超多车道高速公路改扩建项目左侧硬路肩纵向尺寸设置

张于平

(广深高速公路改扩建管理处，广东 广州 510699)

0 引言

随着汽车人均保有量逐年递增，早期修建的高速公路交通量已日趋饱和，部分交通繁忙的国家高速公路扩容改造已纳入顶层规划，特别是全程处于高度城镇化地区的高速公路，大多是早期修建的六车道高速公路，因沿线经济发达且人口密度极高，为满足未来交通需求，该类高速公路改扩建工程横断面布设方案以十车道及以上的超宽断面为主。《公路路线设计规范》(JTG D20-2017)针对双向八车道及以上高速公路规定：宜设置左侧硬路肩，其宽度应不小于2.5m[1]。而随着城镇化进程的推进，高速公路周边已分布大量的房屋建筑，上跨下穿工程密布，严重限制了高速公路的平面扩建空间。为此，针对八车道及以上的改扩建项目设置左侧硬路肩时，会存在断面宽度不足的受限路段和分离式路基路段，导致左侧硬路肩无法连续设置[2]。

本文以广深高速公路为研究对象，从车辆紧急避险需求及左侧硬路肩对司机驾驶行为的影响方面出发，对左侧硬路肩设置的纵向间距和纵向长度(图1)进行研究。

图1 左侧硬路肩纵向间距和长度设置

1 工程概况

广深高速公路为双向六车道断面设计，设计速度采用120km/h，全长122.8km。是联通广州、东莞、深圳、香港的重要通道，一直以来被称为国内交通最繁忙的高速公路之一，目前全线年平均交通量已达12.3万pcu/d，部分路段如太平至五点梅段已高达18.7万pcu/d。

广深高速公路改扩建拟采用双向十车道整体拼宽为主，部分路段受控制因素制约及交通量影响，采用分离式十四车道扩建方式，设计速度采用100～120km/h，改扩建路段全长118.2km。

2 左侧硬路肩纵向长度

左侧硬路肩的纵向长度应考虑故障车辆减速停车距离、停车区长度及恢复速度行驶至内侧车道等距离，并且左侧硬路肩前后应设置供车辆减速驶入和加速驶出的过渡段。考虑驾驶行为特征及车辆行驶性能[3]，主线轻微故障车辆驶入左侧硬路肩的运动过程主要分为三段：(1)司机首先利用侧向安全余宽开始向左变道，调整行驶方向并横向移动至过渡段内车道位置，该过程未发生减速行为。(2)司机在车辆完全驶离内侧车道后减速进入左侧硬路肩停车区。(3)车辆故障排除后，司机根据主线车流运行情况择机驶离左侧硬路肩停车区，经过渡段加速后汇入主线内侧车道。

根据车辆在左侧硬路肩行驶的完整运动过程，可将车辆在左侧硬路肩的减速过程分为减速渐变段和减速段，同理，车辆在左侧硬路肩的加速过程可分为加速渐变段和加速段。

2.1 理论计算

2.1.1 减速渐变段

司机驾驶车辆高速行驶时，横向偏移出一条车道的空间所产生的前进方向长度即为减速渐变段长度。根据相关研究结论，车辆在渐变段范围车速变化不大，可认为是匀速行驶，司机驾驶车辆横向偏移1m时需要的时间大约为1s[4]。因此，司机驾驶车辆实际需要横向偏移的宽度为左侧硬路肩宽度与侧向安全余宽的差值，可采用下式计算减速渐变段的长度L0：

L0=V1(3-By)

(1)

式中：V1为初始速度(km/h)，可取路段内侧车道V85运行速度，为109km/h；左侧硬路肩宽度取3m；By为左侧侧向安全余宽宽度(m)，取1.25m。

因此，L0取值为53.0m。

2.1.2 减速段

司机驾驶车辆完全进入左侧硬路肩后，采取制动措施进行减速行驶，直至车辆完全停止，该过程被认定为匀减速过程。根据物理运动学原理，减速段长度L1可采用下式计算：

(2)

式中：V1为初始速度(km/h)，可取路段内侧V85运行速度，为109km/h；V2为终点速度(km/h)，车辆进入停车区前的速度一般为10km/h；ad为减速度(m/s2)，取4m/s2。

调查分析发现，司机驾驶车辆因突发状况需减速行驶时，部分车辆减速度值会大于4.5m/s2，90%的车辆减速度会高于3.4m/s2。因此,L1取值113.6m。

2.1.3 加速段

司机驾驶车辆经过加速措施实现与主线内侧车道合流所需的最短加速距离即为加速段。加速行为发生在司机已确认主线内侧车道存在可插入间隙后，因此加速过程仅需考虑实际加速距离即可，该过程被认定为匀加速过程，可采用下式计算加速段长度L2:

(3)

式中：V3为汇入速度，采用主线设计速度的0.76倍[5]，为91.2km/h；aa为加速度值(m/s2)，小客车加速度aa的范围为2.30～2.78m/s2。

因此,L2的取值范围为115.4～139.5m。

2.1.4 加速渐变段

加速渐变段长度的计算过程可参考减速渐变段的计算过程，其中车辆的速度为汇入速度，即0.76V1，因此加速车道渐变段长度L3可采用下式计算:

L3=0.76V1(3-By)

(4)

因此,L3取值为44.3m。

2.1.5 停车区

为满足最不利条件下的停车需求，停车区距离的计算需考虑多辆大型车辆停靠的情况，停车区长度为50m时可同时容纳3辆大型载重汽车的停靠，建议停车区长度L4取50m。

因此,左侧硬路肩总长度范围为312～430m。

2.2 模拟仿真验证

通过上述理论计算，初步得出了左侧硬路肩最小纵向长度的各部分取值。为验证以上计算结果是否合理，本文通过模拟仿真进行验证分析。考虑到减速段和停车段一方面从空间角度分析，两者相对于高速行车路段各自属于一个独立的单元，对于高速车道基本没有影响；另一方面，从时间角度分析，故障车在这两个单元上的停留时间基于实际驾驶员对自身情况的判断，导致在时间上不具备连续性。基于上述分析，不考虑对两者进行模拟仿真对比分析，仅改变加速段长度来验证计算结果的合理性。

图2 仿真建模

仿真模型中的红色车代表故障车，先从内侧车道向左侧变道进入减速过渡段，经过减速段后停留在停车区，在停车区内检修车辆后，若决定继续行驶，则从加速段开始加速直到再次进入内侧高速车道。期间对故障车在加速段末端及故障车合流进主线处进行模拟仿真，仿真结果数据见表1。

表1 仿真结果数据

为保证模拟的安全富裕度，交通量和事故车辆数均取现状数据的最大值，将结果整理如图3～图5所示。

图3 加速段长度与平均速度和平均加速度关系

图4 加速段长度与合流点平均速度和排队时间关系

图5 加速度段长度与合流点冲突数关系

分析图3～图5可知，在交通量和事故数最大的条件下，随着左侧硬路肩加速段长度的增加，加速段的平均速度逐渐增加，加速度逐渐减小，在合流处的车辆平均速度则在115m下到达最大，而排队时间和冲突数则在115m时最小。因此，综上分析认为，理论计算中最小加速段长度115.4m较为合理。

通过理论计算、模拟仿真等手段，对数据取整后分析认为左侧硬路肩的最小纵向长度满足380m即可。

3 左侧硬路肩纵向间距

3.1 可行驶距离

类比右侧紧急停车带的设置规则，重点考虑故障车辆滑行距离以及人力推动车辆可移动距离[6]，综合两种因素确定左侧硬路肩的纵向设置间距。经调研发现，车辆故障致因主要是轮胎破损和发动机故障，该类情况下行车速度的大小直接影响车辆的滑行距离，一般取值200～300m[7]。车辆发生故障制动距离可按下式计算：

(5)

式中：V1为初始速度(km/h)，可取路段内侧V85运行速度，为109km/h；V4为终点速度(km/h)，取60km/h；ad为减速度(m/s2)[8]。

经计算，初速度为109km/h下降到60km/h的制动距离为79.9m。因此综合考虑车辆故障后的刹车行为等因素对车辆滑行造成的影响，认为内侧车道车辆可行驶距离为300～400m。

3.2 人力可推动距离

受汽车自身重量及路面摩擦力等影响，高速公路环境下成年人推动故障小型客车可移动200m，理想状态下可推行500m。本文采用平均可推动距离350m。

3.3 不同间距对车辆行驶的影响

为了分析左侧硬路肩不同纵向间距对正常车辆行驶的影响，对不同纵向间距时的车辆横向偏移量及速度变化进行模拟驾驶分析。

(1)表2数据为左侧硬路肩不同纵向间距下的车辆横向偏移量，图6为左侧硬路肩不同纵向间距下的车辆横向偏移量分布特征。

表2 不同纵向间距下车辆横向偏移量 (单位:m)

图6 不同纵向间距下车辆横向偏移量分布特征

由图6可知，司机驾驶车辆的横向偏移值随着左侧硬路肩纵向间距的增大呈现先减小后增大最后趋于平稳的趋势，其中左侧硬路肩纵向设置间距在250～750m之间时，司机驾驶车辆的横向偏移量随着纵向间距增大而逐渐降低。左侧硬路肩纵向设置间距在750m左右时，有60%的司机驾驶车辆的横向偏移量出现较大差异，但偏移量数值均比较小，说明该间距下司机驾驶车辆的横向平稳性最好。左侧硬路肩纵向设置间距在750～1 000m之间时，司机驾驶车辆的横向偏移量随着纵向间距增大而逐渐增大。

(2)表3数据为左侧硬路肩不同纵向间距下车辆的行驶速度，图7为左侧硬路肩不同纵向间距下车辆行驶速度的分布特征。

表3 不同纵向间距下车辆行驶速度 (单位:km/h)

图7 不同纵向间距下车辆行驶速度分布特征

由图7可知，司机驾驶车辆的行驶速度随着左侧硬路肩的纵向间距增大呈现递增趋势，其中左侧硬路肩纵向设置间距在250～750m之间时，司机驾驶车辆的行驶速度随着纵向间距增大而递增的趋势较为明显。左侧硬路肩纵向设置间距大于等于1 000m时，司机驾驶车辆的行驶速度趋于稳定，此时左侧硬路肩纵向设置间距对司机驾驶车辆的行驶速度不产生明显的影响。图7表明左侧硬路肩纵向间距较小时，司机驾驶车辆的行车速度比较保守；左侧硬路肩纵向间距较大时，司机驾驶车辆的行车速度明显提升。

综上分析，左侧硬路肩纵向设置间距在750m左右时，司机驾驶车辆的横向平稳性最好。当间距大于1 000m时，横向偏移量浮动趋势基本平稳，速度也趋于稳定且更加接近于内侧车道的运行速度。

综合故障车辆可行驶距离、人力可推动距离和行驶车辆横向偏移及速度等因素，本文认为当整体式十车道路段纵向长度达到750m时宜设置左侧硬路肩。

4 结语

本文结合广深高速公路改扩建工程的实际情况，从考虑紧急停车需求方面对左侧硬路肩设置的纵向尺寸进行研究。结果表明，当整体式十车道路段纵向长度达到750m时宜设置左侧硬路肩，左侧硬路肩设置长度应不小于380m。

在断面宽度受限路段建议优先考虑压缩右侧硬路肩，尽可能保证左侧硬路肩的连续性。此外，还应考虑突然出现的左侧硬路肩对驾驶人的驾驶行为影响，该方面研究尚不成熟，下阶段需进一步深入研究。

(收稿日期：2022-03-04)

ResearchonLongitudinalDimensionsofLeftHardShoulderinSuperMulti-laneExpresswayReconstructionandExpansionProject

ZHANGYuping

(Guangzhou-Shenzhen Expressway Reconstruction and Expansion Management Office Guangzhou 510699，Guangdong， China)

Abstract:In view of the severely limited plane expansion space of the super multi-lane expressway reconstruction and expansion project in highly urbanized areas, the left hard shoulder cannot be set continuously. In order to solve the emergency parking needs of vehicles, relying on the reconstruction and expansion project of Guangzhou-Shenzhen Expressway, the longitudinal spacing and longitudinallength of the left hard shoulder have been studied by means of theoretical calculation, simulation and driving simulation, and the recommended values of the maximum longitudinal spacing and minimum longitudinal length of the left hard shoulder have been provided.

Keywords: expressway; reconstruction and expansion project; left hard shoulder; longitudinal spacing; longitudinal length