三岔型樞紐互通事故高發(fā)匝道的形成機(jī)制與安全提升研究*

張曉波

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)

0 引言

互通立交是高速公路網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，同時也是典型的事故多發(fā)路段，研究表明立交區(qū)域的交通事故主要集中在匝道和出口[1]。駕駛員在駛出高速公路主線進(jìn)入匝道后，速度仍然維持較高的幅值，而匝道的線形指標(biāo)遠(yuǎn)低于主線，車輛行駛穩(wěn)定性劣化，極易發(fā)生側(cè)滑撞擊護(hù)欄，甚至側(cè)翻等事故，影響道路交通安全。

在互通立交的車輛運(yùn)行特性方面，學(xué)者主要通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)和行駛仿真手段進(jìn)行研究：徐進(jìn)等[2-4]通過實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)獲取自然駕駛數(shù)據(jù)，分析苜蓿葉形立交環(huán)形匝道和橋頭立交螺旋匝道的速度、加速度特性和車道使用行為；白鋼[5]、楊俊儒等[6]和吳初娜等[7]運(yùn)用Carsim和Trucksim軟件對曲線路段的安全車速及影響因素進(jìn)行分析；竇同樂等[8-9]利用Carsim軟件分析喇叭型立交和苜蓿葉型立交的匝道行駛安全性與舒適性；Beinum等[10]和Farah等[11]分別基于仿真和無人機(jī)視頻手段提取立交區(qū)域的車輛運(yùn)行軌跡和行駛速度，確定匝道和交織區(qū)的駕駛行為模式。

在立交匝道事故形成機(jī)制方面，李詩佳等[12]運(yùn)用仿真手段，分析苜蓿葉形立交環(huán)形匝道的事故成因；蔣剛等[13]結(jié)合駕駛?cè)艘曈X特性和行車動力學(xué)仿真分析喇叭口立交外環(huán)匝道的事故形成機(jī)制；魯淑華[14]、周天赤等[15]等結(jié)合事故數(shù)據(jù)定性分析喇叭口立交匝道的事故成因，并提出安全改善措施。

三岔型樞紐互通是2條高速公路“T”型交叉時必須采用的聯(lián)通方式，在高速公路網(wǎng)絡(luò)中極為常見。根據(jù)事故歷史數(shù)據(jù)，部分三岔型樞紐互通事故高發(fā)，但目前關(guān)于三岔型立交事故成因分析、安全性設(shè)計和改善的研究較少?；诖?，本文以宜賓至敘永高速公路雙橋樞紐互通立交匝道為研究對象，運(yùn)用行車動力學(xué)仿真和駕駛?cè)艘曈X手段，在駕駛行為層面分析事故的形成機(jī)制，進(jìn)而提出安全提升措施，研究結(jié)果可為匝道線形設(shè)計和交通運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究對象

以四川省宜賓至敘永高速公路(S80古宜高速)雙橋樞紐互通立交為研究對象，該互通立交連接古宜高速和廈蓉高速，幾何構(gòu)型為三岔型立交，空中鳥瞰為“Y”型，如圖1(a)所示。事故多發(fā)匝道是1條單下坡雙車道匝道，是古宜高速至夏蓉高速的右轉(zhuǎn)連接匝道，自2016年以來該匝道共發(fā)生交通事故30余起，事故形態(tài)主要為車輛側(cè)滑或者側(cè)翻，車輛失控之后與匝道外側(cè)護(hù)欄發(fā)生碰撞，甚至側(cè)翻在夏蓉高速公路主線范圍內(nèi)，嚴(yán)重威脅廈蓉高速公路的行車安全。

圖1 實(shí)驗(yàn)立交Fig.1 Experimental interchange

S80古宜高速主線設(shè)計速度為80 km/h，小客車限速120 km/h，大型車限速100 km/h。事故匝道的設(shè)計速度為40 km/h，限制速度為40 km/h，事故高發(fā)區(qū)域位于小半徑彎道范圍內(nèi)，見圖1(a)標(biāo)注。事故匝道的平面線形參數(shù)見表1，平曲線半徑值為125 m，縱坡值為-3.9%。

表1 事故匝道平面線形參數(shù)Table 1 Plane alignment parameters of accident ramp

2 研究方法

目前，實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)是獲取車輛運(yùn)行狀態(tài)的主要手段，但主要用于分析自然駕駛習(xí)慣下的行為特征，無法獲得事故狀態(tài)和臨界狀態(tài)的運(yùn)行數(shù)據(jù)?；诖?，本文運(yùn)用行車動力學(xué)仿真和駕駛?cè)艘曈X特性作為研究手段，從駕駛行為層面分析事故的形成機(jī)制。

2.1 立交建模

本文運(yùn)用Carsim和Trucksim軟件環(huán)境模擬車輛在立交匝道的運(yùn)行過程。根據(jù)雙橋互通立交的設(shè)計文件，獲取立交區(qū)域主線和匝道的線形參數(shù)數(shù)據(jù)，使用緯地三維道路設(shè)計軟件對其進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，再將道路數(shù)據(jù)導(dǎo)入至仿真軟件的道路模塊中，生成立交道路環(huán)境，仿真道路及仿真路線如圖1(b)所示。在系統(tǒng)中以道路中心線為參考路徑，對每條行駛路線進(jìn)行Path ID命名，作為預(yù)瞄參考路徑，對車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向和速度控制?；ネ⒔恍旭偟谋举|(zhì)是路線轉(zhuǎn)換，當(dāng)車輛行駛到切換線路前的某一站值時，系統(tǒng)調(diào)用線路Path ID將新路線的站值賦值給sv_sta_road，進(jìn)而改變車輛行駛路徑。

2.2 車輛模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)道路事故車型分布情況，選取SUV和貨柜車作為仿真車輛。SUV相對于3廂轎車而言，具有較大的質(zhì)量和較高的重心位置，更容易發(fā)生行駛失穩(wěn)；同樣，在各類貨車中貨柜車最容易發(fā)生側(cè)翻事故。在Carsim/Trucksim仿真軟件中調(diào)取仿真車型的整車動力學(xué)模型，包含車體、動力傳動系、制動系、轉(zhuǎn)向系、前后懸架系、輪胎和空氣動力學(xué)等不同部分，使其高度模擬道路上的真實(shí)車輛。

2.3 仿真工況設(shè)置

本文設(shè)置3種不同工況進(jìn)行駕駛仿真虛擬實(shí)驗(yàn)，見表2。工況1：恒定目標(biāo)速度控制，車輛以恒定速度駛過事故匝道，仿真速度設(shè)置參考事故車輛駕駛?cè)俗允龅男旭偹俣戎?。工況2：速度預(yù)瞄控制，車輛以不同初始速度進(jìn)入事故匝道并完成路線轉(zhuǎn)換。工況3：速度預(yù)瞄控制，在不同初始速度下，車輛以限速值(40 km/h)駛過匝道。當(dāng)采用速度預(yù)瞄控制方式時，車輛沿目標(biāo)軌跡行駛時的速度主要由橫向加速度和縱向加/減速度控制，見表2。本文仿真車型為小客車和貨車，表2中縱向加速度值、橫向加速度值和縱向減速度參考文獻(xiàn)[16]中基于實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)的車輛運(yùn)行參數(shù)值。

表2 仿真工況設(shè)置Table 2 Setting of simulation conditions

3 基于行駛仿真的匝道安全性分析

3.1 行駛速度對車輛穩(wěn)定性的影響

車輛曲線行駛時，輪胎載荷轉(zhuǎn)移率LTR是衡量車輛側(cè)向穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，LTR取值在[0，1]之間，當(dāng)LTR≤0.2時，車輛處于安全狀態(tài)；0.20.6時，車輛處于嚴(yán)重側(cè)翻危險狀態(tài)，如式(1)所示：

(1)

式中：Fri為右側(cè)車輪垂直載荷，N；Fli左側(cè)車輪垂直載荷，N；n為車軸總數(shù)；i為車軸序號。

對小客車和貨柜車進(jìn)行工況1的恒速行駛仿真實(shí)驗(yàn)，得到車輛關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，如圖2～3所示。由圖2可知，車輛在匝道限制速度40 km/h行駛時的響應(yīng)參數(shù)值最小，并且曲線幅值變化平滑，表明車輛行駛處于穩(wěn)定、安全的狀態(tài)。但隨行駛速度增大，其橫向加速度、橫擺角速度、橫向偏移量值和荷載轉(zhuǎn)移率均增大，表明車輛運(yùn)行穩(wěn)定性變差。在圖2(a)～(b)中，當(dāng)目標(biāo)速度為90 km/h時，小客車橫向加速度和橫擺角速度曲線發(fā)生劇烈變化，車輛已運(yùn)行失穩(wěn)。由圖2(c)可知，速度值在80～90 km/h時，橫向偏移量顯著增大，車輛容易進(jìn)入鄰側(cè)道路并與鄰側(cè)車輛發(fā)生側(cè)向碰撞。由圖3可知，隨貨柜車行駛速度不斷提高，車身側(cè)傾也隨之增加，當(dāng)車速為70 km/h時，已出現(xiàn)嚴(yán)重傾斜狀態(tài)；車速達(dá)到75 km/h時，車輛發(fā)生側(cè)翻無法通過匝道。車輛處于臨界狀態(tài)時的運(yùn)行過程截圖如圖4所示。

圖2 小客車恒速行駛的主要運(yùn)行參數(shù)Fig.2 Main operation parameters of passenger car driving with constant speed

圖3 貨柜車恒速行駛的主要運(yùn)行參數(shù)Fig.3 Main operation parameters of container truck driving with constant speed

圖4 車輛運(yùn)行狀態(tài)Fig.4 Operation status of vehicles

3.2 制動提前距離對穩(wěn)定性的影響

車輛從高速公路主線駛?cè)朐训罆r伴隨減速行為，以降低匝道曲線段的通過速度。為研究車輛減速行為對側(cè)滑的影響，進(jìn)行工況2的運(yùn)行仿真。車輛行駛速度曲線如圖5所示。由圖5(a)可知，小客車初速度越大，制動開始位置越靠前，制動減速度越高，速度曲線下降越快。小客車最早開始制動位置距匝道大半徑圓曲線起點(diǎn)約65 m處，在80 km/h時不采取制動措施也可通過匝道。在圖5(b)中，貨柜車以不同初始速度駛?cè)朐训罆r的制動起始位置基本相同，并未呈現(xiàn)與小客車相同的規(guī)律，制動起始位置距匝道緩和曲線起點(diǎn)約160 m。當(dāng)初始速度為100 km/h時，貨柜車無法將行駛速度降至低于匝道安全速度，隨即發(fā)生側(cè)翻。

圖5 車輛運(yùn)行速度Fig.5 Operation speeds of vehicles

雙橋樞紐互通右轉(zhuǎn)匝道事故區(qū)段的線形組合為緩和曲線Ⅰ+圓曲線+緩和曲線Ⅱ，每個線元的長度均較短，駕駛員需要不斷調(diào)整方向盤以使車輛行駛在車道內(nèi)。方向盤角速度和輪胎側(cè)偏角變化可反映車輛橫向穩(wěn)定性，車輛有輕微側(cè)滑時，駕駛員可通過調(diào)整方向盤角度來矯正車輛行駛軌跡；但當(dāng)車輛出現(xiàn)嚴(yán)重側(cè)滑時，即使大幅度旋轉(zhuǎn)方向盤，車輛仍會失去行駛穩(wěn)定性。由圖6可知，當(dāng)小汽車初始速度超過90 km/h時，方向盤角速度曲線波動較大，車輛發(fā)生較嚴(yán)重側(cè)滑或甩尾，速度為80 km/h時曲線較為平穩(wěn)，此時車輛沒有發(fā)生側(cè)滑；貨柜車不同行駛速度下的方向盤角速度曲線在匝道開始位置處變化情況基本一致，隨后出現(xiàn)不同程度的波動。

圖6 車輛方向盤角速度曲線Fig.6 Angular velocity curves of vehicles’ steering wheel

不同速度下小客車輪胎側(cè)偏角變化曲線如圖7所示，當(dāng)速度大于80 km/h時，輪胎側(cè)偏角均超過5°，說明車輛發(fā)生非線形圓周運(yùn)動，即車輛發(fā)生側(cè)滑或甩尾。由于該匝道是下坡行駛，車輛在制動時車體重量會向前軸轉(zhuǎn)移，即后軸垂向力減小，前軸垂向力增加，因此后軸更容易發(fā)生側(cè)滑。

圖7 不同速度下小客車的輪胎側(cè)偏角 Fig.7 Sideslip angles of passenger cars under different speeds

貨車重心位置相對較高，橫向失穩(wěn)主要形式為側(cè)翻，輪載轉(zhuǎn)移率LTR能準(zhǔn)確描述側(cè)翻可能性。LTR沿行駛里程變化曲線如圖8所示。LTR在事故匝道上隨速度增加而增大，當(dāng)駛?cè)胨俣瘸^85 km/h時，LTR峰值迅速增加；駛?cè)胨俣瘸^90 km/h時，車身變得極不穩(wěn)定；駛?cè)胨俣葹?00 km/h時，LTR值達(dá)到100%，貨柜車發(fā)生側(cè)翻。

圖8 貨柜車輪載轉(zhuǎn)移率曲線Fig.8 Tire load transfer rate of container truck

由此可見，不同制動減速起點(diǎn)位置對車輛側(cè)滑有顯著影響，較長制動距離是車輛安全通過事故匝道的重要保證。相比于小客車，貨柜車所需制動距離明顯大于小客車，導(dǎo)致部分高速行駛的貨柜車難以在小半徑彎道之前完成減速，從而失去行駛穩(wěn)定性。

3.3 不同初始速度的制動距離需求

事故匝道的受限區(qū)段為小半徑曲線，道路運(yùn)營方對該區(qū)段實(shí)施40 km/h限速，駕駛員在進(jìn)入受限路段前，需完成減速。進(jìn)行工況3的車輛運(yùn)行仿真，仿真輸出的速度曲線如圖9所示。由圖9可知，初速度越大，所需制動距離越長；并且，在相同初始速度下，貨柜車制動距離明顯大于小客車。

圖9 車輛制動距離Fig.9 Braking distances of vehicles

4 基于視覺特性的事故機(jī)制分析

雙橋互通立交平面示意如圖10所示。在S80古宜高速至G76夏蓉高速方向，車輛在分流點(diǎn)之后繼續(xù)前行，直接駛?cè)胗肄D(zhuǎn)匝道。鼻點(diǎn)之前115.85 m與鼻點(diǎn)之后138.45 m的平面線形同屬于半徑R=4 500 m的大半徑圓曲線段，由于半徑值過大，曲率近似于0，即在視覺上等同于直線段。

圖10 雙橋立交平面圖以及幾何參數(shù)Fig.10 Planar graph and geometric parameters of Shuangqiao interchange

由于右轉(zhuǎn)匝道前端與主線末端同屬于大半徑圓曲線段(R=4 500 m)，即鼻點(diǎn)前后路段的平面線形指標(biāo)一致，且分流點(diǎn)之后的匝道路段也是2車道，導(dǎo)致在分流點(diǎn)之前(主線路段)、臨近分流點(diǎn)(主線路段)、臨近鼻點(diǎn)(匝道)以及駛過鼻點(diǎn)之后(匝道)這一區(qū)段，駕駛?cè)烁惺艿降倪\(yùn)行環(huán)境未發(fā)生顯著變化，如圖11(a)～(c)所示。因此，雖然在鼻點(diǎn)處設(shè)置40 km/h限速標(biāo)志，但由于主線路段和匝道段的運(yùn)行環(huán)境無明顯變化，部分駕駛?cè)嗽谠训狼耙约斑M(jìn)入匝道之后并無明顯減速行為。部分駕駛?cè)穗m然降低車速，但進(jìn)入匝道之后由于是直線+下坡，轉(zhuǎn)而會加速行駛，待發(fā)現(xiàn)有小半徑右轉(zhuǎn)彎之后(見圖11(d))，高速車輛尤其是大型貨車，難以在短距離內(nèi)完成減速，必然會發(fā)生側(cè)翻。

圖11 雙橋立交分流點(diǎn)前后的運(yùn)行環(huán)境Fig.11 Operation environments before and after diversion point of Shuangqiao interchange

使用移動式速度測量系統(tǒng)，采集事故匝道受限路段特征斷面的車輛行駛速度，斷面設(shè)置在小半徑平曲線中點(diǎn)附近(見圖10中標(biāo)注)，觀測樣本數(shù)為122輛，采集時段為上午10∶40～12∶00。對速度觀測值進(jìn)行處理，得到累計頻率曲線和分布直方圖，如圖12所示。在圖12中可以看到車速觀測值分布在37～81 km/h之間，分布在50～60 km/h的觀測值頻數(shù)相對最多，僅有極少車輛(1輛車)以低于限速值的速度行駛，超速行為具有普遍性，表明不合理的道路線形和路側(cè)設(shè)計給駕駛?cè)说乃俣冗x擇行為帶來嚴(yán)重誤導(dǎo)。

圖12 右轉(zhuǎn)匝道小半徑彎道的速度觀測值Fig.12 Observation values of speed at small radius bend of right-turning ramp

5 事故匝道的安全改善措施

根據(jù)前文分析，該樞紐互通右轉(zhuǎn)匝道事故高發(fā)的本質(zhì)原因是雖然在匝道入口設(shè)置限速標(biāo)志，但由于右轉(zhuǎn)匝道的行駛環(huán)境與主線高度接近，駕駛?cè)藭暂^高的車速駛?cè)朐训?，車速過快導(dǎo)致車輛在小半徑彎道側(cè)翻或者側(cè)滑?；诖?，本文從標(biāo)志標(biāo)線、匝道線形設(shè)計和路面抗滑等3個維度給出事故匝道的安全改進(jìn)措施。

5.1 交通標(biāo)志標(biāo)線方面

雙橋互通匝道的設(shè)計速度為40 km/h，在匝道分流點(diǎn)之前，主線路段設(shè)置多級限速，限速值分別設(shè)置為100，80，60 km/h，最后在匝道入口限速40 km/h。但實(shí)際限速效果并不理想，為此提出如下3點(diǎn)建議：

1)在100 km/h限速牌至60 km/h限速牌范圍內(nèi)的路面上施劃縱向減速標(biāo)線，縮窄車道寬度，降低駕駛?cè)怂俣阮A(yù)期。

2)在小半徑彎道之前的直道上施畫路面限速標(biāo)記，限速值為40 km/h，加強(qiáng)對駕駛?cè)怂俣瓤刂频奶嵝选?/p>

3)事故匝道處于長下坡路段，車輛行駛速度較快，建議在小半徑彎道緩和曲線前設(shè)置橫向振動標(biāo)線。

5.2 匝道幾何線形設(shè)計方面

雙橋互通右轉(zhuǎn)匝道事故高發(fā)的1個重要因素是匝道平面線形標(biāo)準(zhǔn)太低，主線限速值與匝道限速值之間的差值過大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過20 km/h的運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性閾值，駕駛?cè)撕茈y從100～120 km/h的高速行駛狀態(tài)轉(zhuǎn)換到40 km/h的低速狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致側(cè)翻。根據(jù)交通事故記錄信息和仿真結(jié)果，正常路面狀態(tài)下，載貨車速度70 km/h時即發(fā)生側(cè)翻。顯然匝道設(shè)計速度取40 km/h時，即使考慮一定安全冗余量，也無法滿足車輛以70 km/h穩(wěn)定行駛的要求。

基于此，建議對于此類樞紐互通匝道，建議將匝道設(shè)計速度從40 km/h提高至60 km/h，曲線半徑在規(guī)范推薦的“一般值”附近取值，由于設(shè)計指標(biāo)提供一定安全余量，車輛能夠以80 km/h時速安全通過曲線路段，從而在根本上解決事故高發(fā)的問題。

5.3 路面抗滑性能方面

由于雙橋互通立交匝道曲線半徑值較低，且處于長下坡路段(匝道下穿主線所致)，載貨車下坡行駛時制動頻繁，匝道路面抗滑性能衰減較快，路面附著系數(shù)較低，導(dǎo)致雨天車輛側(cè)滑事故頻發(fā)?；诖?，曲線路段范圍內(nèi)可設(shè)置彩色防滑路面，提高路面附著性能，減短車輛制動長度的同時還可以增加車輛側(cè)向穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

1)車輛駛?cè)胨俣葘υ训佬旭偡€(wěn)定性具有顯著影響，隨速度增大，車輛偏離道路中心線的距離增大，發(fā)生側(cè)滑或側(cè)翻的可能性增加。

2)較長的制動距離是保證車輛安全通過事故匝道的重要因素。相對于小客車，貨車需要更長的制動距離來完成減速，部分速度較高的貨車在小半徑彎道之前無法降低至安全速度導(dǎo)致車輛側(cè)翻。

3)道路視覺環(huán)境是影響駕駛?cè)怂俣冗x擇行為的重要因素，匝道路段與高速公路主線的行駛環(huán)境高度近似，將導(dǎo)致駕駛?cè)诉x擇較高的速度進(jìn)入匝道，進(jìn)而增加曲線路段的事故風(fēng)險。

4)依據(jù)匝道路段的事故形成機(jī)理，在交通標(biāo)志標(biāo)線、匝道平曲線技術(shù)指標(biāo)選取、路面抗滑等方面提出安全改進(jìn)措施。