基于運行速度的互通立交出口匝道設計適應性評價研究

虞秋富

（中國公路工程咨詢集團有限公司，北京市 100097）

0 引 言

互通立交作為高速公路的重要節點，出口匝道更是車輛駛離高速的必經之路，也往往是交通事故頻發的黑點。駕駛員需要在出口處根據道路狀況與周邊環境頻繁變化車速，而出口匝道的設計過程通常采用固定的設計速度，因此有必要運用運行速度對出口匝道進行適應性評價，以保證匝道指標的科學合理，降低交通事故發生的風險。

近年來，諸多專家學者逐漸意識到互通立交出口匝道的重要性，對其開展了深入研究。張弛[1]等重點研究了互通式立交單車道出口小客車運行速度模型，通過回歸分析及顯著性檢驗建立了的運行速度回歸模型。嚴考權[2]對互通式立交客貨分離的貨車專用匝道幾何設計指標進行了研究，通過建立車輛動力模型、采用Trucksim進行仿真實驗，提出了貨車專用匝道在一般地區和積雪冰凍地區行駛條件下的平、縱、橫幾何設計指標。

本文引入運行速度模型，利用汽車行駛中的橫向力系數大小對汽車行駛狀態進行評價。為互通立交出口匝道設計提供參考依據。

1 運行速度預測模型及評價標準

1.1 運行速度預測模型

運行速度預測模型的準確性直接影響到互通匝道線形及超高設計，我國諸多專家學者對運行速度進行的了大量研究，并出版了《公路項目安全性評價規范》（JTGB05—2015），本文互通立交出口匝道運行速度預測采用規范中的預測模型[3]如下：

曲中點小客車前半段上坡：

曲中點大貨車前半段上坡：

曲中點小客車前半段下坡：

曲中點大貨車前半段下坡：

曲線出口后半段小客車上坡：

曲線出口后半段大貨車上坡：

曲線出口后半段小客車下坡：

曲線出口后半段大貨車下坡：

式中：vin為曲線入口的運行速度，km/h；vmiddle為曲中點的運行速度，km/h；vout為曲線出口的運行速度，km/h；Rnow為當前所在曲線半徑，m；Rfront為即將駛入的曲線半徑，m；i1為曲線為彎坡組合中點前坡，%；i2為曲線為彎坡組合中點后坡，%；i3為曲線為彎坡組合前方的縱坡，%。

1.2 出口匝道適應性評價標準

車輛在圓曲線上行駛時，同時由重力、支撐力、摩擦力共同作用的合力提供向心力，根據物理學受力平衡條件可以推導出半徑與超高、速度、橫向力系數之間關系如下：

式中：R為圓曲線半徑，m；V為運行速度，km/h；iy為路拱橫坡，%；μ為橫向力系數。

由式（1）可推導出超高計算公式：

橫向力系數μ的大小既要考慮路面與輪胎之間的摩擦系數，還要考慮駕乘人員的承受能力和舒適感，據試驗，乘客的心理隨μ的變化如下[4]：

當μ＜0.10時，感覺不到曲線存在，很平穩；

當μ=0.15時，稍感覺到曲線存在，尚平穩；

當μ＜0.20時，已感覺到曲線存在，稍感不穩定；

當μ=0.35時，感覺到曲線存在，不平穩；

當μ＞0.40時，很不平穩，車輛存在傾覆的危險。

據此，提出匝道指標評價分級標準，見表1。

表1 匝道指標評價標準

2 出口匝道適應性評價

2.1 出口匝道運行速度預測

互通式立體交叉的形式多種多樣，根據出口匝道的線形指標高低可將互通立交的出口匝道形式大致可分為兩大類[5]：環形出口匝道和直連式出口匝道。環形匝道線形指標普遍偏低，車輛的運行速度低，而直連式匝道的指標較高，車輛的運行速度高。以G85銀川昆明高速某互通方案為例，該互通方案一采用A形單喇叭，方案二采用B形單喇叭，見圖1、圖2。

圖1 A形單喇叭互通直連式出口匝道

圖2 B形單喇叭互通環形出口匝道

該項目主線設計速度100km/h，匝道設計速度統一采用40km/h，匝道超高依據《公路立體交叉設計細則》（JTG/TD21—2014）設計，依據運行速度預測模型得到匝道的運行速度、超高與平曲線對應關系見圖3、圖4。

圖3 直連式出口匝道運行速度預測結果

圖4 環形出口匝道運行速度預測結果

由圖3、圖4互通出口匝道運行速度預測結果可以看出：A形單喇叭互通直連式出口匝道大貨車運行速度普遍低于小客車運行速度，由于該匝道平面指標高，小客車的運行速度大于設計速度40km/h，大貨車的運行速度與設計速度接近；B形單喇叭互通環形出口匝道由于平曲線半徑小，大貨車與小客車運行速度均接近40km/h，但是大貨車減速的距離明顯高于小客車。

2.2 互通出口匝道適應性評價

由于互通立交的出口減速車道線形與主線一致或相近，線形指標高，車輛可以保持勻減速過程，而過了分流鼻端后的出口匝道線形指標低，車輛容易在減速過程出現剎車不及時、車速過快等安全隱患，本文重點分析分流鼻端之后的匝道部分。

根據圖3、圖4中車輛運行速度預測結果，可求出車輛在出口匝道行駛時橫向力系數μ，分別對小客車和大貨車行駛狀態進行評價分析，結果見圖5、圖6和表2。對于直接式出口匝道，大貨車與小客車橫向力系數μ基本一致，且均小于0.2，有12%的段落為B級，其余88%段落均為A級，說明匝道指標良好；環形出口匝道小客車評價結果中A級占78.95%，B級占21.05%，無C級，但是環形出口匝道大貨車評價結果中A級僅占31.58%，B級占26.32%，C級占42.11%。可見大貨車行車安全隱患較大，因此需對其進行優化設計。

圖5 直連式出口匝道指標評價結果

圖6 環形出口匝道指標評價結果

表2 匝道指標評價結果

6 結論

該文提出了軟土地區深基坑有限元反演計算方法，依據較早工況的基坑監測數據反演土層參數，經上述分析，得出以下結論：

（1）根據運行速度理論對出口匝道進行評價更加切合實際；

（2）直接式出口匝道小客車與大貨車評價結果接近，且評價結果較好，安全隱患較低；

（3）環形出口匝道小客車與大貨車評價結果相差較大，且大貨車評價結果較差，說明大貨車在環形出口匝道行駛安全隱患較大；

（4）互通設計時出口匝道盡量避免采用匝道的行駛，如必需采用，環形出口匝道設計完成后應加強安全性評價工作，必要時應重新優化設計。