考虑右转车流的交叉口交通岛比选设计

孙继东 蒋阳升 尤 理 朱娟秀

1.西南交通大学，交通运输与物流学院，成都 610031

2.西南交通大学，综合运输四川省重点实验室，成都 610031

3.深圳市城市规划设计研究中心，深圳 518000

0 引 言

交通岛能够有效地控制交通节奏，缩小冲突面积，引导交通科学分流，提高交叉口通行能力，保障交通安全。随着我国城市大型交叉口的数量逐渐增多，交通岛在交叉口渠化设计中得到了普遍应用。

杨晓光等[1]对交通岛设计中的偏移距、内移距和端部曲线等相关要素提出了取值范围，明确了右转专用车道的转弯半径要求；张海雷等[2]对在交通岛条件下右转车道宽度与转弯半径的关系给出了详细分析；徐家钰，程家驹等[3]对交通岛的分类进行了阐述；翟忠民[4]对进口道设置右转专用车道的流量条件进行了分析；王殿海等[5]对交叉口渠化时提前右转的机动车通行能力进行了研究；李爱增；王炜等[6]对城市道路交叉口借道右转车道设置方法进行了深入研究。上述成果为交通岛的设计提供了有力的支撑，对设计方法有了规范化的阐述，但研究成果大多处于固定式的方案设计阶段，对于在不同道路以及流量条件下的设计优化和方案比选没有进行深入阐述和量化分析，而是凭经验进行方案优化和选取。为了更准确地采取适合实际道路及流量条件下的交通岛设计方案，本文在考虑右转车流量条件下进行交通岛方案比选设计。

本文的研究思路是：首先对交叉口进口道及出口道的右转交通组织进行类型描述，分析各种设计类型的利弊，确定四种交通岛设计方案；参考相关文献建立交通模型，对进口道分流区及出口道合流区通行能力进行评价，得到不同右转流量条件下的通行能力；根据评价结果确定不同右转流量下的交通岛最佳设计方案。

1 交通岛方案设计

1.1 右转交通组织设计

右转车辆在进口道分流区及出口道合流区的交通组织是交通岛设计的关键环节，也是方案形成和评价的基础。

1.1.1 进口道右转车设计

考虑到当前城市道路用地的紧张性以及城市交通流整体激增的趋势，交通岛设计应结合交通流与道路空间的关系，采取道路中心线偏移、车道宽度压缩以及进口道拓宽等方法确定右转车流进口道组织方式，具体设计如图1（c）、图1（d）所示。该方案在进口道设计减速车道，能够有效地保证右转车辆不受本向直行车流在车辆排队时的影响，提高右转车流的通行效率。

当交叉口道路用地受到严格限制，交通工程设计中难以实现右转专用车道的分离时，可采取借道右转的交通流组织方式，在直右车道上设置右转车道分流开口，实现提前右转，具体设计如图1（a）、图1（b）所示。

1.1.2 出口道右转车设计

出口道右转车流交通组织与进口道有相似之处，当设置右转加速车道时，能够显著地提高右转车辆的行驶速度，减少交通岛后右转车辆的排队长度；降低右转车流与主线车流直接相撞的危险，减少交通事故的发生，提高右转车流的通行效率和交通安全，如图1（b）、图1（c）所示。

实际应用中，方案二和三（图1（b）、图1（c））由于右转加速车道的设计需要对出口道空间做出调整，应协调考虑整个交通岛的线型设计，避免右转车流错位导向，造成交通隐患。但当出口道无法满足加速车道的设置，可采用设计方案一和四（图1（a）、图（d））。此种出口道设计方案对空间要求较低，但右转车辆在汇入主线车道时无法准确地判断主线车流速度，在容易造成安全隐患的同时也降低了合流区的通行能力。

1.2 交通岛设计方案

通过1.1 节内容分析，可将交通岛方案设计分为四种类型，即进口道直右混合——出口道让行设计（方案一）、进口道直右混合——出口道专用加速车道设计（方案二）、进口道专用右转——出口道专用加速车道设计（方案三）、进口道专用右转——出口道让行设计（方案四），具体设计方案如图1 所示。

图1 交通岛设计方案Fig.1 Traffic island designs

考虑到空间限制、交通流量等因素，为了使该设计方法具有普遍适用性，本文选取交通岛设计中的影响因素和评价指标进行定性化对比分析，方便设计人员根据交叉口实际情况进行定性判断。表1为交通岛方案评价指标对比分析。

表1 交通岛方案评价指标对比分析Tab.1 Comparative analysis of traffic island evaluation index

同时，交通岛设计还需要充分考虑视距三角形设计、转弯半径及车道宽度、交通岛偏移距、内移距、端部曲线半径以及安全设施设计等辅助设计。具体设计可参考文献[7][8]中视距三角形的阐述，文献[1]关于右转车道转弯半径以及交通岛偏移距内移距的设置要求，文献[2]中转弯车道宽度的取值以及文献[1][3]关于交通岛安全设施设计的规范要求。

2 通行能力评价

为了更科学、更准确地阐述本文的设计方法，使得交通岛设计在理论上可依，在操作上可行，本文在右转流量变化条件下对不同交通组织方式下的合流区与分流区实际通行能力进行计算，并获取符合需求的交通岛设计类型。

2.1 进口道分流区通行能力评价

2.1.1 有右转减速车道设计

慈玉生[9]对快速路匝道连接段通行能力计算提出了科学的计算方法，在设置右转减速车道的情况下，上述研究成果可为本文提供一种量化分析的参考方法。

图2 所示为进口道分流区右转减速车道连接段设置示意图，此设计中，驶出交通流（右转）进入分流区连接段后即选择驶出的角度汇入右转车道，驶出行为的发生导致外侧车道的交通流发生重组。

在研究成果[9]的基础上进行模型的改进，进口道分流区连接段通行能力C1´为：

图2 进口道减速段交通流分流示意Fig.2 Traffic flow diverging at the entrance deceleration section

而KAC、KBD则根据格林希尔治模型[14]中流量与密度的关系确定：

式中，KA——临近进口道起点的外侧车道的交通流密度，pcu/km；

KAC——分流区直线段车道上交通流密度，pcu/km；

KBD——分流区右转段减速车道上交通流密度，pcu/km；

Vf——路段交通流自由流速度，km/h；

Kj——路段交通流阻塞密度，pcu/km；

θAD——分流区从外侧车道至右转减速车道交通流平均换道角度，rad；

Q右——右转车流交通量，pcu；

Q主——紧邻右转车道的主线车道直行车交通量，pcu。

由公式（1）（2）、（3）可计算右转流量变化下的进口道分流区的通行能力。

2.1.2 无右转减速车道设计

在交叉口进口道无法设置右转减速车道的条件下，考虑到交叉口进口道车流密度较大，在计算进口道分流区通行能力C2´时采取格林伯格（Grenberg）提出的对数模型[10]较为合理，其公式如下：

式中，Vm——对应最大交通量的速度，km/h；

Kj——路段交通流阻塞密度，pcu/km；

K——实际交通流密度，pcu/km。

当交叉口进口道交通流密度较大时，交通量在车速 Vm时达到最大，可计算出进口道分流区通行能力。

2.1.3 通行能力计算

当出口道设置右转减速车道时，在进口道分流区的通行能力分析中，本文参照慈玉生[9]假设参数的取值方法，结合城市道路特性设参数取值如表2所示。

表2 交通流参数取值Tab.2 Values of the traffic flow parameters

表2 中，KA表示临近进口道起点的外侧车道的交通流密度，pcu/km；ξ 和n 为常数；Vf表示路段交通流自由流速度，km/h；Kj表示路段交通流阻塞密度，pcu/km；θAD表示分流区从外侧车道至右转减速车道交通流平均换道角度，rad。

在出口道不设置右转减速车道，进口道交通流密度较大的前提下，当车速Vm=20 km/h 时，交通量最大，且当K=0.5Kj[10]时，通行能力最高，由此计算得：C2'=964.13 pcu/h。

为了使研究成果更具参考性和实用性，设置减速车道条件下的进口道分流区通行能力为 C1'，研究在不同的Q右条件下两种设计类型通行能力之间的对比关系，本文得出如图3 所示的通行能力曲线图。

如图3 所示，方案A´为右转减速车道设计下的进口道分流区通行能力曲线图，方案B´为直右混合式设计下的进口道分流区通行能力曲线图，当Q右＜574 pcu/h 时，方案A´的通行能力小于方案B´，即C1'＜C2'，建议进口道右转交通组织采取直右混合式设计；当Q右≥574pcu/h时，C1'≥C2'，建议进口道右转交通组织采取右转减速车道设计。

图3 进口道分流区通行能力示意Fig.3 Capacity of the entrance lane diversion area

2.2 出口道合流区通行能力评价

2.2.1 有右转加速车道设计

结合文献[11]～[13]的研究成果，本文设计可借鉴上述研究中的“在出口道合流区内右转交通流与主路相邻车道交通流两个相交的车流中，右转车辆接受主路相邻车道交通流间隙而汇入主路”的学说。

在出口道合流区主线车道车辆间车头时距呈负指数分布，右转车辆可汇入主线车道的流量采用离散型函数表达，得到出口道合流区的通行能力模型[11]分别为：

式中，Q右——右转车辆的交通量；

T0——右转车辆汇入的临界间隙；

T1——右转车辆的跟车时距；

为简化计算，本文仅以低交通量情况为例进行推导，其余情况的通行能力计算方法类似，本文不再赘述。出口道合流区主线相邻车道车头时距采取负指数分布，主线相邻车道交通量采用经验模型[11]来计算，如下式所示：

式中：Q主——出口道主线相邻车道交通量；

k——道路分类系数；

L——右转加速车道长度；

其余符号意义同前。

由公式（5）、（6）可计算出口道合流区通行能力。

2.2.2 无右转加速车道设计

针对出口道右转车交通组织设计，考虑在无加速车道情况下，右转车辆在岛后形成排队等待进入主线车道，此种情形即为右转车辆通过等待主线车流形成可穿越间隙汇入主线车道，可参照可插车间隙模型进行通行能力核算。

在交通量较小,车辆随机到达的车流情况下,通常用负指数描述车头时距,此时出口道合流区通行能力[14]为：

式中：λ——单位时间间隔的平均到达率，辆/s；

C2——出口道合流区通行能力；

Q主——主线车流行车道交通量；

T0——右转车辆汇入的临界间隙；

T——右转车辆的跟车时距。

2.2.3 通行能力计算

在出口道设置右转加速车道情况下，根据文献[10]中提出的高速公路出口匝道通行能力计算方法，结合城市道路自身特性，本文假设参数Q主=600 pcu/h，T0=6.5(s)，T1=4(s)，右转车道长度按照设计中的规范值取L=30 m。考虑到高速公路与城市道路的等级差异，根据徐家钰、程家驹[3]等关于高速公路80 km/h 设计速度下的单车道设计通行能力与城市主干道单车道通行能力计算值对比分析，取k=0.8。

在出口道不设置右转加速车道情况下，采取原可插车间隙模型（公式7）进行通行能力计算，参数Q主、T0、T1取值与设置右转加速车道情况下相同，计算得出口道合流区通行能力C2=1017.36 pcu/h。

为了使研究成果更具参考性和实用性，研究在不同的Q右条件下，两种设计类型条件下通行能力之间的对比关系，设C1为右转加速车道设计下的出口道合流区通行能力，得出如图4 所示的通行能力曲线图。

图4 出口道合流区通行能力示意Fig.4 The exit lane merging area’s capacity

如图4 所示，方案A 为右转加速车道设计下的出口道合流区通行能力曲线图，方案B 为在无右转加速车道设计的出口道合流区通行能力曲线图，当Q右＜254 pcu/h或Q右＞1422 pcu/h 时，方案A 的通行能力小于方案B，即C1＜C2，建议出口道右转交通组织采取让行汇入式设计；当254 pcu/h≤Q右≤1422 pcu/h时，C1≥C2，建议出口道右转交通组织采取右转加速车道设计。

综上所述，通过对进口道及出口道不同交通组织下的通行能力分析，结合本文在1.2 节中提出的四种交通岛设计方案，结论如下：

当Q右＜254 pcu/h 时，建议交通岛设计采用方案一；254 pcu/h≤Q右≤574 pcu/h 时，建议采用交通岛设计方案二；当574 pcu/h＜Q右≤1422 pcu/h 时，建议采用交通岛设计方案三；当Q右＞1422 pcu/h 时，建议采用交通岛设计方案四，但考虑到城市道路实际右转流量条件，此种情况出现概率极少，不推荐此种方案设计。

3 结束语

通过采用交叉口进口道分流区及出口道合流区通行能力模型，在实际设计中将右转流量带入模型，进行通行能力比较即可获取相对较优的设计方案。克服了长久以来仅凭经验选取交通岛设计方案的盲目性，使得方案更具有科学依据。同时，以本文的设计方法为依据，理论上将模型中的参数做适当优化，所得结论可广泛应用于各类城市交叉口交通岛设计，但对于如何科学合理地将道路空间及非机动车等因素与方案设计相结合还需要进一步研究。

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