樞紐快速集散道路交織段設計方法及指標研究
——以虹橋樞紐為例

馮 寶

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

為銜接樞紐建筑本體與外圍集疏運路網，建設專用、封閉的快速集散道路系統，為樞紐建筑本體客運提供快速集散服務。樞紐快速集散系統與一般城市快速路集散系統有所區別。樞紐快速集散道路承擔進出樞紐的道路交通需求，高峰時段交通量集中，交織段車流量很大。同時，樞紐內部用地緊湊，道路設施密集，各項設計指標趨于極限。樞紐快速集散道路連接外圍快速道路與內部車道邊，設計車速體現了銜接過渡的功能，低于城市快速路。其中，高架循環圈為40 km/h，匝道為30～40 km/h。

現有快速路設計規范《城市快速路設計規程》（CJJ 129—2009）中，關于各類交織段相關規定，僅對主線設計車速為60/80/100 km/h的情況有所研究。樞紐快速集散系統設計標準低于城市快速路主線，且高于一般立交，為解決設計中面臨的參數選擇問題，需要對樞紐快速集散系統相關參數取值進行深入研究。

1 樞紐交織段

1.1 定義

從狹義的角度來看，行駛方向相同的兩股或多股交通流，不借助交通控制設施實現車道交叉變換的過程，在相當長的路段上即構成了交織行為[1]。樞紐快速集散道路主要由服務不同方向車流主線和匝道組成。匝道的行駛特性在集散道路整體運行中占據十分重要的地位。從廣義的角度來看，凡是因車輛的車道變換而引發的紊亂和交織沖突行駛區間都可納入樞紐快速集散道路交織段的研究范疇。

1.2 組成

樞紐快速集散道路交織段與連續流運行狀態下的普通高速公路類似，由合流區或分流區構成。來自不同方向的車流在連接點處匯合，形成合流區；前往不同方向的車流在連接點處分離，形成分流區。由于駕駛員必須進入適合他們的車道，在合流處尋找可插空隙，或在分流處車道重新分布的過程中發生車道變換，則形成受紊流支配的交織區（見圖 1、圖 2）。

圖1 典型交織段示意圖

1.3 分類

樞紐快速集散道路交織段的構型涉及路段的入口車道和出口車道的相對位置和數量，并且對必須在路段上進行車道變換的次數存在重大影響，是決定交織性能的關鍵幾何特性。

圖2 典型交織段運行示意圖

根據車輛從支線道路進出主線道路的順序，可將樞紐快速集散道路交織段分為“駛入-駛出式”、“駛入 - 駛入式”、“駛出 - 駛入式”、“駛出 -駛出式”等4種基本方式。在樞紐集散道路中，交織段的寬度在設計中會根據上下游路段的情況調整，由此將導致進出主線的車輛在交織段范圍出現需要并道、分道行駛或上下游車道數一致兩種情況。基于交織段上下游的車道平衡情況，將4種基本布置方式進一步細化為8種類型（見圖3）。

圖3 樞紐集散道路交織段的分類

2 交織段通行能力

交織段通行能力的影響因素眾多，如交織區類型、交織區長度、交織區內車道數及交織流量比等，使得交織段不像基本路段那樣有所謂的理想條件。運用當前比較成熟的交通流理論模型和交通仿真模型，結合部分實測數據，通過實驗方案設計，改變輸入條件，即可得到不同條件組合下的通行能力參考值，具有較好的適用性。

2.1 通行能力的影響因素

樞紐快速集散道路交織段為連續流，通行能力受外界因素的影響較小。影響因素主要為自身的幾何構型和交通運行條件。

2.1.1 幾何構型條件

交織段的長度L，即交通分合流點的起點和終點之間的距離（見圖4）。它對交織段運行的影響表現為駕駛員駕駛汽車通過交織段時的操作緊迫程度。樞紐快速集散道路中交織段的主要研究范圍為 40～200 m。

圖4 交織段長度示意圖

2.1.2 交通運行條件

交織段的總流率Q，即交織段的交通需求。樞紐快速集散道路交織段的交通需求取決于主線和匝道的流量、流向。

交織段的交通量比VR，即交織車流與總流率的比值。一般情況下，交通量比VR越大，交織段通行能力越小。本研究中，樞紐快速集散道路中選取交通量比VR=0.25～1.0作為研究參數。圖5為交織比分別為0和1的交織行為示意圖。

圖5 交織量比分別為0和1的交織行為示意

交織段的設計車速V，即主線和支線的車輛設計速度。通常，車速越高，通行能力越大。樞紐快速集散道路中交織段的主線設計速度一般為40 km/h和60 km/h，匝道設計速度為主線速度的0.5～0.7。

交織區內車型比例，即交織段內運行的不同車輛類型及其比率。樞紐快速集散道路中交織段運行的車輛主要為小客車和大客車，比率分別為90%和10%。

2.1.3 其他因素

其他因素還包括平面線形、縱向坡度、交通標志誘導等。通常在平面線形較好、縱坡小、先前有較好引導的情況下，交織段的通行能力會大一些。

2.2 交織段通行能力仿真

本研究采用微觀仿真模型VISSIM，以單個車輛單元為分析單位，細致反映車輛的跟車、換車道行為，以車輛單元間的相互制約關系為函數關系，確定車輛某一時刻具體的位置、速度、加速度等車輛參數。

參照虹橋綜合交通樞紐高架快速集散系統的設計，對樞紐快速集散道路的交織段按照8種不同的結構類型，40 km/h和60 km/h兩種設計速度，不同的交織段長度進行交叉分類，并利用微觀交通仿真軟件VISSIM構建不同的交織段模型，分析不同交通運行狀況下的通行能力[3]。

3 交織段設計參數

3.1 服務水平

交通設施對應不同的交通需求和運行特征，提供不同的服務質量。服務水平是對特定交通需求下交通設施所提供的服務質量的度量。服務水平的評價通常可得到密度、速度、延誤、飽和度和服務交通量等指標。它們通常適用于不同類型的道路。

本研究將交織段的服務水平劃分為A至D共4個級別，其中A級服務水平運行狀況最好，D級最差。每一級對應不同的駕駛條件和交通狀況。表1為樞紐快速集散道路交織段服務水平等級建議值。

表1 樞紐快速集散道路交織段服務水平等級建議值

3.2 設計參數

基于前面的仿真分析，可得到A、B、C、D 4級服務水平下8種不同類型交織段、不同設計長度時的通行能力。

VR取其他值時，可以上述仿真分析結果為依據，運用HCM的交織段“密度-流量”計算公式得到對應服務水平的通行能力：

式中：Wi為交織段的行車密度，pcu/km/ln；VR為交織段的交通量比；Q為交織段的總流率，pcu/h；N為交織段的車道數，條；L為交織段的長度，m；a，b，c，d 為計算參數。

圖6為交織段密度-VR關系圖。圖7為不同長度交織段的通行能力。

圖6 交織段密度-VR關系

圖7 不同長度交織段的通行能力

通過與已有規范《城市道路工程設計規范》（CJJ 37—2012）、《城市快速路設計規程》（CJJ 129—2009）對比分析，本研究中提出的樞紐快速集散道路交織段設計建議值（見表2），基本介于《城市快速路設計規程》（CJJ 129—2009）關于城市快速路主線與《城市道路工程設計規范》（CJJ 37—2012）關于立交匝道的標準之間[1，3]，即樞紐快速集散道路的交織段，其運行車速相對快速路主線而言期望值降低，確保通行能力而不追求高的車速。但是，相對立交匝道出入口而言，標準則有所提高，使得樞紐快速集散道路系統能夠維持一定的服務水平，滿足樞紐地區快速集散的需求。

4 交織段安全分析評價

4.1 交織段安全運行影響因素

對交織段安全運行影響因素進行分析，主要包括交織段長度、交織段車道數、交織流量比及交織段構造類型。這些對交織段的運行安全性具有重要影響，是分析交織段運行的重要因素。主要考慮到：交織段運行速度與交織段長度及交織段內車道數具有正相關關系，而與交織流量比和總交通量具有負相關關系。

表2 交織段長度設計參數建議值

式中：ATC為平均當量小客車公里沖突數，次/（pcu·km）；TC為時均沖突次數，次；Q為交通量，pcu/h；L為交織區長度，km。

4.2.3 交織段交通沖突仿真

根據對樞紐快速集散道路交織段長度設計參數的研究，對于8種類型的交織段，考慮不同交織段長度下的C級服務水平情況，對交織段ATC指標進行仿真評價。基于樞紐快速路通行能力和服務水平考慮的交織段長度建議取值見表3。

表3 基于交通運行的交織段長度設計建議取值

根據不同類型交織段在不同交織區長度C級服務水平下的交通流參數進行仿真，得出不同類型交織段在不同交織段長度下的ATC相對減少率（相對于最小交織段長度）。

以第三級交織段長度作為一般值，以第四級交織段長度作為推薦值，給出以下樞紐快速集散道路交織段長度設計的建議取值（見表4）。

4.2 基于沖突仿真的交織段安全評價方法

4.2.1 交通沖突仿真方法

采用以VISSIM仿真軟件為分析數據提供平臺的 SSAM（Surrogate Safety Assessment Model）安全間接評價模型。SSAM模型是一種基于網格的沖突識別分析模型，其主要分析指標有TTC（沖突發生時間）、PET（前后兩車的車頭時距）、ΔS（兩車相對速度）等。它是通過對交通仿真軟件輸出的車輛軌跡運行文件進行處理，結合各項沖突分析指標閾值，來判斷交通沖突狀態[4]。

4.2.2 交織段安全評價指標

為了更加客觀地反映交織區交通安全狀態，選擇沖突數與通過量、路段長度的比值，即平均車公里沖突數（Average Traffic Conflict，簡稱 ATC）作為評價的指標。其中，交通量為在一定的交通條件下，單位時間內通過交織區某一斷面的車輛數。

表4 基于交通安全的交織段長度設計建議取值

5 實證分析

5.1 交織段評價

虹橋樞紐快速集散道路的設計速度為40 km/h，小客車與大客車的比例為1∶9。為減少匯入或駛出車流直接對主線構成沖擊，需要構造駛入-駛入型以及駛出-駛出型交織段的路段，均已采用分級設置出入口予以解決。樞紐內部集散道路的交織段類型主要包括駛入-駛出型和駛出-駛入型兩種[3]。

5.1.1 駛入-駛出型

在樞紐內部快速集散系統4個獨立逆時針循環圈中，存在12個主要的駛入-駛出型交織段，其中I類交織段4個，II類交織段8個（見圖8和表 5）。

圖8 虹橋樞紐快速集散系統駛入-駛出型交織段分布

表5 集散系統循環圈駛入-駛出型交織段統計

在快速集散系統中，駛入-駛出型交織段的寬度一般為3車道，部分直接連接車道邊的交織段為4車道。交織段長度均保持在110 m以上。在2030年的預測交通流量下，各交織段的服務水平比較理想，除交織段2、3、6、9為C級服務水平外，其余交織段均位于B級服務水平以上，能夠滿足虹橋樞紐的快速集散需求。但是，交織段6和交織段9在流量較大的情況下，因受到車道邊停靠車輛干擾而導致實際用于交織的車道數目減少時，容易發生擁堵。

5.1.2 駛出-駛入型

在樞紐內部快速集散系統4個獨立逆時針循環圈中，存在8個主要的駛出-駛入型交織段，其中V類交織段3個，VI類交織段5個（見圖9和表6）。

圖9 虹橋樞紐快速集散系統駛出-駛入型交織段分布

在快速集散系統中，駛出-駛入型交織段的寬度一般為2車道，交織段一般在入口或出口至少有一端保持車道平衡，交織段長度控制較好，基本保持在150 m以上。在2030年的預測交通流量下，各交織段均位于B級服務水平以上，能夠有效滿足虹橋樞紐的快速集散需求。

表6 集散系統循環圈駛出-駛入型交織段統計

5.2 采取的優化措施

對于虹橋交通樞紐集散道路，在其設計階段就考慮了交織段的優化，并針對交織段運行中可能存在的一些問題，從宏觀、中觀和微觀層面分別采取了不同的應對措施，以降低大量交織段給集散系統可能帶來的負面影響。

（1）宏觀措施。從路網形態考慮，均衡集散道路系統流量，通過南北分行、分塊循環的方式進行交通組織。

（2）中觀措施。合理安排交織流線，避免主要流向在交織段形成瓶頸。基于分塊循環的前提，合理布設交通流線，利用工程措施將進場流線與離場流線盡可能分離，減少交織。

（3）微觀措施。對集散道路交織段開展優化設計，采用分合流點分級布設，通過立體組織改變交織型式等方法提高交織段與快速路的通行能力。

6 結 語

文章對樞紐快速集散道路交織段設計方法及指標進行了研究，完善了大型綜合交通樞紐的規劃設計理論體系，總結出樞紐快速集散路網交織段設計的關鍵參數，為相關設計指南或規范的編制提供基礎。