第26章立交匝道连接点.docx
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第26章立交匝道连接点
第26章立交匝道连接点
26.1引言
本章论述高速公路、主要公路以及城市道路立体交叉匝道连接点的一般问题。
虽然本章表述的思路和概念上涉及到大多数含两个平面交叉的立交交叉,但是却主要针对设信号灯的有两个平面交叉的菱形立交。
由于两个信号交叉口距离很近,形成产生相互作用的菱形,使分析复杂化。
但是,还没有一个完善的预告这种影响的方法,所以,本章在内容上主要是概念性的。
26.1.1立交桥的类型
在文献中可以见到几种立交桥型式。
这里介绍和讨论了可能造成两个相距很近的平面交叉口的立交一般形式。
同时也给出了仅有一个平面信号交叉口的单点菱形立交。
这里使用的名词“高速公路”指的是高速公路、快速路或者主干公路。
26.1.1.1菱形立交
图表26-1所示为可能造成两个或两个以上相距很近的平面交叉口的大多数菱形立交。
在一座菱形立交上,每个象限内对每条高速公路的进口和出口仅有一个连接段。
道路双向的进口或出口用左转和右转行驶;菱形立交上要求左转的行驶。
在乡村,菱形立交匝道和平面上道路的连接点处通常用停车控制或让行标志控制。
当交通需求大时,需要改为信号控制。
菱形立交有很多种变体。
根据匝道和街道连接形成的平面交叉口的间距,将典型菱形立交划分为三类。
普通型菱形立交的两个平面交叉口之间的间距大于等于240m。
受限型菱形立交的平面交叉口间距介于120m到240m之间。
紧凑型城区菱形立交的平面交叉口间距小于120m。
分离式菱形立交上高速公路的入口和出口匝道是分离的,在街道上造成了四个平面交叉。
还可以将菱形立交的布置与单向连续辅路组合在一起。
该辅路就成了单向干道,并且由于同时需要承担辅路上的进出交通,使得菱形立交在平面交叉处产生的转向交通变得更加复杂。
也可以增加独立U形转弯车道,若有信号控制,可取消U形转弯车道。
部分菱形立交少于四条匝道,所以,不承担所有方向高速公路到城市道路以及城市道路到高速公路的交通运行。
三层菱形立交可以看作两座双层菱形立交,所以,每座立交上都需要各种匝道,保证连续行驶。
构成了两座相互连锁的分离式菱形立交。
单点菱形立交把所有匝道交通都引到一个信号交叉口,所以具有一个信号交叉口交通运行的优点。
设计中就忽略了两个相邻平面交叉口协同运行时面临的关键性问题。
图表26-1中,画有所有这些菱形立交的形式。
26.1.1.2部分苜蓿叶立交
图表26-2中是部分苜蓿叶立交桥。
用一条或两条环行匝道就可以创造出各种部分苜蓿叶立交桥。
在这些情况下,外侧一条或两条匝道采用菱形立交匝道的形状,并象菱形立交上那样承担左转交通。
有些部分苜蓿叶立交,通过环行匝道实现左转运行。
图26-1菱形立交的类型
注:
草图,没有比例;
图中虚线表示信号控制支路象无信号时那样运行的可能布置
图26-2苜蓿叶立交类型
注:
图中虚线表示信号控制支路象无信号时那样运行的可能布置
26.1.1.3立交型式对转向交通的影响
立交型式对转向交通有重要影响。
在一种型式中的右侧汇入交通,在另一种型式上可能是左转运行。
根据匝道交通是否需要左转或右转,行近立交的流向对平面道路上的交通也有影响,视立交类型而异,还会影响车道变换和交织运行。
图表26-3表示立交型式对转向交通的影响。
列出了高速公路或干线公路和平面道路之间8个基本流向。
图表中用M表示在连接点处为合流,用D表示分流,用T表示转向,同时用R表示为右侧运行,用L表示左侧运行。
图26-3立交型式对转向交通的影响
运行类型
立交型式
从地面街道
从高速公路或公路
南—东
南—西
北—西
北—东
东—北
东—南
西—北
西—南
菱形
TRa
TL
TRa
TL
TRb
TL
TL
TRb
分离菱形
TRa
TL
TRa
TL
TRb
TL
TL
TRb
部分苜蓿叶A—4象限
DR
DR
DR
DR
TRb
TL
TL
TRb
部分苜蓿叶A—2象限
TL
TRa
TL
TRa
TRb
TL
TL
TRb
部分苜蓿叶B—4象限
TRa
TL
TRa
TL
MR
MR
MR
MR
部分苜蓿叶B—2象限
TRa
TL
TRa
TL
TL
TRb
TRb
TL
部分苜蓿叶AB—4象限C
DR
TL
TR
DR
MR
MR
TL
TRb
部分苜蓿叶AB—2象限C
TRa
DR
TL
TL
TRb
TL
MR
TL
注:
假设高速公路为东西流向。
流向类型是相对于地面街道而论。
合流和分流可能有或无冲突流向。
T=向冲突方向的转弯
M=合流
D=分流
R=右侧运行
L=左侧运行
a.可能为分流
b.可能为合流
c.只有在东边有环形匝道时才会有的流向。
在选择合适立交型式时需要考虑其对转向交通的影响。
左转交通通常是影响交通运行效率的最重要的因素,如果可能,要避免大量左转交通的情况。
选择仅形成少量左转交通的立交型式可以极大地改善总体运行状况。
可是,这种结果并不是总能实现。
路权限制可能会排除某些环行匝道的使用,同时环境和经济条件也可能会限制使用多层结构。
虽然菱形立交可能造成出现大量左转交通的情况,但最终分析认为需要这种菱型的立交。
26.1.2信号菱形立交的独特运行
信号菱形立交具有几种独特的分析情况。
实际上,除了单点菱形立交,在车辆进出高速公路或干线公路时产生的超常繁重的左转与右转交通条件下,菱形立交会形成相邻间距很近的两个信号平面交叉口。
这两个交叉口不是独立运行,根据立交独特的布置,彼此相互影响。
在其他相邻很近的有大量左转交通的信号平面交叉口也可能会有这种相互影响。
例如,两象限部分苜蓿叶立交,由于其三相位信号和菱形立交的很相似,所以一般也会遇到这种类型的问题。
所以,这些概念也可以应用于非立交的类似具有相邻很近的平面信号交叉口的情况,包括和立交匝道连接点很近的平面交叉口。
图表26-4表示一个典型的信号菱形立交。
为了简化起见,图中仅针对地面道路的一个方向,另一个方向情况类似。
图26-4典型的信号菱形立交运行
菱形立交(特定方向的)每个信号交叉口有两个进口,对上游交叉口用A和B标出,对下游交叉口用C和D标出。
进入下游交叉口的交通是由上游交叉口出来的U1和U3。
从高速公路驶出的交通形成了上游交叉口处的U3和下游交叉口D1的一部分。
驶入高速公路的交通是上游交叉口处的U1的一部分以及下游交叉口D2的全部流量。
这些流量之间的相互作用造成了信号菱形立交特有的问题。
26.1.2.1排队特征
信号菱形立交的最关键问题是流向之间的关联性和交叉口之间的间距,这两者都影响排队。
交叉口之间的间距限制了下游交叉口处出现不堵塞上游交叉口的排队长度。
下游交叉口处的排队程度取决下面几个因素,包括上下游交叉口的信号配时、两个交叉口的车道数和车道使用情况、进入下游交叉口的交通流U1和U3。
下游交叉口的车辆排队对上游交叉口的输出流量可能有以下三种影响中的一种影响:
(1)下游交叉口的情况对上游交叉口不产生严重影响;
(2)下游交叉口的排队没有完全堵死上游交叉口出口,但由于队尾的靠近,影响了它的驶出流率;
(3)下游交叉口车队完全堵死了上游交叉口绿灯相位期间的驶出交通流。
短路段上的排队车辆使该路段的有效长度减小。
车辆只能自由地从上游的停车线行驶到下游排队的队尾。
由于该距离可能很短,所以对上游的驶出流率影响很大。
使情况复杂之处在于该过程的相互作用。
下游交叉口排队影响上游的驶出交通;而上游驶出交通,通过调节进入两个交叉口之间短路段的车辆数影响下游交叉口的排队。
对这种复杂的关系目前还没有进行深入研究,也没有具体文献;所以,本章的内容是概念性的,没有建立在信号菱形立交运行确定的分析模型之上。
26.1.2.2车道变换
由于菱形立交上的转向交通,地面街道的中间路段(菱形立交两个信号交叉口之间的路段)上遇到了出乎寻常多的车道变换次数。
图表26-5给出了这种现象。
图表26-5A型菱形立交上的车道变换
车道变换是由于O-D类型出现的。
车道变换的扰动会降低路段的车速。
另外,如果路段上有车辆排队,就会影响有效交织或车道变换距离,从而增加其对交通的干扰和影响。
在许多情况下,司机习惯于在上游适当的车道上预先选择好位置,使地面道路上的左转交通可能驶进划在路段上的待转区。
该特征可以弱化车道变换的扰动。
26.1.2.3车道利用情况
由于信号菱形立交处可能有大量的左转交通,车道利用也就与其他信号交叉口处不同。
在下游交叉口,大量的左转和直行交通通常分离,并且车道使用规则也促进这种分离。
虽然在任何有左转交通的交叉口都可能会是这样,但差别在于对上游交叉口的影响。
由于中间路段一般很短,可能由于司机主动选择或设计的信号使车辆在上游交叉口就开始分离。
于是,上游来的交通流可以明显分离为两股交通流,在上游交叉口它们都是直行交通:
一股将在下游交叉口左转,另一股继续直行。
这可能会造成车道使用不均衡程度超过正常交叉口,但必须考虑上游交叉口划分车辆直行车道组产生的这种情况。
26.1.2.4车队行为
由于菱形立交处有大量的转向流量,车辆通过两个交叉口时很难保持车队,同时也很难保持信号绿波通过立交。
到达下游交叉口车队的车辆来源有两种:
从立交匝道来的左转交通和从地面街道来的直行交通。
匝道来的交通量可能比地面街道大,所以对绿波车流来说是主要的。
无论何种情况,这两种来源是来自于不同的信号相位。
无论采用什么信号系统,都会对其中的一股交通流不利。
较少的那股车流中的部分车辆就会在红灯期间到达下游交叉口,于是排队车辆就会改变继续驶向地面道路上的车队结构。
虽然从立交匝道来的大量的转向交通使地面路段上车队中的车辆数增加,但到达高速公路或干线公路上的左转交通可以分流出大量的车辆,使车队中产生间隙。
26.1.2.5需求不足
由于某些条件妨碍上游车辆到达下游停车线,下游交叉口的部分绿灯时间损失掉,从而产生需求不足。
上游交叉口的这些条件包括由于其他车道排队过长产生的延误或堵塞。
需求不足有两种方式:
(1)下游交叉口排队堵死了上游交叉口绿灯时间内的出口。
这使上游车流在绿灯时间内,流向下游绿灯时间内的车辆减少;
(2)即使没有下游排队,但两个交叉口之间的信号协调性也不是最好的。
结果是,有时候,下游是绿灯信号时,上游处于非饱和交通条件下的红灯信号。
26.1.2.6信号分相和配时方案
由于信号菱形立交运行特征的独特性,适合采用特殊的信号相位设计和配时方案。
附录A是关于详细的菱形立交信号。
《立交桥匝道连接点通行能力》
(1)介绍了一些立交信号实例。
关键是由于流量、排队和配时之间的关联性,立交运行和信号配时密切相关。
26.2方法
由于本章仅仅概括介绍分析信号菱形立交的概念性方法,所以不给出具体的分析方法和应用。
概念性方法包括两个主要部分:
(1)服务水平框架
(2)计算饱和流率的框架
26.2.1服务水平框架
介绍的服务水平框架是将菱形立交看作一个点,而不是路段和系统,并且集中于分析驾驶员通过立交时所经受的总控制延误。
图表26-6中给出了菱形立交处的各种流向。
图中,按车辆从西边或东边的交叉口驶来,分别标以W和E;用r表示由一个匝道发生的流向;用L表示左转,用R表示右转,或者用T表示通过两个交叉口时在第一个交叉口处为直行然后在下游交叉口处也是直行。
例如,WrLT表示,从西边交叉口匝道驶来的左转车流继续以直行通过东边的交叉口。
图表26-6A类菱形立交的车流流向
图表26-7指出了分析每个流向的服务水平时,需要考虑的各部分延误。
每个流向经受的延误是它通过立交时使用的车道组的延误。
由于将菱形立交看作一点,这里介绍的服务水平框架不考虑两个交叉口之间的行程时间。
用第十六章与第十七章信号与无信号交叉口的方法计算立交每个进口车道组的控制延误。
在计算中,通过估算合适的到达类型,考虑为绿波的车流。
因为只有考虑所有匝道连接点的流向才能区分出不同形式立交之间运行情况的差别,所以分析中应包括信号让车行为和自由流运动。
例如,除非合并所有流向的延误和流量,就会遮掩了自由流向的利益,见附录B中案例。
图表26-7立交延误构成
注:
a见图表26-6引道。
根据第十六章中信号交叉口的服务水平划分标准,用图表26-8确定单个车道组的服务水平。
当任意车道组的使用情况较差时——也就是说,若出现E或F级服务水平时,除了详细分析形成排队之外,很可能将不再鉴别对立交其余部分的影响。
如果出现严重的排队和上游拥塞情况,无论服务水平如何,都应改变配时或设计。
在所有情况下,因为会发生高速追尾事故,所以应避免排队引道向后延伸到高速公路主线上。
为了减少匝道排队,可以调整配时,使地面街道引道而不是出口匝道引道在F级服务水平运行。
图表26-8立交服务水平标准
综合分析应考虑流量、排队与信号配时之间的相互作用。
而服务水平分析,是根据图表26-6和26-7的定义分析通过立交的所有流向。
这样的方法将在本手册未来的版本中论述。
最后,车辆通过立交,每辆车辆经受的平均控制延误可以用下式计算:
(26-1)
式中
—通过立交平均每辆车的控制延误(秒/车);
—A—F引道上第i车道组平均控制延误(秒/车);
—第i车道组的需求流率(辆/小时)。
公式中包含由A到F所有车道组的延误与流率。
计算的延误是两个匝道连接点交叉口延误的加权平均值。
用图表26-8中的标准确定服务水平。
26.2.2立交上车道组的饱和流率
计算菱形或其他立交区信号交叉口饱和流率,一般使用第十六章中的方法。
不过,对于相距很近、有大量转向交通的交叉口,由于相互作用的特点,对上述方法需要修正。
目前,虽然有建议的和处于研究中的方法,对做这种修正,尚未有研究与计算的方法。
26.3应用
没有完善的应用方法,就不能明确讨论和演示方法的具体应用。
不过,可以近似应用第十六和第十七章方法。
然后可以用图表26-8中给出的服务水平标准来评价服务水平。
虽然如此,但是这样的应用没有考虑所有影响立交运行的独特运行条件。
图表26-9列出了完整的立交分析中包括的主要内容。
图表26-9立交匝道连接点综合分析框架
当确定菱形立交服务水平时,综合运行分析,分析者应该确定对运行分析的几个主要(但不局限于此)内容,包括:
(1)立交几何条件,包括车道数和待行停车车道;
(2)土地使用与效益;
(3)高峰小时转向流量;
(4)假设的信号相位和周期长度。
第一步是按交通信号相位确定当前或假定条件下的车道组上的车辆排队。
如果两个信号之间的排队是由于信号相位设计产生的,并且滞车数超过待行停车车道长度时,就应该鉴别更换信号相位,以使立交在几何条件约束下更有效地运行。
可是,新更换的信号方案须经过检验确定它对立交运行效率的影响。
一个分析相位的例子,确定菱形立交三相位运行的功能,约束条件是产生的排队和设计的待行停车道排队不会使车队向后延长和附加延误。
如果三相位方案会引起车队向后延长、低效,就有必要改变为四相位方案。
四相位信号配时,通向立交四个入口的每个入口可以分别在独立的相位时间里运行。
通过改变相序和编排搭叠相位,可以有多种方法形成四相位信号运行。
三相位方案中,大部分时间都允许两个方向的车流同时运行,而在四相位方案中,一个相位放行时,其他三个相位就只能等着。
菱形立交处由三相位改为四相位通常对延误和服务水平显著造成负面影响。
可以考虑采用的还有许多其他的相序编排和相位差。
应根据立交构造、容纳排队的能力、协同控制系统以及排队车道的位置来确定基本编排的变化。
必要时可能选用提前——滞后左转箭头、搭叠相位、保护型或许可型或两者结合型左转相位。
另一个因素是诱发运行。
附录A给出了菱形立交信号配时的内容;关于该问题的更复杂的论述可见其他文献(1,2)。
26.4算例
由于没有完善明确的分析方法,本章省略了算例。
不过,附录B给出了许多演示前述简化方法的练习。
26.5参考文献
1.Messer,C.J.,andJ.A.Bonneson.CapacityofInterchangeRampTerminals.FinalReport,NCHRPProject3-47.TexasA&MResearchFoundations,CollegeStation,April1997.
2.Akcelik,R.InterchangeCapacityandPerformanceModelforHCM2000.TechnicalNote,ARRBTransportResearchLtd.,VermontSouth,Australia,October1998.
26.6附录A信号菱形立交的配时
两个相距很近并且有大量转向交通的交叉口,如信号菱形立交,信号有几个困难点。
这其中的大部分都与两个交叉口之间路段上的车辆排队影响着交通运行有关,如本章所述。
此外,事实上,每个具有大量左转交通的信号菱形立交,需要在两个交叉口采用多相位设计,使地面街道上的车队连续行进很困难。
26.6.1相位优化
在信号菱形立交处常使用整体布相——即,两个交叉口使用一个通常为半感应式的控制器。
虽然有很多方案可选,但通常基本的决策是该使用三相位还是四相位。
三相位对时间利用较充分,但可能使内部路段上产生排队。
四相位的时间利用效率低,但却可以避免大部分排队问题。
图表A26-1列出了两者的情况。
图表A26-1菱形立交通用信号方案
基本的三相位方案为地面街道上的直行交通设置了一个相位,为所有内部路段上的交通设置了一个相位,为匝道交通设置了一个相位。
作为方案比选,第2和第3相可以调换。
相位3中出现的主要问题。
从两个匝道来的车辆左转进入内部路段上并开始在下游信号红灯时间内排队。
如果排队会造成问题,就应废止该方案。
按相位3的有效绿灯时间和每个匝道左转车辆计算分出的流率,可以计算内部路段上积累的排队车辆数。
给定内部路段的长度与车辆数,则可评价排队车辆的影响。
注意,图表A26-1中三相的顺序,相位1紧随第相位3,并向内部路段引入又一批车辆。
若将相位2与相位3的顺序调换,则需要紧接一个消除内部路段上车辆的相位,有助于消除排队的影响。
在三相位方案条件下,当内部路段排队明显为一规律性发生的问题时,采用四相位是个更好的选择。
立交四个入口的每个入口都给发生的交通一个可通过两个交叉口的单独的一个相位。
由于在停止车辆从内部路段上驶离的同时,停止向其输入车辆,所以可以使排队最小化。
虽然四相位可以减少排队的负面影响,但一般会降低主要流向的有效绿信比,所以假设在都不发生交通崩溃的前提下,四相位的延误会比三相位高。
图表A26-2表示一个比简单四相位方案效率高的带有搭叠相位的四相位方案。
在该方案的搭叠相位1与相位4,允许对向直行车辆在一个相位内驶入内部路段,而此时车辆不能驶出该路段。
这种搭叠相位的配时要求正常的运行条件,并受限于两个交叉口之间理想的相位差。
相位2相对于相位1,在内部路段上向东行驶方向应当有理想的相位差。
而相位5相对于相位4,在内部路段上向西行驶方向应当有理想的相位差。
图表A26-2有搭叠的四相位方案
26.6.2设置相位差
相位差是菱形立交两个交叉口绿灯开始时间之差,单位为秒,它用来控制通过内部路段的直行交通。
无论基本上是三相位还是四相位的信号交叉口,信号一般都安装一个控制器配时。
配时方案中设计的相位与搭叠相位用来控制车辆通过立交而减少停驶可能性。
有时两个交叉口分开设控制器配时,然后再联在一起,这时就需要设置相位差以使不必要的停驶可能性最小。
当地面街道的直行交通为主导流向,匝道交通量不大于另一个交叉口正常转向交通量时,采用理想相位差,相位差大小等于以平均行驶车速从上游停车线行驶到下游停车线的时间
(A26-1)
式中;
—i交叉口到j交叉口直行方向的相位差,等于上游直行绿灯开始时间到下游绿灯开始时间(秒);
—(i—j)路段长度,从上游停车线到下游停车线(m);
—地面道路平均行驶车速(m/s)。
正常条件下,匝道交通足以使内部路段排队。
这种情况,要根据下游交叉口清除排队设置理想的相位差。
(A26-2)
式中;
—绿灯时间内到达车辆比例;
—下游交叉口到流率(辆/h);
—信号周期长(秒);
—下游交叉口的饱和流率(辆/h)。
也可以用第3条优化相位差的准则
(1),这些准则是以使需求缺乏最小,并与内部路段存车能力最大为基础。
为了使需求缺乏最小,相位差应大于等于公式A26-3的计算值:
(A26-3)
式中:
—i—j路段车道数;
—每辆车的排队占用长度(m)。
一般地,设置相位差应考虑许多因素,包括交通量大小、交通方式、下游信号处的饱和度。
为了在流量条件下增大通过效率,相位差应大于等于用公式A26-2和A26-3计算出的较大值。
通常只在一个方向设置理想相位差。
一旦某个方向设置了理想相位差,另一个方向的相位差通常已经确定。
虽然立交信号的多相位可以增加一些弹性,但另一信号配时要求采用相反的相位差。
这些情况下,需同时考虑两个相位差,并且确定一个设计方案。
该方案尽管无法使相位差是理想的,但对立交整体运行是最有效的。
26.7附录B立交构造可选方案评价
评价:
立交的三种可选方案。
给出每个流向的流率和控制延误。
为了比较和解释在计算中立交所有车流流向的影响,需计算控制延误与总体服务水平。
方案1:
菱形,红灯相位时无自由流向或右转车流(RTOR)
流向编号
流量(辆/小时)
延误(秒/辆)
1
800
30
2
300
30
3
300
20
4
800
35
5
200
50
6
400
50
7
400
40
8
900
40
9
700
45
10
400
25
11
300
45
12
300
45
计算:
•立交(所有12个流向)总延误,217,500车—秒;
•立交(所有12个流向)总流率,5,800辆/小时;
•立交平均控制延误=217,500/5,800=37.5秒/车(D级服务水平);
方案2:
菱形,右转车流到(和由)匝道
流向编号
流量(辆/小时)
延误(秒/辆)
1
800
30
2
300
0
3
300
20
4
800
35
5
200
50
6
400
0
7
400
0
8
900
40
9
700
45
10
400
25
11
300
0
12
300
45
计算:
•立交(所有12个流向)总延误,159,000车—秒;
•立交(所有12个流向)总流率,5,800辆/小时;
•(除自由流向外的)总流率,4,400辆/小时;
•立交平均控制延误=159,000/5,800=27.4秒/车(C级服务水平);
•(没有自由流流量时)立交平均控制延误=159,000/4,400=36.1秒/车(D级服务水平);
方案3:
两象限部分苜蓿叶立交,自由流右转驶出匝道
计算:
流向编号
流量(辆/小时)
延误(秒/辆)
1
300
30
2
800
30
3
800
35
4
300
0
5
200
50
6
400
0
7
900
40
8
400
40
9
400
0
10
700
45
11
300
0
12
300
45
•立交总延误,168,000车秒;
•立交总流量,5,800辆/小时;
•(除自由流向外的)总流量,4,400
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