城市道路平面交叉口設計的探討

          城市道路平面交叉口設計的探討
[摘  要]本文從交通工程設計角度出發(fā), 在廣泛參照國內(nèi)外先進設計理論和方法的基礎上, 結合作者在深圳市從事城市道路設計的經(jīng)驗，重點分析探討了城市道路平面交叉口設計中有關沖突點、通行能力、進口車道設置及其幾何設計等方面的設計理論和方法，提出了一些設計思路和方法，以供參考。
[關鍵詞]城市道路   平面交叉   沖突點                                     
1 前言                                
城市道路系統(tǒng)多為網(wǎng)狀結構，其主要特點是道路網(wǎng)密度高，路網(wǎng)節(jié)點——交叉路口數(shù)量多，交叉路口已成為城市道路系統(tǒng)的重要組成部分，且近年來各城市普遍存在的交通混亂、交通阻塞、道路交通事故頻發(fā)等交通問題，很多是由于交叉路口交通干擾嚴重及交叉路口通行能力極度下降所造成。如何充分發(fā)揮現(xiàn)狀道路系統(tǒng)的交通功能，提高道路交通效率，目前應是各城市重點關注和解決的問題。這項工作的重點是對道路實行科學有效地交通組織管理，而組織管理的重點又是對道路交通能力起控制作用的道路交叉結點的處理，尤其是城市干道系統(tǒng)的主要交叉路口。對這些主要路口規(guī)劃設計實施科學的交通組織手段能夠最大限度地提高主要交叉口的通行能力，從而提高路網(wǎng)的整體容量，為此在交叉口渠化的基礎上，應充分利用自動化、信息化、智能化等科技手段，并充分考慮交通網(wǎng)絡的系統(tǒng)性，提出科學的交通組織管理手段及其實施方案。本文的道路平面交叉口設計的幾點思路和方法予以分析探討。
2 平面交叉口車輛沖突點分析
2.1平面交叉口車輛沖突點分析及計算
   與路段上順流交通截然不同的平面交叉口范圍內(nèi),其交通流由進口分流、路口內(nèi)交叉(或交織)、出口合流所組成。交通流線進入交叉口時, 由于車輛在分流時往往先要減速, 以便觀察行進方向的交通情況，并判斷分流的可能性，這樣就影響車輛進入交叉口的通暢性，從而干擾交通，分流方向越多，干擾就越嚴重；交通流線從出口道路引出時產(chǎn)生合流，此時車輛加速和插行，也會對交通產(chǎn)生干擾；此外，進入交叉口不同方向趕行、左轉車流以較大的角度（≥45º～90º）相互穿行時會形成交叉，交叉時車輛可能發(fā)生互相碰撞，碰撞點處則為沖突點，沖突點越多，對交通安全及交叉口通行能力的影響就越大。從產(chǎn)生沖突點的交通狀態(tài)分析可知，沖突點對交叉口的行車安全和交通影響遠比分流點和合流點要大。若相交道路均為雙車道時，全轉向道路交叉口沖突點數(shù)可按（1）式計算：
Pn= n2(n-1)(n-2) /6        ……(1)
式中：Pn---沖突點數(shù)，個：
n—相交道路條數(shù)。
三岔路口：P3= 32(3-1)(3-2) /6 =3
 
                          圖1：T型交叉路口
十字交叉口：P4= 42(4-1)(4-2) /6 =16
 
                         圖2：十字交叉路口
五路交叉口：P5= 52(5-1)(5-2)/6  =50
 
                              圖3：五路交叉路口
由（1）式可知，交叉口沖突點隨相交道路條數(shù)增加而成幾何級數(shù)增加，由此可見，在交叉口設計中正確處理和組織好左轉交通，減少沖突點，能大大提高交叉口的通行能力和減少交通事故。
2.2設計采用的措施
（1） 在交通量大或主要平面交叉口采用信號燈管制是目前普通采用的路口交通組織方式。
（2） 對交叉口適當進行渠化設計。通過合理布設交通島、交通標志、地面標線，以引導車流按一定方向或路徑行駛，也可達到減少和控制沖突點的效果。
（3） 限制交叉口某些行駛方向。當相交道路等級差別較大，或各向交通流量和重要程度差別較大時，在設計中限制次要道路的交通流向，既保證主要道路的交通不受干擾，又提高交叉口的安全性和通行能力。
3  信號管制平面交叉口通行能力分析計算
3.1 直行車道的通行能力2.2～2.4s；
參考多種有關研究資料，其通行能力建議采用（2）式：
N直=3600nK〔（t綠－t首）/t間+1〕/t周……（2）
式中:N直-----直行車道的通行能力,輛/h;
     t綠---------信號周期內(nèi)綠燈時間，S；
     t首------綠燈亮，第一輛車起動通過停止線的時間，s,按有關統(tǒng)計一般采用2.2～2.4s；
     t閘------車輛通過停止線的平均間隔時間，s，據(jù)觀測，小型車為2.5s，大中型車為3.5s，城市交叉口按已換算小型車采用2.5s；
     K ----- 考慮通行的不均勻性和其它一般干擾因素的修正系數(shù)，一般取0.86～0.9；
     n--------直行車道數(shù)。
式（2）中，（t綠—t首）為信號周期內(nèi)有效綠燈時間，（t綠—t首）/t閘為綠燈內(nèi)通過停止線的時間間隔數(shù)，〔（t綠—t首）/t閘+1〕為綠燈時間內(nèi)通過車輛數(shù)，再剩以每小時周期數(shù)（3600/t間）和修正系數(shù)，即為車道通告能力。
若對面左轉車與直行車共用一信號周期相位，直行車與對面左轉車將發(fā)生相互干擾，影響通行能力，可將此影響折減至直行車道。據(jù)實際觀測，綠燈時，對面左轉車前1～2輛可搶先本面趕行車通過，而不影響直行車通行，其后路口內(nèi)尚可容納2～3輛左轉車等待黃燈期間通行，因此，在一個信號周期內(nèi)不影響本面趕行車通行的對面左轉車數(shù)為3～4輛（大交叉口4輛，小交叉口3輛），超過此數(shù)則應對直行車通行能力進行折減，折減修正系數(shù)可按（3）式計算：
f=1－（N直 /N進）（N左對—N下）……（3）
式中N直----本面直行車道數(shù)；
    N進----本面進口道通行能力，輛/h；
    N左對----對面進口道左轉車數(shù)，輛/h；
    N不-----不影響直行車的對面左轉車數(shù)；取3～4。
折減后直行車道的通行能力，輛/h：
N直=3600nKf〔（t綠－t首）/t間+1〕/t周
3.2左轉車道的通行能力
設置有專用左轉車道的入口，當設有無交叉沖突的信燈相位時，其通行能力計算與直行車相同，即：N左=3600K〔（t綠－t首）/t間+1〕/t周（輛/h）……（4）
但考慮到左轉車一般較趕行車駛條件差，（4）式中修正系數(shù)K值應取低值。
若左轉車與對面直行車共用同一信燈相位，按前述分析，一個信號周期內(nèi)左轉車小于等于4輛，可不受影響；若大于4輛而小于10輛，則需對對面直行車通行能力進行折減計算；若左轉車數(shù)大于10輛，或左轉車流量相對對面直行車流量占較大比例（如大于40%），一般應設左轉專用信號，以避免造成交叉口內(nèi)交通混亂和阻塞。
3.3右轉車道的通行能力
右轉車輛一般在交叉口內(nèi)不與各向車輛交叉而產(chǎn)生干擾，即無交叉沖突點，而按我國交通管理規(guī)則，大多數(shù)城市不對右轉車輛進行信號燈管制，僅用交通標志限速緩行。此時，右轉車輛可按連續(xù)車流考慮，故右轉車道通行能力一般按（5）式間單計算：
N有=3600K/t間（輛/h）……（5）
式（5）中符號意義與前述同。其中車輛平均間隔時間t間考慮到路口緣石半徑大小對車速的影響，其取值范圍為2.5～3.0s,緣石半徑大時取小值,緣石半徑小時取大值。
此外，目前國內(nèi)已有個別城市對右轉車輛設置信號控制（如深圳市）以避免右轉車與過街行人的沖突和相互干擾，增加行人過街的安全性，此時，右轉車道通行能力計算與直行車相同，即：
N右=3600K〔（t綠－t首）/t間+1〕/t周（輛/h）……（6）
式（6）中符號意義與前述同。
3.4混行車道的通行能力
在左轉車或右轉車流量很小, 直行車道通行能力有富余的情況下, 或路口受限無法拓寬增加專用左、右轉車道時，往往采用各種混行車道，如直左車道、直右車道和左直右車道。
據(jù)觀測，在直右混行車道中，右轉車通過停止線的間隔時間與直行車的間隔時間相等，故直右車道的通行能力可按直行車道計算，即：
N直右=N直（輛/h）……（7）
在直左混行車道中，一輛左轉車會影響后面一輛趕行車，觀測統(tǒng)計顯示，一輛左轉車相當于通過1.5～1.75直行，故直左車道通行能力可按（8）式計算：
N直左=N直（1－a）……（8）
式中：a-----左轉車影響的折減率，取值1/2β左～3/4β左，β左為直左車道中左轉車所占比例。
在左直右混行車道中，只有左轉車減速會影響后面直行車，而右轉車則與直行車一樣考慮故左直右車道通行能力計算與直左車道相同，即：
N左直右=N直左（輛/h）……（9）
3.5交叉口各入口通行能力和總通行能力
綜上所述，交叉口一個入口處的通行能力為該入口各車道通行能力之和，即：
N入口=N直+N左+N右+N直左+N直右+N左直右（輛/h）……（10）
交叉口總通行能力為各入口通行能力之和，即：
N總=ΣN入口（輛/h）……（11）
4 平面交叉口進口車道的設置及其幾何設計
4.1進口車道數(shù)及其功能劃分
平面交叉口進口車道數(shù)若與路段相同，則在信號控制下，一般其通行能力只有路段的一半，故一般有條件時交叉口進口車道數(shù)應大于路段車道數(shù)。只有在道路等級較低（如次干道以下等級），或其拓寬用地受限或其通行能力有富余時才可不考慮增設車道。進口車道一般分直行車道、左轉車道、右轉車道及其混行車道。增設車道主要是左轉和右轉專用車道。
據(jù)國外研究統(tǒng)計資料，對于城市道路交叉口，包括次干道以上的各等級道路相交，其交叉口某進口道左轉流量大于200輛/h或一個信號周期左轉車輛數(shù)大于4輛，且路口拓寬車道不受限時，一般均應設置左轉車道，左轉車道優(yōu)先于右轉車道設置。但對于單向單車道，進口只增設一車道，且直行車和右轉車較左轉車比例很大時（如≥90%），為使進口車的利用更為均衡，左轉車可不考慮占用專門車道，而與直行車混合為直左車道。此外，次要道路交叉口進口道左轉車流量小于150～180輛/h，或一信號周期進口道左轉車輛不足4輛時，也不設置左轉專用車道，而采用直左混合車道。
右轉車輛對交叉口的通行能力和干擾影響相對較小，故一般可采用直右混行車道。但當右轉車流量較大，如其流量比例大于進口總流量的1/n（n為進口車道數(shù)），或T形交叉口有右轉車流的進口道，或在有右轉信號相位（如深圳市）與直行相位相異等情況下，則應考慮設置右轉專用車道。此外，在新設計的城市主要交叉口，為右轉行駛和行人過街方便，有條件時可配合交通島將右轉設計成單獨右轉專用車道見圖4。
                             
                              圖4：右轉專用車道
4.2進口車道的幾何設計
(1)進口車道寬度與路口拓寬
由于車輛通過信號交叉口需減速緩行或停車起動, 故交叉口范圍內(nèi)進口道設計車速較路段大大減小, 按城市道路設計規(guī)范交叉口范圍內(nèi)設計車速直行車為路段的0.7倍,轉彎車為路段的0.5倍。在較低車速下，進口車道寬度較路段可相應縮小，對于大型車輛，路段若取3.75m，進口道則可采用3.25～3.5m；對于中小型車輛，路段若取3.5m，進口道則可采用3.00～3.25m。這樣可減小路口拓寬量。路口拓寬一般由進口道增設轉彎車道引起。增設車道設計一般可采用下述幾種方式：
有較寬中央分隔帶時，壓縮分隔帶寬度辟為左轉車道，見圖5；有中央分隔帶，但寬度不足時，可將駛入段車道線適當向內(nèi)偏移以增設左轉車道，見圖6；無中央分隔帶，必要時可用拓寬路口方式增設左轉車道，見圖7。右轉車道一般采用拓寬路口的方法設置，見圖8。此外，按前述根據(jù)車輛大小和車速，壓縮原路段車道寬度以增設進口車道也是有效方法之一。
         
    圖5：壓縮中央分隔帶                      圖6：偏移中央分隔帶
         
       圖7： 兩邊拓寬路口                    圖8：單邊拓寬路口
(2)進口拓寬車道的長度確定
如圖7所示, 目前國內(nèi)外關于拓寬車道長度L2有各種計算方式，設計中采用（12）式確定拓寬車道長度：
L2=0.75N粗S綠L間/3600      ……(12)
式中:N組----進口車道的飽和流量,輛/h，建議值為1200～1400；
     S綠----一個信號周期內(nèi)的有效綠燈時間S，與信號配時相關；
     L間----平均車頭號間距，m，取車身平均長加2.0～2.5m間隔，一般為7～9m。
N組×S綠/3600為進口每車道一信號周期的通行能力；0.75值的意義是指采用75%的飽和度作為計算依據(jù)。
根據(jù)國外研究資料，75%的飽和度是信號交叉口進口車道不產(chǎn)生溢流的上限。
（3）拓寬車道的漸變段長度確定
如圖7所示，車輛進入左、右轉拓寬車道需設置漸變段L1，以使車輛平穩(wěn)順利地變換車道并減速。
漸變段長度L1建議采用（13）式計算：
L1=0.19V（B/μ）1/2         ……（13）
式中：V----進口車速，KM/h，取路段設計車速的0.5～0.7倍。
B---拓寬車道寬度，m；
μ—橫向系數(shù)，取0.1～0.15。
橫向系數(shù)μ值與設計車輛大小有關。設計車輛為大型車時，為保證車輛漸變行駛的舒適性，μ取小值與設計車輛大小有關。設計車輛為大型車時，為保證車輛漸變行駛的舒適性，μ取小值（如0.1）為好；設計車輛為小型車時，μ取大值（如0.15）， 計算得到的漸變段長度可滿足車輛橫向力的控制要求。
此外，漸變段長度L1應滿足車輛減速要求。按減速要求計算其長度建議采用（14）公式：
L1=（V2-VO2）/26a    ……（14）
式中：V----進口車KM/h；
      V0---減速后車速，KM/h，停車交叉口其值取零；
      a----車輛減速度，取2.5～3.0m/s2。
設計漸變段長度L1應按上述（13），（14）式計算后取其大值。
總之，城市道路平面交叉口進口車道的合理設置對改善交叉口的通行條件，提高交叉口的通行能力起著重要作用。交叉進口車道的合理幾何設計是保證各進口車道正常發(fā)揮作用，避免各道相互干擾不可或缺的因素。除上述數(shù)項幾何設計外，尚有諸如路緣石半徑、停車線位置、停車視距、交通島幾何尺寸等幾何設計均不可忽視。此外，出口車道的幾何設計也有許多相似之處，因篇幅所限，在此不一一敘述。進口車道各幾何尺寸往往是相互關聯(lián)，設計中應將各幾何關系予以統(tǒng)籌考慮和計算，才能取得上佳設計。
參考文獻
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