基于区域路网协调的高速公路安全施工交通组织研究

杨湖平,李凌云

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063;2.山东科技大学,山东 青岛 266590)

0 引言

在我国经济不断发展的背景下，我国的交通基础设施也得到了一定发展，但随着交通量的日益增长[1-3]，部分既有的交通基础设施已经不能满足现在需求，需要对原有的道路进行改扩建。这种在原有公路基础上进行改扩建的项目与新建项目存在一定差异，其交通组织设计有自身的特点和难点[4]，是改扩建工程中一个重要内容。本文用路阻函数及交通疏导起点-终点矩阵两个重要参数为依据用分析软件Trans CAD建立了交通组织设计方法，以服务水平、环境影响、经济效益和安全性为评级指标建立了综合评级体系，最后以安徽省内3条高速公路改扩建为例，按照Trans CAD结果给出了区域内路网导行关键参数并对导行方案进行了综合评价分析，结果表明以区域路网为基础的导行方案综合评价效果在良好以上。

1 交通组织设计

在区域路网前提下高速公路改扩建工程的交通组织设计是充分发挥路网优势下，采用的交通引流方式，不仅满足了交通流的通行压力，对于高速公路改扩建施工也是十分有利的[6]，其交通组织设计步骤如图1所示。

图1 交通组织设计步骤

道路分析是交通组织设计的前提[7]。道路分析的核心是对不同施工阶段下改扩建道路和区域路网的路阻函数，即建立道路运行状况时间函数，其计算公式如式(1)所示。

(1)

其中,T(q)为在q流量下车辆的通行时间；T0为车流量为0条件下车辆通行时间；C为设计通行能力；α、β为不同道路条件下计算参数。

区域路网OD(Origin-Destination，起点-终点)矩阵是区域内道路互相联系，组成道路网络系统的前提[8-9]。本文是以高速公路的改扩建为背景，区域路网的分流是匝道或者与之相连的其他高速公路，因此采用高速公路上两个收费站作为研究的起点和终点。OD矩阵是调查基础上按照增长计算模型通过公式计算而得，其计算公式如式(2)所示。

(2)

其中,Qi j为从目的地i到目的地j的交通量；Pi为从i地出发的交通量；Aj为从j地到达的交通量；Tij为两地的正常行驶时间；k、α、β、γ为与行车类型相关的计算参数，其取值如表1所示。

表1 参数取值Table 1 Parameter values参数客车货车α0.750.65β0.630.52γ0.790.61k0.5761.723

路网仿真模型构建是利用分析软件Trans CAD对交通组织设计中关键因素进行模拟分析。通过模型中道路属性植入、型心连杆设置、路段阻抗值输入等关键参数的输入，模型中会根据输入的道路信息生成区域路网交通分配方法，用数值模拟的方法按照计算原理进行计算分析。道路属性设置是模型仿真的基础，将道路的行车速度、行车时间、通行能力参数赋予几何图形，使几何图形具有道路属性。型心连杆是路网建设的核心，是根据不同道路的交通量分配情况，按照比例分配的原则建立不同道路的交通流信息，其设置方法如图2所示。

图2 型心连杆设置

交通分流是一个综合性的交通控制方法，是受到各种现实因素制约的交通疏导方案，要综合车型因素、周边路网因素、施工安全因素等各种因素的影响，表2为分流影响因素。

根据表2的影响因素，Trans CAD对区域路段交通分流量以迭代计算的方法进行计算分析，其迭代步骤如下：① 系统初始化，对路网信息赋值；② 以计算值为标准，路段时间更新；③ 以计算为标准，路段车流量更新；④ 达到收敛，停止迭代，否则返回步骤②继续迭代。

表2 分流影响因素Table 2 Influencing factors of shunt车型路网影响因素通行能力因素安全因素施工因素大货车大型车载量大,对周边路网影响大,行车对道路影响大提高道路通行能力,使单位时间通行量增加降低施工风险源,提高施工安全性有利于改扩建施工小客车轴重轻、对周边道路安全性和使用功能影响低对通行能力提高作用有限施工安全风险增加对施工进度、安全不利

2 交通组织评价分析

基于区域路网协调的交通组织设计是高速公路改扩建施工的前提，其设计的优劣及科学性直接影响到后续施工的安全性及通行效率[10-12]。因此必须建立一套以各项指标为依据的交通组织设计评价系统，对设计的优劣性进行评价分析。

按照路段服务水平、路段交通环境影响水平、路段经济效益影响及路段交通安全性几项指标建立了如图3所示的高速公路改扩建施工交通组织设计评价体系。

图3 交通组织设计评价体系

路段服务水平包含通行能力、通行速度、通行密度等各项指标，是衡量交通组织设计的重要指标之一。

通行能力衡量施工区间路段内单位时间某断面积上最大交通量，计算如式(3)所示。

C=C0×fw×fHV×fp×fi×n

(3)

其中，C0为高速公路每车道的通行能力；fw为道路车道宽度修正系数；fHV为行车类型修正系数；fp为驾驶员路况修正系数；fi为与施工区环境相关的环境影响系数；n为行车道数。

施工区间平均车速是经过现场测量得到了车辆的平均速度，交通密度是交通量与车速的比值，其值用K表示，表3给出了K值大小与交通拥挤度关系。

表3 交通密度与交通拥挤度关系Table 3 Relationship between traffic density and traffic congestionK值大小交通拥挤度评价K<13顺畅流通13≤K<20较顺畅20≤K<28较密集28≤K<36较拥堵36≤K<45拥堵45≤K严重拥堵

车道占用率是某时间段内车辆长度之和与路段长度的比值。其计算式如(4)所示。

(4)

其中,L为车辆平均长度；S为计算路段长度；K为交通密度。

交通组织设计的环境评价采用定性的方法，以污染物排放、尾气排放及噪声污染为主要评价指标，将环境分为优、良、差3级。

经济效益指标是以车辆行驶过该施工路段时间及能源消耗情况为评价依据，采用正常行驶和施工交通导行对比的方法，分析路段的时间及能源附加消耗[13-14]。

交通安全是评价体系的重要组成部分之一。按照事故率、安保措施和行车安全指数3个指标定性的对交通组织的安全性进行分析。

按照上述评价指标建立了如图4所示的交通组织设计的评价流程。该评价流程是建立在评价指标分析基础上，根据施工项目的特点选取不同的权重比例，用科学的评价方法对交通组织设计进行综合评价。

图4 评价流程

根据我国现行的公路工程施工相关规范，按照上述评价流程建立了表4所示的交通组织方案评价标准，该标准将方案分为优良中差4级，每一级都有与之对应的定量指标。

表4 交通组织方案评价标准Table 4 Evaluation criteria of traffic organization scheme项目平均车速/( km·h-1)车流密度/(pcu·km-1·ln-1)车道占有率饱和度出行延误/(s·vel-1·km-1)优>79<9<0.23<0.35<3良(69,79][9,17)[0.23,0.31)[0.35,0.46)[3,6)中(59,69][17,32)[0.31,0.52)[0.46,0.0.85)[6,15)差≤59≥32≥0.52≥0.85≥15

3 施工组织设计实例分析

本文以安徽省内G5011、G40、G3这3条高速公路的改扩建施工交通组织设计为例，其中G5011高速改扩建项目总长度54.23 km，采用路基加宽的扩建方式，由25 m路基增宽到45 m，G40高速扩建项目总里程89.25 km，采用双向加宽，由四车道变为八车道，G3扩建总长度52.25 km，采用双向加宽，由四车道变为八车道，3条道路的改扩建施工对合肥东部、南部的交通产生了较大压力。区域内有国道206及多条省道，其交通信息如表5所示。

表5 区域路网交通量 Table 5 Regional road network traffic volumepcu/d道路名称小货车大货车小客车大客车合计折算合计G2068168232 6737315 0436 556S3136249373 7628916 2148 203S2187531 0212 9329135 6197 642S1056891 6313 2141 0146 5488 643S1037691 8033 5079637 0429 365

利用Trans CAD软件进行了模拟，以区域内路网为基础，得到了表6所示的路网行车主要参数和交通导行方案评价结果。

表6 区域路网行车参数Table 6 Traffic parameters of regional road network项目平均车速/km·h-1 车流密度/pcu·km-1·ln-1 车道占有率饱和度出行延误/s·vel-1·km-1 综合评价G501165210.260.65良G4061230.290.66良G359250.270.77良

4 结语

随着我国经济社会的发展，一些早期设计建设的高速公路已经不能满足现在日益繁重的出行需求，目前通用的经济合理的办法是对现有道路进行改扩建，与新建道路相比，改扩建施工交通组织设计有其特殊性。本文以改扩建施工中区域内路网协调为前提，采用施工分流的方法研究了区域路网的路阻特性和OD矩阵，利用分析软件Trans CAD建立了路网连接，以服务水平、环境影响、经济效益和安全性为评级指标建立了综合交通组织设计评级体系，用量化指标对交通组织设计效果进行了评价，最后以安徽省区域内3条高速扩建为例给出了交通组织设计关键参数并对设计效果进行了评价。