平面交叉口定向匝道设置条件与技术经济评价

张梦凡　韩宝睿　杨震　朱成琳　黄媛

摘 要：利用定向匝道减少交叉口延误是缓解城市节点拥堵问题的手段之一，考虑到用地、资金和环境等约束，需要谨慎论证修建立体交叉口的适用性与条件。本研究针对城市内修建左转定向匝道的前期可行性，通过对其所需的道路条件、交通条件进行分析，利用VISSIM仿真得出修建匝道前后交叉口的延误、排放及燃料消耗量的差值，用拟定的标准交叉口估算定向匝道的修建费用，对比分析其经济性，得出快速评估修建左转定向匝道可行性的方法。该研究对改进城市立交规划可行性提出了新的思路。

关键词：定向匝道;适用条件;交通仿真;费用与效益;延误

中图分类号：U491.23    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2021）02-0104-06

Setting Conditions and Technical and Economic Evaluation

of Directional Ramp at Plane Intersection

ZHANG Mengfan， HAN Baorui*， YANG Zhen， ZHU Chenglin， HUANG Yuan

（College of Automobile and Traffic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract：Using directional ramps to reduce intersection delays is one of the means to alleviate the problem of urban node congestion. However， taking into account the constraints of land use， capital and environment， it is necessary to carefully demonstrate the applicability and conditions of constructing an interchange. This study aims at the preliminary feasibility of building a left-turn directional ramp in the city. It analyzes the required road conditions and traffic conditions， and uses VISSIM simulation to obtain the delays， emissions and fuel consumption of the intersection before and after the ramp. Estimate the construction cost of the directional ramp through the proposed standard intersection， compare and analyze its economics， and summarize the method for quickly assessing whether a left-turn directional ramp can be built. The study puts forward new ideas for improving the feasibility study of urban interchange planning.

Keywords：Directional ramp; applicable conditions; traffic simulation; expense and benefits; delay

收稿日期：2020-10-23

基金項目：江苏省自然科学基金资助项目 （BK20170932）

第一作者简介：张梦凡，硕士研究生。研究方向为交通规划与交通流特征。E-mail：
zmf07@qq.com

通信作者：韩宝睿，博士，副教授。研究方向为交通规划与交通流特征。E-mail：
hbr@njfu.com.cn

引文格式：张梦凡，韩宝睿，杨震，等.平面交叉口定向匝道设置条件与技术经济评价[J].森林工程，2021，37（2）：104-109.

ZHANG M F， HAN B R， YANG Z， et al. Setting conditions and technical and economic evaluation of directional ramp at plane intersection[J]. Forest Engineering，2021，37（2）：104-109.

0 引言

在城市道路网的平面交叉口中，左转车流增加了交叉口范围内冲突点的个数，并且占用主要的时空资源，导致交叉口通行能力受限[1]。且车辆类型与左转车比例有强耦合作用，尤其大型车左转时，转弯半径过大，容易造成严重的交通冲突[2]。若采用左转定向匝道，仅建一座跨线桥就可以实现消除大部分冲突点，不仅可以提高通行能力，还可以减少延误等。然而修建匝道不仅需要一定的空间，还需要合理的交通条件。此外，匝道是否能在投资回收期内通过减少延误而回收社会成本也是值得分析的问题。一般修建立交桥需要专项评估立交综合效益，本文拟根据道路设计基本原则，制定一套快速分析修建定向匝道的评估过程，以期能节约分析成本。

针对交叉口设置左转匝道的问题，Wang等[3]研究了左转定向匝道的交通特性及车速和交通流分布的关系，给出了匝道的建议通行能力值;Hamad等[4]将带环路半定向匝道连接的定向式立体交叉性能与常规带环路的定向式立体交叉进行了比较，根据交通运营情况评估了各种交通需求条件下前者的性能;施轶峰等[5]提出了直接式匝道的设计速度取值范围;张宝玉等[6]以重庆市古木峰立交为例，研究了快速路直接式左转匝道的服务水平;李宙峰等[7]利用上海市快速路3年事故数据和交通流量检测数据，针对立交匝道的不同单元分析了交通流特征对安全性的影响;房瑞伟等[8]采用层次分析法建立枢纽立交左转匝道选型评价模型，用实例对比直连式和半直连式匝道，并进行灵敏度分析，确定评价关键因素。利用匝道消除平面交叉口内的左转车流，可提高交叉口通行能力。然而，何种条件下能够采用左转定向匝道，依然是工程中忽略的问题。

本文拟通过分析虚拟交叉口的建设环境与要素，构建一条左转定向匝道，将交通量大的左转车流利用定向匝道从平面交叉口分离，首先分析匝道设置所需的道路与交通条件，其次通过交通仿真对比修建匝道前后的延误等指标，将修建匝道节约的延误、燃油等转化为经济和社会效益以分析其经济性。

1 定向匝道的适用条件分析

本文从道路空间条件、交通条件两方面进行分析。

1.1 道路空间条件

（1）相交道路等级

由于该类型匝道针对较大的交通量及快速交通，故一般道路不考虑，通常相交道路等级均为主干道以上。相交道路路段基本车道至少为双向六车道。

（2）匝道布设空间

根据《城市道路交叉口设计规程》，匝道自身需设置行车道以及紧急停车带，加上护栏净空范围，一般单向单车道匝道宽不少于6.0 m。为了保证桥墩的布设空间，路段中分带宽度应大于4 m。

（3）交叉口处墩柱的布设空间

由于桥梁墩柱设在交叉口范围内，容易阻挡行车视线形成安全隐患，因此墩柱尽量利用中间分隔带、侧分带、渠化岛和人行道空间布设，如图1所示。

（4）相邻交叉口的间距

车辆在进入左转匝道前需完成车道变更，驶离匝道的车辆也即将进行交叉口转向，均会与平面车流进行交织，为减少交织导致的交通紊乱，须使匝道设置的起终点与相邻交叉口的上下游保持足够的距离。交叉口间距最少包括交织段、起桥段和展宽渐变段等，如图2所示。

根据相关规范要求，出口匝道端部离下游平面交叉口进口道展宽渐变段起点宜大于100 m， 入口匝道的入口端宜布置在交叉口出口道展宽渐变段的下游， 且最小距离不宜小于80 m[9]。主干路相交展宽段至少80 m，渐变段至少30 m[10]。因此设置匝道的交叉口距入口匝道上游的交叉口至少450 m。考虑到匝道出口车速较高，距出口匝道下游交叉口至少500 m。

1.2 交通条件

（1）交通量

左转定向匝道由于线型简单，一般适用于左转交通量较大的情况。根据《城市道路交通规划设计规范》，道路网改造时，当交叉口交通量达到最大通行能力的80%，应首先改善道路网调低交通量，然后在该处设置立体交叉。根据美国HCM2000方法计算，改造前该交叉口最大通行能力约为5 600 辆/h，即当总交通量达到4 480 辆/h时可考虑修建立体交叉。当左转匝道设计交通量大于1 200 辆/h，应优先考虑定向式或半定向式。

（2）服务水平

信号交叉口的服务水平通常采用平均延误表示[11]，我国规范将信号交叉口服务水平分为4个等级，并规定新建交叉口应按三级服务水平设计[9]。当信号交叉口服务水平为四级时，即控制延误大于60 s/辆，可能会影响相交道路甚至路网的服务水平，因此可考虑修建此类匝道减少延误。该匝道适用于：①左转延误较大，或左转车辆等待多个周期方能通过的情况;②左转交通量过大，当某方向设置两条左转专用车道不能滿足转向需求时;③交叉口各向交通量总和超出正常信号交叉口通行能力。

（3）大型车比例

由于自身动力性能等因素，大型车在上坡段与小汽车的速度差会逐渐增大，导致车头间距增大，尤其在单车道匝道上无法超车，将引起通行能力下降。当大型车混入率大于20%且交通密度大时，混合车流中的小型车行驶速度不能保持如单一车流时稳定[12]。因此匝道上的大型车比例宜小于20%。

2 定向匝道的设计参数

匝道建造成本随匝道的类型和具体环境而有较大差异，为说明问题，本文针对理想的正交十字平面交叉修建一条定向匝道，与未修建匝道的普通平面交叉口进行仿真对比。

2.1 拟定匝道相关参数

假设原交叉口为两条主干道相交，路段基本车道为双向六车道，道路设置于水平区域（无纵坡），假定西—北方向交通流明显较大。西进口当前设置两个左转车道，如图3所示。通过初步仿真得出各个方向的饱和交通量，如图4所示。原信号控制相位如图5所示。

针对此类情况提出采用左转定向匝道，以单车道匝道替代两条地面左转车道，该类匝道通过中分带的空间设置桥墩，地面的多余空间可用来设置直行车道。假设该道路设计车速各方向均为50 km/h，匝道设计车速35 km/h。根据《城市道路交叉口设计规程》，匝道有关参数设置见表1。匝道长度对交叉口间距的设置有重要影响，根据机动车的设计轮廓尺寸和净高，桥下净空高度最小为5.5 m[13]，桥梁构造物与路面铺装厚度为1.0 m，总高度为6.5 m。匝道纵坡应小于4.0%[14]，因此匝道起桥段长度最小宜为165 m。

2.2 左转定向匝道的交通仿真

为估算左转匝道产生的经济效益和社会效益，本文以独立交叉口为研究对象，采用微观仿真软件VISSIM进行修建匝道前后的交叉口对比分析。选择车均延误、总延误、一氧化碳排放、氮氧化合物排放和燃料消耗量等参数作为输出数据。

（1）仿真准备

车道宽度设为3.5 m，道路类型为市区道路，默认仿真时长为3 600 s，改变随机种子重复仿真10次。其他参数见表2。

对仿真进行假定：车辆进入交叉口时均不会掉头;仿真过程不考虑行人和非机动车。

分别建立仿真底图，如图6所示。实际通过的交通量和信号配时分别采用图4、图5中虚拟交叉口设定的数据。

（2）仿真结果分析

在交通量相同的条件下比较延误等评价指标，仿真结果以一个高峰小时为单位，见表3。修建匝道后可使延误降低13.48%，使污染气体排放和燃料消耗降低8.19%。

由于修建匝道后，地面直行车道可设置两条，因此可通过调整信号相位来减少其他车道的延误。调整后的信号控制如图7所示。

调整信号配时后，得出的仿真结果见表3。延误相比修建匝道前下降了28.97%，污染气体排放减少17.63%，燃料节省了18.54%。由于本案例为饱和交通状态测试，实际运行中，各个方向不均匀性较大，则修建匝道导致信号配时重新分配，节约的延误将高于目前平均值。

3 技术经济评价

3.1 匝道建造成本估算

城市道路造价的影响因素主要有路基工程长度、路面工程面积、排水工程、桥梁隧道工程和占地面积等，而影响立交桥梁结构物的因素主要有主线或匝道的纵坡坡度和桥梁段长度、跨越方式和位置等。

与平面交叉口相比，造价差异主要在于匝道结构物的建造成本。假定匝道建在地面平整地带，在净空高度一致的情况下，左转匝道桥梁段长105 m，总长435 m，考虑排水工程、防护工程和路面工程等，每延米预估造价7万元[15-18]，估算匝道造价为3 045万元。

3.2 效益分析

修建匝道带来的效益主要包括节约延误效益、节约燃油效益和环境效益。改变信号控制后，平均延误减少31.2 s，整个交叉口高峰小时内共节省延误222 411 s，节省燃油 220 L，按照建成初年每小时运输时间价值为30元、燃油价格6元/L计，1个高峰小时可节省3 173元。以1天内总延误是高峰小时延误的4倍估算，1天的收益为12 692元。每年的增长率为5%，使用年限内效益可达到15 287万元，不仅能收回建造成本，还可创造可观的经济效益。

根据仿真结果推算，一氧化碳排放使用年限内可减少93.9 t，氮氧化物排放减少18.3 t，极大减少了汽车尾气排放量，具有良好的社会效益。

4 结论

本文分析了城市道路中左转定向匝道设置所需的道路空间条件和交通条件，通过VISSIM仿真和估算建造成本评价其经济性。从长远利益和节约能源的角度来看，在左转交通量较大、普通平面交叉口较为拥堵且用地受到限制的情况下，左转定向匝道有利于减少延误，取得良好的经济效益。

本研究是针对一些固定堵点进行疏解时用以快速评估决策的方法，将优化交叉口得到的社会效益、经济效益做了粗略的估算，实际情况可能远远复杂于本研究内容，且受具体环境、政策影响，需要对设置匝道是否可行进一步分析。

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