圍擋施工條件下道路交通組織仿真優化

鄒俊杰,胡圣能

1.中鐵七局集團電務工程有限公司,河南 鄭州 450003;2.華北水利水電大學,河南 鄭州 450045

0 引言

地鐵圍擋施工長期占用城市道路,導致局部區域道路供應與需求不均衡、服務能力下降,易引發交通阻塞和交通事故等問題[1-2]。研究圍擋施工對交通流及通行能力的影響,設計合理的交通疏導方案,盡可能減小圍擋施工對道路交通的干擾,保證道路交通安全與暢通,對圍擋施工交通組織與管理有重要意義,關乎城市用路者的出行質量。

為解決施工區圍擋設施造成的交通擁堵問題,Richards等[3]結合工程實例與路網施工期間對原有道路的影響程度,研究施工影響范圍內的交通疏導方法與道路管理;Karim等[4]建立基于案例的推理(case-based reasoning,CBR)模型,根據交通疏導方案與交通管理設施設置幫助相關部門制定合理的交通決策,提高施工區車輛出行安全;Tooley等[5]制定交通自動化工作管理系統,通過統計、分析和判斷相關道路信息與交通運行狀況,借助廣播、導航等提前發布道路交通信息,幫助駕駛員判斷行駛路線,降低交通擁堵和出行時間;Olia等[6]結合大量工程施工區采用的交通疏導方案,建立智能交通系統(intelligent traffic system,ITS),引導出行者的交通行為,縮短出行時間,提高出行舒適度;胡毅楓等[7]結合地鐵施工實際,分析地鐵施工對道路交通的影響,提出城市地鐵施工期間的交通組織方案;高顯鵬[8]根據地鐵建設的實際情況,在交通便利化基礎上,建議合理選擇方便的交通方式,以解決當前地鐵建設對城市交通道路的影響;李洪昌[9]通過優化地鐵建設方案,完善路網結構,確保公共交通優先等措施,制定交通疏散方案,提高交通管理效率;周警春等[10]研究微觀仿真系統在城市交通組織與管理中的應用。現有成果多基于定性分析圍擋施工條件下的交通疏導與管理辦法,缺少對疏導方案和管理辦法評價標準的定量研究。

不同地區的地鐵建設條件、交通條件和道路條件存在較大差異,需從道路屬性、交通實際、地鐵建設等情況出發,綜合考慮各影響因素,研究和分析圍擋施工條件下城市道路交通組織技術。本文對鄭州地鐵12號線經北五路站圍擋施工期間的道路交通組織方案進行設計與仿真,以交叉口服務水平為評價標準,優化道路交通組織設計方案,在保證工程順利實施的前提下,減少地鐵施工期間對交通安全和道路通行效率的影響,確保城市居民日常出行的暢通和安全。

1 交通調查

1.1 交叉口現狀調查

圖1 地鐵圍擋施工路段

鄭州地鐵12號線經北五路站工程縱向設立在南北走向的經開第三大街上,占用經北三路與經開第三大街交叉口、經北五路與經開第三大街交叉口,車站主體建設采用明挖法施工,地鐵圍擋施工路段如圖1所示。經開第三大街規劃紅線寬60.0 m,現狀道路寬25.0 m、雙向6個機動車道、2個非機動車道;經北五路、經北三路規劃紅線寬25.0 m,現狀道路寬18.0 m、雙向4個機動車道、2個非機動車道;機動車道寬3.5 m,非機動車道寬2.0 m。

1.2 交叉口渠化與信號配時調查

采用人工調查交叉口渠化與信號配時,施工路段的2個交叉口均為十字交叉,交通渠化如圖2所示,2個交叉口信號控制均為四相位,周期配時和相序如圖3所示。

圖2 交叉口交通渠化 a)相位 b)信號配時 圖3 交叉口相位及信號配時圖

1.3 施工路段交通服務水平調查

經北五路、經北三路設計速度為40 km/h,經開第三大街設計速度為60 km/h,施工圍擋影響經北三路與經開第三大街交叉口、經北五路與經開第三大街交叉口,二者間距272.0 m,綠信比為0.65。根據調查數據,參照文獻[11-13]計算路段的通行能力,結果如表1所示。

表1 施工路段的道路通行能力

調查交通疏導范圍內道路的高峰交通流量,根據表1的路段通行能力,參照文獻[14-17]計算高峰時各道路的交通飽和度,結果如表2所示。我國根據飽和度將路段服務水平劃分為A～F 6個等級,對應的飽和度分別為:0～0.40、>0.40～0.60、>0.60～0.75、>0.75～0.90、>0.90～1.00、>1.00。

表2 施工區域內主要道路的交通飽和度

由表2可知:經北五路、經北三路受圍擋施工影響,交通量減少,交通飽和度小于0.60,服務水平為B級,道路條件能適應目前交通量,道路服務水平較好;經開第三大街是區域主干路,交通飽和度為0.67,服務水平為C級,說明道路在高峰期交通量較大,易出現堵車現象。

2 施工期間交通疏導方案設計

a)一期 b)二期 圖4 一、二期施工區圍擋示意圖

2.1 交通疏導方案

結合工程進度、施工場地需求和道路紅線等情況,按占一還一的原則分2期設計交通疏導方案。

考慮不同產業結構對經濟產出影響，產業結構與經濟產出之間的關系借鑒劉偉、李紹榮（2002）推導的模型。模型中Y表示總產出，Xi表示第i產業產值，i=1,2,3。

一期施工主要占用經開第三大街主路及東側輔道,交通疏導采用繞行改道行駛,導改后經北五路與經開第三大街交叉口、經北三路與經開第三大街交叉口的東西進口交通量均右轉,車輛沿經開第三大街圍擋兩側通行,導改路段圍擋兩側為雙向2個機動車道和1個非機動車道布置,機動車道寬3.25 m,非機動車道寬4.00 m,通行交通的道路寬21.00 m,圍擋施工期間,經北三路、經北五路的車輛可繞行經北二路、經北六路通行。

二期施工內容主要為經北五路地鐵站西側的附屬設施建設,不占用經開第三大街原有機動車道,基本對交通流無影響,經開第三大街恢復原交通通行狀態,道路資源恢復原態。一、二期施工區圍檔示意圖如圖4所示。

2.2 其他相關設計

圖5 一期工程期間交叉口渠化設計圖

根據施工區圍擋方案、道路條件和交通量調查結果,一期工程施工期間,經北三路與經開第三大街交叉口、經北五路與經開第三大街交叉口的渠化設計如圖5所示。所有車輛均為直行或右轉,交通流行駛方向不沖突,無需設定信號燈控制交通流。

通過現場交通調查,工程施工影響區域的公交線路均布設在經開第三大街,一期施工期間,在經開第三大街兩側設置臨時公交站,保證公共交通正常出行,對在施工區交叉口左轉的公交線路進行導改,借用周邊道路(經開第二大街、經開第四大街、經北二路、經北六路)繞行,保證乘客的正常通行,盡量減少工程施工對出行需求的影響。二期工程期間,工程施工基本不占用道路資源,可恢復原有公交站點。

施工圍擋設施影響駕駛人員的視線,產生視野盲區,帶來交通安全隱患[18]。為保證行人和非機動車的通行和安全,采用以下措施:1)在施工區范圍的各進口前方設置警示標志,提醒行人及駕駛人員前方出現的障礙,以提前做好規避,并注意交通安全;2)設置隔離設施將機動車與非機動車、行人分離,設置警告標志做好引導信息;3)非機動車與行人混行,拓寬該部分道路寬度至4.00 m,阻斷部分人行道,減少周邊的橫向干擾。

3 評價指標及評價標準

3.1 評價指標

分析地鐵施工期間對交通安全和道路通行效率的影響,選取平均排隊長度、交通延誤時間2個指標評價交通疏導方案的優劣。

式中:n為車道數;li為第i個流向的進口道排隊長度,可通過視頻監控或路口調查獲取,具體操作時,采用仿真軟件VISSIM建模分析各進口道的排隊長度。

以文獻[19]中飽和流率模型為基礎,計算車道以s為單位的交通延誤時間t的數值

式中:{Tc}為以s為單位的交叉口的信號周期Tc的數值,X為車道飽和度,{C}為以pcv/h為單位的車道通行能力C的數值,{g}為以pcv/h為單位的車道交通量g的數值。

3.2 評價標準

評價標準是衡量交叉口服務水平的重要尺度,依據我國城市道路交通實際情況,參照文獻[20]選取交叉口服務水平評價指標的建議值,如表3所示。

表3 交叉口服務水平評價標準

4 仿真優化

4.1 仿真分析

由表4、5可知:在一期圍擋工程中,由于經北三路、經北五路的交通流分散到周圍道路中,2個交叉口的交通情況較好,平均交通延誤時間較短,排隊長度較短,基本不會發生交通阻塞現象;二期圍擋工程不占用道路資源,交通量恢復,交叉口東西方向的交通量顯著增大,常發生嚴重交通擁堵,且安全隱患較大。

表4 一、二期圍擋工程交通疏導方案仿真數據

表5 一、二期圍擋工程交通疏導方案交通量

4.2 方案優化

圖6 優化后交叉口渠化設計

根據2個交叉口的交通仿真結果,優化交叉口交通組織方案,重點優化設計二期方案中交叉口東進口車道、南進口車道。東進口車道的右轉、直行交通量較大,由原來2車道變為直左、直行和右轉3車道,車道寬由3.5 m調整為3.0 m。南進口車道的直行交通量較大,由原來3車道變為左轉、直行、直行、右轉4車道,車道寬由3.5 m調整為3.0 m,交叉口渠化設計如圖6所示,信號配時同圍擋前,保持不變。

采用軟件VISSIM仿真模擬二期經北五路與經開第三大街交叉口的交通狀況,得到優化前、后的平均交通延誤時間如表6所示。由表6可知:優化前交叉口東進口道的服務水平為六級,為不穩定車流,擁擠且延誤不能忍受,交叉口南進口道的服務水平為四級,為接近不穩定車流,為能忍受的延誤;優化后交叉口東進口道和南進口道的平均交通延誤時間明顯縮短,服務水平顯著提高;交叉口西進口道和北進口道的平均交通延誤時間均不同程度減少。優化后的交通疏導方案提高了交叉口的道路服務水平,緩解了交通阻塞問題。

表6 優化前、后二期經北五路與經開第三大街交叉口的平均交通延誤時間

5 結論

大型市政工程圍擋施工占用部分道路資源,影響城市交通秩序,以鄭州地鐵12號線經北五路站圍擋施工工程為例,進行交通組織設計與優化,為城市圍擋條件下交通組織和管理提供方法和思路。

1)由于圍擋施工工程的進度和占用道路資源不同,按占一還一的原則分2期進行交通疏解,動態調整交通組織方案。通過交通調查,分析疏導范圍內道路的通行能力,結合具體實際,設計施工期間交通疏導方案。

2)采用軟件VISSIM仿真交通疏導方案,根據平均排隊長度和交通延誤時間2個指標進一步優化交通組織方案。研究方法可為大型市政圍擋施工期的道路保暢提供方法參考,為交通組織方案設計和技術驗證提供思路。