多车道高速公路内外分幅条件下互通最小间距研究

刘 敏， 马天奕， 熊文磊

(1.广东省高速公路有限公司， 广州 510100； 2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司， 武汉 430010)

近年来，随着国家基础设施建设的不断完善和国民经济的迅猛发展，我国东部地区城镇化水平连年提升，居民长距离的出行需求不断提升，高速公路的日均车流量不断上涨。为满足民众日趋上涨的出行需求，已运营的高速公路需通过改扩建设计提升通行能力。但多车道高速公路因道路线形、交通组织、交通组成等明显区别于传统的4车道高速公路，其交通安全风险大。其中高速公路互通间距是影响交通流的关键因素，也是高速公路技术标准的主要指标之一，直接关系到高速公路的服务水平、交通安全与工程造价等。互通立交最小间距应满足前一个互通的入口匝道渐变段结尾处与后一个互通出口匝道之间的汽车非交织运行安全需求，也要满足驾驶员尽快接收到下一互通出口信息前的一系列前置提醒标示设置所需的位置区间要求。我国现行的《公路立体交叉设计细则》(JTG/T D21—2014)规定互通立交最小净距为1 km，但目前标准研究的对象仅为4车道高速公路，针对复杂多车道高速公路的互通立交最小间距研究欠缺。

近几年，随着我国高速公路网的逐步完善，互通立交区间内的交通问题日益凸显，严重制约了高速公路的通行能力，影响了居民出行的幸福感。对此，有关学者也对城市快速路和高速公路的互通区的交通流特征和最小间距进行了相关研究。倪娜等[1]分析了交织区的通行能力，构建了交通运转特性模型对交织区的通行能力进行评价；刘向南等[2]结合交通流理论对各种连接方法的互通进行研究；姚晶[3]以交织冲突率为指标，采取模糊聚类法对交通设施最小间距进行安全性评估；潘兵宏等[4]结合可插入间隙原则，分析大小型车加速特性，分析了连续入口的最小间距指标；裴玉龙等[5]采用间隙接受理论，综合考虑主线车道数和匝道车速给出了三级服务水平下快速路出入口最小间距；另有学者[6-10]从设置辅助车道等方面对互通最小间距进行了相关研究。

本文以交通流理论为基础，考虑汽车的分合流、交织等主要因素，探索多车道高速公路互通立交最小间距计算模型，并以某高速公路改扩建工程为例，提出合适的互通立交最小间距值。

1 多车道高速公路互通间距统计

在互通立交最小间距理论值计算基础上，须综合分析双向10车道高速公路设计时对其功能的定位及相关影响因素，并调研已通车的10车道高速公路互通立交间距设置，考虑分功能、分条件确定合理安全的互通立交间距值。参考现有的工程实践发现，沪宁高速、沈大高速、水官高速通车时间较早，对这3条高速互通立交间距进行统计，如表1所示。

表1 多车道高速公路互通立交间距统计 km

由表1可以看出，在互通立交平均间距方面，沪宁高速和沈大高速分别约为11 km和13 km，互通间距较长，这是由于沪宁高速和沈大高速作为国高网干线，周边城市化水平相对较低，且货车比例较高。而水官高速的互通立交平均间距仅为2.9 km，最小互通间距仅为0.9 km，水官高速作为深圳市内的一条高速公路，道路沿线城市化水平高，货车比例较低。作为10车道高速公路，首要任务是保证高效、安全的运输，兼顾确保重要经济中心地区的通达性，对互通立交间距的合理取值要求高。

2 互通最小间距计算

2.1 多车道互通式立交最小间距影响因素

从车辆运行状态及微观交通流理论视角考虑互通设计，若设置互通最小间距较小，不利于车辆安全行驶，若间距较大，则会影响转向交通量较大的区域。为此，梳理了影响互通立交最小间距的主要因素。

1) 道路交通量与服务水平

多车道高速公路在设计时必须考虑服务水平及交通量，它们是确定互通最小间距的基础。以某高速公路为例，通过前期的工可分析，发现该高速公路为4级服务水平，以120 km/h设计速度下对应的单车道服务交通量最大值为1 980 pcu/h。

2) 道路交通流特性

多车道高速公路主线交通流量大，受车辆分合流的影响，车辆交织行为频繁，特别是在互通附近，区域交通流在高峰小时极易处于不稳定状态[11-12]。因此，在进行最小间距计算模型构建时需对交通流特性进行研究。

3) 各车道管控策略及车道数的影响

由于多车道高速公路车道数不同，根据各高速公路不同的特性及其在区域路网不同的功能，其车道管控策略也各不相同。如某高速公路内侧2车道为小客车专用道，外侧3车道为客货车混行，在此情况下，各车辆相应的变道次数和变道距离也会有所差别。

4) 主线各车道运行速度的影响

由于多车道高速公路的分车道管控策略，各个不同车道中车辆类型与其相应的限速有所区别。而换道过程中车辆变道的前提是不影响目标车道的车辆行驶，在变道时相应的车速会出现变化。因此，建模时应考虑各车道不同的运行速度对间距的影响。

5) 主线车道车头时距影响

当高速公路交通量较小，主线车辆为自由流行驶时，主线车头时距较大，可插入间隙较多，车辆易于进行车道变换；当交通量较大时，相应的车头时距减少，换道就变得相对困难。相关研究表明[13]，交通量较大时，车头时距服从移位负指数分布，车辆在变道前寻找目标车道可插入间隙时间较长，行驶距离相对增长，进而加大了最小间距值。

6) 交通标志的布置

《道路交通标志和标线》(GB 5768—1999)[14]中明确规定：高速公路出口预告标志分别设在距出口2 km、1 km和500 m处，出口标志设在距出口0 km处。因此，需在高速公路上设置一系列标志来提醒驾驶员互通出入口位置，以便让其来安全驶离高速公路。

7) 驾驶舒适性

若两互通间隔过近，会强迫驾驶员在短时间内完成对相关标志的判读和对主线各车道运行状态的判断，同时还要根据本车情况完成相应的换道行为，这一过程中，驾驶员需接收并处理大量信息，精神可能高度紧张，驾驶存在安全隐患，容易引起交通事故[15]。因此，从驾驶舒适性考虑，相邻互通间需保持一定距离。

8) 经济因素和相应景观需求

互通立交建设需综合考虑经济因素和周边土地利用情况以及环境景观需求，若互通立交密度过高，从经济考虑，工程造价高，征地成本提升，投资收益相对降低；从景观考虑，构造物和交通量集中，视觉效果受较大影响，空气质量也会下降[16]。因此，在考虑互通立交间距时，还需考虑相应的经济和环境效益。

2.2 互通最小间距参数分析与确定

为安全考虑[17]，发现影响互通间距的最主要因素为：道路交通量与服务水平、主线各车道运行速度。同时，车道管控策略和交通流特性也有一定影响。

互通间距的计算需考虑车道1的车辆，其间距为驾驶员在接收到下一互通出口标志提示后，车辆由车道1横跨4条车道转换到车道5，再安全行驶至减速车道前端所需距离，包括标志反应距离D1、寻找间隙距离D2、变换车道距离D3和确认距离D4，如图1所示。

图1 流出交通运行示意

2.2.1 标志反应距离

车辆驾驶员对交通标志识别的反应距离包括辨认、读取、决策等过程所需的距离。根据对已有资料分析，车速越快，判读距离越短，根据《交通工程手册》[18]提供的数据，得出标志反应距离如表2所示。

表2 标志反应距离D1

2.2.2 寻找间隙距离

根据已有的相关研究成果，高速公路车辆的车头时距服从移位负指数分布[19]。

移位负指数分布基本公式如下：

P(h≥t)=e-λ(t-τ)t≥τ

(1)

式中：P(h≥t)为车头时距h≥t的概率；λ为单位时间的平均到达率，辆/s；τ为车头时距的最小值，s。

等待可插入间隙平均时间tw计算公式如下：

(2)

可插入间隙平均等待时间如表3所示。

可插入间隙平均时间tw可通过计算得到。在决定变道后行驶时间达到tw时，车流中出现可插入间隙，同时驾驶员决定利用此间隙进行变道操作，在此过程中所行驶的路程即为寻找间隙距离D2。

表3 可插入间隙平均等待时间

(3)

驾驶员找到可插入间隙并决定改变车道后，将打开转向指示灯，同时调整车速和方向，直至车辆与拟并入的车道间隙并行，这样便于通过该间隙并入相应的车道。此过程中的行驶距离为调整车位的距离。

车辆在调整车位的时间内，以最低换到车速v1匀速行驶。研究表明[16]，v1约为设计速度v的0.76倍，由此可得等待可插入间隙等待距离D2。

1) 变换车道距离

车辆在调整好行驶速度和车辆方向并于将要并入的目标车道可插入间隙平行之后，即可横向调整汇入目标车道。实施这一操作并完成车道转换过程中车辆所行驶的距离即为变换车道距离D3，由下式计算：

(4)

式中：v为主线设计速度，km/h；t3为车辆横移一个车道所需时间，一般为车道宽度/车辆横移速度，由于不同高速公路车道宽度有微小的差异，结果略有不同，变化幅度不大，一般取3 s～4 s。换道距离D3如表4所示。

2) 确认距离

表4 变换车道距离

确认距离指车辆进入最外侧车道后保持自由流状态。根据相关研究[2]确认本车需要驶向出口匝道的安全距离，如表5所示。

表5 确认距离

3) 互通立交最小间距计算

当高速公路为双向10车道时，最内侧车道车辆若需在下个互通驶离高速公路就需要进行多次切换车道行为。当驾驶员注意到互通出口标志的提醒后，由主线车道1向车道2转换，并逐步进行换到直至进入车道5驶入出口匝道的减速车道。

根据上述计算分析，常规不进行车道管控的双向10车道高速公路相邻互通间距计算公式为：

D=D1+4(D2+D3)+D4

(5)

综上所述，若根据各车道平均交通量估计，不同设计速度下互通立交间距最小值如表6所示。

表6 基于各车道平均交通量的最小间距取值

若根据路段设计服务水平估计，不同设计速度下互通立交间距最小值如表7所示。

表7 基于路段设计服务水平的最小间距取值

3 基于横断面组成的某高速公路互通最小间距研究

某高速公路同时承担南部三市的对外交通、三城市间的区域交通、沿线城市的市内交通3方面的功能，道路两侧城市化水平高。根据该高速公路的工可及相关横断面研究，发现在设计末年，该高速的交通功能在3个城市间的区域交通功能日益增强，同时承担短途交通量比重较大，城市化出行特征明显，兼顾短途市内交通功能，且短途出行交通量比例超过50%。

综合交通流仿真与区段交通需求分析结果，初步确定该高速公路改扩建项目采用内外分幅的交通组织模式，内幅2车道为小客车专用车道，外幅3车道为客货混合车道，如图2所示。

图2 内外分幅交通组织模式

同时，根据对该高速改扩建工程未来年的交通量预测结果，对此模式下该高速公路项目全段的饱和度即服务水平进行分析，结果如表8所示。

表8 某高速不同区段饱和度及服务水平分析结果

由表8可知，该高速公路全线为4级服务水平。结合图2中初步确定的该高速内外分幅组织模式：内幅2车道为小客车专用车道，速度120 km/h；外幅3车道为客货混合车道，速度100 km/h，得出该模式的互通最小间距计算结果为1 483 m，取整后为1 500 m。

综上所述，得出道路两侧城市化水平较高的高速公路在内幅2车道为小客车专用道，外幅3车道为客货车混行的交通组成模式，且全线为4级服务水平条件下的互通最小间距为1.5 km。而对于实际情况下互通间距小于1.5 km的互通组合，建议将相邻的互通式立体交叉合并设置为复合式互通立体交叉。在采用复合式互通立交形式设置时，应增加设置相应的辅助车道，但辅助车道仅在外侧车道增加了车流的交织空间，不能避免准备驶离高速的车辆为躲避交织车流而在出口匝道处进行紧急变道，从而导致的直行交通延误和事故风险。因此，在设置复合式互通时，还需将相应的警示预告标志、相关的管理标线即管控手段一并考虑，以规范交通运行。

4 结束语

1) 调研了国内现有10车道高速公路互通间距情况，分析总结了多车道互通式立交最小间距的影响因素，发现道路服务水平、车道运行速度为重要影响因素。

2) 采用可插入间隙理论，以道路平均交通量、服务水平和设计车速为影响因素，建立了多车道高速公路互通最小安全间距计算模型。最后以某高速公路为对象，结合多车道高速公路互通最小安全间距计算模型和该高速的横断面交通组成模式计算得出：在采用内幅2车道为小客车专用道，外幅3车道为客货车混行的交通组成模式且路段为4级服务水平条件下，该高速公路的互通最小安全间距为1.5 km。

3) 针对互通间距小于该值的互通，建议设置复合式互通，并提出相应复合式互通设置原则。对于10车道以上高速公路和复合式互通高速公路，车道管理的方案将更为复杂，互通最小间距有待进一步研究。