互通区主辅分离式高速公路辅道设计速度研究

熊文磊， 刘 敏， 马天奕

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司， 武汉 430056； 2.广东省高速公路有限公司， 广州 510100)

伴随我国经济的高速发展，道路交通量逐年剧增，特别是城市群中某些特定区域更甚，高速公路在承担区域交通的基础上需兼顾沿线城市短途交通功能，随着城市内区域路网的完善，短途交通量比例不断增加，现有高速公路的通行能力已不能满足区域经济社会发展要求，改扩建工程中除增加车道数外仍需增设互通枢纽节点，进而形成互通密集的高速公路段落。为减少车辆的交织程度，改善车辆运行条件，改扩建方案中将根据实际情况对部分路段采用主辅分离式的横断面布置形式，主线供长途车辆行驶，辅道主要承担与各路段互通的交织转换和集散功能。

针对互通密集区高速公路主辅分离式情况，现行《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)未对高速公路辅道进行特别说明，其设计速度按照一般高速公路的规定进行，即不宜低于100 km/h，受地形、地质等条件限制时，可选用80 km/h。由于交通量大增，导致车辆实际运行速度与设计速度相差过大，造成资源浪费和行车不协调，进而引发其他交通问题。为此，笔者认为对与原道路相似的辅道，除了从线形指标方面进行设计速度的选取外，还需从交通条件和道路条件等方面进行设计速度的选取研究[1-4]。

1 运行速度影响因素分析

从交通角度，评价设计速度是否合理，主要考虑设计速度与运行速度的协调性方面，因此需对影响运行速度的因素进行研究[5]。

1.1 主要影响因素

1) 辅道交通条件和道路条件的影响

交通条件包括各出入口交通量、客货比。道路条件包括车道数、互通数及间距。交通量决定车道数，而车道数、各出入口流量和互通间距则影响车道的交织程度，交织程度和不同的客货比则直接影响车辆的实际运行速度。

2) 主辅路及匝道三者之间的相互影响

主线、辅道和匝道之间设计速度转换的流畅性和协调性影响转换车辆的行车安全及流畅，同时车辆在三者间的转换流量和实际运行速度的差异也会影响各自道路对转换车辆的消解能力，进而影响各自车道上的运行[6-7]。

3) 驾驶员变道行为及心理状态的影响

变道行为有自由变道、超车变道、争抢变道和强行变道，其中争抢变道和强行变道这2种变道行为对驾驶员心理和车辆运行影响较大[8]。而在交织程度大幅提升的辅道上，这2种变道行为比例明显提高。因此，需要考虑驾驶员这2种变道行为的心理状况。

1.2 次要影响因素

设计速度是确定线形指标的重要基础，高速公路运行速度与线形指标存在相关性，但线形指标还与地形条件、工程造价等因素有关，同时考虑到本次研究主要从交通需求的角度对设计速度进行分析，因此研究中把线形指标作为次要因素，以尽量减少线形指标的影响[9]。

2 仿真建模

以广深高速公路改扩建项目深圳段为例，对主辅分离的辅道设计速度进行研究。结合上述影响运行速度的前2个主要因素，确定仿真模拟需要的数据类型。为使仿真结果能为深圳段辅道设计速度选取提供参考依据，需对深圳段路段交通参数进行分析。

2.1 仿真对象特征分析

1) 环境

深圳段全长41 km，现有互通8处，改扩建方案建议新增4处互通，6处简易出入口，导致该段互通间距小于规范规定的最小合理间距4 km。改建后的互通如图1所示。

图1 广深高速公路深圳段互通布设示意

2) 道路断面形式

参照广深高速2050年预测交通量，改扩建方案建议深圳段设置为双向10车道，如图2所示。针对双10主辅分离方案下主线和辅道车道数的2种分配方式，即“主线3+辅道2”和“主线2+辅道3”，需根据交通需求从车辆出行距离分布的角度进行讨论，确定合理的车道数分配方案，为下述辅道设计速度研究中的简化路段仿真模拟确定合理的主辅车道数分配方案。

图2 5车道主辅分离示意

3) 主辅连接方案

主线供长途车辆直行，辅道承担交织转换和集散的功能，考虑到互通的密集程度，为减少车辆的转换与交织，把主辅道与互通的连接每3个划分为1组[10]，如图3所示，从主线到辅道后至少经过3个互通后才能再到主线上。

图3 主-辅-匝连接示意

4) 对象

由于新建互通在何处设置分离的断面形式还未明确，加上各新建互通的具体交通流难以预测，因此无法对具体方案进行详细仿真，为确保仿真对实际情况具有切实的参考价值，需要以原有互通为基础，通过提取各路段的相似性来替代选取典型路段，建立简化的路段模型[11-13]，为辅道设计速度选取提供参考。

2.2 仿真输入参数分析

1) 互通间距

从东莞长安互通到广深高速末端福田互通，深圳段原有设计共包括8个互通，桩号从K72+000到K113+000，总长41 km。改扩建后计划新增互通4个，新增简易出入口6个，平均互通间距为3.4 km。考虑到新增节点，各互通分布较为均匀，因此选择3.4 km作为各互通的模拟间距。

2) 互通形式

根据深圳段初步的互通改扩建方案及原有互通形式可知，互通形式分别为8个菱形，1个复合式，3个单喇叭式，菱形互通占比较多。

简易出入口的布置形式为双向对称布置，单向为直连式，由于单向简易出入口的间距较短，大多数为一出一进的形式[14]，与菱形互通相似，仿真时可视为菱形形式的互通。综上所述，仿真模拟的互通形式选择占比较多的菱形互通形式。

3) 相邻互通间的单向交通量

根据深圳段各互通间的年预测交通量，取深圳段处2050年预测交通量最小值112 729 pcu/d ，换算成设计小时交通量为4 103 pcu/h。

4) 主辅车道交通量分布

从图1和图3可知，车辆在辅道大致行驶4个互通距离即10 km～15 km，把行驶距离在15 km以下的车辆定义为短途交织车辆[15]，行驶距离大于15 km的车辆定义为长途出行车辆。对深圳段各互通匝道口驶入车辆的出行距离按照长、短途进行分类统计，结果如图4所示。分析图4可知，深圳段多数互通匝道口驶入的短途交织车辆平均在60%左右，结合上述交通量设定，计算辅道有2 461 pcu/h的交通量从各互通匝道口驶入后，在辅道上行驶15 km以内的距离，便从匝道口驶出，其余1 642 pcu/h的车辆则从辅道上到主线，行驶超过15 km后再从主线下到辅道，最后驶出高速。

图4 各互通入口不同出行距离车辆比例

5) 匝道转入转出交通量

考虑新建互通及简易出入口的目的是平衡交通量，因此将辅道交通量平均分配到3个匝道出口，即每个出口820 pcu/h，入口与出口交通量一致。

6) 车道数分配

初拟的车道数分配方案中包括“主线3+辅道2”和“主线2+辅道3”2种车道分配方式。由上述交通量分析可知，主线交通量和辅道交通量之比基本为2∶3，因此，从需求角度考虑，推荐车道数分配形式为“主线2+辅道3”。

7) 客货比及行车组织

根据广深高速2050年的车型预测结果，深圳段小汽车基本在80%～90% ，大客车2%～3%，大货车则在6%～18%。不实行客货分离的形式，因此取小汽车比例为85%，大客车为3%，货车为12%。

2.3 仿真模型建立

结合上述对深圳段交通特性分析，获得仿真建模的形式和所需的输入数据。分别对“主线3+辅道2”和“主线2+辅道3”的主辅分离式车道分配方案进行交通仿真建模，仿真模型设定道路转换段设计速度100 km/h，车道宽度为3.75 m，交通量为4 103 pcu/h，其他参数如表1所示。

表1 仿真输入数据

2.4 仿真结果分析

根据上述仿真过程，最终得到仿真输出数据，如表2所示。

由交通量分析及表2仿真结果可知， “主线3+辅道2”车道分配方案不适用于广深高速公路深圳段未来交通状况，主要原因是主、辅车道数与实际承担交通量比例失衡，导致道路转换段行车交织严重，并造成交通拥堵，通过该瓶颈路段后，车辆正常行驶，该方案无法发挥高速公路的高效通行能力，不具备进一步分析价值。后续仅对“主线2+辅道3”车道分配方案仿真输出结果数据进行详细分析。

1) 平均运行速度对比

“主线2+辅道3”仿真分析中，平均运行速度对比结果如图5所示。由图5可见，各数据检测点的平均运行速度显示，设计速度100 km/h仅略大于80 km/h设计速度。从运行速度与设计速度的协调性来看，虽然在100 km/h的设计速度下，除了辅道下匝道的分流点处，其他检测点的运行速度与设计速度相差基本在20 km/h内，但与80 km/h的设计速度下的协调性相比则相对较差。另外，二者在主线下辅道处和辅道下匝道处的平均运行速度基本相近，说明在转换段设计速度为100 km/h、匝道设计速度为40 km/h时，辅道设计速度分别为100 km/h和80 km/h对主线和匝道的影响相似，因此辅道采用100 km/h的设计速度不合理。

表2 仿真输出数据

图5 平均运行速度对比

2) 排队时间对比

仿真结果中，排队时间对比如图6所示。由图6可知，各检测点处，设计速度为100 km/h的排队时间较80 km/h长，结合图5分析原因认为，由于100 km/h设计速度下车辆的运行速度较快，但是在辅道与匝道的连接处，车辆的运行速度与80 km/h设计速度下的运行速度基本一致，加上相邻互通净距较短，导致在100 km/h设计速度下，前方下匝道的车辆还没来得及驶出，后方下匝道的车辆就已经驶入，最终导致车辆排队。因此，从主辅匝之间的连接转换和行车流畅性分析，80 km/h的设计速度较好。

图6 排队时间对比

3) 冲突数对比

仿真分析2种设计速度下的冲突情况，如图7所示。由图7可知，换道冲突相似，但100 km/h下发生追尾的冲突数比80 km/h下的追尾冲突数多84起。结合图5、图6分析追尾原因，在高速及密集间距互通环境下，部分车辆在进行强行变道时，容易造成后方车辆突然减速，从而导致后方车辆追尾，并可能引发二次事故。因此，辅道上不宜采用100 km/h的设计速度。

图7 不同设计速度冲突数对比

4) 服务水平对比

根据《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)对高速公路服务水平等级划分原则可知，80 km/h和100 km/h设计速度下的服务水平如表3所示。当辅道交通量取深圳段各互通2050年预测交通量的最小值时，在100 km/h和80 km/h的设计速度下，两者的辅道服务水平均为二级，其中由两者每 km车道上的车辆密度可知，100 km/h下服务水平较80 km/h的要略高，即V/C较低；从通行能力方面分析，由于交通量在仿真模拟时是一定的，因此100 km/h的通行能力较80 km/h的要大，但两者差别不大。结合上述分析，辅道不建议采用100 km/h的设计速度。

表3 不同设计速度下的辅道服务水平

综上所述，在深圳段2050年预测的最小交通量下，仿真模拟分析结果显示，80 km/h的设计速度在主-辅-匝三者之间的连接转换及行车流畅性、设计速度与运行速度的协调性以及行车安全方面较100 km/h的设计速度表现好。尽管80 km/h设计速度下的车辆密度较大，通行能力较小，但与100 km/h设计速度相差较小，两者的服务水平同属二级服务水平。考虑驾驶员心理特性，在80 km/h的设计速度下，驾驶员的心理状态更好，发生驾驶失误的概率更小，因此，辅道建议选取80 km/h的设计速度标准。

3 结论

通过对广深高速公路深圳段2050年预测交通条件下的4种主辅分离式车道布置方案进行交通仿真研究，最终建议广深高速公路深圳段双向10车道主辅分离式车道分配方案为“主线2+辅道3”，辅道设计速度推荐为80 km/h。基于此研究，得出以下结论：

1) 主辅分离式车道分配方案设计需重点考虑设计年限内交通量分布与相应功能车道数量的匹配度，保证车道分配比例与承载交通量比例吻合。

2) 主辅分离形式下，辅道承担高速公路与地方交通之间便捷转换的“纽带”功能，辅道设计速度应低于对应高速公路主线设计速度，设计速度差值不应小于20 km/h。

3) 考虑相邻段落设计速度差值对车辆行车速度离散度的影响，主辅分离形式下的辅道设计速度选取应充分考虑与相应匝道设计速度的协调衔接，两者设计速度差值以40 km/h为宜，以保证行车舒适度及道路安全水平。

4) 本文提出的互通密集区高速公路主辅分离式的辅道设计速度研究方法充分考虑了人-车-路等综合因素影响，并通过VISSIM仿真进行效果评估，研究结果具有一定的普适性，可为后续相似研究提供参考。