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1、第四章 匝道及匝道连接点通行能力分析（分、合流区通行能力）,北京工业大学交通研究中心邵长桥,第一节 概述,匝道是连接两条道路的一段道路通常由3部分组成：（1）匝道与高速公路连接处（分、合流区）；（2）匝道车行道（不作为重点）；（）匝道与相连道路的连接处。,匝道车行道,匝道与主线连接处,匝道与相连道路的连接处,（1）匝道类型（在具体分析时，须明确匝道类型）按匝道与高速公路连接处交通流的汇合、分离情况，将匝道分为进口匝道和出口匝道（图1）。按分析匝道与上、下游匝道的相互影响，可将匝道分为孤立匝道和非孤立匝道。所谓孤立匝道是指分析匝道与相邻匝道的间距足够远，其运行状况不受其他匝道的影响；非孤立匝道是
2、指分析匝道与相邻匝道的间距较小，以至相邻匝道的交通影响到所研究匝道的交通运行。,图（）出口匝道,图（）进口匝道,图非孤立匝道和孤立匝道示意图,（2）匝道运行特征匝道的三个组成部分，其运行特征也各不相同。匝道车行道中车流运行环境较简单，运行状态相对稳定；匝道与主线连接处（分、合流区）车辆需要汇入或分离，且汇入或分离车辆将对主线中的“直行”交通造成干扰；匝道与相连道路的连接处，车辆希望在保证交通安全的前提下，顺利汇入连接道路。,值得注意的是，匝道这三部分的运行状态是一个有机的整体，只有这三部分的运行都处于良好的状态时，匝道与匝道主线连接处的运行状态才能有保证；只要其中一个环节出现问题，整个状态都将
3、受到影响。匝道主线连接处（分、合流区）的运行特征最为复杂，要求也高，因此，将该处的运行特征作为分析重点。,（3）影响区按匝道功能的不同，分为合流区和分流区。1）合流区：从进口匝道来的车辆试着在相邻的主线车道上寻找主线交通流中可利用空隙，以便汇入。匝道连接基本上都在主线右边，主线上右边第1车道（也叫路肩车道）受到最直接影响。受合流车辆的影响，主线中的车辆将在进口匝道上游重新考虑其行驶车道，使交通量打破原来基本路段中的平衡状态，在主线中重新分布。进口匝道的影响区见图3。,图进口匝道影响区示意图,2）分流区： 希望驶出的车辆首先从“直行”交通中分离出来，进入与匝道相邻的车道，整个车流也重新调整交通量
4、的车道分布。出口匝道的影响区见图4。,图4 出口匝道影响区示意图,（4）通行能力主要影响因素合流区和分流区的运行特征存在根本差别，其主要的影响因素也各不相同。通行能力分析过程中，应分别对合流区与分流区通行能力进行分析。主要影响因素：道路条件交通条件,（1）合流区交通运行特性,（2）合流区通行能力的主要影响因素,图5 进口匝道主线连接处通行能力的主要影响因素,（2）分流区通行能力的主要影响因素,图6 出口匝道主线连接处通行能力的主要影响因素,第二节匝道车行道通行能力,匝道车行道通常不会发生运行问题，且设计要素相对稳定(如匝道车数、匝道长度、设计速度、平、纵线形参数等），往往不作为分析重点。匝道通
5、行能力影响因素：匝道自由流速度行车道宽度坡度交通组成（大车混入率）,匝道车行道通行能力（匝道自身通行能力值）,表1 匝道车行道通行能力值,第三节匝道与主线连接处通行能力（分、合流影响区通行能力）,匝道主线连接处车辆需要汇入或分离：合流匝道（汇入）分流匝道（分离）匝道与相连道路的连接处，其车辆希望在保证交通安全的前提下，顺利汇入该连接处。匝道主线连接处（分、合流区）的运行特征最为复杂，要求也高。将该处的运行特征作为分析重点。,（）合流区通行能力合流区通行能力主要由下游高速公路路段交通流率QFO决定，包括高速公路上游的交通流率QF 和匝道车行道的交通流率QR，其计算公式如式（1）所示： (1)合流
6、区通行能力还受到进入合流影响区的总交通流量的约束。进入合流影响区的总交通量可用式（2）计算： (2),当驶出合流影响区的总流率QFO超过下游高速公路路段的通行能力CFO时，交通流将出现阻塞，并且从合流点开始将会向上游形成排队；当进入匝道影响区的总流率QR12超过了其通行能力CR12，但总流率QFO没有超过下游高速公路路段的通行能力CFO时，将出现局部高密度的交通流，但高速公路上不会有排队,图7,表2 合流区通行能力值,（2）分流区通行能力分流区通行能力取决于上、下游高速公路路段的交通流率QF、QFO。同时，分流区通行能力还受到进入分流影响区的总交通流率Q12的限制,表3 分流区通行能力值,当驶
7、向分流影响区的总流率QF或驶出分流影响区的总流率QFO超过高速公路路段的最大交通流率CF、CFO时，或者需要进入出口匝道的交通流率Q12超过出口匝道本身通行能力时，交通流将出现阻塞；当进入匝道影响区的总流率Q12超过其最大交通流率C12，但总流率QF或QFO没有超过高速公路路段的最大交通流率CF、CFO时，将出现局部高密度的交通流，但是高速公路上不会有排队。,（3）合/分流区的服务水平标准,表4 合流和分流区的服务水平划分标准,合/分流区服务水平的划分标准是在合/分流影响区内车流稳定运行的前提下制定的，如果出现交通需求大于通行能力，包括需要进入影响区的交通流率大于主线中该区域的最大交通流率、匝
8、道中交通需求大于匝道车行道通行能力或驶出合流区的交通流率大于主线通行能力等，都会出现交通阻塞的情况，不能采用密度来划分服务水平等级。,（4）交通流率计算公式分合流区通行能力分析是基于理想条件下15分钟高峰小时流率来计算的，因此通常需要采用式（3）进行交通流率的换算。,（5）进入进口匝道影响区交通流量 计算公式对进口匝道而言，进入其影响区的流量对于通行能力分析至关重要。其计算公式: 驶向高速公路分流区的最大总流量，pcu/h 紧邻分流区上游主线车道1和车道2的交通量占该方向总交通量的比例,当高速公路为6车道，其的计算公式比较复杂，其中式（6）适用于上游相邻匝道为出口匝道的情况，式（7）适用于下游
9、相邻匝道为出口匝道的情况。当相邻匝道不影响分析匝道时，选用式（5）。详细的公式选用情况见表5。,表5 6车道高速公路进口匝道计算 公式选择表,表5尽管对各计算公式的适用情况进行了划分，但是仍然无法完全区分式（5）和式（6）、式（5）和式（7）以及式（5）、式（6）和式（7）的使用情况。通过计算当量匝道间距，与上、下游相邻匝道的间距进行对比，可以确定上、下游相邻匝道对分析匝道是否存在影响，从而选择正确的计算公式，计算进入进口匝道影响区的交通量。,当需要确定上游相邻匝道是否影响分析匝道时，可以计算当量间距 ：当 ，采用公式（5），否则采用（6） 距上游匝道的距离，m,当需要确定下游相邻匝道是否影响
10、分析匝道时，计算 当 时，采用公式（5），否则采用（7） 距下游匝道的距离，m,当上下游匝道同时需要确定是否影响分析匝道时，通常要分别确定两种 的计算公式，在两个结果中，选择较大的,6）进入出口匝道影响区交通流量 计算公式 （11）,当高速公路为6车道时，由于上下游匝道对分析匝道的影响， 计算公式比较复杂。式（13）适用于上游相邻匝道为进口匝道的情况，而式（14）适用于下游相邻匝道为出口匝道的情况。当相邻匝道不影响分析匝道时，选用式（12）。公式选用情况见表6。,当需要确定上游相邻匝道是否影响分析匝道时当 ，采用公式（12），否则采用（13）,当需要确定下游相邻匝道是否影响分析匝道时，计算 当
11、 采用公式（12），否则采用（14）,（7）匝道影响区车流密度 计算公式合流影响区的车流密度的计算公式（） 分流流影响区的车流密度的计算公式（）,（8）匝道影响区区间速度 计算,（9）合流影响区外侧车道区间速度 V0计算,合流影响区所有车辆的区间速度 的计算（）,分流影响区内区间速度 的计算 （25）,分流影响区外侧车道区间速度 计算,分流影响区所有车辆的区间速度 的计算 （28）,第四节 通行能力分析步骤,匝道与匝道主线连接处（分、合流区）的通行能力分析中，同样存在规划、设计和运行状况两个层次的分析内容。这两个层次的分析分为两部分:首先是确定分析对象的是否处于稳定运行状态；然后分析对象的车流
12、密度、服务水平和区间速度。,在规划和设计分析中，可以得到加/减速车道长度、匝道车行道数等。从这两个层次分析所需的数据和分析步骤来看，基本一致，只是用于规划分析的数据主要是根据默认值和预测数值，而设计和运行状况分析的数据多来自于实际观测和当地的经验值。本章的分析步骤不再按层次分别说明，而将两个层次的分析进行统一介绍。,（1)分析数据要求1)高速公路主线基本数据主线自由流速度、交通量或AADT、设计小时系数、方向分布系数、交通组成和驾驶员总体特征等；2)匝道基本数据车道数、加/减速车道长度、匝道自由流速度、交通流率或AADT、设计小时系数、方向分布系数、交通组成和驾驶员总体特征等；,3)上游匝道基
13、本数据匝道类型、距分析匝道距离、交通流率或AADT、设计小时系数、方向分布系数、交通组成和驾驶员总体特征等；4)下游匝道基本数据匝道类型、距分析匝道距离、交通流率或AADT、设计小时系数、方向分布系数、交通组成和驾驶员总体特征等。,（2)进口匝道通行能力分析步骤,第一步据已知条件确定主线自由流速度、交通量，上下游相邻匝道的类型（进口匝道或出口匝道）、距离（或）和交通量（或），以及分析匝道的自由流速度和交通量，以及地形条件。在规划和设计分析中，交通量资料多采用AADT进行计算，而其他的道路几何条件多采用假定数值。,第二步计算各种15分钟的高峰小时流率，包括主线交通流率、匝道流率以及上下游匝道流率
14、和,需要注意的是，在规划和设计分析中，由于交通量资料采用AADT，在计算高峰小时流率之前，必须计算设计小时交通量DDHV。,第三步计算进入进口匝道影响区的交通量。首先按照式（9）和（10）计算当量匝道间距；通过比较上下游相邻匝道间距和，确定计算进入进口匝道影响区的交通量占该方向交通量的比例的计算公式，选择式（5）式（8）中恰当的公式进行计算；最后，按式（4）计算进入进口匝道影响区的交通量：,第四步比较匝道交通量、进入下游高速公路的交通量和进入合流影响区交通量与表1中匝道通行能力以及表2中这两个关键点所能容纳的最大流率和的大小，确定交通流是否处于稳定状态。都可以判断交通流处于不稳定状态，服务水平
15、为四级强制流。,表1 匝道车行道通行能力值,第五步当交通流处于稳定状态时，按式（17）计算合流影响区的车流密度，并对照表4中各服务水平等级的车流密度范围，确定服务水平等级。,表4 合流和分流区的服务水平划分标准,第六步计算合流影响区的区间速度。按式（19）计算合流影响区内区间速度然后根据合流区外侧车道中的交通流率，从式（20）式（22）中选择恰当的公式，计算合流区外侧车道的区间速度；最后按式（24）计算合流影响区的区间速度。,合流影响区所有车辆的区间速度的计算公式,（）出口匝道通行能力分析步骤,第一步据已知条件确定主线自由流速度、交通量，上下游相邻匝道的类型（进口匝道或出口匝道）、距离（或）和
16、交通量（或），以及分析匝道的自由流速度和交通量，以及地形条件。在规划和设计分析中，交通量资料多采用AADT进行计算，而其他的道路几何条件多采用假设数值。,第二步计算各种15分钟的高峰小时流率，包括主线交通流率、匝道流率以及上下游匝道流率。在规划和设计分析中，由于交通量资料采用AADT，在计算高峰小时流率之前，必须计算设计小时交通量DDHV。（见合流区通行能力分析步骤二）,第三步按式（11）计算进入出口匝道影响区的交通量。首先按照式（15）和（16）计算当量匝道间距；通过比较上下游相邻匝道间距，确定计算进入出口匝道影响区的交通量占该方向交通量的比例的计算公式，选择正确计算公式或得到比例值；按式（
17、11）计算进入出口匝道影响区的交通量。,第四步,第五步当交通流处于稳定状态时，按式（18）计算分流影响区的车流密度，并对照表4中各服务水平等级的车流密度范围，确定服务水平等级。 （18）,第六步计算分流影响区的区间速度。按式（25）计算合流影响区内区间速度；然后根据分流区外侧车道中的交通流率，从式（26）和式（27）中选择恰当的公式，计算分流区外侧车道的区间速度；按式（28）计算分流影响区的区间速度。,案例,算例1：已知：匝道情况：平原地区某4车道高速公路中单车道孤立驶入匝道。高速公路路段单方向2车道，车道宽3.6m，自由流车速VFF110km/h，高速公路路段流量为2200辆/h，中型车比例
18、为10%，大型车比例为3%，拖挂车比例为2%，PHF0.90；孤立匝道1车道，匝道流量300辆/h，匝道中型车比例为5%，大型车比例为3%，拖挂车比例为2%，匝道的自由流车速VFR70km/h，加速车道长225m。问题：分析合流区高峰小时的服务水平等级。,分析：匝道合流区示意图：,第一步计算各处高峰小时流率,主线：进口匝道,主线高峰小时流率匝道高峰小时流率,第二步 计算匝道影响区的交通流量Q12 A）对于高速公路为双向4车道，每方向为2车道，根据式（4）取PFM =1.00；B）根据式（4）计算进入进口匝道影响区的交通流量Q12；,第三步 判断交通流运行状况,第四步 判断服务水平。根据上述计算
19、结果，该高速公路在此路段处于拥堵状态，服务水平为四级下半部分，要解决这种情况，应在此处增加一条车道。,算例2驶入匝道接驶出匝道的分流影响区运行状态分析已知：匝道情况：八车道高速公路相距400m的一条驶入匝道和一条驶出匝道，加、减速车道长度均为80m。主线车流量为4000辆/h，其中中型车占4.7%，大型车占3%，拖挂车占2%，自由流速度为VFF=100km/h，PHF0.90；驶出匝道车流中有5%为中型车，3%的大型车，2%的拖挂车；驶出匝道VFR为40 km/h；驶出匝道车流量为450辆/h。问题：高峰小时驶出匝道分流影响区的服务水平为几级？,分流影响区运行分析计算示意图,第一步：计算高峰小
20、时流率 主线匝道,第二步：计算进入出口匝道影响区的交通流量Q12 由于高速公路为双向8车道，单向4车道，根据式（11）可得PFD=0.436,第三步 判断交通流运行状态A）查表（1）可得出口匝道通行能力CR=1500，表（3）可得上游高速公路的最大通行能力CF=7600，下游高速公路的最大通行能力CFO=7600，分流影响区的最大通行能力C12=3400；,B）计算出口匝道交通量QR、进入上、下游高速公路的交通量QF、QFO和进入分流影响区的交通量Q12：C）由上述计算结果可知QRCR，QFCF，QFOCFO，Q12C12，可以判断该处交通流处于稳定状态。,第四步：计算分流影响区的车流密度；判
21、断服务水平计算分流影响区的车流密度 查表（4）可知二级服务水平下限的分界密度为18.0 pcu/km/车道，则17.2pcu/km/车道的密度处于二级服务水平。,第五步 计算分流影响区所有车辆的区间速度VA）计算分流影响区内的区间速度VR,VFF=100 km/h，VFR=40 km/h,B）利用式（27）计算分流影响区外侧车道区间速度VO；,C） 利用式（28）计算分流影响区所有车辆的区间速度V。结果：驶出匝道分流影响区域服务水平为二级，合流影响区域的速度为79.3km/h，平均速度为89.1km/h，交通密度为17.2pcu/km/车道。,作业已知：匝道情况：八车道高速公路相距400m的一条驶入匝道和一条驶出匝道。加、减速车道长度均为80m。驶入匝道、驶出匝道各一条；平原地形；车道宽度3.6m，PHF为0.90；高速公路流量为5000辆/h，速度为100km/h；单向四车道路段；高速公路车流中有8%为中型车，2%为大型车，1%为拖挂车；驶入匝道车流中有3%为中型车，3%为大型车，2%为拖挂车；驶入匝道流量为400辆/h；驾驶员为普通通勤者。问题：高峰小时驶入匝道合流影响区的服务水平为几级,
