廖勇刚 丁振中 郭凯 王晓飞广州市市政工程设计研究总院有限公司 华南理工大学土木与交通学院 广东省建筑设计研究院有限公司 广东省现代土木工程技术重点实验室

摘 要：由于经济快速发展，带来了交通需求的改变，高速公路常需要在原有交通服务的基础上，增加其他的服务功能，以实现完善交通运行的需求。该文针对广州东环高速公路黄村收费站与黄村互通立交之间，利用既有高速公路两侧用地，提出短间距的黄村服务区总体方案设计。同时通过VISSIM软件仿真分析验证了总体设计方案对于收费站和立交之间的通行效率和安全性的提高。研究成果可为城市高速公路短间距收费-服务设施的灵活设计和合理运用提供参考。

关键词：市郊高速公路;短间距设施;优化设计;VISSIM仿真;

目前伴随高速公路行业的快速发展，市郊的高速公路从仅有的通行功能朝着通行和服务并存的方向需求转变，但是以往的研究通常集中单一设施的优化设计，并没有将通行和服务设施进行综合设计，需要对于两种设施之间的间距进行分析和检验，从而提高城市高速公路的空间利用率。

徐旺等[1]对于错位式收费的设置(解决传统的整体式收费站的设计)引起的占地问题，通过量化的方式分别对匝道和主线上设置整体式收费站与错位式收费站的占地大小进行对比分析，论述了错位式收费站的设置在减少收费站的占地方面具有可行性；陈嘉璇等[2]针对山西省太原市环城高速公路各出入口收费站雨棚的不同构造方式进行分类探讨，提出其适宜的光伏应用方式；张俊杰等[3]基于交通运输与旅游产业融合发展的新趋势，提出在尊重场地、绿色环保、生态与文化并行的理念指导下进行景观设计。

中国国内对于高速公路设施和立交及其之间的短间距研究较为集中[4],但是目前考虑收费-服务设施之间的间距研究还较少。杨少伟等[5]以高速公路主线相互合流至主线出口最小间距为研究对象，确定满足其需求的最小长度；罗韧[6]利用VISSIM软件建立仿真模型，选取交通冲突率为路段整体交通冲突严重程度评价指标，分析得出在一般地形条件和地形条件受限情况下隧道与互通式立交的最小安全净距值。国外对于设施综合设计的间距研究较少，但是对于两个立交之间的研究成果较为成熟，美国HCM(Highway Capacity Manual)2010[7]手册中给出了两个立交之间的最小间距的计算方法。

综上所述，目前对于短间距收费-服务设施综合优化设计研究还较少。该文对广州市郊高速公路收费-服务设施开展优化设计，并结合VISSIM仿真试验模型从通行能力和安全性两方面对于优化设计的效果进行评价和验证，为城市高速公路短间距收费-服务设施的灵活设计和合理运用提供参考。

1 项目概述

以黄村立交为例，黄村服务区位于广州市东环高速公路黄村收费站、黄村立交之间。广州东环高速公路1997年建成，为双向六车道高速公路，设计速度100 km/h, 因当时收费体制原因，设置了黄村主线收费站，在黄村收费站北侧900 m(至立交中心距离),设置有黄村互通立交。该立交可实现东环、北环、广深高速公路之间的交通转换，交通转换需求较大。

随着城市不断发展，土地资源越来越稀缺，尤其是在城市发展区域，应最大化发挥土地开发效果。该设计项目利用黄村收费站北侧土地，增设高速公路服务设施，满足交通出行服务需求，服务区具体位置见图1。但由于黄村收费站距离黄村立交距离较近，现在其之间增设服务区，需重点研究立交、沿线设施(收费站、服务区)间的距离，保证交通行驶安全、顺畅。

图1 黄村服务区位置图 下载原图

2 交通量分布

根据黄村收费站数据(2017年),北环高速公路现状交通量为32 000～36 000辆/d, 北环主线(北行方向)交通量为15 000～18 000辆/d, 其中单方向往深圳方向为12 000辆/d, 往佛山、天河方向为6 000辆/d(图2)。车辆以小汽车为主，增设服务区和方案优化应该重点考虑东服务区和深圳方向车辆交织导致的通行能力和安全影响情况。

图2 黄村立交南—东交通量分布(2017年)(单位：辆/d) 下载原图

3 总体设计3.1 技术标准、规范的规定

JTG B01—2014《公路工程技术标准》[8]、JTG D20—2017《公路路线设计规范》[9]、JTG/T D21—2014《公路立体交叉设计细则》[10]均对互通立交与服务区、服务区、收费站等设施之间的距离有明确的要求，其中JTG/T D21—2014《公路立体交叉设计细则》[10]5.4.3 、5.4.4和5.4.6分别对互通与服务区、停车区之间、互通与收费站之间距离有明确要求：

(1) 互通式立体交叉与服务区、停车区最小间距是满足相邻出、入口之间设置完整标志和维持交通流稳定需要的最小间距。互通式立体交叉与服务区的距离不宜小于4 km, 在受到限制经过论证后，当主线设计速度为100 km/h, 主线单向三车道情况下，互通式立体交叉与服务区、停车区之间最小净距不应小于850 m要求；当相邻互通式立体交叉的净距小于该规定值，应根据其距离大小，利用辅助车道、集散车道或匝道连续形成复合式互通式立体交叉，立交间距与净距的示意见图3。

图3 净距与间距示意图 下载原图

(2) 收费站和立交的净距为收费广场渐变段起(终)点至主线加(减)速车道之间的距离。收费站与前方主线出口之间的净距不宜小于600 m, 主线入口与前方收费站之间的净距不宜小于200 m; 当以上净距不能满足要求时，主线出、入口与收费站之间宜采用辅助车道相连接，且收费站与前方主线出口之间的辅助车道长度不宜小于600 m, 主线入口与前方收费站之间辅助车道长度不宜小于400 m(按照主线100 km/h标准选取)。

(3) 吕晓东[11]分析收费站和互通式立体交叉净距的影响因素，当设计速度为100 km/h时，应满足最小净距要求为120 m。结合公路立体交叉设计规范要求，黄村收费东站与前方主线出口之间的净距为510 m。黄村立交与西服务区之间最小净距不足750 m, 应根据其距离大小，利用辅助车道、集散车道或匝道连续形成复合式互通式立体交叉。且收费站岛头和东服务区入口、西服务区出口之间的距离分别为39 m、45 m。取其进出服务区的速度为20 km/h, 车辆平均加速度为1 m/s2,经计算可知按规定速度进入服务区的最小长度为31 m, 故其属于短间距互通式立体交叉和收费-服务设施[12]。

3.2 现状条件

北环高速公路现状为双向六车道，北环收费站至深圳方向匝道为单向双车道匝道，主线限速80 km/h, 匝道设计速度60 km/h。北环主线东侧与深圳方向匝道设置硬隔离分离，其现场图与横断面见图4、5。

图4 北环高速公路现场图 下载原图

图5 北环高速公路横断面(单位：m) 下载原图

黄村收费站至现状深圳方向匝道分流鼻端距离为510 m(主线北行方向),黄村立交环形匝道渐变段终点距收费站距离为800 m。增设服务区匝道若按主线匝道直接汇入、流出主线不满足规范规定的间距要求，其收费站与立交距离见图6。

图6 黄村收费站至北环——广深黄村立交距离 下载原图

收费站至黄村立交段主线(北行方向)为三车道+硬路肩，深圳方向匝道为两车道。主线与匝道间分隔带为75 cm。黄村立交至黄村收费站主线(南行方向)为三车道+硬路肩。主线间设2 m硬路肩。受到两侧基本农田影响，新建服务区紧贴现状黄村收费站北侧两旁，不能新增用地。

3.3 改造设计3.3.1 新增服务区存在的问题

拟设东服务区入口距收费站岛头距离为39 m, 西服务区出口距收费站岛头距离为45 m。东服务区进深圳方向匝道鼻端离北环——深圳匝道鼻端距离为520 m; 西服务区渐变段起点至黄村立交匝道渐变段终点净距为500 m, 服务区和收费站、黄村立交的位置见图7、8。

图7 服务区与收费站位置关系图(单位：m) 下载原图

图8 服务区与黄村立交位置关系图(单位：m) 下载原图

由于距离较近，增设服务区后，进出服务区车辆与北环直行车辆存在交织段，增设服务区存在的交织段见图9。

图9 服务区和收费站间车辆交织示意图(单位：m) 下载原图

东侧服务区匝道入口距黄村立交匝道距离为520 m。若匝道直接汇入高速主线，不满足间距要求。东侧服务区汇入车辆需合流至深圳方向车流，服务区车辆进入深圳方向匝道后，还需汇入北环主线(图10)。

西侧服务区若按高速公路标准增设减速车道进入服务区，则北环西侧环形匝道与服务区间净距不能满足距离要求，需设置辅助车道。如利用现状硬路肩设置为进服务区车道，但其宽度为3 m, 仍需加宽建设。

图10 东服务区车辆流入匝道(单位：m) 下载原图

3.3.2 方案优化设计

考虑车辆进出收费站前时低速行驶的影响，在收费站与服务区之间，提出通过设置交通设施的方法，从而改变行驶线路，保证深圳方向和北环主线通行能力的同时，减少因车辆交织行为导致的收费站和服务区之间的通行效率和行车安全性下降。

在东西服务区至收费站间增设实线，进出服务区车辆只能行驶外侧两车道，避免交织。北环东侧在收费站前加强交通指引，让进服务区车辆提前靠右行驶。主线西侧通过最外侧车道(第三车道),利用150 m渐变段侧渐变加宽一个车道进入服务区。根据JTG/T D21—2014《公路立体交叉设计细则》[10],从分流起点至一个车道宽度处路段，次路侧可采用渐变加宽方式设计，渐变段长度不应小于150 m, 渐变率不应大于1/40。提前指引见图11,进服务区车辆需靠右行驶。由于靠近收费站位置处车辆速度较低，交织行为会较大程度影响道路的通行效率。该措施可以避免收费站和服务区之间车辆的交织行为，保证了道路的通行效率和安全。

图11 提前指引图 下载原图

通过交通管制，东侧服务区匝道车辆只能合流至现状深圳匝道，深圳方向匝道形成集散车道。 服务区汇入广深方向匝道参照JTG D20—2017《公路路线设计规范》[9]公路平面交叉右转弯附加车道设置，加速车道长度根据服务区车辆离开的初始速度为20 km/h计算所得，加速车道长度为55 m, 渐变段为40 m。为了满足北环东侧深圳方向大流量的通行效率，该方案保证了深圳方向两个直行车道，从而调整现状收费站分隔栏，使收费站北环主线西侧为3个进收费站车道(主线南行),东侧为3个北环(北行)方向车道+2个深圳方向车道。

掉头车道的设置严重影响道路的通行效率和安全性，为减少行车干扰，取消现状北环高速上调头功能。使得东、西行方向分隔开。

调整分隔带设置，调整情况见图12,将原掉头设置分隔带恢复至中线处，并拆除北环主线与深圳方向匝道间分隔栏，至桥头位置，增加深圳方向匝道车辆与服务区车辆合流段长度，从而使合流车辆采取变道行为的时间和机会增多，提高行车的安全性。

图12 中央分隔带调整情况(单位：m) 下载原图

北环主线与深圳方向匝道鼻端处开口原为双向交织，设计调整为只允许匝道车辆可渐变至主线方向，把现状分隔带北侧拆除至分流点前150 m处，利用分隔带至黄村立交匝道鼻端150 m间隙，服务区车辆可渐变至北环主线，按渐变率1/20计算渐变所需长度。该改造措施减少了车辆的交织行为，同时允许大流量、双车道的深圳方向向相对低流量、三车道的北环主线一侧跨越，尽可能在保证行车安全性和通行效率的同时，满足车辆路径的选择。交织情况调整见图13。

图13 开口段交织行为调整 下载原图

东、西服务区紧挨着现状收费站两侧设置，服务区与收费站视作整体化设置，见图14,其相当于北环高速车辆提前减速进入服务区。JTG/T D21—2014《公路立体交叉设计细则》[10]规定主线入口与前方收费站之间的净距不宜小于200 m, 北环高速主线(南行)黄村立交匝道渐变段终点至西侧服务区渐变段起点净距为500 m, 满足间距要求。

图14 东、西服务区和收费站整体化设置(单位：m) 下载原图

东西服务区紧挨着现状收费站两侧设置，服务区与收费站视作整体化设置，若北环日后取消收费，拆除现状收费站，东西服务区出入主线匝道则需新增设辅助车道以满足立交间净距要求，其服务区设置成果图见图15。

图15 服务区设置成果图(单位：m) 下载原图

4 通行效率及安全性分析4.1 仿真模型建立

利用VISSIM 5.3仿真分析软件对于原设计方案和改造方案进行仿真模型的建立。根据统计调查，确定驶出东服务区的交通量为1 600辆/d, 流出东服务区的交通量为800辆/d, 北环主线(北行方向)交通量为15 000～18 000辆/d, 其中往深圳方向的占比7成，3成往佛山、天河方向，完成交通量和车辆路径的确定。

针对通行效率，在北行方向服务区出口汇入北环高速公路主线处设置排队计数器。同时在北行方向服务区出口至深圳方向、广州和佛山方向的分流鼻处设置行程时间检测区段，检测点设置的具体位置见图16。

图16 模型检测断面设置位置 下载原图

针对行车安全性，采用VISSIM软件评价各车辆的交互作用状态。

4.2 结果分析

表1、2为原方案与改造优化方案的通行效率。结果显示：优化改造方案相对于原方案，北环东站服务区的天河、佛山方向延误有所改善，行程时间略有增加。拆除分隔带至桥头，保证交织车流有更多的空间完成换道过程。特别是流入深圳方向的车流，避免车辆在合流段换道行为导致的拥堵。东站—北环高速公路深圳方向的车流出服务区后车辆可以完成换道进入天河、佛山方向，同时过收费站和服务区的车辆车速设计方案和改造方案均较低，对行程时间的影响较小，故该方向行程时间指标改造方案较为理想。西站方向上服务区出口一直到收费站处进行硬隔离，车辆的收费出口选择分离成停车场和主线两部分导致改造方案北环西站方向的行程时间增加。同时通过排队长度的分析，改造方案可以较好地保证北环高速东站方案的通行效率。

表1 行程时间分析 导出到EXCEL

模型

断面

序号

位置

行程时

间/s

延误/

s

平均停车

时间/s

原设

计方

案

1

东站—北环高速公

路天河、佛山方向

20.8

2.3

0.11

2

东站—北环高速公

路深圳方向

30.9

4.2

0.40

3

西站方向

29.7

0.4

0

改造

优化

方案

1

东站—北环高速

公路天河、佛山方向

21.5

0.3

0

2

东站—北环高速

公路深圳方向

28.5

1.2

0.10

3

西站方向

40.6

0.5

0

表3为原方案与改造优化方案的运行安全性。结果显示：改造方案的轻微冲突情况相对于原设计方案发生次数更多，但有效降低了车辆的严重交通冲突风险，特别是降低路段撞车事故的发生。对于通过数和自由数，原方案和改造优化设计方案仿真试验发生次数较为接近。改造优化方案能降低严重冲突的主要原因是收费站和服务区之间通过实线连接。将主线和服务区区段隔离，该部分车速较低，从而减少了交通拥堵和冲突的发生概率。

表2 车辆排队情况分析 导出到EXCEL

模型

断面

序号

位置

平均排队

长度/m

最大排队

长度/m

停车次

数/次

原设计

方案

1

北环东服务

区出口处

8

32

73

2

北环车流分流处

0

0

0

改造优

化方案

1

北环东服务

区出口处

2

21

34

2

北环车流分流处

0

0

0

表3 交互作用状态分析 导出到EXCEL

模型

严重冲突数/起

轻微冲突数

(制动BX)/起

通过数/

次

自由数/

次

AX制动

撞车

原设计

方案

814

1 303

11 859

3 430

86 349

改造优

化方案

1 256

455

14 151

3 596

90 680

注：在车辆跟驰交互作用过程中，判定状态为“AX制动”的车辆与前车跟车距离属于紧急制动范围，为严重冲突；判定状态为“BX制动”的车辆与前车之间虽然较近，但仍有一定距离，在VISSIM车辆期望安全间距允许的范围内，为轻微冲突。

5 结语

现有技术规范对于互通立交与服务区、服务区与收费站之间均有间距要求，该文针对大流量、短间距收费站和立交之间增设服务区，在不新增道路用地情况下，通过对收费站、立交特点的分析研究，结合现状加强对路基宽度的合理应用，灵活运用规范设计，并通过交通工程措施，提出了黄村服务区的总体方案。该改造方案减少了收费站和立交之间车辆的总交织长度，重点改善了收费站和服务区之间的交织情况，同时保证深圳方向的通行能力，整体提高了设置服务区后该区段安全性和通行效率，仿真试验进一步验证了改造优化方案有效降低了延误和严重交通冲突风险数量。可为大流量、短间距收费-服务设施的灵活设计，以及运用微观仿真模型分析通行效率和安全性提供参考。

参考文献

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[2] 陈嘉璇，张玉坤，张文，等.高速公路光伏收费站设计：以山西省太原地区高速公路收费站为例[J].建筑节能，2017,45(9):19-24,32.

[3] 张俊杰，牟鹏，艾乔，等.交旅融合背景下高速公路服务区景观设计[J].公路，2021,66(8):262-267.

[4] 黄治炉，陈宽民.高速公路先入后出型匝道最小间距研究[J].中外公路，2016,36(4):335-340.

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[9] 中交第一公路勘察设计研究院有限公司.公路路线设计规范：JTG D20—2017 [S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.

[10] 中国公路工程咨询集团有限公司.公路立体交叉设计细则：JTG/T D21—2014[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

[11] 吕晓东.高速公路互通式立交与其他设施净距研究[D].西安：长安大学，2011.

[12] 孔令臣.多车道高速公路互通式立交加减速车道长度及最小净距研究[D].西安：长安大学，2012.

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