuò)建路段前的一段距離車(chē)輛應(yīng)該分級(jí)限速。

(3)考慮駕駛員心理特點(diǎn)，分級(jí)限速段的標(biāo)志牌應(yīng)該根據(jù)上述計(jì)算得出，改擴(kuò)建施工區(qū)速度限制規(guī)劃。