机非混行公路养护作业警告区长度研究

宋学文，臧小双，董 云，朱鹏宇，程永振

(1．宿迁市交通运输局，江苏 宿迁 223999；2．江苏宿迁交通工程建设有限公司，江苏 宿迁 223899；3．淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001)

截止2020年底，我国公路通车总里程接近519.81万km[1]。随之而来的是公路大中修养护的日益繁重。公路养护需封闭部分车道施工，势必造成养护控制区车速降低、车辆排队甚至拥堵，具有较大的安全隐患[2-4]。为保证养护作业区车辆、人员和财产的安全，需设置交通管控区域，分为警告、上游过渡、缓冲、工作、下游过渡和终止等区域，并在警告区内采取限速控制[5]。为保证行车状态的平稳过渡，警告区应具有一定的长度。警告区长度设置须考虑正常车速降至最终限速行驶的距离、车辆至排队尾部所需最小安全距离及排队长度[6-7]。彭余华等[8]利用Vissim模拟了养护作业区的交通运行，得出了不同交通量和大车率情况下工作区长度阈值和路段服务水平的对应关系。张立华和张宝成[9]采用作业区长度优化理论，提出了不同交通量下养护作业区的最佳长度。李道福等[10]基于车辆换道过程中的运行状态，建议以车辆不刻意减速情况下进行换道所需要的总长度作为警告区长度。

国内外学者对养护作业区长度开展了大量的研究，且规范对各区段的长度做了一般性的规定，但是鲜有考虑养护作业区机非混行环境。本文采用微观交通仿真软件Vissim建立养护作业区仿真模型，重点研究机动车与非机动车交通量和设计车速对排队长度的影响，提出不同设计速度公路养护作业警告区的最小长度。

1 警告区长度理论分析

《公路养护安全作业规程》(JTG H30—2015)[6]和《道路交通标志和标线第4部分：作业区》(GB 5768.4—2017)[7]均规定了警告区的最小长度，其理论计算公式为：

S=S1+S2+S3

(1)

式中：S为警告区最小长度，m；S1为正常车速降至最终限速行驶的距离，m；S2为车辆至排队尾部所需最小安全距离，m；S3为封闭车道引起的车辆排队长度，m。

S1可以用下式计算：

(2)

式中：vxq为限速前车辆行驶速度，km/h；vxh为限速后车辆行驶速度，km/h。

S2为车辆以vxh行驶时，不与前面排队车辆发生碰撞的最小安全距离，以下式计算：

(3)

式中：t为驾驶员反应时间，常取2.5 s；φ为道路纵向摩阻系数，取值范围为0.29～0.44；i为道路纵坡，下坡取“-”，上坡取“+”；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

在进行桥梁施工设计过程中，必须要保证混凝土强度达到规定的标准，并且满足张拉预应力钢束，其中在张拉过程中要控制好千斤顶加卸力的速度，对持荷时间实施有效的控制[2]。另外，张拉结束后，预应力依然增加，这就需要施工人员对此进行仔细的观察，避免对混凝土过快切割，同时仍然要控制张拉力，以此改进预应力钢束张拉工艺。

S3为车道减少引起的车辆排队长度，主要受交通量的影响。规范规定警告区最小长度时考虑了交通量的影响，但未考虑机非混行。S1和S2分布于警告区的前段，此时，非机动车行驶于路肩上，对其影响甚微。而当非机动车行驶至警告区末端与机动车合流后，将对车辆排队长度产生显著影响。因此，机非混行环境下S3将成为计算警告区最小长度的关键指标。而规范中并未明确S3的计算方法或取值依据，利用Vissim建立公路养护作业区的仿真模型，研究机非混行环境下的车辆排队长度，探讨警告区最小长度取值。

2 警告区排队长度仿真

2.1 作业区仿真模型构建

选用微观交通分析软件Vissim模拟不同封道模式下养护作业控制区的交通运行。首先标定软件描述交通流特性和驾驶行为特征的参数[11]。某些参数如车辆几何尺寸及加减速性能，国内外差异甚微，可不做标定。以S324宿迁段大中修工程为依托，采用手持式测速仪，采集不同类别车辆经过养护作业区时的行驶速度，统计车速累积频率分布，标定期望车速。选用Wiedemann 74跟车模型，利用孙剑等人的研究成果[12]，标定跟驰行为和车道变换参数。

建立双向四车道半幅路面的仿真模型。机动车道宽度取3.5 m，非机动车道宽度取2.5 m。参考《公路养护安全作业规程》(JTG H30—2015)的规定，上游过渡区和缓冲区长度分别取200 m和150 m。交通量较大时，车辆排队长度较长，为此本次模拟中警告区长度取4000 m。此外，模拟时不考虑车辆不按规定车道行驶及路肩停车等不安全驾驶行为。

2.2 警告区限速方案

国家规范和行业标准规定了养护作业区的限速值，具体见表1。《公路养护安全作业规程》(JTG H30—2015)规定的警告区限速值略微保守。但是公路养护作业区限速值不是越小越好，交通量足够大时，过小的最终限速值将导致上游过渡区及上游路段出现车辆排队长度增加，发生交通拥堵。此时，车辆以明显低于最终限速值的车速行驶，车头间距小而易发生冲突。《道路交通标志和标线第4部分：作业区》(GB 5768.4—2017)规定限速差不应大于20 km/h，推荐每200 m降低20 km/h。而《公路养护安全作业规程》(JTG H30—2015)则规定逐级限速应按每100 m降低10 km/h设置。

表1 养护作业区最终限速值 km·h-1

综合考虑以上两种规范对养护作业区限速控制的规定，本次研究采用的最终限速值和限速方案见表2。限速差按每100 m降低10 km/h设置。

表2 养护作业区限速控制方案 km·h-1

2.3 评价指标选取

《公路养护安全作业规程》(JTG H30—2015)指出在交通流量较小时，车速较快，排队长度应着重考虑最大排队长度；在交通流量较大时，车流发生拥堵而车速较慢，可着重考虑平均排队长度。因此，本次研究选取警告区末端车辆的最大排队长度和平均排队长度作为评价指标。

3 不同封道模式警告区长度

3.1 封闭内侧车道模式

图1 封闭内侧车道平均排队长度随交通量的变化规律

图2 封闭内侧车道最大排队长度随交通量的变化规律

交通量较小时，设计速度对车辆排队长度的影响不显著，随着交通量的增加，车辆排队长度受设计速度的影响略有增加。当设计速度为100 km/h、80 km/h和60 km/h时，相同交通量下车辆排队长度变化不大，而当设计速度降到40 km/h时，车辆排队长度则有显著上升。

随着交通量的增加，平均排队长度和最大排队长度均快速增加。当交通量为1600 pcu/h/ln时，即使设计速度取40 km/h，最大排队长队仅有139 m，而当交通量增加到1800 pcu/h/ln时，设计速度为100 km/h时最大排队长队亦超过700 m。因此，当交通量≤1600 pcu/h/ln时，以最大排队长度确定S3，而当交通量>1600 pcu/h/ln时，则以平均排队长度确定S3。封闭内侧车道，不同设计速度公路养护作业警告区长度取值(取整)见表3。

表3 封闭内侧车道警告区长度取值

3.2 封闭外侧车道模式

封闭外侧车道养护施工时，由于路肩和外侧车道封闭，非机动车将进入内侧车道与机动车混行，模拟时需考虑非机动车交通量对排队长度的影响。

设计速度100 km/h公路养护作业控制区，封闭外侧车道模式下交通量对平均排队长度和最大排队长度的影响见图3和图4。同一非机动车流量下，平均排队长度和最大排队长度均随着交通量的增加而快速上升。由于机非混行时，非机动车在车道右侧行驶，车道宽度较大时，非机动车对机动车正常行驶的干扰较小。因此，平均排队长度和最大排队长度受非机动车流量的影响不显著，随着非机动车流量的增加，排队长度略有上升。当交通量为1600 pcu/h/ln时，非机动车流量为800 pcu/h/ln时的最大排队长队仅有26 m，而当交通量增加到1800 pcu/h/ln时，非机动车流量仅为200 pcu/h/ln时的最大排队长队也可达到628 m。因此，取交通量1600 pcu/h/ln为平均排队长度和最大排队长度的分界点。

图3 设计速度100 km/h公路养护区 封闭外侧车道平均排队长度

图4 设计速度100 km/h公路养护区 封闭外侧车道最大排队长度

设计速度80 km/h公路养护作业控制区，封闭外侧车道模式下交通量对平均排队长度和最大排队长度的影响见图5和图6。排队长队随着交通量的增加而快速上升，而受非机动车流量的影响并不显著。当交通量为1600 pcu/h/ln时，非机动车流量为800 pcu/h/ln时的最大排队长队为93 m，而当交通量增加到1800 pcu/h/ln时，非机动车流量仅为200 pcu/h/ln时的最大排队长队接近800 m。因此，平均排队长度和最大排队长度的分界点宜取1600 pcu/h/ln。

图5 设计速度80 km/h公路养护区 封闭外侧车道平均排队长度

图6 设计速度80 km/h公路养护区 封闭外侧车道最大排队长度

设计速度60 km/h公路养护控制区，封闭外侧车道模式下交通量对平均排队长度和最大排队长度影响见图7和图8。排队长度随着非机动车流量增加而略有上升。交通量从1600 pcu/h/ln增加1800 pcu/h/ln，最大排队长度增加接近1000 m。

图7 设计速度60 km/h公路养护区 封闭外侧车道平均排队长度

图8 设计速度60 km/h公路养护区 封闭外侧车道最大排队长度

设计速度40 km/h公路养护作业控制区，封闭外侧车道模式下交通量对平均排队长度和最大排队长度的影响见图9和图10。相同交通量下，设计速度较低时，上游过渡区及上游路段更易发生拥堵，因此，平均排队长度和最大排队长度均有所上升。基于安全考虑，仍取1600 pcu/h/ln为平均排队长度和最大排队长度的分界点。

图9 设计速度40 km/h公路养护区 封闭外侧车道平均排队长度

图10 设计速度40 km/h公路养护区 封闭外侧车道最大排队长度

综上所述，以1600 pcu/h/ln为平均排队长度和最大排队长度的分界点，不同设计速度公路养护作业控制区S3和警告区长度取值(取整)见表4。随着设计速度的减小，S1和S2的计算值逐渐减小，而S3取值则逐渐增大。这是因为相同交通量下，车速越低，上游过渡区拥堵越严重，警告区末端的排队长度越长。

表4 封闭外侧车道警告区长度取值

4 结论

(1)封闭内侧车道模式下，警告区末端车辆排队长度随着交通量的增加而快速上升，而设计速度对排队长度的影响不显著。

(2)封闭外侧车道模式下，警告区末端排队长度主要受交通量的影响，非机动车流量对排队长度的影响甚微。

(3)平均排队长度和最大排队长度的分界点宜取1600 pcu/h/ln，以确定不同设计速度公路机非混行环境警告区的最小长度。