交通量配置下三車道出口樞紐互通改擴建設(shè)計

楊水生,黃沙路

(江西省公路科研設(shè)計院有限公司,南昌 330002)

0 引言

隨著產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)越來越強,人口集聚效應(yīng)更加突出,各省都在做大做強都市圈、經(jīng)濟圈[1,4].省會等中心城市在形成聚集效應(yīng)的過程中,高速公路發(fā)揮著不可估量的作用[7],而樞紐互通又是高速公路的重要節(jié)點,可通過高速改擴建改善和完善樞紐存在的主要問題.

牛肖等[2]在馬鞍山西樞紐(蕪合高速與巢馬高速十字交叉)中給出了三車道匝道通行能力、標(biāo)準(zhǔn)橫斷面組成及加寬方式、匝道與主線連接部、匝道連續(xù)出、入口間距等內(nèi)容.

該文為解決三車道匝道無規(guī)范依托等問題,分別將單向雙車道匝道設(shè)計成單向三車道主線和單向三車道匝道,分析2種設(shè)計方式在交通量配置、平縱橫指標(biāo)、變速車道及漸變段長度等方面取值存在的差異,結(jié)合方案比較、仿真分析、對分合流處進行通行能力分析,得出采用三車道主線出口更合適的結(jié)論,結(jié)果表明采用三車道主線出口進行設(shè)計在規(guī)范缺失相關(guān)規(guī)定的情況下是可行的.

1 工程概況

G60滬昆高速公路江西段是江西省“十字型”高速公路主骨架之一,也是江西最繁忙的高速公路之一[3-6].樟樹樞紐由G60滬昆高速昌樟段、G60滬昆高速昌金段、S69樟吉高速和S42東昌高速交匯匯集,為半直連式變異苜蓿葉樞紐互通(圖1).其中G60滬昆高速昌樟段現(xiàn)狀為雙向8車道高速,其他三條高速為雙向4車道高速,見表1所示.匝道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為40～60 km/h.

表1 樞紐范圍高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 樟樹樞紐現(xiàn)狀圖

2 交通量預(yù)測

樟樹樞紐互通主轉(zhuǎn)向交通流為南昌—長沙方向,2045年平均日交通量將達到 45 278 pcu/d(6 112 pcu/h),次轉(zhuǎn)向交通流為撫州—廣州方向,預(yù)測年交通量合計為29 566 pcu/d(3 991 pcu/h);其余各轉(zhuǎn)向交通量見圖2所示[3,5].根據(jù)預(yù)測年限交通量可知,應(yīng)盡可能提高南昌—長沙方向平縱面指標(biāo)來滿足交通量的需求.

圖2 2045年遠(yuǎn)景轉(zhuǎn)向交通量(單位:pcu/d)

圖3 分合流端部圖

3 控制要素評價

3.1 功能要素評價

功能要素主要包括社會需求和交通需求等[8],而交通需求又有部分是屬于安全要素,安全運行才能實現(xiàn)功能.

社會需求評價:根據(jù)江西省打造南昌大都市圈規(guī)劃[1],G60滬昆江西段為南昌串聯(lián)江西主要經(jīng)濟體的骨干高速線路,承擔(dān)著以后物流和交通的重要責(zé)任[7].適時啟動改擴建有助于強化高速公路大通道對城市群和產(chǎn)業(yè)群發(fā)展格局的支撐力,進一步優(yōu)化沿線城鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)布局,推動沿線經(jīng)濟區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展[5].強省會戰(zhàn)略實施后,沿線地市新能源產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)企業(yè)相繼落戶,如寧德時代、哪吒汽車等等,產(chǎn)業(yè)布局和省會城市大都市圈呼之欲出[5].

交通需求評價:經(jīng)與交警部門取證[5],南昌往返長沙交通量較大,現(xiàn)狀此方向匝道出入口交通事故頻發(fā),單向雙車道匝道已不能滿足路網(wǎng)系統(tǒng)的交通需求,不能滿足節(jié)點的交通轉(zhuǎn)換需求,亟需改擴建.

3.2 安全要素評價

對樞紐涉及安全等方面技術(shù)指標(biāo)進行評價[5、8-9],主要從平縱橫線性的組合設(shè)計、互通出入口間距、加減速車道長度、停車視距等影響運行安全的指標(biāo)著手,同時核檢現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)物在安全方面的問題,由表2可看出,樞紐在滿足現(xiàn)狀技術(shù)指標(biāo)上存在較多問題,有些與規(guī)范的更新有關(guān),如部分匝道多次出現(xiàn)極限坡度+反向彎組合,且反向彎比值均超過1∶2.

表2 安全要素評價表

有些與當(dāng)時樞紐分1期和2期建設(shè)有關(guān),導(dǎo)致設(shè)計時有些指標(biāo)沒有仔細(xì)推敲和復(fù)核,如H匝道匯入主線時出現(xiàn)加速車道+漸變段長度為127.7 m+80 m的問題;G匝道作為第2大轉(zhuǎn)向交通,匯入主線的豎曲線半徑僅為1 247.3;也導(dǎo)致樞紐設(shè)計時預(yù)留不到位,如B、D匝道橋只預(yù)留了橋下主線縱面凈空,平面沒有預(yù)留主線拓寬為雙向8車道的條件.

有些與不同設(shè)計人員對規(guī)范指標(biāo)的理解和把握有關(guān),如2017版路線規(guī)范表11.3.4-1[11]規(guī)定的匝道縱坡取值,對于樞紐互通由于既有出口又有入口縱坡應(yīng)取最不利指標(biāo)3%,而本樞紐設(shè)計中僅選擇寬松的4%作為控制縱坡的指標(biāo);所有的右轉(zhuǎn)匝道作為直連式匝道設(shè)計速度僅考慮為40 km/h,技術(shù)指標(biāo)考慮不足.

B匝道出口位置主線豎曲線半徑僅滿足極限值,超過漸變率有2處小于1/330,此路段也是樞紐區(qū)的事故黑點路段,通過對停車視距的驗算主線和匝道的停車視距來分析所需平曲線半徑,計算考慮護欄影響所需的最小平曲線半徑R分別為1 757 m和258 m,而現(xiàn)狀長沙—南昌方向的半徑為200 m,同時極端天氣下由于超高過渡設(shè)置不合理導(dǎo)致排水不暢易引發(fā)交通事故,因此設(shè)計中應(yīng)當(dāng)盡可能提高主轉(zhuǎn)向出口技術(shù)指標(biāo),才能從源頭消滅事故黑點.

隨著交通量的增長相關(guān)問題將更加突出,從現(xiàn)狀技術(shù)指標(biāo)與預(yù)測年交通量適應(yīng)性評價可看出,幾乎以不適應(yīng)為主,樞紐改造迫在眉睫.從中也可梳理出樞紐存在主要問題集中在A和B匝道出入口位置、D和F連續(xù)匯入主線區(qū)域、G匝道,后續(xù)改造中應(yīng)當(dāng)重點進行考慮.

4 三車道出口指標(biāo)設(shè)計

本樞紐最大問題是南昌往返長沙方向功能與交通量不匹配問題,應(yīng)重點予以關(guān)注.(見圖2)南昌—長沙方向轉(zhuǎn)向交通量為23 009 puc/d(3 102 pcu/h)>2 900 pcu/h,超過了目前規(guī)范條件下雙車道匝道的最大通行能力[13].在設(shè)計過程中,存在2種不同的處理方式:①認(rèn)為應(yīng)該采用主線進行設(shè)計;②按照三車道匝道進行設(shè)計,至于到底采用哪種處理方式,本文通過分別采用主線設(shè)計和匝道設(shè)計進行對比.

4.1 三車道出口通行能力

根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》JTGD20—2017和公路立交設(shè)計細(xì)則:JTG/TD21—2014及劉子劍關(guān)于匝道基準(zhǔn)通行能力分析相關(guān)內(nèi)容,規(guī)定匝道服務(wù)水平采用4級,主線服務(wù)水平采用3級,得出三車道主線設(shè)計和三車道匝道設(shè)計相對應(yīng)的設(shè)計通行能力為表3.由表3可知,采用設(shè)計速度為80 km/h的三車道主線或三車道匝道、100 km/h和120 km/h的雙車道主線均滿足通行能力要求,但由于主線多數(shù)設(shè)計速度為100 km/h,因此后續(xù)主要分析80 km/h和100 km/h.

表3 主線和匝道通行能力對比表

4.2 交通量配置對分合流方式的影響

通常我們根據(jù)互通設(shè)計細(xì)則6.3.5[13]對于連續(xù)2條以上的匝道與主線連接時,連續(xù)分流規(guī)范宜采用1次分流,條件受限時可采用2次分流;但改擴建項目中,需要根據(jù)實際情況采用適合的分合流方式.

由圖2右上及表4,將小交通量H分別配置在J線或Y線右側(cè),出現(xiàn)了2種情況:①分流后兩者交通量幾乎相當(dāng);②差值比較大.通常做法是將H匝道置于Y線右側(cè),當(dāng)此時交通量J?Y+H兩者交通量差距進一步拉大,由于現(xiàn)狀J在左出,將與主交通流左出不符,此時需要將J線即南昌—廣州方向主線進行調(diào)整,但如此一來不但改造代價巨大且改造后改變南昌—廣州方向行駛習(xí)慣,社會風(fēng)險也較大.可見此時無論是將Y進行主線設(shè)計還是匝道設(shè)計都是不合適的.Z處出口也存在這一問題.

而如果將小交通量H匝道配置在J線右側(cè),此時J Y、J

4.3 基本車道數(shù)配置

以圖2Y線分流為例,由于J線和H匝道維持不變,J線現(xiàn)狀為4+4→3+3→2+2,分別將Y設(shè)計為主線和匝道,結(jié)合交通量預(yù)測數(shù)據(jù)和表3,可推算出所需的車道數(shù),匯總?cè)绫?所示,其中15 min高峰小時系數(shù)PHF15=0.926.情況2)和4)為重大節(jié)假日存在堵車,出現(xiàn)社會輿情,根據(jù)業(yè)主反饋希望主線車道數(shù)保持一致的情況.均以J線和H匝道維持現(xiàn)狀為基礎(chǔ)[6,9].

表5 分流處基本車道數(shù)n

4.4 分流區(qū)通行能力分析

對表5情況分流處進行通行能力分析,周榮貴等[14]指出分流區(qū)、合流區(qū)通行能力的關(guān)鍵是核查匝道、分合流點、影響區(qū)關(guān)鍵斷面3個部分的交通運行狀態(tài).其中

Q34=QR+(QF-QR)PFD,

2)和4)的PFD=0.436,1)和3)的

PFD=0.76-0.000 025QF-0.000 046QR,

這里主要驗算影響區(qū)域范圍通能能力,并考慮表5情況,驗算結(jié)果如表6所示,可看出Y/Z采用匝道設(shè)計和主線設(shè)計時,當(dāng)考慮下游匝道分流影響時,分流區(qū)狀態(tài)基本一致,配置方式1)和2)服務(wù)車數(shù)基本相同,但服務(wù)水平有差異,主要是增減車道對其影響,仿真分析的結(jié)果也基本驗證這一結(jié)論.

表6 分流影響區(qū)域范圍通能能力

Y/Z采用設(shè)計速度100 km/h可有效減少車道數(shù),通行能力也滿足相應(yīng)3級服務(wù)水平,但通過仿真分析由于考慮下游匝道影響,兩主線設(shè)計速度均較大時出現(xiàn)交通事故的概率較大,且引發(fā)的交通事故后果更嚴(yán)重,基于此認(rèn)為在設(shè)計時主要還宜考慮80 km/h為主.

見圖4,將H匝道配置于Y線右出,根據(jù)以上方法可驗算出紅色區(qū)域通行能力不足,可見Y線交通量較大時,應(yīng)該將小交通量疏散至其他位置,不可強行配置于Y線.

4.5 平縱橫指標(biāo)

由《公路路線設(shè)計規(guī)范》JTGD20—2017和《公路立交設(shè)計細(xì)則》JTG/TD21—2014,可得出Y/Z設(shè)計為主線或匝道時相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo).由于Y/Z設(shè)計為主線100 km/h與80 km/h的相差較大且由4.4考慮下游匝道影響運行速度均較大時有一定的安全隱患,因此這里僅比較同為80 km/h時技術(shù)指標(biāo)對比.

從表7中可看出,當(dāng)以互通范圍內(nèi)主線線形指標(biāo)控制時,Y/Z分別設(shè)計為主線或匝道,除滿足停車視距圓曲線半徑相當(dāng)外,其他技術(shù)指標(biāo)差值較大且大部分差值在1倍以上.

表7 平縱指標(biāo)對比表

表8 主線分岔和合流漸變段長度

表9 方案比較表

當(dāng)不以互通范圍內(nèi)主線線形指標(biāo)控制時,Y/Z分別設(shè)計為主線或匝道,除個別指標(biāo)有差異且差異較小外,兩者指標(biāo)差值基本無差別,Y/Z設(shè)計為主線時最大縱坡更寬松,更有利于指標(biāo)的靈活運用.

根據(jù)《公路立交設(shè)計細(xì)則》JTG/TD21—2014,變速車道及連接部是按互通區(qū)指標(biāo)控制,其他路段按一般路段指標(biāo)控制,可看出一般路段采用主線還是匝道相關(guān)指標(biāo)差異較小,Y/Z采用主線設(shè)計或者匝道設(shè)計均可,但是對于改擴建樞紐來說,限制條件和考慮因素較多,如本樞紐在設(shè)計過程中對于南昌—撫州方向H匝道存在2種處理方式:①直接利用端部;②不利用.不利用的情況如圖2右上所示,此時H匝道從Y線右出然后跨越Y(jié)線,考慮到Y(jié)線交通量較大且在設(shè)計需要控制兩次分流間距,無論是Y為主線設(shè)計還是匝道設(shè)計,均需要特殊計算.對于橫斷面寬度和超高漸變率2種設(shè)計方式并無太大差異.

綜上可得出一般路段采用主線或匝道均可,但是變速車道及連接部控制指標(biāo)較高,無論Y/Z是主線還是匝道設(shè)計,由于Y/Z采用的速度80 km/h與主線速度差較小,技術(shù)指標(biāo)差異也較小,詳見4.6變速車道及漸變段.

4.6 變速車道及漸變段

4.6.1 變速車道

Y/Z為三車道主線設(shè)計時,根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》JTG D20—2017中11.5主線的分岔、合流的規(guī)定考慮硬路肩的影響,通過計算可得表6變速車道和車道變化所需總長.

Y/Z為三車道匝道設(shè)計時,變速車道長度計算以小車型為對象并考慮大型車影響.分流處變速車道長度計算結(jié)合設(shè)計速度、運行速度和平均速度,采用AASHTO二次減速理論[11-14],得出相應(yīng)參數(shù)取值(表6).

合流區(qū)長度以車頭時距分布模型為基礎(chǔ)[11-14],建立加速、等待可插入間隙、變換車道距離的長度為模型,得出合流區(qū)長度取值(表6).

4.6.2 輔助車道、漸變段長度

為滿足樞紐分岔和合流處車道數(shù)的平衡需在分岔和合流處分別設(shè)置兩段輔助車道及漸變段以滿足速度調(diào)整和提供車輛變換車道的需求.輔助車道長度參考JTG D20—2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》中表11.4.4的相關(guān)規(guī)定.

5 方案比較

對南昌往返長沙方向分別采用三車道匝道設(shè)計和三車道主線設(shè)計[15],方案示意圖5和6.圖5將G60滬昆高速作為1條連貫線路考慮,南昌往返長沙方向Y線和Z線均考慮為右出右進,長沙—南昌方向Z線通過設(shè)置門架式橋梁跨越主線和匝道,橋梁配跨為37 m×30 m裝配式預(yù)應(yīng)力砼T梁,門架墩需要根據(jù)實際情況進行布設(shè),遇無法架設(shè)一字形梁的情況可通過Z字形布置.

圖5 H匝道在Y線右側(cè)示意圖

三車道出口車道過渡采用(4+0)→(4+1)→(4+2)→(4+3)進行過渡,三車道入口與出口對應(yīng)調(diào)整.三車道出口分流鼻端最小間距為610 m,三車道入口和流鼻端最小間距為565 m,平縱指標(biāo)滿足一般值要求,消除出口超高漸變率過小的問題,處理排水問題.

圖6中將南昌往返長沙方向采用三車道匝道設(shè)計,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為80 km/h,南昌—撫州方向匝道由匝道左出改為Y主線右出,Y線和G匝道均移位重建.其中Y線分岔與分流間距為405 m,G匝道需下穿Y和東昌主線橋;長沙—吉安方向E匝道由匝道右出調(diào)整為Z主線右出.Z線分岔與分流間距為697 m,Z線橋連續(xù)跨越主線2次,跨越移位匝道2次,跨保通匝道2次,Z線橋跨同主線方案.

圖6 Y/Z三車道主線設(shè)計方案

圖7 Y/Z三車道匝道設(shè)計方案

對兩種設(shè)計方式的Y、Z左右分離功能指標(biāo)、分合流方式的適應(yīng)性、通行能力及服務(wù)水平、施工期間保通的適應(yīng)性和規(guī)模等指標(biāo)進行分析.可看出Y/Z采用主線設(shè)計無論是分合流方式的適應(yīng)性還是通行能力及施工保通等均更有優(yōu)勢,這也與前面分析是對應(yīng)的.

6 安全性評價

6.1 評價方法

本項目運用VISSIM微觀交通流仿真軟件進行分析,對樞紐安全性評價內(nèi)容主要有:互通形式、出入口方式.主線平縱指標(biāo)、相鄰出入口間距.變速車道長度、分合流點視距、匝道線形指標(biāo)、交通運行安全等.

6.2 設(shè)計安全評價

1)互通形式與轉(zhuǎn)向交通量匹配較為妥當(dāng),交通量較大主線均配置在左側(cè),符合左側(cè)為主流交通的習(xí)慣.

2)樞紐互通范圍內(nèi)主線線形指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,其中左右線主線平縱面指標(biāo)均滿足停車視距所要求的平曲線半徑和豎曲線半徑,路側(cè)寬容性指標(biāo)較高.

3)相鄰出入口間距.①該樞紐互通出入口間距均滿足規(guī)范要求; ②該樞紐主線與主線分岔距離主線與匝道分流間距最小為653.903 m,滿足駕駛員對指路標(biāo)志的識別并尋找相應(yīng)可插入間隙、進行車道轉(zhuǎn)換.

4)主線相互合流連接部設(shè)計.至主線分岔前,通過設(shè)置輔助車道平衡車道數(shù),單側(cè)車道數(shù)由4車道→4+1車道→4+2車道→4+3車道,分岔處最小漸變段長度為217.522 m,滿足設(shè)計細(xì)則主線相互分流連接部線形設(shè)計要求,相應(yīng)輔助車道和漸變段長度滿足車輛識別并尋找相應(yīng)可插入間隙、進行車道轉(zhuǎn)換.

6.3 交通流仿真評價

通過對2015年設(shè)計小時交通量為依據(jù),分析樞紐評價區(qū)內(nèi)車流排隊長度、延誤、停車次數(shù)等,結(jié)論如下:①合流區(qū)及其他匝道路段,車輛通行效率較高,未出現(xiàn)排隊、停車和延誤的現(xiàn)象;②主線分岔后主線分流處,主線分岔區(qū)域通行效率較高,而分岔后主線分流處有一定的延誤,但能滿足預(yù)測交通流下的車輛通行.

該樞紐區(qū)分岔和合流處,能滿足預(yù)測交通流下的車道通行,區(qū)域內(nèi)交通沖突較少,交織路段處于安全運行狀態(tài).

7 結(jié)束語

基于樟樹樞紐收集和恢復(fù)的基礎(chǔ)性技術(shù)資料,梳理樞紐存在的主要問題,論證樞紐改造的必要性.分別將單向雙車道匝道設(shè)計成單向三車道主線和單向三車道匝道,分析2種設(shè)計方式在交通量配置、平縱橫指標(biāo)、變速車道及漸變段長度等在取值方面存在的差異,并結(jié)合方案對比、分流區(qū)通行能力分析闡述2種設(shè)計方式的優(yōu)缺點,多維度對比得出采用三車道主線出口更合適的結(jié)論.結(jié)合仿真分析進行安全性評價,結(jié)果表明采用三車道主線出口進行設(shè)計在規(guī)范無相關(guān)規(guī)定的情況下是可行的.

通過該樞紐方案設(shè)計,希望拓展對于大型樞紐互通改擴建設(shè)計的思路,同時由于本項目屬于改擴建項目,需要一定的時間才能檢驗設(shè)計效果,且目前只做了仿真分析,實車實驗代價太大,研究結(jié)果可靠度需要進一步驗證.