高速公路改扩建施工区通行能力研究

邵长桥，黄群龙，罗 凯，秦 阳

(1. 北京工业大学 北京市交通工程重点实验室，北京 100124；2.广西北部湾投资集团有限公司，广西 钦州 535000)

由于交通需求的进一步增大，早期建造的高速公路已经不能满足现有的交通需求[1]，相对于新建高速公路，改扩建工程具有工期短、投资少、对通车影响较小等特点，因此，高速公路改扩建已成为高速公路发展的热点。高速公路改扩建施工一般采取“边施工，边通行”的建设方式，需要关闭部分车道，车辆需要换道汇入开放车道通行，交通运行会受到限制，通行能力下降，容易形成交通瓶颈[2]。而对于半幅施工、半幅通行的施工区，车辆通过中间带开口驶入对向车道，受限于中间带的开口长度及驾驶员运行速度，容易造成交通拥堵，通行能力下降，中间带开口处成为了施工区又一交通瓶颈[3]。

Yeom等[4]汇总了美国关于高速公路施工区通行能力研究成果和观测数据，提出了新的施工区通行能力模型，该研究得出了车辆排队通过施工区流率比发生拥堵前的最大流率减少了13.4%的结论，并给出了基于排队流率计算拥堵发生前流率的转换公式，并被美国《公路通行能力手册》(HCM2016)[5]采纳收录。Sunanda等[6]采用最大流率法和排队流率法研究了美国堪萨斯州乡村高速公路施工区的通行能力，该研究建议施工区一个车道通行能力为1500pcu/h。Ninavonder Heiden等[7]基于德国高速公路长期施工区(38个)和短期施工区(11个)观测数据采用不同的方法对施工区通行能力进行了研究。对于长期施工区分别采用速度-流量模型和通行能力随机理论[8-10]计算施工区通行能力；对于短期施工区，该研究认为发生拥堵前的最大流率不能反映施工区的疏导能力，所以采用拥堵状态下的排队通过流率计算通行能力。但对于不同车道关闭形式、限速、中间带开口长度等因素对通行能力的影响并没有深入研究。

高速公路改扩建施工区通行能力研究是高速公路改扩建施工管理、组织的基础[11]，开展施工区通行能力研究对于有效组织施工区交通运行，提高交通运行效率，确保行车安全具有十分重要的意义。

1 研究方法

查阅文献发现，针对施工区的研究多数基于仿真实验，少数基于实测数据。本研究采用实测数据和仿真实验相结合的方法，相互验证，对施工区交通流特性和通行能力展开了较为系统全面的研究。

1.1 实测数据

以实地调查的方式，采用雷达枪测速、红外测距仪测距、摄像法、人工计数等方法，对多条高速公路改扩建施工区的道路条件(道路宽度、车道数、坡度、侧向净空等)和交通条件(大车比例、流量、速度、密度、车头时距等)进行调查。

以广西南宁单向三车道高速公路改扩建施工区段为例，开放一条车道通行，关闭两条车道，车道宽度为3.75 m,限速60 km/h，坡度3%，侧向净空为0.75 m，硬路肩宽度为3 m，作业区路段长度为2 km，过渡区长度为300 m,以连续的交通锥隔离施工区域。

1.2 仿真实验

利用vissim仿真软件，采用正交试验方法，选定最小车头时距、车道变换时间、加减速度等指标作为标定参数，对Wiedemann99模型进行标定，将5 min流量、速度作为评价标准，对仿真模型精度进行验证。表1为模型参数标定值。

表1 模型参数标定

将仿真5 min速度、流量与实测5 min速度、流量等进行对比分析，如图1、图2、表2、表3所示。在0.05水平下，发现两者具有较高的一致性，可以用来仿真实际施工区的交通运行情况。

图1 5 min平均速度对比验证

图2 5 min平均流量对比验证

表2 5 min平均速度方差分析

表3 5 min平均流量方差分析

基于标定的仿真模型，搭建双向6车道高速公路仿真场景，关闭两条车道、开放一条车道通行，警告区长度为600 m，上游过渡区为190 m，施工区为2 000 m，下游过渡区190 m，正常路段车道宽度3.75 m，缓冲区车道宽度4.25 m，设置期望速度及输入流量，开展多组实验研究，研究施工区的交通流特性和通行能力。

2 施工区交通流特性

2.1 施工区不同参数特性(流量、速度、车头时距)

过渡区是施工区交通运行的瓶颈。通过实地观测获取了过渡区交通量、速度、车头时距等数据。表4为3-1施工区(关闭两条车道，开放一条车道)上游过渡区不同车道的饱和流量。受车道关闭的影响，过渡区饱和流量较低，其中以车道2、车道3降低的幅度最为显著，说明施工区交通运行受到了较为明显的影响。

表4 施工区上游过渡区流量 veh/h

表5为上游过渡区速度特征值，平均速度均较小，且速度标准差较大，说明过渡区交通流处于不稳定状态。

表6为施工区上游过渡区不同车道饱和车头时距特征值，饱和车头时距均较大，其中以车道2、车道3尤为显著，说明在施工区，由于道路交通条件限制，驾驶员保持了更大的车头时距，降低了通行能力。

表5 施工区上游过渡区速度 km/h

表6 施工区上游过渡区饱和车头时距 s

2.2 施工区流量—速度模型

图3为3-1施工区过渡区三参数(流量、速度、密度)关系散点图，研究发现流量—速度的变化是不连续的，当密度超过20pcu/km时，交通流从自由流状态突变为拥挤状态，且发生了交通中断，通行能力出现了“二值”现象。

图3 过渡区速度、密度、流量关系

采用线性函数、多项式函数、指数函数来拟合速度—流量的关系，当多项式函数拟合判定系数为0.92时拟合效果最好，如表7所示，最后得到速度—流量模型为

q=-451.91+83.96v-83v2.

(1)

式中：q为流量(pcu/h)，v为速度(km/h)。

表7 模型拟合结果

2.3 施工区最大流率与排队流率的关系

实际观测和仿真数据表明，施工区流量增长达到最大值后，在很短时间内流量骤降到排队状态。已有研究[5,12-14]表明最大流率和排队通过流率存在以下关系

CW=Qm(1-α).

(2)

式中：CW为施工区瓶颈段平均15 min的排队流率，pcu/h；Qm为施工区非拥挤状态下的最大流率，pcu/h；α为施工区交通中断之前的最大流率由于排队下降的百分比。

当限速为60 km/h时，2-1、3-1、3-2施工区的流量随时间变化情况如图4、图5、图6所示。

图4 2-1施工区流量时序

图5 3-1施工区流量时序

图6 3-2施工区流量时序

研究发现，2-1施工区交通中断前后通过流率下降百分比为8.56%，3-1施工区交通中断前后通过流率下降百分比为10.56%，3-2施工区交通中断前后通过流率下降百分比为9.75%，如表8所示。

表8 施工区流率下降百分比

3 施工区通行能力

3.1 大型车比例对通行能力的影响

交通组成是影响通行能力的重要因素[16]。在高速公路改扩建施工区，不同的交通组成对施工区交通运行具有显著影响，这也是高速公路改扩建施工区通行能力发生改变的重要原因。在高速公路改扩建施工区不同断面设置检测位点，如图7所示，测得了不同类型车辆的流量，得到了不同类型车辆交通量占总交通量的百分比，如表9所示。根据公路工程技术标准(JTG_B01-2014)[17]，不同类型车辆的换算系数如表10所示。

图7 施工区不同断面观测点

大型车比例对通行能力修正系数的计算式为

fHV=1/[1+∑Pi(Ei-1)].

(3)

式中：fHV为交通组成对通行能力的修正系数；Pi为i类型车辆交通量占总交通量的百分比；Ei为i类型车辆换算成标准车型的车辆换算系数。

结合实测数据和式(3)，得到施工区车辆类型对交通量的修正系数为0.74，如表11所示。

表9 不同类型车辆交通量占总交通量的百分比 %

表10 不同类型车辆折算系数

表11 交通组成对通行能力的修正系数

3.2 不同车道关闭形式下的通行能力

不同的高速公路改扩建施工区，基于具体的施工安全和保障通行需要，会采取不同的车道关闭形式。比较常见的车道关闭形式包括2-1、3-1、3-2等，如图8所示。

图8 施工区车道关闭形式

结合实测数据和仿真实验的方法，对不同车道关闭形式下的施工区交通流变化展开研究，得到了不同车道关闭形式下断面通行能力值，如表12所示。研究发现，在开放一条车道的情况下，2-1施工区的通行能力大于3-1施工区通行能力，表明关闭车道数越多，道路交通运行受到的影响越大，通行能力越低。

表12 不同车道关闭形式下的通行能力值

3.3 不同限速下的通行能力

在高速公路改扩建施工区，由于车道缩减、隔离设施等道路环境的改变及安全需求，会设置限速。在不同的限速下交通流的运行状态具有明显差异，通行能力也会发生改变。

采用仿真实验的方法对不同限速情况下(限速40 km/h、限速60 km/h、限速80 km/h)的施工区通行能力进行研究，得到了不同限速下施工区断面的通行能力值，如表13所示。研究发现，随着限速的不断提高，通行能力也在增大。2-1施工区通行能力值在1 400～1 800 pcu/h之间，3-1施工区通行能力值在1 300～1 700 pcu/h之间，3-2施工区通行能力值在2 700～3 500 pcu/h之间。

表13 不同限速情况下通行能力值 pcu/h

3.4 中间带开口对通行能力的影响

部分高速公路施工区由于半幅施工、半幅通行的需要，原方向车辆经由中间带开口处驶入对向车道，借对向车道通行，容易造成交通拥堵，形成交通瓶颈。以单向两车道，关闭1车道，借对向1车道通行高速公路为例展开分析。结合实测数据和仿真实验，得到不同开口长度下施工区通行能力值，如表14所示。研究发现，中间带开口情况下施工区通行能力值在1 230～1 630 pcu/h之间，随着中间带开口长度的增大，通行能力也增大。实际施工应根据道路交通条件设置适宜的开口长度。

4 结 论

根据实测数据和仿真实验，对高速公路改扩建施工区交通流特性和通行能力进行了较为细致的研究，得到以下结论。

表14 不同开口长度下通行能力

1)对施工区流量、速度、车头时距等参数进行分析，发现运行速度低、车辆保持了较大的车头时距是施工区通行能力下降的重要原因；

2)基于实测数据，构建了施工区速度—流量模型，可以刻画施工区交通流的运行变化；

3)研究发现交通中断前后施工区通行能力发生了显著变化，给出施工区最大流率与排队流率的关系，量化了不同车道关闭形式下交通中断前后通过流率的下降百分比：2-1施工区交通中断前后通过流率下降的百分比为8.56%，3-1施工区交通中断前后通过流率的下降百分比为10.56%，3-2施工区交通中断前后通过流率的下降百分比为9.75%；

4)基于实测数据和仿真实验，给出了大型车比例对施工区通行能力的修正系数，并量化了车道关闭形式、限速、中间带开口长度对施工区通行能力的影响，给出了不同条件下的通行能力推荐值。

所得结论能够为高速公路施工交通组织提供一定的指导作用。本文只对部分影响因素下的通行能力进行了研究，未来将进一步研究其他因素对施工区通行能力的影响。