高速公路改扩建施工区限速研究

陆 蓉

(武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430023)

近年来我国高速公路建设飞速发展，已建的公路随着时间的增长与长期使用，道路也受到了不同程度的破坏，其通行能力与服务水平受到了严重的影响，而改建、扩建及其维护成为解决上述问题的首选方案。在此过程中，改扩建路段施工一般“不中断交通”，即一边施工一边通车，这种复杂环境不仅仅影响公路的通行能力更影响交通安全。如高速公路最低限速60 km/h，最高时速120 km/h，突然降速会导致速度变化很大，很容易发生交通事故，根据能量定律，能量与速度的平方成正比，一旦发生交通事故，其破坏性将是致命的。因此改扩建路段前一段距离对行车速度的限制及根据车速合理进行交通安全设施设置特别重要。

1 高速公路改扩建路段交通特点分析

1.1 改扩建路段交通环境复杂，必须由实际调查得到交通量

改扩建导致车道数量减少，这会导致通行能力下降，交通量增加。同时存在分合流、变换车道、跟车行驶等复杂的车辆运行状态。工人、施工机械、路边施工护栏和作业区来往的车辆构成了一个危险的交通环境。不中断交通施工，施工区和行车区一定的重叠，施工组织与交通组织必须相互配合。另外由于施工占道，也导致可通行路段交通流量增大，因此必须提前进行合理的速度限制。

1.2 改扩建路段存在速度“瓶颈”期，行车安全势必受到很大影响

高速公路改扩建施工区不中断交通施工，作业区定会形成特别复杂的环境，因此，必须在作业区的一定路段对车辆行驶速度加以限制，如果速度限制区太短必然与原来正常行驶时形成较大的速度差，如果速度限制区太长，必定会使改扩建路段影响范围增大。在改扩建路段必然存在速度“瓶颈”期，这对改扩建路段交通安全的影响特别大，这就要求行驶车辆在进入改扩建路段前在速度上形成一个降速渐变段，不能形成降速突变段，因此限速必须设计合理。

2 分析改扩建路段交通量，指导改扩建路段速度限制分析与计算

车辆由正常路段行驶到改扩建路段时存在的速度差会导致交通事故发生的几率增大，因此进入改扩建路段各车辆的速度必须限制在一个稳定的阈值内，如果超过这个阈值，则发生交通事故的概率大大增加。车辆的行驶速度和道路交通量密切相关,目前我国对改扩建路段速度的限制并没有详细考虑交通量这一因素，仅凭经验以及以往的工程实例而确定，没有理论支撑，而且仅在JTG H30-2015《公路养护安全作业规程》中给出了相应的规定。以下将交通量引入到改扩建施工区,对分级速度进行计算。

2.1 改扩建路段前警告区最小长度计算

假设：高速公路改扩建路段行车速度降低，但不为零。根据1993年格林希尔兹研究得出的结论[1]：速度-密度关系：

V=a-bK

(1)

式中:a，b为常数。当K=0或者K=Kj时，得到a=Vfb=Vf/K。

再由速度-密度-流量公式：

Q=KV

(2)

得到：

(3)

由式(2)、式(3)可得：

(4)

解式(4)得：

(5)

令式(5)为：

(6)

解式(6)得：

(7)

在高速公路上，其最低速度不应低于60 km/h，则：

(8)

上式中：a、b为常数；K为密度，辆/km；Q为流量，辆/h；Vf为畅行速度，km/h；Kj为最大密度；V为区间车速。

根据JTG H30-2004《公路养护安全作业规程》[2]，在作业控制区分为警告、上游过渡区、缓冲、工作、下游过渡和终止6个区，现根据上述推导以下公式：

S=S1+S2+S3

(9)

(10)

假设高速公路对交通量进行限制，不出现排队的现象，因此：S3不应该出现，即在工作区地段附近封闭、车道数减少、行车条件改变等因素引起的车辆拥挤时的排队长度S3=0，则最终警告区长度计算公式应为：

S=S1+S2

(11)

式(1)～式(11)中：S为警告区最小长度；S1为从正常行驶车速降至所限制的行驶车速所需要的距离，m，即车辆到达工作区地段附近的排队尾部时 的最小安全距离，m；S3为在工作区地段附近车道封闭，车道数减少，行车条件改变等因素引起的拥挤时的车辆排队长度，m；V1为减速钱车速，km/h；V2为减速后车速，km/h；t为驾驶员反映时间，通常取2.5 s；φ为道路纵向摩阻系数，取值范围0.29～0.44；i为道路纵坡，上坡为+，下坡为-；g为重力加速度，9.8 m/s2。

2.2 对高速公路改扩建路段速度分级限制

JTG H30-2015《公路养护安全作业规程》中给出了各种设计速度条件下的最终速度值，并未考虑各高速公路在养护作业区(改扩建路段)的交通量，以及分级限速。规范中给出的设计速度与最终速度来计算的警告区长度未考虑驾驶员及乘客的舒适性及安全性。根据占辉等人对广东佛开高速公路《高速公路改扩建施工区限速研究》及其仿真研究[3]，为提高行车驾驶员的舒适性和安全性，避免车辆由设计速度陡然降速到作业区所限制的速度，作业区的速度限制应采用分级限速，而且最好的是二级限速，即：120～90～60 km/h的限速方案。当考虑分级限速出现分级速度区段时，就出现一个问题：由作业区交通量所计算出来的速度V是位于120～90 km/h范围内还是位于90～60 km/h范围内？根据交通工程学研究，各速度区段的长度应按下式计算，现就以交通量所计算的速度值引入，计算各速度区段长度理论值。

(1)速度120～90 km/h警告区长度为：

(12)

(2)速度90～60 km/h警告区长度为：

(13)

则

S1=S11+S12

(14)

由规范得：

(15)

(16)

综上，有：

S=S1+S2+S3

(17)

式中:q为发生在车道上的交通事件引起交通拥挤的最小流量，辆/h；L为每辆车的平均长度，按7 m计；n为车道数；S为警告区最小长度；S1为从正常行驶车速降至所限制的行驶车速所需要的距离，m，即车辆到达工作区地段附近的排队尾部时 的最小安全距离，m；S3为在工作区地段附近车道封闭，车道数减少，行车条件改变等因素引起的拥挤时的车辆排队长度，m；V1为减速钱车速，km/h；V2为减速后车速，km/h；t为驾驶员反应时间，通常取2.5 s；φ为道路纵向摩阻系数，取值范围0.29～0.44；i为道路纵坡，上坡为+，下坡为-；g为重力加速度，9.8 m/s2。

2.3 车辆速度分级限制计算结果

(1) 当由式(8)计算出的V∈[80,90),则V取80 km/h，分级限速120～100～80 km/h。

(2)当由式(8)计算出的V∈[70,80),则V取70 km/h，分级限速120～100～70 km/h。

(3) 当由式(8)计算出的V∈[60,70),则V取60 km/h，分级限速120～90～60 km/h。

3 基于速度分级限制后改扩建路段限速标志牌设置的研究

由于警告区分级限速，各级速度范围内的警告区长度必然不同，则限速标志牌的个数在各级速度段内的间距而并不相同，相应于不同速度下的各标志牌间的距离也不相同。而JTG H30-2015《公路养护安全作业规程》只是规定：在作业控制区内除设置施工标志的施工标志外，其他位置要设置超车，限速等标志。并未指出施工警告区内限速标志设置的个数以及设置的距离，相应的研究以及规范标准都未做细致的研究与说明。有关学者研究确定了高速公路限速标志的合理间距为运行速度的10倍[4]。

当作业区交通条件良好时，由交通量计算出来的为80 km/h，设计速度为120 km/h时，则分级限速为120～100～80 km/h，则根据式(12)、式(13)算得：

S11=153m

S12=118m

S1=S11+S12=153+118=271m

同时根据式(15)、式(16)求得：

S2=156m，S3=1260m

于是：S=S1+S2+S3

S=153+118+156+1260=1687m，而120～100～80 km/h，速度均匀变化，取中值100 km/h的标志设置间距：由式(19)算出为S′=1000m，根据最终算出的S和S′，取限制长度S0为：S0=max{S,S′}=1687m。

4 结束语

高速公路改扩建作业区的速度限制既要保证车辆及乘客的安全，又要考虑通行能力的要求。本文考虑改扩建路段交通量变化对改扩建路段速度影响，对其进行理论研究与计算，得出如下结论:

(1)考虑到作业区的通行能力，车辆速度情况以及行车的舒适性，高速公路改扩建施工区速度限制必须引入实际交通量的计算，再合理调整标志牌间距。

(2)为保证车辆在进入改扩建施工区过程中，车辆的安全性以及驾驶员乘客的舒适性。在改扩建路段前的一段距离车辆应该分级限速。

(3)考虑驾驶员心理特点，分级限速段的标志牌应该根据上述计算得出，改扩建施工区速度限制规划。