（道路与铁道工程专业论文）高速公路互通式立交最小间距研究.pdf

摘要 互通式立体交叉是高速公路的重要组成部分，它在高速公路与高速公路或高速公路 与干道公路交叉起着转换交通流量、梳理和控制车流的作用，对周围地区交通量的吸引 与分配、物资的运输与集散具有重大的影响，对促进地区经济的发展和居民生活水平的 提高具有深远的意义。然而，由于区域经济的发展使得国家高速公路网和地方公路网交 错布置，为实现交通流的转换而又必须设置互通式立交时，容易出现近距离“互通式立 交群，导致道路的拥堵和交通事故，所以互通式立交区域是整个高速公路系统的瓶颈 路段。为提高互通式立交区域的通行能力、营运效益、安全性等，本文力图从宏观和微 观的交通流理论研究高速公路互通式立交的最小间距。 首先对高速公路互通式立交的间距进行了定义，并分析了影响互通式立交间距的因 素，包括交通密度、分合流区及交织区的交通流特性、交通标志和信号的布置、驾驶员 的舒适性、经济因素和环境景观等；然后通过收集全国百余处互通式立交的设计资料， 充分考虑设计存在的时间和地域差异性，统计分析我国主要互通式立交的构造长度，并 与模型值进行比较验证，确定不同类型互通式立交的构造长度。 对于独立的两相邻互通式立交间距的确定，是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，考虑驾驶员最不利的行驶方式，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最小间距的确定，首先运用 我国公路通行能力手册对交织区的运行状况分析方法，以密度作为评价运行质量的 主要效率指标，在满足目标服务水平( 二级服务水平) 时的交织段长度作为确定辅助车 道最小长度的控制条件；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 为建模 工具，在选取评价指标并建立评价体系的基础上，分析满足目标安全等级( 较安全) 的 辅助车道最小长度，最后比较验证满足目标服务水平和目标安全等级的最不利情况作为 辅助车道的最小长度，进而确定互通式立交的最小间距。 论文的研究为系统地解决互通式立交区域交通问题提供了有力的理论指导与参考， 并对现有规范有关互通式立交间距的规定进行技术更新提供了新方法、新思路，具有一 定的现实意义。 关键词：高速公路互通式立交最小间距交通流理论交通冲突技术 a b s t r a c t i n t e r c h a n g ei sa n i m p o r t a n tp a r to ft h ef r e e w a y , w h i c hp l a y st h er o l eo ft r a f f i c t r a n s f o r m a t i o n ，g r o o m i n ga n dc o n t r o l l i n gb e t w e e nf r e e w a ya n dt h ef r e e w a yo rf r e e w a ya n d t r u n k i ti so fs i g n i f i c a n ti n f l u e n c et ot h et r a f f i ca t t r a c t i o na n dd i s t r i b u t i o n ，t r a n s p o r t a t i o na n d d i s t r i b u t i o no fm a t e r i a l so ft h es u r r o u n d i n ga r e a s ，i ta l s oh a saf a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c eo n p r o m o t i n gr e g i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r do ft h e p e o p l e h o w e v e r , d u et o t h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to ft h er e g i o n , t h en a t i o n a lf r e e w a y n e t w o r ka n dl o c a lr o a dn e t w o r ks t a g g e r e da r r a n g e m e n t i no r d e rt oa c h i e v et h ec o n v e r s i o no f t r a f f i cf l o w , w em u s ts e ti n t e r c h a n g e i ti se a s yt oo c c u r “i n t e r c h a n g eg r o u p ”a tc l o s er a n g e ， w h i c hw i l ll e a dt or o a dc o n g e s t i o na n dt r a f f i c ，s oi n t e r c h a n g er e g i o n a li st h eb o t t l e n e c ko ft h e w h o l ef r e e w a ys y s t e m i no r d e rt oi m p r o v i n gt h ec a p a c i t y , o p e r a t i o n a le f f i c i e n c y , s e c u r i t yo f t h er e g i o n ，t h i sa r t i c l es e e k st os t u d yo fm i n i m u ms p a c i n go ff r e e w a yi n t e r c h a n g e sf r o mb o t h t h e m a c r o - t r a f f i ca n dm i c r o - t r a f f i cf l o wt h e o r ya n dt h em i c r oo fi t t h i sa r t i c l ef i r s td e f i n e sf r e e w a yi n t e r c h a n g es p a c i n ga n da n a l y s e st h ef a c t o r st h a t i n f l u e n c ei t , i n c l u d i n gt r a f f i cd e n s i t y , s u b m e r g i n ga n dw e a v i n ga r e ac h a r a c t e r i s t i c so ft h e t r a f f i cf l o w , t r a f f i cs i g n sa n ds i g n a l so ft h el a y o u t ，t h ed r i v e r sc o m f o r t 、e c o n o m i cf a c t o r sa n d e n v i r o n m e n t a ll a n d s c a p e ，e t c t h e nb yc o l l e c t i n gd e s i g n e di n f o r m a t i o no fm o r et h a nh u n d r e d s o fi n t e r c h a n g e s ，f u l l yc o n s i d e r e dt h ed e s i g nt i m ea n dg e o g r a p h i c a ld i f f e r e n c e s ，s t a t i s t i c a l l y a n a l y z i n gt h es t r u c t u r el e n g t ho ft h ei n t e r c h a n g e si no u rc o u n t r y , c o m p a r e d 谢t i lt h em o d e l s ， a tl a s td e t e r m i n e dt h em i n i m u ms t r u c t u r el e n g t ho fd i f f e r e n ti n t e r c h a n g e f o rt w oi n d e p e n d e n ta d j a c e n ti n t e r c h a n g e s ，t h em i n i m u mi n t e r c h a n g es p a c i n gi s d e t e r m i n e db a s e do nt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o a du s e r s ，d r i v i n gc o m f o r ta n dr o a d t r a f f i cc o n d i t i o n s ，c o n s i d e r i n gt h em o s td i s a d v a n t a g e dd r i v i n gm a n n e rt od e t e r m i n e dt h e m i n i m u ms e p a r a t i o nb yu s eo fl a n e c h a n g i n gt h e o r y t h ed e t e r m i n a t i o no ft h a tt w oa d j a c e n t i n t e r c h a n g e sl i n k e db ya u x i l i a r yl a n e sw h i c hw a sd e t e r m i n e d f i r s t ，b yu s eo ft h em e t h o do f a n a l y s i sw e a v i n ga r e a si n ”h i g h w a yc a p a c i t ym a n u a l ”o fc h i n a , l o o ko nt r a f f i cd e n s i t ya st h e m a i ni n d i c a t o r so fe f f i c i e n c yt oe v a l u a t et h eo p e r a t i n gq u a l i t y ，m a k ew e a v i n g l e n g t hm e e t i n g t h et a r g e ts e r v i c el e v e l s ( s e c o n dc l a s sl e v e lo fs e r v i c e ) a sac o n t r o l l i n gc o n d i t i o nt od e t e r m i n e i i t h em i n i m u ml e n g t ho fa u x i l i a r yl a n e ；t h e nb a s eo nt r a f f i cc o n f l i c tt e c h n o l o g y , m a k e m i c r o t r a f f i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ev i s s i ma sm o d e l i n gt o o l s ，a n a l y s i st h em i n i m u ml e n g t ho f t h ea u x i l i a r yl a n em e e t i n gt h et a r g e tl e v e lo fs e c u r i t y ( m o r es e c u r e ) b a s e do ne v a l u a t i o no ft h e s e l e c t e d i n d i c a t o r sa n dt h ee s t a b l i s h m e n to fe v a l u a t i o ns y s t e m f i n a l l yc o m p a r e dt h em o s t d i s a d v a n t a g e dc o n d i t i o nt h a tm e e t i n gt h eo b j e c ts e r v i c ea n ds e c u r i t yl e v e la st h em i n i m u m l e n g t ho fa u x i l i a r yl a n e ，a n dt h e nd e t e r m i n e dt h em i n i m u mi n t e r c h a n g e ss p a c i n g t h er e s e a r c ho ft h ep a p e rp r o v i d e ss t r o n gt h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dr e f e r e n c ef o r s y s t e m a t i c a l l ys o l v i n gt r a f f i cp r o b l e m o ft h er e g i o no fi n t e r c h a n g e s ，a n da l s oo f f e r ss o m en e w m e t h o d sa n di d e a st ot h ee x i s t i n gs p e c i f i c a t i o nr e l a t i n gt oi n t e r c h a n g e ss p a c i n g ，w h i c hh a s s i g n i f i c a n c et os o m ee x t e n t k e yw o r d s ：f r e e w a yi n t e r c h a n g e m i n i m u ms p a c i n gt r a f f i cf l o wt h e o r y t r a f f i cc o n f l i c tt e c h n i q u e i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：繇2 0 0 9 移月龆 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 力d 7 年r 月丛m 砂秒产厂月加 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着我国经济的快速发展，高速公路建设规模实现了跨越式的发展。互通式立交是 高速公路的重要组成部分，它在高速公路与高速公路或高速公路与干道公路交叉起连接 作用，并具有空间多层结构形态和立体交通转移功能作用的设施。作为高速公路网中的 枢纽和结点，互通式立交起着转换交通流量、梳理和控制车流的作用。高速公路互通式 立交间距是高速公路规划和立交布局研究的重要内容，立交间距直接影响到立交的布 局、数量、位置、投资以及立交的形式选择，同时也影响到高速公路高效、连续、稳定 车流的运行状态和区域经济的发展。立交间距过大，虽然减少了投资，但是不能满足区 域交通需求，不利于交通流的转换和高速公路网功能的发挥；立交间距过小，会影响到 高速公路的服务水平、通行能力和交通安全，同时，也增加了投资。所以，高速公路的 规划与立交的布局规划应详细分析并妥善处理立交间距，根据交通、经济、技术条件综 合研究论证后确定。 我国高速公路经过二十多年的建设，由于区域经济的发展和国家高速公路网与地方 公路网规划交错布置，为实现交通流的转换而又必须设置互通式立交时，容易出现近距 离“互通式立交群”，如申嘉湖高速公路鹿山枢纽互通式立交区域，温州绕城高速公路 北线北白象枢纽互通式立交区域，嘉兴至绍兴跨江通道起点嘉兴枢纽互通式立交区域， 大广高速、沪渝高速、福银高速共用段花湖西互通立交区域和西安绕城高速公路互通式 立交群等，这些互通式立交群一方面间距不能满足规范的规定值，另一方面不能满足高 速公路功能的发挥和互通式立交对交通流的转换和梳理作用。从而导致立交区域交通的 混乱，通行能力降低和交通事故增加，所以互通式立交区域是整个高速公路网中的瓶颈 路段。 目前，在我国高速公路的建设中，指导其规划和设计的主要依据是公路工程技术 标准【1 】和公路路线设计规范【2 】。在涉及到互通式立交的相关内容中，虽然对互通 式立交的间距做了具体的规定，如大城市、主要产业区附近宜为5 l o k m ，其他地区为 1 5 2 5 k m ；相邻互通式立体交叉的间距，不应小于4 k m ，最大不宜大于3 0 k i n 。但我国 对互通式立交间距的规定是参考国外的相关研究成果，由于我国公路发展现状、交通流 特点以及驾驶员行为等独特性，国外的成果不一定适合我国国情。目前对于互通式立交 第一章绪论 间距的研究只在少量的论文中出现，其内容多为具体立交的设计总结，对形式的研究仅 限于对特点的论述，缺乏对现有立交的统计分析，没有对高速公路互通式立交间距进行 全面性和系统性的专题研究。 在进行高速公路规划与互通式立交布局规划中，为提高互通式立交区域的服务水 平、营运效益、交通流的连续性以及行车的安全性，并对规范进行技术更新，从宏观和 微观的交通流角度研究互通式立交最小间距成为亟待解决的问题。这就是本论文研究的 背景和意义所在。 1 2 国内外研究现状 1 2 1国外研究现状 国外对于互通式立交最小间距的研究开展的比较早，是在对基本路段、交织区和匝 道与主线连接处的通行能力、服务水平以及交通安全研究的基础上进行的，其成果己汇 集到公路设计的相关标准规范中，如日本的高速公路设计要领1 3 】和乡村公路设计 指南，美国的公路与城市道路几何设计和道路通行能力手册【4 j 等。 美国在互通式立交间距研究方面起步较早，在道路通行能力手册( h c m 2 0 0 0 ) 中，第2 2 章对高速公路系统，第2 3 章对高速公路基本路段，第2 4 章对高速公路交织 区，第2 5 章对匝道与匝道的连接点都做了详细研究。美国国家合作公路研究项目 ( n c h i 心) 在2 0 0 4 年对互通立交周边交叉口路径管理也做了研究报告。研究表明，互 通式立交的最小间距随互通式立交的形式、匝道形式和是否有集散车道而不同；互通式 立交的间距对高速公路直行车流有较大影响，且对当地发展有直接关系，尤其在城市发 展较为集中的地区，因为交通需求在不断发生变化，所以要确定合适的互通式立交的间 距是困难的。 德国对相邻互通式立交最小间距的规定充分地考虑了预告标志设置距离的要求，但 不是以此作为控制因素，而是根据互通式立交流入流出的交通要求及其几何构造作为控 制因素。在路网密集地区，互通式立交的最小间距根据交织长度的需要而取值较普遍。 在乡区公路设计指南中，还列出了不同形式的互通式立交可能会有不同的最小间距 的图式，这给标准的使用者提供了更为灵活的空间。 其他各国通过对互通式立交通行能力、匝道、标志标牌设置、交通安全等方面的研 究，也都制定了符合各国国情的互通式立交最小间距标准，表1 1 所示为部分国家互通 式立交最小间距的规定。 2 长安大学硕士学位论文 表1 1 各国互通式立交最小间距规定 互通式立交最小间距( k m ) 序号国家 一般值最小值 城市 1 6 1 美国 乡区 3 2 城市1 5 4 0 2日本 乡区 4 0 洲际公路相邻互通立交3 5 4 5 3德国 带次干道相邻互通立交2 5 - 3 5 1 9 2 4 地方道路相邻互通立交 2 o 2 5 城市i 5 - - , 2 0 4 澳大利亚 乡区5 0 8 0 城市 32 5 加拿大 乡区 3 1 2 2 国内研究现状 我国对互通式立交最小间距的研究起步较晚并且较少，多集中于互通式立交各组成 彳。 部分的通行能力、交通流特性与行为、交织区交通安全、设计标准等方面的研究。从上 世纪8 0 年代开始，交通部公路研究所、公路规划研究院、同济大学、北京工业大学、 东南大学等有关科研单位，在学习借鉴国外有关通行能力研究方法及内容的同时，也针 对我国国情进行了相应的较为深入的研究，如公路通行能力手册 s l 和高速公路分 合流区辅助车道长度设计标准1 6 j 。 我国对于城市快速路互通式立交交通流特性进行了初步的研究，如北京工业大学的 贺玉龙、刘小明、任福田，根据北京快速路( 三环路) 的观察数据，分析了影响城市快 速路互通式立交间距的因素，根据道路使用者的心理特性，考虑驾驶员的最不利驾驶状 况，并与交通条件相结合，提出了城市快速路互通式立交最小间距的计算方法【j 7 1 。东南 大学的石小法、李文权、李铁柱等利用概率论方法，在理论上研究高速公路加速车道的 设置方法，提出了一种设置加速车道长度和算法【8 】。东南大学李文权、王炜等对高速公 路合流区加速车道上车辆的汇入特征进行了调查分析，在对大量调查数据进行分析处理 的基础上运用微分法建立了匝道车辆的汇入模型和行驶距离模型【9 j 。东南大学的李铁柱、 李文权根据实际调查，分析了高速公路加减速车道的合流( 分流) 区车辆的速度、加速 度、合流点分布、汇入间隙等交通特性【l0 1 。天津市市政工程设计研究院的朱兆芳在城市 快速环线设计标准的研究中，对设计车速、横断面布置、通行能力、立交间距等因素进 行了分析【l 。长沙理工大学的龙科军，同济大学的杨晓光等，根据城市快速路匝道的特 第一章绪论 点，应用驾驶员行为理论，模拟了驾驶员在城市快速路匝道上的驾驶行为，通过分析匝 道组合模式、计算匝道加减速车道长度以及车流从匝道汇入主线后由于车流变道而形成 交织车流长度，确定匝道最小间距【1 2 1 。 由华杰工程咨询有限公司负责编制的公路项目安全性评价指南( j t j 厂r b 0 5 2 0 0 4 ) 0 3 j ，对于高速公路出现互通式立交间距小于规范规定值的情况下，可根据互通式 立交转弯交通量、互通式立交间交织段长度、匝道的技术指标等方面，对互通式立交运 行的安全性进行评价，但对各种互通式立交在多大的最小间距下能保证安全运行方面缺 乏研究。 我国现有规范中有关高速公路互通式立交最小间距的规定是参考国外经验值设定 的。随着我国经济的发展，国家高速公路网和地方公路网的交错布置，近距离的“互通 式立交群 逐渐增多，立交区域的交通问题凸显，改善互通式立交交通瓶颈问题对于提 高高速公路的通行能力和服务水平有重要作用。研究符合我国的交通流特性的互通式立 交最小间距意义重大，本论文力图从宏观和微观的交通流角度分析研究影响互通式立交 间距的因素，并得出不同连接方式的互通式立交最小间距的计算方法。 1 3 研究的主要内容 1 、分析互通式立交最小间距的影响因素 分析互通式立交间距的影响因素，包括交通密度、匝道的几何布置及分合流区及交 织区的交通特性、标志和信号的布置、驾驶员的舒适度、经济因素及环境景观。通过对 诸多因素的分析，对影响互通式立交最小间距的主要因素进行筛选，将其用数学方法描 述，为确定互通式立交最小间距提供依据。 2 、互通式立交类型与几何尺寸的调查与分析 在研究总结我国高速公路发展现状的基础上，搜集了大量的互通式立交设计资料， 并对其基本路段、分合流区、交织区的车辆运行状况进行了调查，统计、筛选、分析和 研究调研资料，确定不同互通式立交类型的构造长度以及不同连接方式和不同连接组合 应采用的研究方法。 3 、基于交通流理论的互通式立交最小间距研究 在相邻互通式立交连接方式分类的基础上，通过对互通式立交最小间距影响因素的 分析，确定了不同连接方式下最小间距的计算方法。对连接方式为独立的相邻互通式立 4 长安大学硕士学位论文 交，采用识别交通标志而进行的变换车道行为建立互通式立交最小间距模型；对于连接 方式为辅助车道相连的相邻互通式立交，运用公路通行能力手册中计算通行能力和 服务水平的办法，反推互通式立交在满足互通式立交区域应有的服务水平的前提下交织 区长度，进而计算以辅助车道相连的相邻互通式立交最小间距。 4 、基于交通冲突技术的互通式立交最小间距研究 互通式立交问路段的车流关键运行特征是分流、合流以及交织运行，使运行在分合 流影响区和交织影响区的车流容易引起交通冲突，影响行车的安全性。本文从交通安全 的角度分析研究交通冲突与互通式立交间距之间的关系。对于连接方式为辅助车辆相连 的相邻互通式立交，交织区车流存在交织运行，其交通流运行特征及几何造型指标不同 于分合流区，为了更加客观地反映交通安全，选择冲突数与交织区交通需求总量、交织 区长度的比值即冲突率f 作为交织区交通安全的评价指标，在评价指标的基础上通过聚 类分析将交织区的安全水平进行分级，然后通过模糊评价的办法将分级的安全水平进行 ， 量化，最后根据相邻互通式立交交织区构型和连接方式计算不同交织区长度下安全等 级，在满足互通式立交区域目标安全等级的前提下，计算出以辅助车道相连的相邻互通 式立交最小间距。 5 、应用与算例 本文通过计算北白象枢纽互通式立交交织区的密度和冲突率，分析评价未进行交通 干预情况下现状的服务水平和交通安全性，比较验证该枢纽互通立交间距是否与理论分 析的模型计算结果一致；具体分析不同的交通干预措施下( 包括道路条件干预和交通流 干预) 交织区的车流运行情况，进而选择服务水平和安全性最高的交通改善措施。 1 4 研究的方法 1 、统计分析方法 统计分析是指运用统计方法与分析对象的相关知识，从定量与定性结合上进行的研 究活动。它是在统计设计、统计调查、统计整理的基础上通过分析从而达到对研究对象 更为深刻的认识。统计分析是研究交通问题最传统和最普遍使用的方法，通过统计调查 交通现象，整理实测数据，分析交通现象与实测数据的关系，得出交通规律。本文中在 确定互通式立交的构造长度和分析互通式立交区域的交通流特性时采用了这种分析方 法。 第一章绪论 2 、概率论分析方法 概率论的分析方法研究随机现象的统计规律性，是人们理解现实世界非确定性的重 要数学工具。在研究交通问题时，概率论作为一种最基本方法已被广泛的采用。由于交 通现象是纷繁复杂的，表面上看来无任何规律可寻，但无论是交通现象本身，还是影响 交通流特征的各种因素，都近似符合某种特定分布。概率论方法是解决交通问题的重要 手段，本文在确定互通式立交的构造长度和分析互通式立交区域的交通流特性时采用了 这种分析方法。 3 、计算机仿真分析方法 计算机仿真是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真系统的模型，并在某些实验 条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束 较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统( 尤其是 复杂系统) 的重要工具。 计算机仿真是以系统理论、随机性理论和优化理论为基础，通过计算机和模拟系统 软件，对现实系统或未来系统进行动态实验研究的理论和方法。由于交通现象具有随机 性、不确定性等特点，不能用解决确定性问题的方法来求解交通问题。在交通系统中， 对于外界影响因素比较少，系统内各组成部分相互作用规律容易掌握的情况，仅仅用概 率论方法就可以对系统做出比较透彻的研究。但由于交通系统组成复杂，系统内各个部 分间相互作用关系也很复杂，用概率论的方法很难将各种影响因素考虑完全。因此，应 用计算机仿真的方法来模拟系统的状态变化，进而详细观察系统在各个时刻的运行状 态，掌握系统内各影响因素的规律性。本文在基于交通冲突技术的互通式立交最小间距 研究中，采用了v i s s i m 软件进行微观交通仿真交织区的交通冲突情况。 1 5 研究的技术路线 通过全面分析国内外有关互通式立交最小间距的研究现状，广泛收集国内互通式立 交样本，深入调查互通式立交区域车辆运行状况，统计分析互通式立交的类型及交通流 特性与行为，有效借鉴国内外的研究成果，综合运用交通运输工程、交通安全工程、数 理统计等多学科知识，建立高速公路互通式立交间距与通行能力、服务水平、交通安全 的关系，为我国互通式立交规划、设计规范的更新提供理论参考。论文研究的技术路线 图如图1 1 所示： 6 长安大学硕士学位论文 i 6 研究的主要结论 图1 1 研究技术路线图 ( 1 ) 分析影响高速公路互通式立交的因素包括：交通密度、匝道几何布置及分流 区、合流区和交织区的交通特性、交通标志和信号的布置、驾驶员舒适性要求、经济因 素和环境景观。 ( 2 ) 对于独立的两相邻互通式立交间距的确定，是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，采用车道变换理论， 将影响因素标志布置要求采用数学方法描述，建立互通式立交最小间距模型。 ( 3 ) 对于以辅助车道相连的相邻互通式立交，首先运用我国公路通行能力手册 对交织区的运行状况分析方法，以密度作为评价运行质量的主要效率指标，在满足目标 服务水平( 二级服务水平) 时的交织段长度作为确定辅助车道最小长度的控制条件；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 为建模工具，在选取评价指标并建 立评价体系的基础上，分析满足目标安全等级( 较安全) 的辅助车道最小长度，最后比 较验证满足目标服务水平和目标安全等级的最不利情况作为辅助车道的最小长度，进而 确定互通式立交的最小间距。 7 第二章互通式立交间距的影响因素 第二章互通式立交间距的影响因素 本章通过对互通式立交间距的定义，分析不同连接方式相邻互通式立交间距的组 成，明确各组成部分的计算方法；通过对互通式立交间距影响因素的剖析，选定主要影 响因素，为后面章节计算互通式立交最小间距提供依据。 2 1 互通式立交间距的定义 立体交叉是两条或多条路线在不同平面上相互交叉连接的人工构造物。立体交叉是 在平面交叉不能解决道路交通拥挤、服务水平低的情况下产生的，发端于城市道路，发 展于高速公路。它具有以下优点：保证交通安全；提高行车速度，减少时间延误；大大 提高交叉口的通行能力；具有较强的管理功能；具有较强的设施功能。因此立体交叉是 高速公路必不可少的组成部分。 根据交通功能和匝道的布置方式，立体交叉又分为分离式立交和互通式立交。分离 式立交是指相交道路在空间上分离，上、下道路间无匝道连接的交叉形式；互通式立交 是指相交道路在主交叉点以分离式立交跨越，而相交道路上的车辆跨越通过匝道实现各 方向的车辆转移，由于这种立体交叉车辆可转弯行驶，全部或部分消除了冲突点，各方 向行车干扰小，行车安全、迅速，通行能力大。 互通式立交根据相交道路的等级和设计指标的大小分为一般互通式立交和枢纽互 通式立交。枢纽互通式立交一般为高速公路与高速公路之间的交叉，其匝道无收费站等 设施，且应保证所有交通流无交叉冲突，也不得合并设置收费站。本文研究对象是设置 在高速公路上的一般互通式和枢纽互通式立体交叉；一般互通式立交为除枢纽互通式立 体交叉之外的其他互通式立体交叉，常用于高速公路或一级公路与双车道公路之间的交 叉，允许合并设置收费站或在被交叉公路的匝道端采用平面交叉。 互通式立交的最小间距是在保证相邻互通式立交之间的交通流稳定、设计服务水平 和交通安全的前提下交通运行要求的距离。在本论文中，互通式立交的间距根据国内标 准、规范和设计惯例被定义为：相邻互通式立交主线间距，即两条横向道路和主线交叉 点的距离，如图2 1 所示： 8 长安大学硕士学位论文 一k 乃 w 炫； 。蚊一 置道层长度i 瓣蝴i蝴臣i 翻车蠢诅l 臣础一 - - 4 相锻屯捐压例 j 图2 1 相邻互通式立交间距示意图 各组成部分说明如下： ( 1 ) 互通式立交构造长度、匝道区长度、变速车道长度均指相对应主线长度； ( 2 ) 单侧构造长度为构造长度的一半； ( 3 ) 变速车道长度一般取值为规范规定的最小值； ( 4 ) 匝道区长度指交叉点( 主线和横向道路交叉) 与变速车道起点( 或终点) 对 应主线的长度。 我国公路通行能力手册中指出，匝道连接处或交织区对直行交通的影响范围认 为： ( 1 ) 进口匝道：从匝道连接处起，其上游1 5 0 m ，下游7 6 0 m 的范围为进口匝道影 响范围； ( 2 ) 出口匝道：从匝道连接处起，其上游7 6 0 m ，下游1 5 0 m 的范围为出口匝道影 响范围； ( 3 ) 交织区：合流点上游1 5 0 m 为交织区的起点，分流点向下游1 5 0 m 为交织区的 终点。 2 2 互通式立交间距的影响因素 高速公路互通式立交的建设，对区域路网交通的重新分配特别是对周围地区交通量 吸引和出入的控制有很大的影响；并对物资的调整及其重新组合产生一定的影响；同时 影响着周围地区区域经济的开发，如吸引新的工业和商业的形成，刺激农业的发展；还 会对周围居民引起收入的增加和就业机会的增多，人口的积聚等；而且互通式立交会成 9 第二章互通式立交间距的影响因素 为当地的一个新风景点。鉴于互通式立交对周边地区的影响，对互通式立交的规划与设 计应充分地考虑与相邻互通式立交的间距。 2 2 1交通密度 相邻互通式立交的间距主要取决于路段交通流的密度。合理的立交间距应能均匀地 分散路段交通流量，并与相邻互通式立交之间所负担的交通要保持平衡，不能形成一处 立体交叉交通量过分集中，另一处立体交叉的交通量稀少，使整个高速公路和区域的交 通流量分配不协调。因此，为了充分发挥高速公路的交通功能，确定互通式立交的合理 的间距是很重要的。 公路通行能力手册根据效率指标对交通运行状况和运行质量的敏感程度，选择 了能反映交通设施运行质量的参数作为衡量该交通设施服务水平的评价指标，而高速公 路选取了密度作为确定服务水平的效率指标。表2 1 列出了我国和美国对于高速公路基 本路段、交织区、匝道与匝道连接点服务水平的划分标准和密度范围。 表2 1 服务水平标准比较表 美国中国 密度范围密度范围 服务水平服务水平 ( p c u k m 车道)( p c u k m 车道) a0 7一级( 自由流) 0 7 b 7 1 1二级( 稳定流上段) 7 1 8 c 1 1 1 6三级( 稳定流) 1 8 2 5 基本路段 d 1 6 2 2饱和流 2 5 4 5 四级 e 2 2 2 8强制流 4 5 f 2 8 a0 6一级( 自由流)0 - - 7 b 6 - - 1 2二级( 稳定流上段) 7 1 8 c 1 2 1 7三级( 稳定流) 1 8 2 5 交织区 d 1 7 2 2饱和 2 5 4 0 四级 e 2 2 - - - 2 7强制 4 0 f 2 7 a0 6一级( 自由流)0 7 b 6 1 1 2 二级( 稳定流上段) 7 1 8 匝道与匝道 c 1 2 1 7三级( 稳定流) 1 8 2 5 连接点d 1 7 2 2饱和流 2 5 4 0 四级 e 2 2强制流 4 0 f 需求超过通行能力 从表中可以看出，我国的四级服务水平与美国h c m 的六级服务水平较比，一级相 l o 长安大学硕士学位论文 当于a 级，二级相当于b 级，三级相当于c 级和d 级，四级相当于e 级和f 级。我国 高速公路互通式立交区域的服务水平至少要达n - 级要求。 2 2 2 匝道几何布置及分流区、合流区和交织区的交通流特性 匝道的几何布置包括匝道车道数、车道宽度、坡度、平曲线的曲率、加减速车道的 长度和类型( 直接式、平行式) 、匝道的自由流速度、视距、相邻立交匝道的连接方式 以及相邻匝道之间交织区的类型等都将影响互通式立交区域的车辆运行质量。 合流区是入口匝道车辆与主线乡 i - n 车道车辆争取主线通行权的场所。合流区车辆要 在一定长度内选择相邻车道上的可接受间距，进行加速汇入主线。通常在合流区，从匝 道驶入的车辆一进入变速车道区域就开始在相邻的主线上寻找可利用间隙，准备汇入。 在右侧匝道驶入车流的影响下，主线右侧最外侧车道上的车流将受到干扰。当匝道流量 较大时，匝道驶入的车流强制进入主线最多 i - n 车道，迫使最# i - n 车道上的部分车流转移 到左侧车道上。合流区内这种运行特性必然影响到主线上的交通流，在一定情况下，降 低主线车流的运行速度，影响车流的稳定性，影响范围波及到合流区上下游的一定距离。 分流区车辆要在一定长度内选择相邻车道上的可接受间距，进行减速操作，完成车 道变换。通常在分流区，驶出车辆必须先从过境交通中分离出来，进入主线最外侧行车 道，以便驶离主线。在这个过程中，需要驶出的车辆要进行加减速操作以寻找其右侧车 道上的间隙，完成变换车道，从而影响其他车辆的正常行驶，引起交通流紊乱，并导致 交通量在各个车道上的比例发生变化。 交织路段是前一个立交匝道的合流点到后一个立交匝道的分流点间的路段，交织区 内交织车辆必须在交织区长度限制内完成车道变换，所以交织车流运行时往往不是追求 最大的直行速度而保持与前车之间的最小车头时距，是在行进过程中寻找相邻车道中合 适的可插入间隙。交织车辆的这种特性导致了当与前车间的车头时距增大时，也不急于 加速紧跟，甚至在一定程度上反而会因等候相邻车道中的可插入间隙而减速。所以，交 织区内的车道变化比基本路段上的操作约束性更强。 合理的匝道布置使得相邻立交之间有足够的交织路段，满足车辆进出高速公路主线 时相互交换车道的要求。 2 2 3 交通标志和信号的布置 车辆驶离立交进入下一个立交之前，应有段足够的距离设置若干的交通标志和信 号，不断地提醒驾驶员下一座立交的位置和出口的到来，并做出相应反应。特别是对于 第二章互通式立交间距的影响因素 方向感不强、不了解道路状况的驾驶员，当驾驶员在上一互通式立交的匝道驶入，直接 变换到最内侧车道后，看到交通指示标志，并确定下一出口即为目标出口后，再次连续 变换车道，在到达出口前完成车道变换，这个过程的行驶距离与交通标志设置情况密切 相关。 根据道路交通标志和标线( g b 5 7 6 8 1 9 9 9 ) 0 4 】和高速公路交通工程及沿线设 施设计通用规范【1 5 】中的规定，高速公路出口预告标志分别设在距出口2 k m 、l k m 和 5 0 0 m 的位置。当互通式立交之间的间距受到限制，出口标志预告标志可设置一块即最 后一块5 0 0 m 的标志。 2 2 4 驾驶舒适性要求 互通式立交，尤其是多层式立交的线形变换和纵断面起伏频繁，如果互通式立交间 距过近，驾驶员要在近距离路段完成对交通标志的识辨和车流运行状况的判断，完成车 辆的跟驰与变换车道行为，对于车辆的运行、驾驶员的操作都非常不利，容易造成交通 事故。所以从驾驶员的驾驶舒适性和行车安全性的角度考虑，互通式立交应保持一定的 距离。 2 2 5 经济因素和环境景观 互通式立交的间距需要综合地考虑经济因素和环境景观要求。一方面从投资收益的 角度看，如果互通式立交布置过密，造价很高，不经济；另一方面从环境景观的角度来 讲，立交间距过小，构造物和交通量较为集中，线形变化复杂，视觉景观和空气质量较 差。尤其是山区城市立交，占地面积受限，立交布置紧凑，交通量集中，上述情况显得 更为严重。 2 2 6 影响因素分析 本论文对影响互通式立交最小间距的因素进行分析总结，对主要影响因素拟采用数 学的方法描述：如对独立的两相邻互通式立交采用识别交通标志所需距离而进行的变换 车道行为建立互通式立交最小间距模型。对以辅助车道相连相邻互通式立交首先采用 公路通行能力手册中计算通行能力和服务水平的办法，在满足互通式立交区域应有 的服务水平的前提下反推互通式立交交织区的长度，进而计算以辅助车道相连的两相邻 互通式立交最小间距；其次基于交通冲突技术，以微观交通仿真软件v i s s i m 为建模工 具，仿真车流运行质量，采用冲突率作为安全性评价的指标，在满足互通式立交区域应 有的安全等级的基础上，推算出互通式立交的最小间距。综合比较满足目标服务水平和 1 2 长安大学硕士学位论文 目标安全等级的辅助车道最小长度最不利情况作为确定互通式立交最小间距的控制条 件。 还有一些影响因素因为条件所限未采用数学方法描述，没有考虑到互通式立交最小 间距的理论计算中。 第= 章基f 交强流理论通式i 交最小问研究 第三章基于交通流理论的互通式立交最小间距研究 本章根据第二章的分析结果，将影响因素交通密度、匝道几何布置和交通标志布设 采用数学方法描述并根据不同的连接方式、不同的立交类别、不同的匝道布置和不同 的车道数，依服务水平和通行能力为设计目标，确定互通式立交的最小间距。 3 1 互通式立交的构造长度 互通式立交构造长度指互通式立交范围主线设计长度，原则上按最外侧变速车道 ( 包括渐变段长度) 间的距离计算。本文对于构造长度的确定采用统计值和模型值相比 较验证的方法。首先依据收集到的国内百余座互通式立交样本进行构造长度统计分析， 然后以国内常见互通式立交作为分析对象建立相应模型图，最后比较验证模型值和统计 值确定构造长度建议值。 3 1 1 统计值 收集全国各地百余处已建的高速公路互通式立交资料，采用数理统计方法，经统计、 筛选、分析，计算枢纽互通式立交与一般互通式立交不同类型互通式立交的构造长度。 在统计高速公路互通式立交的形式后发现我国的互通式立交形式如表3 1 所示： 表31 我国高速公路互通式立交类型统计表 娄删 殷互通式立交枢纽互通_ d = 量变 单