交通量配置下三车道出口枢纽互通改扩建设计

杨水生,黄沙路

(江西省公路科研设计院有限公司,南昌 330002)

0 引言

随着产业集聚效应越来越强,人口集聚效应更加突出,各省都在做大做强都市圈、经济圈[1,4].省会等中心城市在形成聚集效应的过程中,高速公路发挥着不可估量的作用[7],而枢纽互通又是高速公路的重要节点,可通过高速改扩建改善和完善枢纽存在的主要问题.

牛肖等[2]在马鞍山西枢纽(芜合高速与巢马高速十字交叉)中给出了三车道匝道通行能力、标准横断面组成及加宽方式、匝道与主线连接部、匝道连续出、入口间距等内容.

该文为解决三车道匝道无规范依托等问题,分别将单向双车道匝道设计成单向三车道主线和单向三车道匝道,分析2种设计方式在交通量配置、平纵横指标、变速车道及渐变段长度等方面取值存在的差异,结合方案比较、仿真分析、对分合流处进行通行能力分析,得出采用三车道主线出口更合适的结论,结果表明采用三车道主线出口进行设计在规范缺失相关规定的情况下是可行的.

1 工程概况

G60沪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].樟树枢纽由G60沪昆高速昌樟段、G60沪昆高速昌金段、S69樟吉高速和S42东昌高速交汇汇集,为半直连式变异苜蓿叶枢纽互通(图1).其中G60沪昆高速昌樟段现状为双向8车道高速,其他三条高速为双向4车道高速,见表1所示.匝道设计标准为40～60 km/h.

表1 枢纽范围高速公路技术标准

图1 樟树枢纽现状图

2 交通量预测

樟树枢纽互通主转向交通流为南昌—长沙方向,2045年平均日交通量将达到 45 278 pcu/d(6 112 pcu/h),次转向交通流为抚州—广州方向,预测年交通量合计为29 566 pcu/d(3 991 pcu/h);其余各转向交通量见图2所示[3,5].根据预测年限交通量可知,应尽可能提高南昌—长沙方向平纵面指标来满足交通量的需求.

图2 2045年远景转向交通量(单位:pcu/d)

图3 分合流端部图

3 控制要素评价

3.1 功能要素评价

功能要素主要包括社会需求和交通需求等[8],而交通需求又有部分是属于安全要素,安全运行才能实现功能.

社会需求评价:根据江西省打造南昌大都市圈规划[1],G60沪昆江西段为南昌串联江西主要经济体的骨干高速线路,承担着以后物流和交通的重要责任[7].适时启动改扩建有助于强化高速公路大通道对城市群和产业群发展格局的支撑力,进一步优化沿线城镇和产业布局,推动沿线经济区协调发展[5].强省会战略实施后,沿线地市新能源产业和制造业企业相继落户,如宁德时代、哪吒汽车等等,产业布局和省会城市大都市圈呼之欲出[5].

交通需求评价:经与交警部门取证[5],南昌往返长沙交通量较大,现状此方向匝道出入口交通事故频发,单向双车道匝道已不能满足路网系统的交通需求,不能满足节点的交通转换需求,亟需改扩建.

3.2 安全要素评价

对枢纽涉及安全等方面技术指标进行评价[5、8-9],主要从平纵横线性的组合设计、互通出入口间距、加减速车道长度、停车视距等影响运行安全的指标着手,同时核检现状结构物在安全方面的问题,由表2可看出,枢纽在满足现状技术指标上存在较多问题,有些与规范的更新有关,如部分匝道多次出现极限坡度+反向弯组合,且反向弯比值均超过1∶2.

表2 安全要素评价表

有些与当时枢纽分1期和2期建设有关,导致设计时有些指标没有仔细推敲和复核,如H匝道汇入主线时出现加速车道+渐变段长度为127.7 m+80 m的问题;G匝道作为第2大转向交通,汇入主线的竖曲线半径仅为1 247.3;也导致枢纽设计时预留不到位,如B、D匝道桥只预留了桥下主线纵面净空,平面没有预留主线拓宽为双向8车道的条件.

有些与不同设计人员对规范指标的理解和把握有关,如2017版路线规范表11.3.4-1[11]规定的匝道纵坡取值,对于枢纽互通由于既有出口又有入口纵坡应取最不利指标3%,而本枢纽设计中仅选择宽松的4%作为控制纵坡的指标;所有的右转匝道作为直连式匝道设计速度仅考虑为40 km/h,技术指标考虑不足.

B匝道出口位置主线竖曲线半径仅满足极限值,超过渐变率有2处小于1/330,此路段也是枢纽区的事故黑点路段,通过对停车视距的验算主线和匝道的停车视距来分析所需平曲线半径,计算考虑护栏影响所需的最小平曲线半径R分别为1 757 m和258 m,而现状长沙—南昌方向的半径为200 m,同时极端天气下由于超高过渡设置不合理导致排水不畅易引发交通事故,因此设计中应当尽可能提高主转向出口技术指标,才能从源头消灭事故黑点.

随着交通量的增长相关问题将更加突出,从现状技术指标与预测年交通量适应性评价可看出,几乎以不适应为主,枢纽改造迫在眉睫.从中也可梳理出枢纽存在主要问题集中在A和B匝道出入口位置、D和F连续汇入主线区域、G匝道,后续改造中应当重点进行考虑.

4 三车道出口指标设计

本枢纽最大问题是南昌往返长沙方向功能与交通量不匹配问题,应重点予以关注.(见图2)南昌—长沙方向转向交通量为23 009 puc/d(3 102 pcu/h)>2 900 pcu/h,超过了目前规范条件下双车道匝道的最大通行能力[13].在设计过程中,存在2种不同的处理方式:①认为应该采用主线进行设计;②按照三车道匝道进行设计,至于到底采用哪种处理方式,本文通过分别采用主线设计和匝道设计进行对比.

4.1 三车道出口通行能力

根据《公路路线设计规范》JTGD20—2017和公路立交设计细则:JTG/TD21—2014及刘子剑关于匝道基准通行能力分析相关内容,规定匝道服务水平采用4级,主线服务水平采用3级,得出三车道主线设计和三车道匝道设计相对应的设计通行能力为表3.由表3可知,采用设计速度为80 km/h的三车道主线或三车道匝道、100 km/h和120 km/h的双车道主线均满足通行能力要求,但由于主线多数设计速度为100 km/h,因此后续主要分析80 km/h和100 km/h.

表3 主线和匝道通行能力对比表

4.2 交通量配置对分合流方式的影响

通常我们根据互通设计细则6.3.5[13]对于连续2条以上的匝道与主线连接时,连续分流规范宜采用1次分流,条件受限时可采用2次分流;但改扩建项目中,需要根据实际情况采用适合的分合流方式.

由图2右上及表4,将小交通量H分别配置在J线或Y线右侧,出现了2种情况:①分流后两者交通量几乎相当;②差值比较大.通常做法是将H匝道置于Y线右侧,当此时交通量J≪Y+H两者交通量差距进一步拉大,由于现状J在左出,将与主交通流左出不符,此时需要将J线即南昌—广州方向主线进行调整,但如此一来不但改造代价巨大且改造后改变南昌—广州方向行驶习惯,社会风险也较大.可见此时无论是将Y进行主线设计还是匝道设计都是不合适的.Z处出口也存在这一问题.

而如果将小交通量H匝道配置在J线右侧,此时J Y、J

4.3 基本车道数配置

以图2Y线分流为例,由于J线和H匝道维持不变,J线现状为4+4→3+3→2+2,分别将Y设计为主线和匝道,结合交通量预测数据和表3,可推算出所需的车道数,汇总如表5所示,其中15 min高峰小时系数PHF15=0.926.情况2)和4)为重大节假日存在堵车,出现社会舆情,根据业主反馈希望主线车道数保持一致的情况.均以J线和H匝道维持现状为基础[6,9].

表5 分流处基本车道数n

4.4 分流区通行能力分析

对表5情况分流处进行通行能力分析,周荣贵等[14]指出分流区、合流区通行能力的关键是核查匝道、分合流点、影响区关键断面3个部分的交通运行状态.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,

这里主要验算影响区域范围通能能力,并考虑表5情况,验算结果如表6所示,可看出Y/Z采用匝道设计和主线设计时,当考虑下游匝道分流影响时,分流区状态基本一致,配置方式1)和2)服务车数基本相同,但服务水平有差异,主要是增减车道对其影响,仿真分析的结果也基本验证这一结论.

表6 分流影响区域范围通能能力

Y/Z采用设计速度100 km/h可有效减少车道数,通行能力也满足相应3级服务水平,但通过仿真分析由于考虑下游匝道影响,两主线设计速度均较大时出现交通事故的概率较大,且引发的交通事故后果更严重,基于此认为在设计时主要还宜考虑80 km/h为主.

见图4,将H匝道配置于Y线右出,根据以上方法可验算出红色区域通行能力不足,可见Y线交通量较大时,应该将小交通量疏散至其他位置,不可强行配置于Y线.

4.5 平纵横指标

由《公路路线设计规范》JTGD20—2017和《公路立交设计细则》JTG/TD21—2014,可得出Y/Z设计为主线或匝道时相应的技术指标.由于Y/Z设计为主线100 km/h与80 km/h的相差较大且由4.4考虑下游匝道影响运行速度均较大时有一定的安全隐患,因此这里仅比较同为80 km/h时技术指标对比.

从表7中可看出,当以互通范围内主线线形指标控制时,Y/Z分别设计为主线或匝道,除满足停车视距圆曲线半径相当外,其他技术指标差值较大且大部分差值在1倍以上.

表7 平纵指标对比表

表8 主线分岔和合流渐变段长度

表9 方案比较表

当不以互通范围内主线线形指标控制时,Y/Z分别设计为主线或匝道,除个别指标有差异且差异较小外,两者指标差值基本无差别,Y/Z设计为主线时最大纵坡更宽松,更有利于指标的灵活运用.

根据《公路立交设计细则》JTG/TD21—2014,变速车道及连接部是按互通区指标控制,其他路段按一般路段指标控制,可看出一般路段采用主线还是匝道相关指标差异较小,Y/Z采用主线设计或者匝道设计均可,但是对于改扩建枢纽来说,限制条件和考虑因素较多,如本枢纽在设计过程中对于南昌—抚州方向H匝道存在2种处理方式:①直接利用端部;②不利用.不利用的情况如图2右上所示,此时H匝道从Y线右出然后跨越Y线,考虑到Y线交通量较大且在设计需要控制两次分流间距,无论是Y为主线设计还是匝道设计,均需要特殊计算.对于横断面宽度和超高渐变率2种设计方式并无太大差异.

综上可得出一般路段采用主线或匝道均可,但是变速车道及连接部控制指标较高,无论Y/Z是主线还是匝道设计,由于Y/Z采用的速度80 km/h与主线速度差较小,技术指标差异也较小,详见4.6变速车道及渐变段.

4.6 变速车道及渐变段

4.6.1 变速车道

Y/Z为三车道主线设计时,根据《公路路线设计规范》JTG D20—2017中11.5主线的分岔、合流的规定考虑硬路肩的影响,通过计算可得表6变速车道和车道变化所需总长.

Y/Z为三车道匝道设计时,变速车道长度计算以小车型为对象并考虑大型车影响.分流处变速车道长度计算结合设计速度、运行速度和平均速度,采用AASHTO二次减速理论[11-14],得出相应参数取值(表6).

合流区长度以车头时距分布模型为基础[11-14],建立加速、等待可插入间隙、变换车道距离的长度为模型,得出合流区长度取值(表6).

4.6.2 辅助车道、渐变段长度

为满足枢纽分岔和合流处车道数的平衡需在分岔和合流处分别设置两段辅助车道及渐变段以满足速度调整和提供车辆变换车道的需求.辅助车道长度参考JTG D20—2017《公路路线设计规范》中表11.4.4的相关规定.

5 方案比较

对南昌往返长沙方向分别采用三车道匝道设计和三车道主线设计[15],方案示意图5和6.图5将G60沪昆高速作为1条连贯线路考虑,南昌往返长沙方向Y线和Z线均考虑为右出右进,长沙—南昌方向Z线通过设置门架式桥梁跨越主线和匝道,桥梁配跨为37 m×30 m装配式预应力砼T梁,门架墩需要根据实际情况进行布设,遇无法架设一字形梁的情况可通过Z字形布置.

图5 H匝道在Y线右侧示意图

三车道出口车道过渡采用(4+0)→(4+1)→(4+2)→(4+3)进行过渡,三车道入口与出口对应调整.三车道出口分流鼻端最小间距为610 m,三车道入口和流鼻端最小间距为565 m,平纵指标满足一般值要求,消除出口超高渐变率过小的问题,处理排水问题.

图6中将南昌往返长沙方向采用三车道匝道设计,设计标准为80 km/h,南昌—抚州方向匝道由匝道左出改为Y主线右出,Y线和G匝道均移位重建.其中Y线分岔与分流间距为405 m,G匝道需下穿Y和东昌主线桥;长沙—吉安方向E匝道由匝道右出调整为Z主线右出.Z线分岔与分流间距为697 m,Z线桥连续跨越主线2次,跨越移位匝道2次,跨保通匝道2次,Z线桥跨同主线方案.

图6 Y/Z三车道主线设计方案

图7 Y/Z三车道匝道设计方案

对两种设计方式的Y、Z左右分离功能指标、分合流方式的适应性、通行能力及服务水平、施工期间保通的适应性和规模等指标进行分析.可看出Y/Z采用主线设计无论是分合流方式的适应性还是通行能力及施工保通等均更有优势,这也与前面分析是对应的.

6 安全性评价

6.1 评价方法

本项目运用VISSIM微观交通流仿真软件进行分析,对枢纽安全性评价内容主要有:互通形式、出入口方式.主线平纵指标、相邻出入口间距.变速车道长度、分合流点视距、匝道线形指标、交通运行安全等.

6.2 设计安全评价

1)互通形式与转向交通量匹配较为妥当,交通量较大主线均配置在左侧,符合左侧为主流交通的习惯.

2)枢纽互通范围内主线线形指标均满足规范要求,其中左右线主线平纵面指标均满足停车视距所要求的平曲线半径和竖曲线半径,路侧宽容性指标较高.

3)相邻出入口间距.①该枢纽互通出入口间距均满足规范要求; ②该枢纽主线与主线分岔距离主线与匝道分流间距最小为653.903 m,满足驾驶员对指路标志的识别并寻找相应可插入间隙、进行车道转换.

4)主线相互合流连接部设计.至主线分岔前,通过设置辅助车道平衡车道数,单侧车道数由4车道→4+1车道→4+2车道→4+3车道,分岔处最小渐变段长度为217.522 m,满足设计细则主线相互分流连接部线形设计要求,相应辅助车道和渐变段长度满足车辆识别并寻找相应可插入间隙、进行车道转换.

6.3 交通流仿真评价

通过对2015年设计小时交通量为依据,分析枢纽评价区内车流排队长度、延误、停车次数等,结论如下:①合流区及其他匝道路段,车辆通行效率较高,未出现排队、停车和延误的现象;②主线分岔后主线分流处,主线分岔区域通行效率较高,而分岔后主线分流处有一定的延误,但能满足预测交通流下的车辆通行.

该枢纽区分岔和合流处,能满足预测交通流下的车道通行,区域内交通冲突较少,交织路段处于安全运行状态.

7 结束语

基于樟树枢纽收集和恢复的基础性技术资料,梳理枢纽存在的主要问题,论证枢纽改造的必要性.分别将单向双车道匝道设计成单向三车道主线和单向三车道匝道,分析2种设计方式在交通量配置、平纵横指标、变速车道及渐变段长度等在取值方面存在的差异,并结合方案对比、分流区通行能力分析阐述2种设计方式的优缺点,多维度对比得出采用三车道主线出口更合适的结论.结合仿真分析进行安全性评价,结果表明采用三车道主线出口进行设计在规范无相关规定的情况下是可行的.

通过该枢纽方案设计,希望拓展对于大型枢纽互通改扩建设计的思路,同时由于本项目属于改扩建项目,需要一定的时间才能检验设计效果,且目前只做了仿真分析,实车实验代价太大,研究结果可靠度需要进一步验证.