超车行为下双四高速公路爬坡车道分析

文 / 济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司 姚广鹏

概述

高速公路是区域交通运输的重要通道、社会经济发展的重要基础设施。随着交通量不断增加，高速公路拥堵频发，由于严格控制出入，拥堵对高速公路运输效率产生严重影响。

爬坡路段，车辆速度变化幅度大，不同车型的爬坡性能不同导致车辆运行速度差异明显，影响道路通行能力，容易引发拥堵。尤其载重车辆（指载有货物的中、大型货车）超车时，车速低、时间长，严重影响路段运行水平。

爬坡车道是保障高速公路上坡路段的通行能力和安全的有效措施。《公路路线设计规范（JTGD20-2017）》中根据载重车辆上坡方向容许最低速度、坡长、通行能力与设计通行能力比较等因素，提出了四车道高速公路、四车道一级公路以及二级公路连续上坡路段的爬坡车道的设置条件。但设置条件基于车道通行能力提出，对实际运行过程中的超车情景缺乏考虑。

车道通行能力计算

爬坡路段车辆机动性差异是影响通行能力的重要因素，其中，中大型车辆爬坡机动性能变化幅度大，速度变化在30km/h左右，大幅降低路段通行能力。参考文献研究表明：爬坡过程中，车辆受坡度阻力作用，速度持续下降，变挡后车速有所回升；坡度越大，速度下降越快；载重量越大，车速下降越快。

文中大型车辆是指车辆分类的中型车（座位＞19座的客车和2吨＜载重质量≤7吨的货车）、大型货车（7吨＜载重质量≤20吨的货车）和汽车列车（载重质量＞20吨的货车）。

根据《公路路线设计规范》，高速公路、一级公路路段的设计通行能力计算公式为：

C——设计通行能力[veh/(h·ln)]；

MSF——设计服务水平下的最大服务交通量[veh/(h·ln)]；

f——交通组成修正系数，按下式计算：

P——车型i的交通量占总交通量的百分比；

f——路侧干扰修正系数，高速公路取值1.0；

E——车型i的车辆折算系数；

f——驾驶人总体特征修正系数，通过调查确定。通常在0.95-1.00之间。

根据参考文献，高速公路、一级公路路段车辆折算系数如表1所示。

超车行为下通行能力

超车过程

根据文献，超车车辆F超越被超车车辆L顺利完成，应满足以下条件：1.超车前，超车车辆F与被超车辆L应有足够的安全车头间距，以防止被超车辆突然减速或紧急制动时发生追尾碰撞或斜向碰撞；2.超车结束后，被超车车辆L与超车车辆F之间应有足够的车头间距，以防止超车车辆突然减速或紧急制动时发生追尾碰撞或斜向碰撞；3.超越车在超越过程中，行驶距离要大于被超越车在原车道行驶距离与相关的安全间距及车辆长度之和；4.超车过程中，超车车速要满足超车道的限速条件。

超车车辆F的超车过程可以分为两个阶段：1.加速换道阶段，换道开始超车车辆F以初始速度V加速到超车速度V(V

＞V)，加速度为a。此段行程时间为t，行驶距离为s。2.匀速并道阶段，超车车辆F以超车速度V

匀速行驶到原车道，完成一次超车过程。此段行程时间为t，行驶距离为s。

考虑最不利情况，被超车辆以我国高速公路最低速度要求60km/h行驶，超车载重车辆以80km/h超车，则超车时间29.6s。

超车概率

载重汽车超车行为对通行能力的影响

通行能力是指单位时间内通过某一断面的最大车辆数。当单向二车道条件下，载重车辆超车时间内通过的车辆数受到限制，最大值为载重车辆通过数量。因此，载重车辆超车情景中，内侧车道的通行能力为超车时段内载重车辆通行能力与无超车时段小型车通行能力之和。

此时，内侧车道通行能力计算公式如下：

C=（C*q*P*T/3600）+（C*（1*P*T/3600））

式中：

T—载重车辆超车时间；

P—超车概率；

q—大车交通量；

C—中大型车辆通行能力；

C—小型车通行能力。

根据以上分析可知，中大型车辆超车情景下，内车道小型车通行能力为：

C=C*（1*P*T/3600）

式中：

C—中大型车辆超车情景下，内车道小型车通行能力；

C、q、P、T同前。

交通量组合情景及组织措施

现根据交通量与车道通行能力的不同组合，从通行能力和道路资源利用的角度，分析爬坡车道、分道行驶措施的设置条件。

计算以外车道通行能力800veh/（h·ln）、内侧车道通行能力为1425veh/（h·ln）为例。

情景1：中大型车交通量小于外车道通行能力，且小型车交通量小于超车条件下小型车通行能力。

假设中大型车辆交通量为600veh/h，则考虑中大型车辆超车下内车道通行能力为839veh/h，若小型车交通量小于839veh/h。

从交通能力角度无需设置爬坡车道和分道措施，但从交通安全角度，宜设置分道行驶。

情景2：中大型车交通量大于外车道通行能力，但小于两车道中大型车通行能力，小型车交通量小于超车条件下内车道通行能力

假设中大型车辆交通量为900veh/h，两条车道均为通行中大型车辆时，车道最大通行能力受中大型车辆限制，则小型车通行能力空间为500veh/h，若小型车交通量在空间范围内。

综合考虑资源利用效率，不设置爬坡车道和分道行驶。

情景3：中大型车交通量小于外车道通行能力，小型车交通量大于超车条件下内车道通行能力。

假设中大型车辆交通量为600veh/h，考虑中大型车辆超车下内车道通行能力为839veh/h，若小型车交通量大于839veh/h。

需要设置严格的分车道行驶。

情景4：中大型车交通量大于外车道通行能力，小型车交通量大于超车条件下内车道通行能力。

假设中大型车辆交通量为900veh/h，根据情景二分析，若小型车交通量大于500veh/h。

需要设置爬坡车道。

结语

双向四车道高速公路爬坡路段通行能力受中大型车辆超车行为影响严重，通过建立超车概率与交通量的相关关系，结合中大型车超车时间，提出中大型车超车对内侧小型车通行能力影响的定量计算公式，并根据内、外车道交通量和通行能力组合的不同情景，提出相应组织措施：中大型车辆交通量小于外车道通行能力时，为保障效率和安全，设置分道行驶；小型车交通量大于超车条件下内车道通行能力，需设置爬坡车道。