高速公路施工導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)長度設(shè)置研究

劉學(xué)強，呂 路，樊祥喜，孟凌霄，劉煊志，鮑慶偉，徐海棟

（1.中建筑港集團有限公司，山東 青島266033；2.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；3.中建山東投資有限公司，山東 濟南250002；4.中國建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司，北京10037）

高速公路在公路交通運輸中的作用日益顯著，沿線經(jīng)濟社會建設(shè)對其依賴不斷加強，因此保通交通組織是高速公路改擴建期間的一項重要工作。高速公路改擴建工程通過設(shè)置上游過渡區(qū)使車輛由封閉車道平穩(wěn)匯入開放車道[1]，設(shè)置合理的施工區(qū)上游過渡區(qū)對保障車輛運行安全具有重要作用。

有效的交通組織是高速公路保通施工的關(guān)鍵。 常用的保通施工交通組織方式有半幅封閉借對向車道通行、半幅封閉繞行、封閉行車道、封閉路肩等[2-4]。利用交通仿真技術(shù)研究不同交通組織形式下施工控制區(qū)各段落長度是一種有效方法[5-6]。 根據(jù)施工區(qū)上游過渡區(qū)長度設(shè)置影響因素，過渡區(qū)長度計算模型的相關(guān)研究也較多[7-8]。

高速公路施工方案與施工區(qū)交通組織方式是一對相互作用的關(guān)聯(lián)體。 姚斌以高速公路大修工程八車道、六車道以及匝道路段施工交通組織具體試驗為例，說明大交通量條件下高速公路施工時保通施工優(yōu)于質(zhì)量和成本控制的交通組織原則[9]。 《公路養(yǎng)護安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30-2015)對封閉車道，封閉路肩，借對向車道通行，匝道施工等交通組織方式下交通安全設(shè)施設(shè)置方法和各施工控制區(qū)段落長度進行了規(guī)定[1]。此外，施工區(qū)上游過渡區(qū)車輛運行風(fēng)險以及行車安全保障也是高速公路施工區(qū)的一個研究熱點[10-12]。

國內(nèi)外專家針對高速公路施工區(qū)上游過渡區(qū)長度與車輛運行特性的研究較多， 但未區(qū)分不同施工方案、不同交通組織方式對上游過渡區(qū)長度設(shè)置帶來的影響。 由于現(xiàn)有規(guī)范僅針對公路養(yǎng)護維修施工控制區(qū)進行規(guī)定，而一般公路養(yǎng)護維修與高速公路改擴建工程在施工工期等方面具有較大差異，現(xiàn)有研究結(jié)論不能滿足高速公路改擴建施工對上游過渡區(qū)長度設(shè)置的需要。

本文通過調(diào)研高速公路改擴建期間不同施工方案下交通流運行特性，利用單因素方差分析對比不同施工方案之間車速、車頭時距的顯著性，確定研究對象。設(shè)計了不同施工方案不同交通組織方式相互結(jié)合的道路仿真場景，利用駕駛模擬器進行實驗；通過分析不同過渡區(qū)長度條件下封閉車道上游車輛速度特征與可匯入概率，為高速公路改擴建工程上游過渡區(qū)長度設(shè)置的合理取值提供參考。

1 施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)交通流參數(shù)調(diào)查

1.1 調(diào)查路段

在S29 濱萊高速進行施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)交通流參數(shù)調(diào)查。 該項目為高速公路改擴建項目，擴建內(nèi)容包括路基、橋涵、分離式立交、通道加寬擴建、路面改造加寬、新建擴建互通、環(huán)保綠化景觀設(shè)計等工程。改擴建方式以兩側(cè)拼寬為主， 局部單側(cè)分離， 部分新建八車道。 本次調(diào)研范圍為S29 濱萊高速濱州至博山段K58+467.8～K98+753.7，該路段設(shè)計速度120（100） km/h，施工區(qū)限速60 km/h。

根據(jù)濱萊高速改擴建施工交通組織方案，共選取7 處不同類型的施工作業(yè)區(qū)進行數(shù)據(jù)采集，分別是路面拓寬（挖方段）施工區(qū)、橋梁拼寬施工區(qū)、互通改造施工區(qū)、借用對向車道通行施工區(qū)、路基抬高施工區(qū)、跨線橋和路改橋施工區(qū)。 調(diào)研斷面位置及路段線形特征如表1 所示。

表1 調(diào)研斷面位置及路段線形特征Tab.1 The line characteristics of investigation freeway section

1.2 調(diào)研設(shè)備

采用Metro-Count 5 600 車輛分型統(tǒng)計系統(tǒng)進行交通量調(diào)查。 Metro-Count 5 600 車輛分型統(tǒng)計系統(tǒng)可檢測1-2 條車道交通流數(shù)據(jù)，分車道統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可獲得每一輛車的詳細(xì)信息，如日期時間、車速、大軸距、車頭時距、時間間距、軸數(shù)、軸組數(shù)、車型等。

1.3 數(shù)據(jù)采集方案

為了降低時間對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的影響，采集時間均為工作日的上午8 點至下午6 點。 儀器布置全程在交通導(dǎo)行人員協(xié)助下進行，將其放置于隱蔽地點以防止駕駛員的刻意減速行為。 數(shù)據(jù)采集斷面位于施工導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)前的開放車道上。 其車道布置方案如圖1。

圖1 調(diào)研設(shè)備Metro-Count 布置方案Fig.1 Investigation equipment Metro-Count layout scheme

2 不同施工方案導(dǎo)行區(qū)交通流特征顯著性分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于各采集斷面交通流參數(shù)數(shù)據(jù)量較大，根據(jù)相關(guān)文獻在樣本量較大時，車頭時距和運行車速各總體分布均為正態(tài)分布[13-14]。 數(shù)據(jù)預(yù)處理時將與平均值之差的絕對值超過3σ 的數(shù)據(jù)作為異常值進行剔除，即刪除數(shù)據(jù)中|X-E（X）|≥3σ 的樣本值，該方法同樣用于后期駕駛模擬實驗所測數(shù)據(jù)的初步處理。 最終得到各路段車輛數(shù)及平均小時交通量，見表2。

表2 調(diào)研路段交通量及調(diào)研車輛總數(shù)Tab.2 The traffic volume and total vehicles of investigation freeway section

由表2 可知，調(diào)研路段交通量最大值小于700 veh/h，調(diào)研路段公路服務(wù)水平較高。開放車道小客車數(shù)占比大于65%，大型車對封閉車道車輛可匯入的最小間隙影響較小[8]。 因此在進行數(shù)據(jù)計算時不考慮車型差異。

2.2 車頭時距顯著性分析

對各施工方案導(dǎo)行區(qū)起點車頭時距進行分析，車頭時距分布箱型圖如圖2 所示。 橋梁拼寬、互通改造、借對向車道通行施工區(qū)上游過渡區(qū)車頭時距平均值均大于5 s。 橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，互通改造時導(dǎo)行區(qū)車頭時距的各項指標(biāo)值最大，可能與由互通立交駛離高速的車輛干擾有關(guān)。其次為借對向車道通行的情況，造成其車頭時距較大的直接原因為車輛運行速度降低，間接原因為車輛借對向車道通行時需要經(jīng)過中央分隔帶進行連續(xù)轉(zhuǎn)彎，客觀操作的復(fù)雜性與轉(zhuǎn)彎條件的限制導(dǎo)致駕駛員保持車距通過施工路段。橋梁拼寬段車頭時距平均值為6.3 s，原因可能是橋梁拼寬設(shè)置的臨時路側(cè)護欄對駕駛員產(chǎn)生了較大的心理壓力。 路面拓寬、路基抬高、跨線橋?qū)袇^(qū)的車頭時距分布基本相同。

為了定量說明不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)車頭時距分布的顯著性差異， 利用SPSS 軟件對7 種施工方案的車頭時距進行單因素方差分析。 分析結(jié)果表明：在顯著性水平α=0.05 的條件下，路面拓寬、路基抬高、跨線橋3 種施工方案相互之間均不存在顯著差異（P=0.966，P=1.000，P=0.995），可作為一個分析組；路改橋與跨線橋之間不存在顯著性差異（P=0.083），但與其他各施工方案均存在顯著性差異，因此，需對該類施工方案進行單獨分析；橋梁拼寬與互通改造（P=0.973）、互通改造與借用對向車道通行（P=0.346）之間不存在顯著性差異。 雖然橋梁拼寬與借對向車道通行存在顯著性差異，但選用互通立交改造可以同時代表橋梁拼寬與借用對向車道通行。

圖2 不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)車頭時距箱型圖Fig.2 Upstream transition area headway box-plot of road guidance

2.3 運行車速顯著性分析

不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)運行車速箱型圖如圖3 所示。 運行速度的分布規(guī)律與車頭時距的分布規(guī)律一致。 車輛在互通立交區(qū)的斷面車速統(tǒng)計值最低，數(shù)據(jù)離散度最?。唤鑼ο蜍嚨劳ㄐ械膶?dǎo)行區(qū)過渡區(qū)起點， 不僅其平均車速值較小，而且車速離散度非常大，具體原因與車頭時距顯著性分析結(jié)果相同。 其余施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)車速差異性較小。 總的來看，不同施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)平均速度均大于限速值60 km/h。

對不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)運行車速進行單因素方差分析。 多重比較結(jié)果顯示，路面拓寬、橋梁拼寬、路改橋相互之間均不存在顯著性差異（P=0.096，P=0.988，P=0.919），互通改造與借用對向車道通行之間不存在顯著性差異（P=0.402），路基抬高與橋梁拼寬（P=0.351）、路基抬高與跨線橋（P=0.215）之間不存在顯著性差異，雖然橋梁拼寬與跨線橋之間存在顯著性差異，但是路基抬高可以同時反應(yīng)上述兩種施工方案。

綜合車頭時距與運行車速顯著性分析結(jié)果，互通立交改造與借對向車道通行兩種施工方案不存在顯著性差異，其余施工方案的車頭時距或運行車速均存在顯著性差異。

圖3 不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)運行速度箱型圖Fig.3 Upstream transition area velocity box-plot of road guidance

3 基于駕駛模擬的施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)長度設(shè)置

3.1 駕駛模擬實驗場景

根據(jù)施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)的顯著性檢驗結(jié)果，選擇路面拓寬、橋梁拼寬、互通改造3 種施工方式進行上游過渡區(qū)長度設(shè)置研究。

1） 上游過渡區(qū)長度設(shè)計值

根據(jù)可接受間隙理論建立的高速公路改擴建期間上游過渡區(qū)長度計算模型和實測交通流數(shù)據(jù)進行上游過渡區(qū)長度理論設(shè)計值計算[15]。首先需要確定實測交通流數(shù)據(jù)的車頭時距分布模型。采用愛爾朗分布擬合車頭時距分布，結(jié)果如圖4 所示。根據(jù)概率密度曲線與卡方檢驗結(jié)果可知，路面拓寬、橋梁拼寬施工作業(yè)方案的車頭時距均服從一階愛爾朗分布， 互通改造導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)車頭時距服從二階愛爾朗分布。

圖4 不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)車頭時距擬合結(jié)果Fig.4 Upstream transition area headway fitting result

為了保障改擴建上游過渡區(qū)長度設(shè)置能夠供大多數(shù)車輛不經(jīng)排隊即可由封閉車道上游匯入開放車道，在利用模型計算其長度時，封閉車道上游車速取限速值60 km/h。 車輛可匯入開放車道概率取95%，按照劉天龍研究中上游過渡區(qū)長度計算方法[15]，其計算結(jié)果如表3 所示。

表3 不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)長度計算結(jié)果Tab.3 Upstream transition area lengths calculation result

2） 導(dǎo)行區(qū)其他組成部分指標(biāo)值設(shè)計

施工作業(yè)控制區(qū)中警告區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過渡區(qū)以及終止區(qū)長度分別按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）[16]、《公路養(yǎng)護安全作業(yè)規(guī)程》（JTH H30-2015）以及《道路交通標(biāo)志標(biāo)線》（GB 5768-2009）規(guī)定取值。 本次實驗中根據(jù)實驗路段限速60 km/h 的實際情況， 警告區(qū)長度取1 600 m， 縱向緩沖區(qū)長度為200 m，工作區(qū)長度根據(jù)施工方案在50～200 m 之間取值，下游過渡區(qū)長度與終止區(qū)長度均取30 m。

3） 仿真實驗路段設(shè)計

仿真實驗路段按照S29 濱萊高速K54+900～K124+240 線形資料設(shè)計，主線長69.34 km。 平面線形最小圓曲線半徑1 500 m，最小緩和曲線長度270 m，直線路段路拱橫坡為-2%，曲線路段按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求設(shè)置超高。 橫斷面采用24.5 m 寬的標(biāo)準(zhǔn)斷面形式，即2.5（硬路肩）+2×3.75（行車道）+0.75（路緣帶）+3（中央分隔帶）+0.75（路緣帶）+2×3.75（行車道）+2.5（硬路肩）。 為了簡化道路縱坡變化對本實驗帶來的影響，實驗路段設(shè)置不大于1%的縱坡。 在視線開闊，線形良好的實驗路段上設(shè)置包括關(guān)閉車道、壓縮車道、借用對向車道、借用硬路肩4 種交通組織方式和路面拓寬、橋梁拼寬、互通改造3 種施工方案相互結(jié)合的15個施工控制區(qū)導(dǎo)行段。

3.2 駕駛員與實驗設(shè)備

本次招募16 名駕駛員以小客車為實驗車輛進行實驗。 其中男性駕駛員13 名，女性駕駛員3 名；駕齡小于5 年的駕駛員有12 名，其余4 名駕駛員駕齡在5～10 年之間。

利用由日本Forum8 開發(fā)的UC-win/road 駕駛模擬器進行實驗。 該軟件主要提供了地形、 道路構(gòu)造、模型、交通流及自然環(huán)境的模擬，并能夠連接多種性能與規(guī)模的駕駛模擬控制設(shè)備，進行車輛駕駛模擬并利用專用程序進行駕駛車輛及周邊交通流的數(shù)據(jù)采集[17-18]。

為了使駕駛員能夠熟悉模擬器的操作方法和適應(yīng)模擬駕駛環(huán)境， 實驗前使每名駕駛員先練習(xí)通過20 km 的模擬器自帶道路場景，然后駛?cè)雽嶒瀳鼍啊?在每個導(dǎo)行控制區(qū)中均由封閉車道上游經(jīng)過變道駛?cè)胂噜彽拈_放車道。

3.3 基于駕駛模擬實驗數(shù)據(jù)的上游過渡區(qū)長度設(shè)計值檢驗

根據(jù)獲得的駕駛模擬實驗數(shù)據(jù)，通過反算車輛在駕駛模擬實驗過程中成功匯入開放車道的概率，檢驗上游過渡區(qū)長度的設(shè)置值是否滿足實際設(shè)置需要。

在路面拓寬、關(guān)閉車道施工區(qū)域，車輛到達率為0.18 veh/s；愛爾朗分布階數(shù)為1，開放車道車速為19.96 m/s，上游過渡區(qū)長度為120 m，車輛成功匯入開放車道的概率如式1

其他導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)車輛能夠成功匯入開放車道的概率計算結(jié)果如表4 所示。

表4 上游過渡區(qū)車輛能成功匯入開放車道的概率Tab.4 Probability of vehicle joining the opening lane in upstream transition area

由表4 可以看出，各實驗場景下上游過渡區(qū)車輛可匯入開放車道概率P（s）均大于95%，所以上游過渡區(qū)長度設(shè)置滿足要求。在施工限速路段，如果進行嚴(yán)格交通管理，開放車道車速會小于限制車速60 km/h，因此上述過渡區(qū)長度設(shè)置尚有一定富余。

對比相同交通組織條件下不同施工方案車輛可匯入開放車道概率發(fā)現(xiàn)，互通改造、橋梁拼寬、路面拓寬路段的車輛可匯入概率呈現(xiàn)出逐級遞減現(xiàn)象，這與駕駛員在互通改造施工區(qū)域保持較大車頭時距，駕駛行為更為謹(jǐn)慎有關(guān)。

3.4 不同施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)上游過渡區(qū)長度設(shè)置

根據(jù)車輛可匯入開放車道概率計算模型，假定上游過渡區(qū)車輛可匯入開放車道概率為95%，施工控制區(qū)開放車道限速60 km/h，可以計算在不同愛爾朗分布階數(shù)、開放車道交通量和施工方案條件下上游過渡區(qū)長度設(shè)置值（結(jié)果取為整5 m），如表5 所示。

表5 上游過渡區(qū)長度設(shè)置值Tab.5 Lengths of upstream transition area

由表5 可知，在相同愛爾朗分布階數(shù)條件下，隨著開放車道交通量的增長，不同施工方案之間路面拓寬與橋梁拼寬上游過渡區(qū)長度設(shè)置值相近，互通改造較路面拓寬與橋梁拼寬上游過渡區(qū)長度設(shè)置值小。 在相同施工方案條件下，隨著開放車道交通量的增長，二階愛爾朗分布較一階愛爾朗分布上游過渡區(qū)長度設(shè)置值增長速度快。 本研究結(jié)論較公路養(yǎng)護安全作業(yè)規(guī)程（JTG H30-2015）[1]所給定的在限速60 km/h 封閉車道寬度3.75 m 條件下，上游過渡區(qū)長度最小值為120 m 的應(yīng)用范圍廣；較韋勇球[5]等研究中所給出的上游過渡區(qū)長度最小值應(yīng)大于30 m 的可操作性強，因此具有一定的應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

通過對高速公路改擴建期間不同施工方案、不同交通組織方式下交通流數(shù)據(jù)的采集與分析，結(jié)合可接受間隙理論建立的高速公路改擴建期間上游過渡區(qū)長度設(shè)置模型，求得不同施工方案條件下上游過渡區(qū)長度。 設(shè)計了包含不同施工方案、不同交通組織方式相互結(jié)合的15 個駕駛模擬仿真場景，并在仿真實驗場景中利用各施工方案上游過渡區(qū)長度計算結(jié)果。將仿真實驗上游過渡區(qū)車輛運行速度平均值代入車輛可匯入開放車道概率計算模型，結(jié)果表明車輛可匯入概率均大于95%，說明上游過渡區(qū)長度設(shè)置的合理性。最后在假定車輛可匯入概率為95%，施工控制區(qū)開放車道限速為60 km/h 的條件下，由上游過渡區(qū)長度設(shè)置模型得到不同愛爾朗分布階數(shù)、不同開放車道交通量條件下所需要的上游過渡區(qū)長度設(shè)置值。