高速公路施工導行區上游過渡區長度設置研究

劉學強，呂 路，樊祥喜，孟凌霄，劉煊志，鮑慶偉，徐海棟

（1.中建筑港集團有限公司，山東 青島266033；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；3.中建山東投資有限公司，山東 濟南250002；4.中國建設基礎設施有限公司，北京10037）

高速公路在公路交通運輸中的作用日益顯著，沿線經濟社會建設對其依賴不斷加強，因此保通交通組織是高速公路改擴建期間的一項重要工作。高速公路改擴建工程通過設置上游過渡區使車輛由封閉車道平穩匯入開放車道[1]，設置合理的施工區上游過渡區對保障車輛運行安全具有重要作用。

有效的交通組織是高速公路保通施工的關鍵。 常用的保通施工交通組織方式有半幅封閉借對向車道通行、半幅封閉繞行、封閉行車道、封閉路肩等[2-4]。利用交通仿真技術研究不同交通組織形式下施工控制區各段落長度是一種有效方法[5-6]。 根據施工區上游過渡區長度設置影響因素，過渡區長度計算模型的相關研究也較多[7-8]。

高速公路施工方案與施工區交通組織方式是一對相互作用的關聯體。 姚斌以高速公路大修工程八車道、六車道以及匝道路段施工交通組織具體試驗為例，說明大交通量條件下高速公路施工時保通施工優于質量和成本控制的交通組織原則[9]。 《公路養護安全作業規程》(JTG H30-2015)對封閉車道，封閉路肩，借對向車道通行，匝道施工等交通組織方式下交通安全設施設置方法和各施工控制區段落長度進行了規定[1]。此外，施工區上游過渡區車輛運行風險以及行車安全保障也是高速公路施工區的一個研究熱點[10-12]。

國內外專家針對高速公路施工區上游過渡區長度與車輛運行特性的研究較多， 但未區分不同施工方案、不同交通組織方式對上游過渡區長度設置帶來的影響。 由于現有規范僅針對公路養護維修施工控制區進行規定，而一般公路養護維修與高速公路改擴建工程在施工工期等方面具有較大差異，現有研究結論不能滿足高速公路改擴建施工對上游過渡區長度設置的需要。

本文通過調研高速公路改擴建期間不同施工方案下交通流運行特性，利用單因素方差分析對比不同施工方案之間車速、車頭時距的顯著性，確定研究對象。設計了不同施工方案不同交通組織方式相互結合的道路仿真場景，利用駕駛模擬器進行實驗；通過分析不同過渡區長度條件下封閉車道上游車輛速度特征與可匯入概率，為高速公路改擴建工程上游過渡區長度設置的合理取值提供參考。

1 施工作業導行區交通流參數調查

1.1 調查路段

在S29 濱萊高速進行施工作業導行區交通流參數調查。 該項目為高速公路改擴建項目，擴建內容包括路基、橋涵、分離式立交、通道加寬擴建、路面改造加寬、新建擴建互通、環保綠化景觀設計等工程。改擴建方式以兩側拼寬為主， 局部單側分離， 部分新建八車道。 本次調研范圍為S29 濱萊高速濱州至博山段K58+467.8～K98+753.7，該路段設計速度120（100） km/h，施工區限速60 km/h。

根據濱萊高速改擴建施工交通組織方案，共選取7 處不同類型的施工作業區進行數據采集，分別是路面拓寬（挖方段）施工區、橋梁拼寬施工區、互通改造施工區、借用對向車道通行施工區、路基抬高施工區、跨線橋和路改橋施工區。 調研斷面位置及路段線形特征如表1 所示。

表1 調研斷面位置及路段線形特征Tab.1 The line characteristics of investigation freeway section

1.2 調研設備

采用Metro-Count 5 600 車輛分型統計系統進行交通量調查。 Metro-Count 5 600 車輛分型統計系統可檢測1-2 條車道交通流數據，分車道統計數據，可獲得每一輛車的詳細信息，如日期時間、車速、大軸距、車頭時距、時間間距、軸數、軸組數、車型等。

1.3 數據采集方案

為了降低時間對數據采集質量的影響，采集時間均為工作日的上午8 點至下午6 點。 儀器布置全程在交通導行人員協助下進行，將其放置于隱蔽地點以防止駕駛員的刻意減速行為。 數據采集斷面位于施工導行區上游過渡區前的開放車道上。 其車道布置方案如圖1。

圖1 調研設備Metro-Count 布置方案Fig.1 Investigation equipment Metro-Count layout scheme

2 不同施工方案導行區交通流特征顯著性分析

2.1 數據預處理

由于各采集斷面交通流參數數據量較大，根據相關文獻在樣本量較大時，車頭時距和運行車速各總體分布均為正態分布[13-14]。 數據預處理時將與平均值之差的絕對值超過3σ 的數據作為異常值進行剔除，即刪除數據中|X-E（X）|≥3σ 的樣本值，該方法同樣用于后期駕駛模擬實驗所測數據的初步處理。 最終得到各路段車輛數及平均小時交通量，見表2。

表2 調研路段交通量及調研車輛總數Tab.2 The traffic volume and total vehicles of investigation freeway section

由表2 可知，調研路段交通量最大值小于700 veh/h，調研路段公路服務水平較高。開放車道小客車數占比大于65%，大型車對封閉車道車輛可匯入的最小間隙影響較小[8]。 因此在進行數據計算時不考慮車型差異。

2.2 車頭時距顯著性分析

對各施工方案導行區起點車頭時距進行分析，車頭時距分布箱型圖如圖2 所示。 橋梁拼寬、互通改造、借對向車道通行施工區上游過渡區車頭時距平均值均大于5 s。 橫向對比發現，互通改造時導行區車頭時距的各項指標值最大，可能與由互通立交駛離高速的車輛干擾有關。其次為借對向車道通行的情況，造成其車頭時距較大的直接原因為車輛運行速度降低，間接原因為車輛借對向車道通行時需要經過中央分隔帶進行連續轉彎，客觀操作的復雜性與轉彎條件的限制導致駕駛員保持車距通過施工路段。橋梁拼寬段車頭時距平均值為6.3 s，原因可能是橋梁拼寬設置的臨時路側護欄對駕駛員產生了較大的心理壓力。 路面拓寬、路基抬高、跨線橋導行區的車頭時距分布基本相同。

為了定量說明不同施工方案導行區上游過渡區車頭時距分布的顯著性差異， 利用SPSS 軟件對7 種施工方案的車頭時距進行單因素方差分析。 分析結果表明：在顯著性水平α=0.05 的條件下，路面拓寬、路基抬高、跨線橋3 種施工方案相互之間均不存在顯著差異（P=0.966，P=1.000，P=0.995），可作為一個分析組；路改橋與跨線橋之間不存在顯著性差異（P=0.083），但與其他各施工方案均存在顯著性差異，因此，需對該類施工方案進行單獨分析；橋梁拼寬與互通改造（P=0.973）、互通改造與借用對向車道通行（P=0.346）之間不存在顯著性差異。 雖然橋梁拼寬與借對向車道通行存在顯著性差異，但選用互通立交改造可以同時代表橋梁拼寬與借用對向車道通行。

圖2 不同施工方案導行區上游過渡區車頭時距箱型圖Fig.2 Upstream transition area headway box-plot of road guidance

2.3 運行車速顯著性分析

不同施工方案導行區上游過渡區運行車速箱型圖如圖3 所示。 運行速度的分布規律與車頭時距的分布規律一致。 車輛在互通立交區的斷面車速統計值最低，數據離散度最小；借對向車道通行的導行區過渡區起點， 不僅其平均車速值較小，而且車速離散度非常大，具體原因與車頭時距顯著性分析結果相同。 其余施工作業導行區上游過渡區車速差異性較小。 總的來看，不同施工作業導行區上游過渡區平均速度均大于限速值60 km/h。

對不同施工方案導行區上游過渡區運行車速進行單因素方差分析。 多重比較結果顯示，路面拓寬、橋梁拼寬、路改橋相互之間均不存在顯著性差異（P=0.096，P=0.988，P=0.919），互通改造與借用對向車道通行之間不存在顯著性差異（P=0.402），路基抬高與橋梁拼寬（P=0.351）、路基抬高與跨線橋（P=0.215）之間不存在顯著性差異，雖然橋梁拼寬與跨線橋之間存在顯著性差異，但是路基抬高可以同時反應上述兩種施工方案。

綜合車頭時距與運行車速顯著性分析結果，互通立交改造與借對向車道通行兩種施工方案不存在顯著性差異，其余施工方案的車頭時距或運行車速均存在顯著性差異。

圖3 不同施工方案導行區上游過渡區運行速度箱型圖Fig.3 Upstream transition area velocity box-plot of road guidance

3 基于駕駛模擬的施工作業導行區上游過渡區長度設置

3.1 駕駛模擬實驗場景

根據施工作業導行區上游過渡區的顯著性檢驗結果，選擇路面拓寬、橋梁拼寬、互通改造3 種施工方式進行上游過渡區長度設置研究。

1） 上游過渡區長度設計值

根據可接受間隙理論建立的高速公路改擴建期間上游過渡區長度計算模型和實測交通流數據進行上游過渡區長度理論設計值計算[15]。首先需要確定實測交通流數據的車頭時距分布模型。采用愛爾朗分布擬合車頭時距分布，結果如圖4 所示。根據概率密度曲線與卡方檢驗結果可知，路面拓寬、橋梁拼寬施工作業方案的車頭時距均服從一階愛爾朗分布， 互通改造導行區上游過渡區車頭時距服從二階愛爾朗分布。

圖4 不同施工方案導行區上游過渡區車頭時距擬合結果Fig.4 Upstream transition area headway fitting result

為了保障改擴建上游過渡區長度設置能夠供大多數車輛不經排隊即可由封閉車道上游匯入開放車道，在利用模型計算其長度時，封閉車道上游車速取限速值60 km/h。 車輛可匯入開放車道概率取95%，按照劉天龍研究中上游過渡區長度計算方法[15]，其計算結果如表3 所示。

表3 不同施工方案導行區上游過渡區長度計算結果Tab.3 Upstream transition area lengths calculation result

2） 導行區其他組成部分指標值設計

施工作業控制區中警告區、緩沖區、工作區、下游過渡區以及終止區長度分別按照《公路工程技術標準》（JTG B01-2014）[16]、《公路養護安全作業規程》（JTH H30-2015）以及《道路交通標志標線》（GB 5768-2009）規定取值。 本次實驗中根據實驗路段限速60 km/h 的實際情況， 警告區長度取1 600 m， 縱向緩沖區長度為200 m，工作區長度根據施工方案在50～200 m 之間取值，下游過渡區長度與終止區長度均取30 m。

3） 仿真實驗路段設計

仿真實驗路段按照S29 濱萊高速K54+900～K124+240 線形資料設計，主線長69.34 km。 平面線形最小圓曲線半徑1 500 m，最小緩和曲線長度270 m，直線路段路拱橫坡為-2%，曲線路段按照《公路工程技術標準》要求設置超高。 橫斷面采用24.5 m 寬的標準斷面形式，即2.5（硬路肩）+2×3.75（行車道）+0.75（路緣帶）+3（中央分隔帶）+0.75（路緣帶）+2×3.75（行車道）+2.5（硬路肩）。 為了簡化道路縱坡變化對本實驗帶來的影響，實驗路段設置不大于1%的縱坡。 在視線開闊，線形良好的實驗路段上設置包括關閉車道、壓縮車道、借用對向車道、借用硬路肩4 種交通組織方式和路面拓寬、橋梁拼寬、互通改造3 種施工方案相互結合的15個施工控制區導行段。

3.2 駕駛員與實驗設備

本次招募16 名駕駛員以小客車為實驗車輛進行實驗。 其中男性駕駛員13 名，女性駕駛員3 名；駕齡小于5 年的駕駛員有12 名，其余4 名駕駛員駕齡在5～10 年之間。

利用由日本Forum8 開發的UC-win/road 駕駛模擬器進行實驗。 該軟件主要提供了地形、 道路構造、模型、交通流及自然環境的模擬，并能夠連接多種性能與規模的駕駛模擬控制設備，進行車輛駕駛模擬并利用專用程序進行駕駛車輛及周邊交通流的數據采集[17-18]。

為了使駕駛員能夠熟悉模擬器的操作方法和適應模擬駕駛環境， 實驗前使每名駕駛員先練習通過20 km 的模擬器自帶道路場景，然后駛入實驗場景。 在每個導行控制區中均由封閉車道上游經過變道駛入相鄰的開放車道。

3.3 基于駕駛模擬實驗數據的上游過渡區長度設計值檢驗

根據獲得的駕駛模擬實驗數據，通過反算車輛在駕駛模擬實驗過程中成功匯入開放車道的概率，檢驗上游過渡區長度的設置值是否滿足實際設置需要。

在路面拓寬、關閉車道施工區域，車輛到達率為0.18 veh/s；愛爾朗分布階數為1，開放車道車速為19.96 m/s，上游過渡區長度為120 m，車輛成功匯入開放車道的概率如式1

其他導行區上游過渡區車輛能夠成功匯入開放車道的概率計算結果如表4 所示。

表4 上游過渡區車輛能成功匯入開放車道的概率Tab.4 Probability of vehicle joining the opening lane in upstream transition area

由表4 可以看出，各實驗場景下上游過渡區車輛可匯入開放車道概率P（s）均大于95%，所以上游過渡區長度設置滿足要求。在施工限速路段，如果進行嚴格交通管理，開放車道車速會小于限制車速60 km/h，因此上述過渡區長度設置尚有一定富余。

對比相同交通組織條件下不同施工方案車輛可匯入開放車道概率發現，互通改造、橋梁拼寬、路面拓寬路段的車輛可匯入概率呈現出逐級遞減現象，這與駕駛員在互通改造施工區域保持較大車頭時距，駕駛行為更為謹慎有關。

3.4 不同施工作業導行區上游過渡區長度設置

根據車輛可匯入開放車道概率計算模型，假定上游過渡區車輛可匯入開放車道概率為95%，施工控制區開放車道限速60 km/h，可以計算在不同愛爾朗分布階數、開放車道交通量和施工方案條件下上游過渡區長度設置值（結果取為整5 m），如表5 所示。

表5 上游過渡區長度設置值Tab.5 Lengths of upstream transition area

由表5 可知，在相同愛爾朗分布階數條件下，隨著開放車道交通量的增長，不同施工方案之間路面拓寬與橋梁拼寬上游過渡區長度設置值相近，互通改造較路面拓寬與橋梁拼寬上游過渡區長度設置值小。 在相同施工方案條件下，隨著開放車道交通量的增長，二階愛爾朗分布較一階愛爾朗分布上游過渡區長度設置值增長速度快。 本研究結論較公路養護安全作業規程（JTG H30-2015）[1]所給定的在限速60 km/h 封閉車道寬度3.75 m 條件下，上游過渡區長度最小值為120 m 的應用范圍廣；較韋勇球[5]等研究中所給出的上游過渡區長度最小值應大于30 m 的可操作性強，因此具有一定的應用價值。

4 結論

通過對高速公路改擴建期間不同施工方案、不同交通組織方式下交通流數據的采集與分析，結合可接受間隙理論建立的高速公路改擴建期間上游過渡區長度設置模型，求得不同施工方案條件下上游過渡區長度。 設計了包含不同施工方案、不同交通組織方式相互結合的15 個駕駛模擬仿真場景，并在仿真實驗場景中利用各施工方案上游過渡區長度計算結果。將仿真實驗上游過渡區車輛運行速度平均值代入車輛可匯入開放車道概率計算模型，結果表明車輛可匯入概率均大于95%，說明上游過渡區長度設置的合理性。最后在假定車輛可匯入概率為95%，施工控制區開放車道限速為60 km/h 的條件下，由上游過渡區長度設置模型得到不同愛爾朗分布階數、不同開放車道交通量條件下所需要的上游過渡區長度設置值。