（道路与铁道工程专业论文）高速公路匝道出入口最小间距研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：逝礁日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：垂丕笪丕! 叠。导师签名：秀翌竖期： 一zo i o 6 譬 摘要 摘要 匝道间距是影响高速公路主线运行状况的关键因素，一般来说，匝道数量越多，高速公 路的利用效率就越大，但是如果匝道数量过多，匝道间距过小，车辆上下高速公路就得不到 充分加减速，而且由于车辆频繁进出主线，影响主线车流的运行状况，安全性也将大大降低， 所以，必须对匝道出入口最小间距进行科学合理的界定。基于这样的出发点，通过对高速公 路匝道出入口车辆运行特性的现场调查，本文从理论分析和交通微观仿真两方面对匝道出入 口最小间距进行研究。 本文首先对高速公路匝道出入口间距进行的定义，明确匝道出入口组合模式的适用性， 并依据是否设置辅助车道的区别，确定了加速车道、减速车道、标志设置、交织区这四个出 入口组成要素，提出了不同组合模式下匝道出入口的长度组成。从技术指标角度分析影响匝 道出入口间距的主要因素，主要包括主线和匝道的设计速度、主线和匝道的车道数量、主线 和匝道的交通量以及服务水平等多个方面，在确定主要影响因素的基础上，提出了出入口模 型分类。 其次对匝道出入口模型的各个组成要素最小长度进行研究，通过对加减速车道的现场调 查观测，分析了车辆在加减速车道上的变速特性以及车辆合流和分流的规律，运用调查获得 的运行速度数据以及特定服务水平下相关的交通数据确定加减速车道长度：基于“发现一判 读一操作”的标志设置理论确定了匝道出入口之间的标志反应长度；基于美国道路通行能 力手册( h c m 2 0 0 0 ) 中交织区通行能力的相关研究，确定在服务通行能力条件下的交织区最 小长度。 最后，应用微观仿真软件t s i s 建立交织区模型，对交织区进行微观交通仿真，验证理论 分析的合理性。 关键词：高速公路；匝道间距；加速车道；减速车道；标志设置；交织区；交通仿真 a b s t r a c t i pt e m i n a ls p a c i l l gi sak e y t o ri ni m p a c t i n gh i 曲w a y o p e r a t i n gc o n d i t i o l l s ，i ng e n e r a l ， t h em o r et h en u m b e ro fr 锄p ，t h eg r e a t e rt i l e e 伍c i e n c yo f h i g h w a yu s e ，b u ti fm i i l pt e 咖i 砌 s p a c i n gi st o os m a l l ，协e ni tw i l ia f r e c tt h eo p e r a t i o n a is t a n l so ft h em a i nl i n et 随瓶ca n d s a f e t vw i n b eg r e a t l yr e d u c e d ，t h e r e f o r e t h e r em 戚b e h a v eas c i e n t i 矗c 锄dr e a s o n a b l er e s e a r c hi nm i n i m u m d i s t 锄c eo ft h eg u c c e s s i v er 觚l p ，b a s e d0 nt h eo r i g i n a l p u r p o s eo ft 1 1 i s ，c o m b i n e dw i mf i e i d m v e s t i g a t i o no fv e h i c 王e so p e m t i n gc h 锄c t e r i s t i c s ，t 量l i sa n i c l ew i nd or e s e a r c h 舶mm e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dt r a f ! f i cs i m u l a t i o n 。 f i r s t l y ，m i sa r t i c l ed e f i n e st h er 2 u i l pt e m i l l a ls p a c i n ga n da n a l y s i st h em a i l lf a c t o r sf 硒ma t e c h | l i c a lp o i n t i n c l u d et h ed e s i 印s p e e d ，t h en u m b e ro f i 锄e s ，仃a 箍cv o l u m ea 1 1 dl e v e lo fs e l 、r i c e o n 廿l i sb a s i s ，p r o p o s e dt h ec l a s s i 6 c a t i o no f i m p o r t 彻de x p o r tm o d e l ，锄di d e n t i f j e df o u re l e m e n t s w h i c hi sa c c e l e r a t i o nl 卸e ，d e c e l e r a t i o nl 锄e ，s 研s e t 绷d w e a v i n gs e g m e n t t h e nd os p e c i f i cr e s e a f c hw i t hf o u re l e m e n t s ，d e t e n n i n e dt h el e n g t ho fa c c e l e r a t i o n a i l d d e c e l e r a t i o nl a n ew i t ho p e r a t i n gs p e e dt h e o 哪d e t e 珊i n e dt h e l e n g t ho fs 咖s e tw 油s 诤瑚c t i o n t h e o d ra i l dd e t e 咖i n e dt h el e n g t ho fw e a v i n gs e g m e n tb a s e do ns o m er e l a t e dr e s e a r c hd o n eb v ”h 逸h w a yc 印a c 时m a l l u 甜” a l l y ，c r e a t em o d e l s0 fw e a v i n gs 叼n e n ti i ld i 跽r e n tc o n d j t i o n sw i t ht h em i c 胁s i m u l a t i o n s o 疗w a r en 锄e dt s i s锄dr u ns i m u l a t o n ，m er e s u h o fw h i c hc a i l e 伍c i e n c yv e r i 矽t h e r e a s o n a b l e n e s so ft h ep r e v i o u sa l l a l y s i s k e y w o r d s h i g h w a ) ，；r 锄pt e 册j 枷s p a c i l l g ；a c c e l e r a t i o n1 觚e ；d e c e l e m t i o n l 觚e ；s i 朗s e t ； w e a v i n gs e g m e n t ；t 馏牙i cs i m u l a t i o n i i 目录 目录 摘要i a b s n 佻t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1 研究背景l 1 1 1 论文的研究背景1 1 1 2 存在的问题4 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 国外研究现状4 1 2 2 国内研究现状5 1 3 研究内容6 1 4 技术路线7 第二章匝道出入口间距的影响因素分析8 2 1 匝道出入口间距的定义8 2 2 匝道出入口间距的组成要素9 2 3 匝道出入口间距的影响因素1 l 2 3 1j 塞度1 l 2 3 2 车道数。1 2 2 3 3 交通量一1 3 2 3 4 车流密度和服务水平13 2 4 匝道出入口模型的分类1 4 2 4 1 不设辅助车道的匝道出入口模型分类1 4 2 4 2 设置辅助车道的匝道出入口模型分类。1 5 2 5 本章小结。1 6 第三章现场调查与数据分析17 3 1 调查的目的1 7 3 2 调查的内容1 7 3 3 调查的地点及仪器选择1 7 3 3 1 调查地点选择1 7 3 3 2 数据采集仪器18 3 3 3 调查的实施1 8 3 4 数据整理分析18 3 4 1 互通式立交出入口组合模式及间距调查结果分析1 8 3 4 2 变速车道各点运行速度。1 9 3 5 本章小结2 l 第四章匝道出入口最小间距研究2 2 4 1 变速车道长度2 2 4 1 1 加速车道2 2 4 1 2 减速车道2 7 4 2 交织段长度2 9 4 2 1 交织类型及影响因素2 9 m 目录 4 2 2 交织区长度计算方法31 4 2 3 交织区长度计算3 6 4 3 标志设置长度3 9 4 4 匝道出入口最小间距计算4 0 4 5 本章小结。4l 第五章基于t s i s 的匝道出入口交织区仿真验算。4 2 5 1 交通仿真4 2 5 1 1 交通仿真概述4 2 5 1 2 交通仿真分类4 2 5 1 3 国内外交通仿真软件4 3 5 2 交通微观仿真软件t s i s “ 5 2 1t s i s 介绍4 4 5 2 2t s i s 仿真流程。4 5 5 3 高速公路交织区仿真4 7 5 3 1 确定标定参数4 7 5 3 2 不同模型仿真验算4 7 5 4 本章小结。5 3 第六章结论与展望。5 4 6 1 本文完成的主要工作成果5 4 6 2 结论5 5 6 3 展望5 5 参考文献5 6 致谢5 9 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 近年来，随着国民经济的发展，高速公路建设得到了空前的发展，路网规模得到了很大 的扩充，高速公路建设带来的相应问题就是道路交叉的越来越频繁，于是，合理的规划布局 互通立交与匝道出入口就显得尤为必要了。 而在考虑匝道出入口布局时，匝道间的最小距离就是我们所必须考虑解决的问题。如果 路段上相邻匝道出入口间距不合理，会导致车辆不能及时有效的进出高速公路：如果互通式 立交内相邻匝道出入口间距不合理，则会导致互通立交规模设计不当：匝道出入口间距过大， 会导致土地浪费，工程规模增加，经济性不合理；匝道出入口间距过小，则会影响互通立交 的通行能力，成为高速公路的通行瓶颈，增加事故风险。 总的说来，高速公路形成连续出入口的情况一般有三种，如图卜1 ： ) il、名， 。纩。 澎 r i 厂 一 互遁立交与服务区之闯 互通立交内 互通立交之闻 图卜l 连续出入口存在形式 ( 1 ) 两个相邻互通式立交之间 ( 2 ) 互通式立交与相邻的其它有出入口的设施之间 ( 3 ) 单个互通式立交之内 一般来说，互通立交之间、互通立交与服务区之间的匝道出入口组合模式是入口匝道连 接出口匝道的模式；而对于互通立交之内的相邻匝道出入口组合模式，则除了“入口一出口” 组合模式之外，还有“入口一入口”、“出口一出口”、“出口一入口”这几种模式，如下 图卜2 半苜蓿叶半定向互通式立交所示。 第一章绪论 一历ffi 一 一 _ l 。啼 。出一出。 弋心i - _ _ 一 、v 。入出”j - _ - - 。入入。o - - - - - “出出一一 图卜2 出入口组合模式 而目前，国内关于匝道出入口最小距离组合模式及取值仅仅是遵循相关规范中的简单规 定。 在公路路线设计规范( j t j0 l l 一9 4 ) 中，对于匝道出入口的组合模式与间距取值没 有规定，只简单规定了相邻互通立交的最小间距，并简单的给出了各种互通立交的形式。 在公路路线设计规范修订( j t j0 1 1 9 4 ) 送审稿旺1 中，提到了各种互通立交的基本 形式及其适用条件，并给出了匝道出入口最小间距取值，但是并没有给出“入一出”模式的 值，且各种形式的立交适用条件很多以“建议”、“尽量避免”等模糊表达，没有硬性规 定。 在最新出版的公路路线设计规范( j t gd 2 0 一2 0 0 6 ) b 1 中，删除了立交形式及是适用条 件这块内容，仅仅给出了匝道出入口最小间距取值，同样并没有给出“入一出”模式的值， 如图卜3 ，表1 1 所示。 主蟪上的翱罄出口或人日 甄遗上的枢邻出n 斌入口主绕上的南妇至掳方相铝入口 卜工| 一一 腻 卜_ 刍一 、 p 叫 一 ， 图l - 3 高速公路匝道出入口组合模式 2 第一章绪论 表1 1 高速公路出入口最小间距取值 宝线疑计速度( b h 1 2 口l 8 0 一教值3 如o 2 厶于线 x m2 瑚 最小位 变线 2 柏2 2 一最偿 3 2 郅 2 弼既 f 麓) 岛枢纽豆通式立体交夏 枷2 2 最小馈 一般甄通式立体交置 1 8 01 6 01 6 d 一簸值 绷1 5 0i 卯 干线l i 弱1 2 0 最夺值 】5 c 线l 狮1 2 0l 从公路路线设计规范修订( j t j0 1 l 一9 4 ) 送审稿到公路路线设计规范( j t gd 2 0 2 0 0 6 ) 对于互通立交的基本形式及其适用条件的取舍，以及对匝道出入口定义的模糊，反映了目前 我国立交形式的选用以及匝道出入口最小间距的取值尚存在许多歧义，缺乏相应的研究成 果，由于规范对于“入一出”组合模式没有规定，同时该组合模式由于有交织的存在，交通 状况相对较差，所以设计部门在设计时都尽量在避免使用，但是该组合模式在实际应用中依 然存在。 除了上面提到的匝道出入口间距的定义不明确之外，不同规范对于最小间距的取值也各 异，且差距很大。 城市道路设计规范( c j j3 7 9 0 ) h 1 规定了立体交叉范围内相邻匝道口之间的最小 净距，设计速度最高为的8 0 k m h ，其净距取值为： “入出”、“入入”、“出一出”同一取1 1 0 米，“出一入”取5 5 米。 城市快速路设计规程( c j j1 2 9 2 0 0 9 ) 瞄1 对于城市快速路出入口最小间距也做了相 应规定，如表l2 ，但却没有规定快速路互通立交的出入口最小间距取值。 表1 2 城市快速路出入口组合模式及最小间距取值 国入敝形式 ， 生线缝 争 阜建 磊 f _ 1 t _ 1 r _ _ 1 一 1 日n h j 、 、 厂+ 厂1厂一 、 l ：7 6 0 筋o7 番o1 2 7 0 韧 6 l o2 1 06 l o1 0 2 0 秘 4 鼢 | l 毒8 07 6 与高速公路相比，城市快速路设计规程规定了“入一出”组合模式最小间距，然而两套 规范规定的最小值差距很大，以设计时速1 0 0 l 【m h 主线为例，“出一出”模式和“入一入” 模式的取值城市快速路要比高速公路高两倍以上。 3 第一章绪论 1 1 2 存在的问题 基于上节研究背景的分析，发现目前各类规范对于高速公路匝道出入口最小间距的规定 存在以下几个问题。 ( 1 ) 对于匝道出入口的定义不明确，各个规范虽然都有给出关于匝道出入口间距的一 些规定，但是没有明确说明出入口是存在于互通立交之间还是存在于互通立交之内或者是互 通立交与相邻的其它有出入口的设施之间，且并未对所规定的最小间距适用性做出明确的说 明。 ( 2 ) 高速公路各个设计规范对于“入一出”组合模式没有明确规定，该组合模式在各 种互通立交中依然存在，但是设计部门都在尽量避免，设计时对于其最小长度取值难以把握。 ( 3 ) 各种规范对于各个组合模式下匝道出入口最小间距取值各不相同，甚至相差很大， 且对于匝道出入口最小长度的取值没有说明原因。 ( 4 ) 规范对于高速公路匝道出入口最小间距取值的规定不够细致，仅仅只按设计速度 分类，并未考虑主线车道数，匝道车道数、匝道设计速度、主线服务水平等因素的影响。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外有关互通立交、匝道等的研究起步较早，且较为成熟，关于高速公路基本段、互通 立交通行能力，匝道设置，道路安全研究，交通标志牌设置，道路服务水平，交织类型和交 织长度等方面都有比较深入研究，且在a a s h t o 出版的ap o l i c yo ng e o m e t r i cd e s i 印o f h i 曲w a y a n ds 仃e e t s ( 俗称“绿皮书”) 怕1 ，道路通行能力手册( h i g h w a yc a p a c i t ym a n u a l ) ( 简称h c m ) h 1 等文献中都有体现。 绿皮书从上个世纪3 0 年代开始进行了多次修订，不仅为公路设计提供了设计原则和方 法，也提供了大量的设计范例，在该书中明确给出了加减速车道的设计，最小长度的值，匝 道出入口间距的值等，如表卜2 所示。 h c m 从1 9 5 0 年第一版出版至今，也经过多次再版，对道路通行能力方面的研究不断进行 修订，对于交织路段长度受限制的情况都有具体的分析。 对于匝道间距的取值，绿皮书把匝道组合分为五种情况： ( 1 ) 入口与入口衔接( e n e n ) ( 2 ) 出口与出口衔接( e x e x ) ( 3 ) 出口与入口衔接( e x e n ) ( 4 ) 入口与出口衔接( e n e x ) ( 5 ) 转弯道路 其具体的间距取值见下表： 表1 3 从s h t 0 关于匝道出入口最小间距的取值嘲 e n e n 和e x e xe x e n 转弯道路 e n e x ( 不适用于环形立交匝道) 枢纽型互通服务型互通枢纽型一服务型服务型一服务型 3 0 0 m1 5 0 m 2 4 0 m1 8 0 m6 0 0 i l l4 8 0 l n 4 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 国内的各个标准规范对匝道间距做了相应规定，如研究背景里所述的匝道出入口间的最 小距离具体值，但是具体的理论研究却还是不多，尤其是对于高速公路匝道最小间距的研究， 国内研究较少。由于互通立交的形制，道路类型以及匝道组合模式的不同，最小间距的研究 又可以分为很多方面。 总体来说，国内对于高速公路匝道的组合模式及最小间距研究较少，对城市快速路的匝 道组合模式及最小间距的研究比较多。 北京工业大学的贺玉龙哺1 等早在2 0 0 0 年就基于对北京快速路的分析，提出了对互通立交 最小间距的计算方法：假设在互通式立交设置间距满足分散交通量、驾驶顺适、匝道布置、 地区交通需求、经济上可行的条件下，根据道路使用者的生理特性、行驶舒适性以及道路交 通状况，考虑在驾驶员最不利的行驶方式下，来确定互通式立交的最小间距。 同济大学的龙科军博士憎1 等对城市快速路最小间距模型进行了较为细致的研究，基于城 市快速路的特点，从匝道组合模式、加减速车道、交织段、交通标志4 个方面分析了匝道最 小间距问题，对各种组合模式下最小匝道间距的组成进行了分析，并提出了不同匝道组合模 式的最小间距，这个分析角度也是较为合理的普遍适用的。 东南大学的肖忠斌博士“叫等引入临界安全间隙概念，采用概率论、可接受间隙理论及运 动学的方法，在保证车辆安全运行的前提下综合考虑互通立交加、减速车道长度及车辆完成 车道变换所需要的基本路段的长度，从系统的角度构建了互通立交最小间距模型。 李爱增博士n 以概率论和微分法相结合的思想，对加速车道长度、两立交净距进行研究， 运用动力学原理对减速车道长度进行研究，从而得到城市快速路互通立交最小间距计算模 型。 王釜n 2 3 在其硕士论文中明确给出城市快速路上互通立交间距的定义，运用运动学、效用 函数等方法，研究其交通流特性和换车道行为，建立了互通立交最小间距模型，并用仿真手 段进行了检验。 以上研究都是基于对城市快速路互通立交的研究，其特点虽然与高速公路互通立交有很 大相似之处，但由于城市道路与高速公路的设计是按不同规范，所以并不能直接应用于高速 公路。 对于高速公路，浙江大学的赵云安u 副在其硕士论文中对高速公路互通式立交最小间距进 行了研究，他主要从互通式立交构造长度、交通标志的设置要求及互通间距对直行车交通的 影响等方面进行综合分析。 长安大学的冯玉荣n 4 1 在其硕士论文中将互通式立交间距的研究分为独立式和非独立式 两种类型，对于独立的两相邻互通式立交，采用车道变换理论确定互通式立交的最小间距， 对于以辅助车道相连的两相邻互通式立交，采用交织区的运行状况分析方法然后基于交通冲 突技术，以微观交通仿真软件v i s s i m 进行检验 以上研究大都是对互通立交间距进行的，在研究的过程中涉及匝道间距的研究，总体来 说，互通立交间距与互通立交内匝道间距研究的大体思路是相似的，但在具体因素分析上则 存在着差异。 此外，还有一些关于对加减速车道、标志设置、交织区的研究。 基于对国内外研究现状的调查，发现这些研究大都在规范的规定的框架内进行，运用各 种方法手段对互通间距进行取值的研究，并未对匝道出入口的定义进行明确，且对于匝道出 入口间距的研究比较缺乏。 5 第一章绪论 1 3 研究内容 ( 1 ) 明确匝道出入口间距的定义 对匝道出入口间距进行明确的定义，明确形成连续匝道出入口的条件( 互通立交之间或 者互通立交之内) 并对不同条件下的匝道出入口组合模式进行分析，研究其适用性。确定各 种不同组合模式下匝道出入口间距的组成要素 ( 2 ) 确定匝道间距的影响因素 影响匝道间距的因素很多，有技术因素、交通因素、经济因素、环境因素等多个方面， 本文将从技术指标角度，结合对各种不同条件下道路、立交特性，交通特性的分析，确定在 各种立交形态、主线状况下匝道间距的影响因素。结合确定的影响因素对出入口模型进行技 术指标分类。 ( 3 ) 对匝道间距的组成要素进行具体分析计算 在确定了匝道出入口组合模式、各个组合模式的组成要素以及匝道间距的影响因素以 后，如何确定这些组成要素的值，便是本文研究的内容之一，本文拟着重从基于运行速度的 角度，运用概率论、可接受间隙理论、微分法等相关方法来分析加减速车道的长度：在必要 时结合交通量、服务水平等因素；借鉴美国道路通行能力手册对于交织区的理论分析相 关成果计算设计服务水平条件下的交织段长度；从标志设置构造以及对驾驶员引导角度分析 标志设置长度。 ( 4 ) 运用仿真软件t s i s 建立模型，对匝道间距相应组成要素进行仿真分析 利用仿真软件建立各种匝道出入口组成要素模型，结合不同条件下的交通量，行车速度 等参数，进行间距的仿真验算，本文重点对于运行状况较为复杂的交织区进行仿真。 “入一出”组合模式的匝道出入口最小间距是本文的研究重点。 6 第一章绪论 1 4 技术路线 图卜4 本文技术路线 7 第二章匝道出入口间距的影响因素分析 第二章匝道出入口间距的影响因素分析 本章通过对匝道出入口间距的定义，分析其组成要素与影响因素，在确定匝道出入口之 间组成因素的基础上，分析各种不同类型匝道出入口的间距模型 2 1 匝道出入口间距的定义 从需求上来说，匝道数量越多，高速公路的利用效率就越大，但是如果匝道数量过多， 匝道间距过小，车辆上下高速公路得不到充分加减速，而且由于车辆频繁进出主线，影响主 线车流的速度，安全性也将大大降低。因此，高速公路的匝道间距必须满足某个下限，一旦 小于这个下限，主线的道路行驶条件就得不到保证。 在本文研究中，匝道间距是指入口( 出口) 匝道和下一入口( 出口) 匝道的三角区顶点 之间的距离憎1 ，如图2 1 所示。 图2 1 匝道出入口间距示意图 那么，在研究背景的讨论中本文指出了规范对于匝道出入口间距的定义存在歧义，对于 不同条件下的适用性未作明确解释，所以下面将首先对匝道出入口的适用性做一下分析。 ( 1 ) 存在于互通立交之间 两个相邻的互通立交之间，一般而言，匝道出入口的组合模式是入口匝道连接出口匝道， 由于两互通立交之间需要设置相应的标志，所以互通式立交之间的匝道出入口间距必须考虑 标志设置的距离。一般来说，互通式立交之间没有特殊情况不需要设置辅助车道，故在交通 特性上这是一种分流、合流的特性。 ( 2 ) 存在于互通立交与服务区之间 互通立交与服务区之间，匝道出入口的组合模式是入口匝道连接出口匝道，同样，这种 情况下匝道出入口间距必须考虑标志设置的距离。交通特性上这同样是一种分流、合流的特 性。 ( 3 ) 存在互通立交之内 在互通式立交之内，由于立交形式的不同，“入一入”、“出一出”、“出入”、“入一出” 这四种匝道出入口的组合模式都可能存在，为了控制立交规模，一般在互通立交之内的“入 一出”组合模式出入口之间设置辅助车道或者集散车道，以减小匝道出入口的必须间距，此 时，便形成了交织区，在交通特性上是交织特性。 8 第二章匝道出入口间距的影响因素分析 2 2 匝道出入口间距的组成要素 基于上节对于匝道出入口的适用性分析，根据其结构以及交通特性的不同，确定匝道 出入口间距的组成有加速车道、减速车道、标志距离、交织长度这四个组成要素 不同组合模式下的匝道间连接方式有所不同，一般的，“出一入”、“出一出”、“入一入” 这三种匝道组合模式的组成要素不外乎加、减速车道与标志的组成u 钔，对于“入出”模式 下匝道之间的连接方式则相对较为复杂，可分为两种： 一种是匝道之间不设置辅助车道的( 存在于互通立交之间或互通立交与服务区之间) ， 即匝道之间主线车道数没有增加，其组成要素是加速车道、标志设置和减速车道，在交通特 性上这是一种分流、合流的特性； 另一种是在匝道之间设置辅助车道的( 存在于互通立交之内) ，当间距较小时，在交通 特性是一种交织的特性，在匝道之间形成了交织区，参考h c m 2 0 0 0 ，这种情况下的匝道 出入口间距等同于交织区的长度。 各种不同组合模式下的匝道长度如下五类，见图2 2 一图2 6 ： ( 1 ) 不设辅助车道 模式i ：“入一入”模式 模式h ：“出一出”模式 图2 2 。入一入”模式出入口长度组成 模式i i i ：“出一入”模式 图2 - 3 “出一出”模式出入口长度组成 9 第二章匝道出入口间距的影响因素分析 模式i v ：“入一出”模式 图2 - 4 “出入”模式匝道长度组成 图2 5 不设辅助车道的“入一出”模式出入口长度组成 ( 2 ) 设置辅助车道 模式i i v ：“入一出”模式 图2 6 设辅助车道的“入一出”模式出入口长度组成 上面各个组合模式中三为匝道出入口间距，厶为加速车道长度，t 为标志设置长 度，厶为减速车道长度，l 为交织长度。 所以，可以得到各组合模式下匝道间距的组成，如表2 1 所示： l o 第二章匝道出入口间距的影响因素分析 表2 1 匝道间距组成 匝道组合模式 匝道出入口间距组成 模式i ( “入一入”模式) 三= 厶 模式i i ( “出一出”模式) 三= 厶+ 厶 模式i i i ( “出一入”模式) 三= 丘 模式i i v ( “入一出”模式) 三= 厶+ 丘+ 厶 模式i i v ( “入一出”模式) 厂一， - 一l w 2 3 匝道出入口间距的影响因素 匝道间距是影响高速公路主线运行状况的关键因素，受很多因素影响，比如经济因素、 技术因素、地理因素等。由于匝道出入口间距的影响因素很多，很难协调各个因素进行科学 的研究，且综合各因素的研究也不可能达到满足实际的要求，故本文不考虑影响匝道间距的 经济、地理等因素，主要从技术角度，以保证安全为前提，假设满足交通顺畅、交通流合理 分布、经济合理、匝道与地形协调等，在此基础上研究适宜的最小间距。 因此本文考虑的几个匝道间距的影响因素为：速度，车道数，交通量以及目标服务水 平。 2 3 1 速度 设计速度的大小与匝道出入口之间的间距有着密切关系，在确定加减速车道长度、标 志设置长度、交织段长度时，速度都是计算的的必要参数，在本研究中，需要确定的速度不 仅仅只是主线速度，还有匝道速度，在不同的设计速度条件下，特定服务水平的运行速度是 不同，一般来说，可以通过现场测量获得较大样本量下的统计值，按速度敏感度不同选取平 均速度或者8 5 位运行速度。 我国公路通行能力手册u 副将速度的衡量指标分为三种： ( 1 ) 平均行驶速度( a v e r a g en l n n i n gs p e e d ) ：又称为区间平均速度，定义为：路段长 度除以车辆经过该路段所花的平均行驶时间。“行驶时间”只包括车辆在行驶中所花费的时 间，不包括停车延误时间。 ( 2 ) 平均行程速度( a v e r a g en 删e ls p e e d ) ：路段的长度除以车辆经过该段路的平均行 程时间，其中包括所有停车延误时间。 ( 3 ) 时间平均速度：这是通过公路上某一点所有车速的算术平均值，也称为“平均 点速度”。记录下通过某一点的各车车速，取其算术平均值。 计算平均行程速度系采取道路的一段长度三，除以车辆通过该路段的平均行程时间。因 此，如果有n 辆车，通过路段的长度为l ，测得车辆的行程时间为：，乞，气，行程时 第二章匝道出入口间距的影响冈素分析 间包括车辆行驶时间和延误时间，平均行程速度可按式( 2 1 ) 进行计算。 圪：l = 善 ( 2 - 1 ) 。s疗n 、二。， ，z 扭l 扛l 其中，以平均行程速度( 1 ( i t 油) ； 三一公路路段长度( k m ) ： 六一第i 辆车通过该路段的行程时间( h ) ； ，z 一观测行程时间的次数。 平均行驶速度是距离除以通过此距离的平均行驶时间，平均行驶时间只包括车辆处于 运动中的时间。从概念上二者有明确区分的，但是对于在非阻塞条件下运行的连续流设施， 平均行程速度和平均行驶速度是相等的，且二者都可以认为是区间平均速度，在统计意义上， 都是计算一定区间内的平均速度。由于本研究的一个前提条件便是出入口之间车辆是连续 流，有较高的服务水平，所以平均行驶速度和平均行程速度基本是相等的。 利用雷达测速仪或其他设备可观测地点速度，地点速度的算术平均值就是时间平均速 度。时间平均速度通常比相应的区间平均速度大l 7 l ( 1 1 1 l l ，但随着速度的提高，两者之间的 差异变小，即区间平均车速接近于时间平均车速。时间平均速度通常不适于评价间断流交通 设施，因为交通中断所损失的运行时间是评价间断流交通设施重要组成部分。另一方面，通 过计算地点速度的调和平均值，可以得到区间平均速度，也就是说可以通过地点车速计算区 间速度。手册推荐的时间平均速度k 和区间平均速度k 之间的经验关系如下式( 2 2 ) ： 矿= 1 0 2 6 形一1 8 9 0 ( 2 - 2 ) 具体的速度确定详见第三章。 速度对于出入口间距的影响体现在以下几个方面： ( 1 ) 地点速度即时间平均速度是决定加减速车道长度的关键因素，本文对于加减速车 道长度的计算需要确定加减速起点和终点等多个点的时间平均速度； ( 2 ) 区间平均速度对标志设置长度有密切关系，标志长度简单的说就是区间平均速度 乘以行驶时间。 2 3 2 车道数 车道数与匝道出入口间距有着直接的关系，我国高速公路主线的车道设置数量按不同 的设计速度分为双向4 车道、6 车道、8 车道三种。 匝道断面类型按照公路路线设计规范( j t gd 2 0 _ 2 0 0 6 ) 规定分为i 、i i 、i i i 、i v 四 种类型，其中i 型匝道为单车道：i i 、i i i 型匝道为双车道( i i l 型设供紧急停车用硬路肩) ； 型对向分隔式双车道，常规的匝道类型为i 、i i 、l i i 型，本文对于匝道车道数的分类做相 应简化，即简化为单车道和双车道两类。 车道数影响出入口间距有三个方面： ( 1 ) 车道数决定着内侧车道车辆的变道时间，所以也决定着标志设置的距离； ( 2 ) 匝道车道数决定着允许进入主线的交通量大小，从而影响了交织流量，故影响着 1 2 第二章匝道出入口间距的影响因素分析 最小交织长度。 理论上说不同车道数的匝道和不同车道数的主线之间的组合有很多种种方式，但是一 些组合方式是不合理或者是很罕见的，所以，本文结合我国高速公路设计的现状，选取典型 的车道数组合模式进行分析，这部分将在本章匝道出入口间距模型的分类一节中进行具体分 析。 2 3 3 交通量 交通量和流率都是描述规定时间间隔内，通过一条车道或道路某一断面的车辆数的度 量值，但是又有所区别： 交通量是指在已知时间间隔内，通过一条车道或道路某一点或某断面的车辆总数。可 分为年交通量，日交通量，小时交通量或不足一小时时段的交通量，如1 5 分钟交通量、5 分钟交通量等。 流率是指在给定不足1 小时的时间间隔( 通常为1 5 分钟) 内，通过一条车道或道路的 指定断面的当量小时流率。 交通量和流率的大小对于交织区的长度确定有很大的决定作用。交通量直接决定着交 织区的交织强度系数，一般说来，交织强度大，则交织区长度长；交织强度小，交织区长度 则相对较小。本文出入口间距都是在特定服务交通流量条件下选取的。 在计算交织区长度时，与交通量有关的参数有： ( 1 ) 交织段内总的交通流率，记做q ，辆小客车小时( p c u 1 1 ) ； ( 2 ) 交织段外侧或非交织流率中的较大者，记做q 0 l ，辆小客车小时( p c u 1 1 ) ； ( 3 ) 交织段外侧或非交织流率中的较小者，记做q 0 2 ，辆小客车孙时( p c u 1 1 ) ； ( 4 ) 交织段交织流率中的较大者，记做瓯l ，辆小客车小时( p c u m ) ： ( 5 ) 交织段交织流率中的较小者，记做瓯2 ，辆小客车，j 、时( p c u 1 ) ； ( 6 ) 交织段内总的交织流率，记做瓯= 瓯l + 瓯2 ，辆小客车小时( p c u 1 1 ) ； ( 7 ) 交织段内总的非交织流率，记做= 蜴l + q 2 ，辆小客车，j 、时( p c u 1 1 ) ； ( 8 ) 流量比，交织段内交织流率和总流率的比率，记做级= 瓯q ： ( 9 ) 交织比，交织段内较小的交织流率和总交织流率的比率，记做r = 瓯2 q ； h c m 2 0 0 0 与我国公路通行能力手册n 3 1 都对以上各个参数的取值范围或者计算 有较为详细的说明。 2 3 4 车流密度和服务水平 服务水平是衡量交通设施提供的运行质量好坏的定性指标。服务水平定义为衡量交通 流内的运行条件及其为驾驶员和乘客提供服务质量的一种衡量指标，通常与行车速度、行驶 1 3 第二章匝道出入口间距的影响因素分析 时间、驾驶自由度、交通阻塞程度以及舒适和方便程度等因素有关。 车流密度是指单位长度的车道或道路中的车辆数，单位为辆肥n ，通常是指一定时间段 内单位长度的车道或道路中车辆数的平均值。它是描述交通流运行状态的重要参数。它可以 直观地反映车辆之间相互接近的程度，反映驾驶员操作的自由度。 我国公路通行能力手册将服务水平分为四级，分别是一级( 自由流) 、二级( 稳定 流上段) 、三级( 稳定流) 、四级( 饱和流) 、四级( 强制流) 。 不同路段不同服务水平条件对应的车流密度有所不同，密度是确定服务水平的评价指 标，我国服务水平与车流密度的对应关系见表2 2 ： 表2 2 服务水平与车流密度对应表 路段类型服务水平 密度范围 一级( 自由流) 7 o 二级( 稳定流上段)1 8 0 基本路段三级( 稳定流)2 5 0 ( 饱和流) 4 5 0 四级 ( 强制流) 4 5 o 一级( 自由流)7 0 交织区和 二级( 稳定流上段) 1 8 0 三级( 稳定流)2 5 o 合、分流区 四级 ( 饱和流)4 0 o ( 强制流) 4 0 0 车流密度的通过平均行程速度k 和流率q 计算，如式( 2 3 ) ： q = 圪k ( 2 - 3 ) 其中：q 一流率( 辆几) ； 圪平均行程速度( k i n 1 1 ) ； k 一密度( 辆k m ) 。 2 4 匝道出入口模型的分类 基于前一节所分析，匝道间距的组成分为两大类，即以是否设置辅助车道作为区分， 两者的计算原理是不同的，本节依据本章前面分析的影响因素( 设计速度、主线车道数、匝 道车道数) 和四个组成要素，分析匝道出入口模型的具体分类。 2 4 1 不设辅助车道的匝道出入口模型分类 我国公路路线设计规范( j t gd 2 0 2 0 0 6 ) 对于高速公路车道平衡有明确要求：“高 速公路保持基本车道连续的路段，当互通式立体交叉的匝道车道数大于1 时，出、入口应增 设辅助车道”，即不设辅助车道的情况下，匝道的车道数必须是单车道。那么，当不设置辅 助车道时，出入口模型的分类是在匝道单车道的前提下，考虑不同设计速度和主线车道数。 1 4 第二章匝道出入口间距的影响因素分析 根据目前国内高速公路建设的现状，遵循普遍性原则，确定各个分类如下表2 3 ： 表2 3 不设辅助车道的匝道出入口模型分类 主线类别 匝道类别主线设计速度( 1 ( 1 l 忱) 1 2 0 双向四车道单车道 1 0 0 8 0 1