1. 高速公路匝道通行能力概述

1）高速公路匝道组成部分

高速公路的匝道由三个部分组成：

（1）匝道与高速公路连接处（或称匝道-主线连接处）。

（2）匝道车行道。

（3）匝道与相连道路的连接处。

2）设计要求

对于匝道的设计，通常要求匝道与主线连接处的车辆能以高速汇入或与主线分离，并且使汇入或分离的交通流对匝道相连的高速公路主线交通流的干扰降至最小。

就匝道本身而言，设计要素包括匝道车道数（通常有单车道或两车道），匝道长度，设计速度，平、纵线形参数等。值得注意的是，匝道车行道通常不会引起运行方面的问题，只有在匝道上发生交通事故，才会造成交通紊乱甚至中断。

匝道与相连道路的连接处要设计成从主线驶来的车辆能顺利汇入该连接处，此类连接处一般设计成平面交叉。对于匝道与主线连接处的设计主要强调交通安全。

只有当匝道的所有部分，即匝道与主线连接处、匝道车行道及匝道与相连道路连接处都设计恰当，达到所要求的服务水平或设计通行能力后，匝道上的交通运行效率才能得到保证。如果三个组成部分中的任何一部分交通受阻，都将对整个匝道上的运行产生不利影响。更值得注意的是，匝道上受阻的交通可能延伸到高速公路主线和相连道路中去。这种情况往往会发生在城市立体交叉的匝道上。

可见，匝道与交织区一样，是高速公路上干扰较大，易发生运行问题的组成部分，并且匝道各组成部分通行能力和服务水平之间存在紧密的联系。因此，对其通行能力和服务水平的分析要谨慎处理。

3）匝道运行特征

在汇入区中，从驶入匝道来的车辆在相邻的主线车道上寻找交通流可利用的空隙，以便汇入。由于绝大部分匝道在主线右边，因此主线上右边第1车道（也称路肩车道）将受到最直接的影响。研究成果发现，汇入车辆还会影响紧邻路肩车道的左侧车道。具体的汇入车道与公路连接处影响区如图6-12所示。由于汇入的车流会对过境车流造成影响，因此主线公路中的车辆将在驶入匝道上游位置重新考虑其行进车道，从而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。

在驶出匝道上，需要驶出的车辆首先进入与匝道相邻的车道1，从过境交通中分离出来，其他驾驶员需要在车行道之间调整交通量的车道分布。其影响范围如图6-13所示，在有双车道匝道的地方，车辆分离对主线的影响会进一步扩大。

图6-12　具体的汇入车道与公路连接处影响区

图6-13　驶出匝道影响范围

4）匝道运行状态的影响因素

通常，匝道与主线连接处的状态决定了整个匝道的运行状态。影响匝道与主线连接处运行特征的主要因素包括以下三个关键交通量。

（1）汇合交通量Vm：用于驶入匝道，它是相互汇合的车流交通量之和，单位为辆/h，如图6-14所示。

（2）分离交通量Vd：用于驶出匝道，它是即将进行分离的交通流的交通量，单位为辆/h，如图6-15所示。

图6-14　交织区中汇合交通量Vm示意图

图6-15　交织区中分离交通量Vd示意图

（3）主线交通量Vf：用于任何汇合或分离点，它是匝道与主线连接处最大的主线单向交通量，即驶入匝道下游或驶出匝道上游主线单向行车道的交通量，单位为辆/h，如图6-16所示。

在以上交通量中，匝道影响区的交通量V1又受相当多因素的影响，包括匝道交通量Vr、主线交通量Vf与相邻上游或下游匝道的距离Du、Dd，变速车道长度La、Ld，匝道的自由流速度Sr、匝道形式等。

图6-16　交织区中主线交通量Vf示意图

5）孤立匝道和非孤立匝道

无论驶入匝道还是驶出匝道，当相邻匝道的间隔较小，以致影响到相邻匝道的交通运行时，该匝道就称为非孤立匝道，其通行能力和服务水平分析应该考虑相邻匝道的影响。具体的影响间距应根据交通量、加速车道长度、匝道的自由流速度等因素而定。

当匝道与相邻匝道的间距足够远，不会对相邻匝道交通产生影响时，此匝道为孤立匝道。孤立匝道的通行能力和服务水平分析是独立进行的。

2. 匝道服务水平及其标准

由于在匝道的三个组成部分中，匝道与主线连接处对主线过境交通及总的交通运行状况影响最大，因此，匝道服务水平主要取决于驶入或驶出匝道与主线连接处的服务水平。根据Vm、Vd、Vf三个检查点交通量确定的服务水平标准如表6-18所示，三个检查点交通量均换算为pcu/h。

表6-18　匝道与主线连接处检查点服务水平标准

① 在驶出匝道上游或驶入匝道下游主线一个行驶方向的总交通量。
② 由于设计车速限制，不能达到该级服务水平。
③ 由于交通流处于强制流状态，交通量在低于四级上半段情况下变化不稳定。

各级服务水平描述如下：

一级服务水平，其交通流的运行不受约束。汇入时运行通畅，在进入过境交通流车辆间隙时仅需很小的车速调整。分离出来的车辆对主线交通流没有多大扰动，主线上的过境车辆受到的影响不大。交通流是稳定流，相当于HCM的A和B级服务水平。

二级服务水平，仍然是稳定流，但汇入车流有小的变化就会产生运行质量的大范围变化。车道1和驶入匝道上的车辆都必须调整它们的速度以达到流畅地汇入，当驶入匝道上的交通量大时还会有小的车队形成，在分离区车速也会有所降低。驶入车辆和驶出车辆所引起的扰动扩展范围更大，并且这种扰动可能延伸到与车道1相邻的主线其他车道上。高速公路总的速度和交通流密度不会有大的变化，相当于HCM中的C级服务水平。

三级服务水平，在此水平范围内难以达到流畅的汇入，无论要汇入的车辆还是车道1中的过境车辆都必须时时调整车速，防止车辆在汇入区内发生冲突。分离区附近的车辆车速降低得更多，汇入和分离运行所引起的扰动将影响若干主线车道。在有大交通量的驶入匝道上，匝道车队可能变成对运行造成严重影响的因素。其相当于HCM的D级服务水平。

四级服务水平，在此水平的上半段交通量达到基本通行能力，汇入行为产生较大的扰动，在主线上仍没有形成明显的车队，但在驶入匝道上则会形成较大的车队。此时，分离运行的车速大大降低，并且在分离区内会形成一些车队。所有车辆均受到扰动的影响，主线上的过境车辆则试图到靠近中央分隔带一侧的车道上行驶，以避免扰动的影响。其相当于HCM的E级服务水平。该级服务水平的下半段，所有汇入车辆基本上是走走停停，在匝道上广泛地形成车队，车道1上的交通运行状况被破坏。许多扰动是由于车道1上的车辆改变车道以避开汇入区和分离区产生的。在匝道端部附近，可能在高速公路上游若干距离内，会产生较大的交通延误。此时，交通运行情况变化范围很大，会产生不稳定交通流和强制性交通流交替运行的状态，相当于HCM的F级服务水平。

在设计过程中，检查点采用的服务水平一般与主线基本路段一致，采用二级服务水平。但在困难情况下，可采用三级服务水平。

3. 匝道与主线连接处的运行分析

由于匝道与主线连接处对主线过境交通及总的交通运行影响最大，因此在通行能力和服务水平分析中重点讨论匝道与主线连接处的分析计算。

1）匝道与主线连接处服务水平

匝道与主线连接处的服务水平分析流程图如图6-17所示。

（1）确定匝道几何构造及关键交通量。

确定几何构造（包括匝道的形式和位置）是计算交通量的基础。交通量是指匝道上及匝道附近的交通量。初步分析时，匝道1 800 m以内的相邻匝道都应在考虑范围之内。在单独匝道的上、下游有相邻匝道时，常进行成对分析。对此，车道1交通量的计算图式通过详细的数值说明什么情况下必须考虑相邻匝道对分析匝道的影响。

图6-17　匝道与主线连接处的服务水平分析流程图

（2）计算车道1交通量V1（辆/h）。

车道1交通量V1是紧挨汇合区或分离区上游右侧第1车道的交通量，它是计算Vm和Vd的基础。

车道1交通量可以通过匝道几何构造选择恰当的计算图式来进行计算，或采用近似法估计。计算V1有多种图式，关于四车道高速公路或一级公路的具体计算图式如图6-18～图6-22所示。

图6-18　单车道驶入匝道上游车道1交通量V1计算图式

图6-19　单车道驶出匝道上游车道1交通量V1计算图式

图6-20　上游有相邻驶入匝道的单车道驶出匝道上游车道1交通量V1计算图式(www.daowen.com)

图6-21　单车道环形驶入匝道上游车道1交通量V1计算图式

图6-22　上游有相邻驶入匝道的单车道驶入匝道上游车道1交通量V1计算图式

除了上述图示以外，还有其他匝道构造形式，可查阅《交通工程手册》中的相关内容。

（3）确定当量交通量和大型车交通量。

应用主线基本路段的车辆换算系数，将三个检查点及其他关键交通量均换算成小客车当量交通量（pcu/h）。必须注意的是，在将车道1交通量换算成当量小客车交通量之前，必须确定车道1中的大型车交通量。

大型车在车道1中的交通量占单向行车道上大型车总交通量的百分比与主线单向交通量的关系曲线如图6-23所示。

图6-23　大型车交通量与主线单向行车道交通量的关系曲线

在使用图6-23的过程中，如果求得的车道1中的大型车交通量大于或等于车道1交通量，则仍用已得的车道1交通量，但其中全部为大型车。因此，应在进行当量交通量换算之前，比较由图6-23确定的车道1中大型车的交通量和由图6-18～图6-22的计算图式计算的车道1的交通量，以确定该车道交通量具体的交通组成。

（4）确定检查点交通量Vm、Vd、Vr。

Vr为高速公路主线中与匝道同向的单向交通量，可以观测或预测求得。汇合交通量Vm和分离交通量Vd可按式（6-13）计算：

式中：Vm——汇合交通量（辆/h）；

Vd——分离交通量（辆/h）；

V1——车道1交通量（辆/h）；

Vr——匝道交通量（辆/h）。

（5）确定服务水平。

首先确定各检查点的服务水平。利用检查点交通量Vm、Vd及Vf分别与服务水平标准表中相应的数值比较，得到三个检查点处的服务水平等级。

许多情况下，汇合交通流、分离交通流和主线单向交通流在运行质量上是不平衡的，即三个检查点处的服务水平等级不同，而三者中服务水平最差点的相关因素是设计中的控制因素，应该对其服务水平不能被接受的一种或几种要素进行改进，直到匝道与主线连接处的服务水平同高速公路整体的运行状况达到平衡。

2）匝道与主线连接处匝道设计通行能力

对于匝道与主线连接处的设计，通常是先初步设计几何构造，然后对匝道与主线连接处三个检查点的服务水平进行分析计算，以检验匝道与主线连接处设计的合理性，而不再进行匝道与主线连接处匝道设计通行能力的分析计算。如有此必要，其分析计算方法如下：

匝道与主线连接部分的匝道设计通行能力受到连接处三个检查点交通量的制约。因此，设计通行能力的分析计算方法是先按设计采用的服务水平等级在表6-17中查得相应的几个检查点的交通量Vm、Vd及Vf(max)，根据匝道构造形式，从图6-18～图6-22中选取相应的计算图式，按此计算图式的图号在表6-19中查找相应的计算方法，计算匝道与主线连接部分的匝道设计通行能力。

表6-19　匝道与主线连接处匝道设计通行能力计算表

3）匝道行车道的设计通行能力

（1）单车道匝道的设计通行能力。

匝道设计速度≤50 km/h时，为1 200 pcu/h；

匝道设计速度≥60 km/h时，为1 500 pcu/h。

（2）双车道匝道的设计通行能力。

双车道匝道只有在驶入或驶出匝道端部的车辆能以两列驶入或驶出主线的情况下，才可采用单车道匝道设计通行能力的2倍。

（3）大型车对匝道通行能力的修正系数fHV值。

【例6-3】 已知地处平原地形的匝道构造如图6-24所示，主线单向交通量为2 000辆/h，其中大型车占50%。匝道交通量为410辆/h，其中大型车占40%。驶入匝道下游1 800m范围内无相邻匝道，主线设计速度为120 km/h，试对该匝道进行运行质量分析。

图6-24　几何构造及交通量图

【解】（1）确定几何构造形式和关键交通量。

该匝道的几何构造及匝道上游主线交通量Vf、匝道交通量Vr，如图6-24所示。由于驶入匝道下游1 800 m范围内无相邻匝道，因此，可将该驶入匝道视为孤立匝道单独进行分析。

（2）确定车道1交通量V1。

根据匝道的构造形式，采用图6-18孤立驶入匝道（四车道高速公路）的计算图式求算V1。同时，匝道上游主线交通量Vf=2 000辆/h ，匝道交通量Vr=410辆/h ，代入图6-18的计算式可得

（3）确定当量交通量和大型车交通量。

由主线单向交通量为2 000辆/h，查图6-23，得到车道1中大型车占单向大型车总交通量的64%，则车道1中大型车数量为

2 000×0.50×0.64 =64（0辆）

640辆占车道1交通量779辆的百分比约为82%。

又因为匝道交通量410辆/h，其中40%为大型车，查表6-20，可得fHV为0.74。或者，由于匝道处于平原地形，查表6-8可得大型车车辆换算系数EHV=1.7。fHV也可以按照公式（6-5）进行计算。最后，根据以下公式，可以计算当量交通量，具体计算过程如表6-21所示。

表6-20　大型车对匝道通行能力的修正系数fHV值

表6-21　交通量转换表

式中：Ve——当量交通量（pcu/h）；

V——混合交通量（辆/h）；

fHV——大型车影响系数。

（4）确定检查点交通量Vm和Vf。

由表6-21的计算结果，计算检查点交通量：

Vm=V1+Vf=1227+554 =1781（pcu/h）

而

Vf=V1+Vr=2 699 +554 =3 253（pcu/h）

（5）确定服务水平。

由表6-17可得：Vf=3 253pcu/h属于三级服务水平，但靠近二、三级服务水平交界处。汇合交通量Vm=1781pcu/h属于四级服务水平，靠近三、四级服务水平交界处。因此，汇合交通量所处位置的服务水平最差，是控制因素，最好设法加以改进，其措施之一是实行匝道流量调节。