基于區域路網協調的高速公路安全施工交通組織研究

楊湖平,李凌云

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063;2.山東科技大學,山東 青島 266590)

0 引言

在我國經濟不斷發展的背景下，我國的交通基礎設施也得到了一定發展，但隨著交通量的日益增長[1-3]，部分既有的交通基礎設施已經不能滿足現在需求，需要對原有的道路進行改擴建。這種在原有公路基礎上進行改擴建的項目與新建項目存在一定差異，其交通組織設計有自身的特點和難點[4]，是改擴建工程中一個重要內容。本文用路阻函數及交通疏導起點-終點矩陣兩個重要參數為依據用分析軟件Trans CAD建立了交通組織設計方法，以服務水平、環境影響、經濟效益和安全性為評級指標建立了綜合評級體系，最后以安徽省內3條高速公路改擴建為例，按照Trans CAD結果給出了區域內路網導行關鍵參數并對導行方案進行了綜合評價分析，結果表明以區域路網為基礎的導行方案綜合評價效果在良好以上。

1 交通組織設計

在區域路網前提下高速公路改擴建工程的交通組織設計是充分發揮路網優勢下，采用的交通引流方式，不僅滿足了交通流的通行壓力，對于高速公路改擴建施工也是十分有利的[6]，其交通組織設計步驟如圖1所示。

圖1 交通組織設計步驟

道路分析是交通組織設計的前提[7]。道路分析的核心是對不同施工階段下改擴建道路和區域路網的路阻函數，即建立道路運行狀況時間函數，其計算公式如式(1)所示。

(1)

其中,T(q)為在q流量下車輛的通行時間；T0為車流量為0條件下車輛通行時間；C為設計通行能力；α、β為不同道路條件下計算參數。

區域路網OD(Origin-Destination，起點-終點)矩陣是區域內道路互相聯系，組成道路網絡系統的前提[8-9]。本文是以高速公路的改擴建為背景，區域路網的分流是匝道或者與之相連的其他高速公路，因此采用高速公路上兩個收費站作為研究的起點和終點。OD矩陣是調查基礎上按照增長計算模型通過公式計算而得，其計算公式如式(2)所示。

(2)

其中,Qi j為從目的地i到目的地j的交通量；Pi為從i地出發的交通量；Aj為從j地到達的交通量；Tij為兩地的正常行駛時間；k、α、β、γ為與行車類型相關的計算參數，其取值如表1所示。

表1 參數取值Table 1 Parameter values參數客車貨車α0.750.65β0.630.52γ0.790.61k0.5761.723

路網仿真模型構建是利用分析軟件Trans CAD對交通組織設計中關鍵因素進行模擬分析。通過模型中道路屬性植入、型心連桿設置、路段阻抗值輸入等關鍵參數的輸入，模型中會根據輸入的道路信息生成區域路網交通分配方法，用數值模擬的方法按照計算原理進行計算分析。道路屬性設置是模型仿真的基礎，將道路的行車速度、行車時間、通行能力參數賦予幾何圖形，使幾何圖形具有道路屬性。型心連桿是路網建設的核心，是根據不同道路的交通量分配情況，按照比例分配的原則建立不同道路的交通流信息，其設置方法如圖2所示。

圖2 型心連桿設置

交通分流是一個綜合性的交通控制方法，是受到各種現實因素制約的交通疏導方案，要綜合車型因素、周邊路網因素、施工安全因素等各種因素的影響，表2為分流影響因素。

根據表2的影響因素，Trans CAD對區域路段交通分流量以迭代計算的方法進行計算分析，其迭代步驟如下：① 系統初始化，對路網信息賦值；② 以計算值為標準，路段時間更新；③ 以計算為標準，路段車流量更新；④ 達到收斂，停止迭代，否則返回步驟②繼續迭代。

表2 分流影響因素Table 2 Influencing factors of shunt車型路網影響因素通行能力因素安全因素施工因素大貨車大型車載量大,對周邊路網影響大,行車對道路影響大提高道路通行能力,使單位時間通行量增加降低施工風險源,提高施工安全性有利于改擴建施工小客車軸重輕、對周邊道路安全性和使用功能影響低對通行能力提高作用有限施工安全風險增加對施工進度、安全不利

2 交通組織評價分析

基于區域路網協調的交通組織設計是高速公路改擴建施工的前提，其設計的優劣及科學性直接影響到后續施工的安全性及通行效率[10-12]。因此必須建立一套以各項指標為依據的交通組織設計評價系統，對設計的優劣性進行評價分析。

按照路段服務水平、路段交通環境影響水平、路段經濟效益影響及路段交通安全性幾項指標建立了如圖3所示的高速公路改擴建施工交通組織設計評價體系。

圖3 交通組織設計評價體系

路段服務水平包含通行能力、通行速度、通行密度等各項指標，是衡量交通組織設計的重要指標之一。

通行能力衡量施工區間路段內單位時間某斷面積上最大交通量，計算如式(3)所示。

C=C0×fw×fHV×fp×fi×n

(3)

其中，C0為高速公路每車道的通行能力；fw為道路車道寬度修正系數；fHV為行車類型修正系數；fp為駕駛員路況修正系數；fi為與施工區環境相關的環境影響系數；n為行車道數。

施工區間平均車速是經過現場測量得到了車輛的平均速度，交通密度是交通量與車速的比值，其值用K表示，表3給出了K值大小與交通擁擠度關系。

表3 交通密度與交通擁擠度關系Table 3 Relationship between traffic density and traffic congestionK值大小交通擁擠度評價K<13順暢流通13≤K<20較順暢20≤K<28較密集28≤K<36較擁堵36≤K<45擁堵45≤K嚴重擁堵

車道占用率是某時間段內車輛長度之和與路段長度的比值。其計算式如(4)所示。

(4)

其中,L為車輛平均長度；S為計算路段長度；K為交通密度。

交通組織設計的環境評價采用定性的方法，以污染物排放、尾氣排放及噪聲污染為主要評價指標，將環境分為優、良、差3級。

經濟效益指標是以車輛行駛過該施工路段時間及能源消耗情況為評價依據，采用正常行駛和施工交通導行對比的方法，分析路段的時間及能源附加消耗[13-14]。

交通安全是評價體系的重要組成部分之一。按照事故率、安保措施和行車安全指數3個指標定性的對交通組織的安全性進行分析。

按照上述評價指標建立了如圖4所示的交通組織設計的評價流程。該評價流程是建立在評價指標分析基礎上，根據施工項目的特點選取不同的權重比例，用科學的評價方法對交通組織設計進行綜合評價。

圖4 評價流程

根據我國現行的公路工程施工相關規范，按照上述評價流程建立了表4所示的交通組織方案評價標準，該標準將方案分為優良中差4級，每一級都有與之對應的定量指標。

表4 交通組織方案評價標準Table 4 Evaluation criteria of traffic organization scheme項目平均車速/( km·h-1)車流密度/(pcu·km-1·ln-1)車道占有率飽和度出行延誤/(s·vel-1·km-1)優>79<9<0.23<0.35<3良(69,79][9,17)[0.23,0.31)[0.35,0.46)[3,6)中(59,69][17,32)[0.31,0.52)[0.46,0.0.85)[6,15)差≤59≥32≥0.52≥0.85≥15

3 施工組織設計實例分析

本文以安徽省內G5011、G40、G3這3條高速公路的改擴建施工交通組織設計為例，其中G5011高速改擴建項目總長度54.23 km，采用路基加寬的擴建方式，由25 m路基增寬到45 m，G40高速擴建項目總里程89.25 km，采用雙向加寬，由四車道變為八車道，G3擴建總長度52.25 km，采用雙向加寬，由四車道變為八車道，3條道路的改擴建施工對合肥東部、南部的交通產生了較大壓力。區域內有國道206及多條省道，其交通信息如表5所示。

表5 區域路網交通量 Table 5 Regional road network traffic volumepcu/d道路名稱小貨車大貨車小客車大客車合計折算合計G2068168232 6737315 0436 556S3136249373 7628916 2148 203S2187531 0212 9329135 6197 642S1056891 6313 2141 0146 5488 643S1037691 8033 5079637 0429 365

利用Trans CAD軟件進行了模擬，以區域內路網為基礎，得到了表6所示的路網行車主要參數和交通導行方案評價結果。

表6 區域路網行車參數Table 6 Traffic parameters of regional road network項目平均車速/km·h-1 車流密度/pcu·km-1·ln-1 車道占有率飽和度出行延誤/s·vel-1·km-1 綜合評價G501165210.260.65良G4061230.290.66良G359250.270.77良

4 結語

隨著我國經濟社會的發展，一些早期設計建設的高速公路已經不能滿足現在日益繁重的出行需求，目前通用的經濟合理的辦法是對現有道路進行改擴建，與新建道路相比，改擴建施工交通組織設計有其特殊性。本文以改擴建施工中區域內路網協調為前提，采用施工分流的方法研究了區域路網的路阻特性和OD矩陣，利用分析軟件Trans CAD建立了路網連接，以服務水平、環境影響、經濟效益和安全性為評級指標建立了綜合交通組織設計評級體系，用量化指標對交通組織設計效果進行了評價，最后以安徽省區域內3條高速擴建為例給出了交通組織設計關鍵參數并對設計效果進行了評價。