立交环形匝道平面线形组合安全性研究

王 桀，陈雨人，曾学科

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室)

1 环形匝道平面线形组合安全设计

1.1 考虑运行车速的匝道设计

城市快速路立交匝道之所以发生较多的交通事故，其主要原因之一是匝道上的运行速度变化频繁。车辆进入立交区，从主线驶入减速车道，再到匝道正常路段，再驶入加速车道最后驶入主线，其行驶速度是在不断变化的。而《城市道路设计规范(CJJ 37-1990)》仅以匝道设计速度作为依据设计整条匝道的线形，该速度仅是满足匝道受限制路段的最大安全半径，若以该速度指导其他段的线形设计，必然有产生较大安全隐患的可能性。因此，应从安全性的要求出发，采取灵活的设计手段，根据可能的运行状况设计与之相适应的匝道线形，确定出相适应的平纵线形指标。这不但有利于较好地控制立交规模，适应地形限制，减少用地和节约造价，而且更可以使立交线形美观协调，满足行驶功能和安全需求。

相关研究均表明，运行车速的主要影响因素是平曲线的半径。要使匝道上的线形适应运行速度的要求，最主要的一点就是使匝道的平面线形适应运行车速一致性变化的需求。在道路上行驶时，驾驶人根据自己对车辆的了解和对前景道路线形视觉景观等判断和调整车速，他们并不清楚行驶道路的设计车速。运行车速理论的核心就是通过改善相邻路段指标组合，降低容许运行速度差，从而消除安全隐患。运行车速的一致性在于使相邻路段的运行速度差小于一定的临界值，对于匝道的情况，运行车速的一致性就是要使匝道上的运行车速加减过程放缓，避免速度急剧增减带给驾驶员过多驾驶负担，避免翻车和追尾事故的发生，提高车辆的稳定性和乘客的舒适度。

1.2 城市快速路环形匝道及其平面线形组合情况

在各种匝道类型中，环形匝道往往是制约立交规模和功能的关键，其线形直接影响整个立交的服务水平和运营经济性。环形匝道中往往集中了立交的最小技术指标(如最小平曲线半径、最大纵坡、最大超高等)，直接影响行车的舒适性和安全性。因此，对环形匝道进行足够的研究尤为迫切。另一方面，环形匝道的平面线形组合又相对简单，由此入手平面线形组合的安全性问题可以为研究打开一个突破口。

平面线形的组合可以分成基本型、S型、卵型、凸型、C型和复合型等。就环形匝道而言，其平面线形组合形式以基本型和复合型为主，复合型又分为复曲线组合型、三心圆对称组合型、三心圆非对称组合型等。取国内的20个快速路立交上的37条基本型线形的环形匝道进行统计，发现其缓和曲线与圆曲线长度比存在以下规律:大多数环形匝道的缓圆比在0.2到1之间，平均值为0.515 1。

1.3 环形匝道线形组合对安全的影响性分析

汽车在环形匝道上的运行速度变化频繁，行车速度不一致导致各类事故的发生，其事故类型一般有分流减速过程中的尾撞事故、出口端或匀速段的翻车事故、加速合流过程的挤撞事故、入口端的碰撞事故。环形匝道的缓圆比与安全存在一定的联系。缓和曲线作为设置在直线和圆曲线或者不同半径圆曲线之间的一种曲率变化连续的曲线，其目的在于通过线形曲率渐变使速度合理渐变，并且使得线形在视觉上美观协调。此目的对缓和曲线的设计提出基本要求，而《城市道路设计规范(CJJ 37-1990)》只对缓和曲线最小长度和匝道缓和段的最大纵坡做出了规定，而对匝道缓和段的缓和曲线参数和缓圆比这些影响到匝道安全的参数均未作出规定，使得设计中一般根据具体情况和经验来选择，往往具有一定的随意性。

图1 缓和曲线与圆曲线长度比分布图

图2 匝道各组成部分事故类型分布图

缓和曲线长度和缓圆比设计不合理将影响交通安全。没有缓和曲线将使曲率和速度缺乏渐变，而过长的缓和曲线将使驾驶员高估曲线半径而超速行驶。理想的缓和曲线长度等于按所需转向操作时间行驶的距离。匝道的缓和曲线在于和车辆的合理加减速轨迹相适应，即合理的缓圆比要与车辆的加减速距离吻合。由于环形匝道上的圆曲线半径一般都很小，车辆从线形条件较好的主线上进入这些匝道基本都存在曲率的较大变化，这就要求缓和段要起到足够的减速作用;另一方面，车辆从小半径的匝道中段到相交道路上也存在曲率的较大变化，也需要缓和段满足加速作用;加减速过程之间也需要圆曲线给驾驶员足够的适应和缓冲。故此三段长度比对安全尤为重要。

2 不同线形组合条件下的匝道安全性研究模拟驾驶实验

2.1 实验场景设计

本实验通过AutoCAD绘制立交匝道，然后导入SketchUp建立匝道模型。通过1.2节的分析，可以得到环形匝道平面线形组合中的代表性缓圆比值分布情况，即大多数环形匝道的缓和曲线/圆曲线比值在0.2～1之间。因此，本实验选择下列缓圆比的情况分别建立匝道及附近区域模型，这些缓圆比包括0.2、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.2，故共计建7 个模型。根据城市道路设计规范对环形匝道(设计速度40 km/h)和快速路等级的要求，圆曲线半径都取为60 m，令前缓和曲线和后缓和曲线长度相同，通过改变缓和曲线参数A值来改变缓和曲线和圆曲线的长度比值，得到的缓和曲线与圆曲线长度均符合规范要求。减速车道和加速车道长度分别按规范取为85 m和210 m，匝道段道路宽度取8 m，中间绘制标线。

2.2 实验过程

实验者为五名持证驾驶员，驾龄2～5年之间。首先让驾驶员熟悉驾驶模拟器，正式实验开始后，驾驶员首先从500 m外沿主路直行开到减速车道处，并保证在减速车道口的瞬时速度在60 km/h以上。然后依次开过减速车道、环形匝道、加速车道，最后驶离加速车道口。每个驾驶员对每个模型做一次实验，故共计实验35次，较好地反映了实验数据的真实性。

3 实验结果分析

3.1 环形匝道的运行速度分布特性

车速是描述车辆运动的一个基本参数，是度量车辆运行安全情况的一项主要指标。为了全面深入地了解环形匝道的线形安全性，需要从运行车速的分布特性角度展开分析。通过上述实验，可以得出运行车速在匝道上各点的分布状况，以缓圆比为1∶1∶1的情况为例，经过分析可以得到如下速度与加速度在路段各处的分布图。

图3 缓圆比为1∶1∶1时的匝道与加减速车道速度分布图

图4 缓圆比为1∶1∶1时的匝道与加减速车道速度分布图

从图中可以得到，车辆在匝道前后的行驶明显地分成减速、匀速、加速三个段。车辆的减速行为主要发生在减速车道的前半段与出口之后57 m一段，这两段的减速度值较大，最大的减速度值甚至达到3.64;而在减速车道的后半段则较小，最大的减速度值约为0.55。从减速车道后半段到出口后一段的减速度急剧变化，反映了缓和曲线曲率变大给驾驶员带来的心理影响，使驾驶员产生急剧减速的要求。与此对应，车辆加速行为(加速段主要含入口前90 m一段和加速车道段)中的加速度值则基本上保持一致性，在0.97～1.17之间，总体上表明加速过程较平缓，这主要是由于环形匝道上的曲率较大，同时前一段上的匀速行驶也使驾驶员不倾向于过大的改变速度。而从出口之后57 m到入口之前90 m的中间段，长270 m，车辆加速度在-0.55～0.42之间上下摆动，基本上可以视为匀速运动。从环形匝道的线形角度，车辆大体在前缓和曲线的前半段就已急剧完成减速，而加速过程则平缓地在整个后缓和曲线和加速车道上完成，上述规律也表现在其他缓圆比下的实验结果中。

3.2 不同平面线形组合对匝道安全性的影响

车辆行驶中在不涉及换道时，能够尽量不偏离道路设计者为其设计的道路中心线，使车辆轨迹依循道路，是确保道路安全的重要方面。故良好的道路线形应从驾驶员的视觉、心理出发，注重线形对视觉的诱导作用，能够预告道路前方路况的变化，使道路景观设计符合驾驶员的需要。良好的立交线形设计应该使得不同驾驶者在同一路段上的行驶轨迹能够较好地拟合出一条大致的曲线，这是线形对视觉诱导作用的外在体现。通过所做的环形匝道不同缓圆比下的实验，可以通过拟合测得的测点分布位置(x，y)数据，回归出这样一条曲线，然后通过对比拟合曲线方差和均方根来对比拟合一致性而判断优劣。

加速段和减速段一直是立交匝道事故分布的最主要区段。根据3.1节的结论，即车辆在环形匝道上的加速段和减速段都是相对集中的，故本节主要选取的研究区段包括减速段指减速车道和出口后60 m，加速段指入口前90 m和加速车道。通过Matlab尝试多种回归模型，发现四次多项式拟合较好，确定系数大多数在0.8以上，拟合结果见表1。四次多项式回归模型可以表示为

表1 不同缓圆比的环形匝道模拟驾驶实验结果

由表1可知，对于全路段来说，随着缓圆比的增大全路段的速度平均值略有所增，速度标准差则相差不大，说明缓圆比对速度的影响不太大，因此轨迹的拟合一致性变得更重要。而表1 显著地说明，当 L缓∶L圆∶L缓=1.0∶1∶1.0 时，轨迹的拟合一致性最好。该结果表示，当前后缓和曲线与圆曲线长度相等时，环形匝道线形对驾驶员视线的诱导作用最佳，使得驾驶员能够最好的保持车道，从而保证了安全。

4 结论

通过模拟驾驶实验对快速路互通立交上环形匝道的平面线形组合带来的安全性问题进行了研究。对环形匝道上以及前后加减速车道上的加减速规律进行了研究，得到了车辆减速集中在减速车道前半部和出口后60 m且减速较大，加速集中在入口前90 m和加速车道上且加速度较小的规律。对不同缓圆比条件下的平面线形组合安全性进行对比研究，以加速段和减速段上轨迹拟合一致性作为切入点，得出当前后缓和曲线与圆曲线长度相等时线形对驾驶员视线诱导作用最佳的结论。

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