Problemy przepustowości węzłów autostradowych zlokalizowanych na terenach miejskich

Seria: T R A N SPO R T z. 47 N r kol. 1586

A gnieszka L E Ś N IC K A

1

PROBLEMY PRZEPUSTOWOŚCI WĘZŁÓW AUTOSTRADOWYCH ZLOKALIZOWANYCH NA TERENACH MIEJSKICH

S treszczen ie. W artykule przedstaw iony został problem zapew nienia dostatecznej przepustow ości w ęzłów autostradow ych zlokalizow anych n a terenach m iejskich oraz w yniki badań w arunków ruchu przeprow adzonych na w ęźle autostradow ym Al. G órnośląska - M urckow ska w K atow icach.

MOTORWAY JUNCTIONS CAPACITY PROBLEMS LOCATED IN URBAN AREAS

S u m m a ry . In the article there has been introduced problem w ith adequate m otorw ay ju n ctio n s capacity assurance in urban areas as w ell as th e results o f traffic conditions

m onitored on Al. G órnośląska - M urckow ska ju n ctio n in K atow ice.

1. W STĘP

Problem zapew nienia dostatecznej przepustow ości w ęzłów autostradow ych znajdujących się na terenach m iejskich je s t problem em nietypow ym i szczególnym . N iestety, problem taki w ystępuje m iędzy innym i w przypadku w ęzła A leja G órnośląska - M urckow ska zlokalizow anego niedaleko od centrum K atow ic n a autostradzie A -4. N ajsłabszym (ograniczającym ) elem entem tego w ęzła s ą w jazdy i zjazdy. N iedostateczna przepustow ość tych elem entów w ęzła pow oduje pow staw anie długich kolejek oczekujących pojazdów , a przez to utrudnienia w ruchu m iejskim w K atow icach oraz na autostradzie A-4.

2. A N A LIZA PR ZE PU STO W O ŚC I W Ę ZŁÓ W A U T O ST R A D O W Y C H

Przepustow ość w ęzła autostradow ego je s t su m ą natężeń ruchu zaobserw ow anych na poszczególnych relacjach, gdy natężenie ruchu na jed n y m z elem entów w ęzła je s t rów ne przepustow ości [1], W tym rozum ieniu przepustow ość nie oznacza m aksym alnej liczby pojazdów , które m o g ą poruszać się po w ęźle, gdyż po uzyskaniu stanu przepustow ości na danym elem encie w ęzła natężenia ruchu na innych elem entach m o g ą w zrastać. W zależności od ty p u i kształtu w ęzła je g o krytycznym i elem entam i podlegającym i analizie przepustow ości i ocenie w arunków ruchu są:

1 Wydział Transportu, Politechnika Śląska, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, tel/fax (+48 32) 6034000, lesnicka@polsl.katowice.pl

w jazdy i zjazdy oraz drogi łącznikow e, obszary przeplatania.

D okładność analizy oraz lokalizacja spraw dzanych n a w ęźle pu n k tó w i odcinków z a le ż ą od w ybranej do analizy m etody oceny w arunków ruchu. N ajbardziej ro zb u d o w an ą pod tym w zględem je s t zalecana do stosow ania w Polsce m eto d a H CM -94. M etoda ta została opisana w w ydanej w 1995 r. przez G D D P instrukcji: „Instrukcja obliczania przepustow ości dróg I i II klasy technicznej (A utostrada i drogi ekspresow e)” . Instrukcja ta obejm uje w iele różnych typów analiz przepustow ościow ych dla dróg istniejących i projektow anych. Z ostała dostosow ana do stosow anych w Polsce w artości prędkości projektow ych oraz jednostek m etrycznych, uw zględniono w niej rów nież zm iany, jakie w latach 1992 - 94 w prow adzono do m etody H CM - 85.

2.1. C zynniki w pływ ające na przepustow ość w ęzła au tostradow ego

G łów ne zadanie w jazdu to połączenie dw óch potoków ruchu przy zachow aniu m ożliw ie dużej prędkości jazd y pojazdów przy m inim alnych zakłóceniach. P ojazdy, które w jeżd żają na drogę g łó w n ą lub drogę z b io rczo -ro zd zielczą w y k o rzy stu ją odstępy m iędzy p ojazdam i w p o to k u głów nym , a jednocześnie sw o ją o b ecn o ścią p o w o d u ją zm ianę proporcji obciążenia pasó w głów nych. Jest w iele czynników , głów nie geom etrycznych i ruchow ych, w pływ ających na zachow ania kierow ców na w jazdach, a tym sam ym n a rozkłady akceptow anych odstępów m iędzy pojazdam i, prędkości łączących się po to k ó w oraz przepustow ość obszaru w jazdu. Do najistotniejszych czynników m ających w pływ na przepustow ość w jazdu należą: typ w jazdu, typ łącznicy, liczba pasów ruchu n a autostradzie i drodze zbiorczo-rozdzielczej, położenie w zględem siebie sąsiednich w jazdów i zjazdów oraz n atężenie ruchu n a je z d n i głów nej, natężenie ruchu na analizow anej łącznicy, ja k i na sąsiednich łącznicach oraz udział pojazdów ciężkich w ruchu.

R uch pojazdów zjeżdżających z drogi głów nej uznaje się z a niezależny od ruchu p ozostałych pojazdów poruszających się po pasach przelotow ych. Z punktu w idzenia przepustow ości krytycznym m iejscem obszaru zjazdu je s t przekrój na p oczątku pasa w yłączania, a głów nym i czynnikam i w pływ ającym i na ja k o ść ruchu są: typ zjazdu (liczba p asó w ru ch u p rzed i za zjazdem ), typ i długość p asa w yłączania, typ łącznicy.

D roga łącznikow a rzadko m oże stanow ić krytyczny elem ent w ęzła, chociaż w niektórych przypadkach jej param etry geom etryczne m o g ą być p rz y c z y n ą niedostatecznej przepustow ości. D o najw ażniejszych czynników w pływ ających na tę przepustow ość zalicza się: długość i przekrój tej drogi, pochylenia podłużne oraz udział w ruchu pojazd ó w ciężkich.

O bszar przeplatania n a w ęźle to obszar, w którym w ystępuje strefa łączen ia się i rozdzielania dw óch strum ieni ruchu. W obszarze przeplatania kierow cy d o k o n u ją m anew ru zm iany p asa ruchu w celu osiągnięcia p asa dogodnego dla zjazdu. D o najbardziej istotnych czynników , które d ecy d u ją o przepustow ości obszaru przeplatania, należą: długość i szerokość (liczba pasów ) obszaru przeplatania, położenie w zględem siebie oraz liczba pasów w ejściow ych i w yjściow ych, n atężenia potoków przeplatających się i n ie przeplatających się, w zajem ne p roporcje tych natężeń oraz udział w ruchu p ojazdów ciężkich.

2.2. P rzep u stow ość obszarów w pływ u w jazdów i zjazdów

Podstaw ow ym i kryteriam i oceny P SR (Poziom u Sw obody R uchu) dla obszarów w pływ u w jazdów i zjazdów są: jak o m iernik podstaw ow y m aksym alna gęstość ruchu kw [E /km /pas] oraz jak o m iernik pom ocniczy m inim alna prędkość V w [km /h]. A naliza przepustow ości łącznic p rzeprow adzana je s t p o przez ustalenie gęstości, prędkości oraz PSR

ruchu dla jednopasow ej łącznicy w jazdow ej lub d la jednopasow ej łącznicy w yjazdow ej.

P rocedura obliczeniow a składa się z następujących kroków : przeliczenie natężeń ruchu,

obliczenie natężeń ruchu Q n n a

1

ⁱ

2

pasie autostrady, o bliczenie natężeń w przekrojach spraw dzania przepustow ości, ustalenie PSR.

Przeliczenie natężenia ruchu na autostradzie i ruchu na łącznicach na ekw iw alentne w artości Q„ w [E/h] dokonyw ane je s t w edług poniższego w zoru:

O = ---— --- [E/h] (1)

gdzie:

Q

0

- natężenie w szczytow ych 15 m inutach, przeliczone n a godzinę, w idealnych w arunkach drogow o - ruchow ych,

Qh - godzinow e natężenie ruchu zm ierzone lub prognozow ane w rzeczyw istych w arunkach drogow o - ruchow ych,

fp - w spółczynnik w pływ u szerokości pasów ruchu i odległości przeszkód bocznych, fc - w spółczynnik w pływ u sam ochodów ciężarow ych i autobusów oraz rodzaju terenu, spadków i ich długości,

fzd - w spółczynnik znajom ości drogi w śród kierow ców .

N astępnie oblicza się natężenie ruchu na 1 i 2 pasie autostrady. O bliczenia te dla łącznicy jednopasow ej (w yjazd z łącznicy) w ykonuje się z a p o m o c ą w zoru (

2

), natom iast dla łącznicy jednopasow ej (w jazd na łącznicę) w ykonuje się za p o m o c ą w zoru (3).

Q n = Q a P * (2)

gdzie:

pw - udział ruchu autostradow ego pozostającego n a pasach

1

ⁱ

2

^,

Q a - całkow ite natężenie ruchu na autostradzie przed analizow anym obszarem [E/h].

Q n = Q r + ( Q „ ~ Q , ) P: (3)

gdzie:

pz - udział ruchu autostradow ego pozostającego n a pasach

1

i

2

, Qr - całkow ite natężenie ruchu n a analizow anej łącznicy [E/h].

O bliczenia natężeń w przekrojach przepustow ości obliczane s ą oddzielnie dla obszarów w łączeń i w yłączeń w edług w zorów (4) i (5).

Qm = Q a + Q r (obszary w łączeń) (4)

Q m = Qr '

0

ⁱ

2

(obszary w yłączeń) (5) W przypadku gdy obliczone natężenia s ą w iększe od podanych w tablicach w artości przepustow ości, przyjm uje się P SR F.

G ęstość ruchu dla P SR od A do E oblicza się z następujących w zorów : dla w jazdu z łącznicy

1

-p aso w ej w obszar w łączania:

k K = 3,403 + 0,00456 • Q r + 0,00485 • Q n - 0,0128 • lw [E/km /pas] (

6

) dla w yjazdu na

1

- p a s o w ą łącznicę z obszaru w yłączania:

k w = 2,643 + 0,00534 Qn - 0 ,0 1 8 3 -/, [E/km /pas] (7) gdzie:

Q i

2

- natężenie ruchu n a

1

i 2 pasie ruchu autostrady [E/h], Qr - całkow ite natężenie ruchu na łącznicy [E/h],

lw, lz- całkow ita długość p asa w łączania, w yłączania [m].

Prędkość na łącznicy obliczana je s t w zależności od typu łącznicy i rodzaju ruchu za p o m o c ą je d n eg o z grupy czterech w zorów . B rak je s t w tej m etodzie w zorów obliczających gęstość ruchu w przypadku, gdy w ystępuje P SR F. P rzeciętne w artości prędkości podróży w o bszarze łącznicy obliczane s ą rów nież za p o m o c ą w ybranych, w zależności od żądanego P S R oraz rod zaju ruchu (ciągły, nieciągły), w zorów .

2.3. P rzepustow ość odcinków z przeplataniem

K lasyfikacja w arunków ruchu na odcinkach przeplatania je s t zależn a od średnich prędkości ja z d y pojazdów przeplatających i nie przeplatających się. P SR odcinka, n a którym odbyw a się przeplatanie, ustalana je s t oddzielnie d la p ojazdów nieprzeplatających się i po jazd ó w przeplatających się. P rocedura obliczeniow a składa się z następujących kroków :

w ybór typu odcinka z przeplataniem ,

p rzeliczenie natężeń ruchu na o b liczen io w ą w artość n atężen ia ru ch u Q ]5, stw orzenie diagram u przeplatania,

obliczenie prędkości ruchu pojazd ó w przeplatających się i nie przeplatających się, spraw dzenie, czy dany odcinek działa w w arunkach w ym uszonych/niew ym uszonych, określenie PSR.

P rocedura obliczeniow a daje m ożliw ość w yboru je d n eg o z trzech typów odcinków z przeplataniem :

A - każdy z przeplatających się pojazdów zm ienia je d e n pas ruchu,

B - je d e n strum ień pojazd ó w nie zm ienia p asa ruchu, podczas gdy inny strum ień zm ien ia pas ruchu,

C - j a k B, ale p ojazdy z m ie n ia ją p a s ruchu co najm niej dw a razy.

P rzeliczenie natężeń ruchu n a obliczen io w ą w artość natężenia ru ch u Q i

5

dokonyw ane je s t z a p o m o c ą następującego w zoru:

gdzie: o z n a c z e n ia ja k w e w zorze (

1

^).

W celu u tw orzenia diagram u odcinka przeplatania n iezbędne je s t ustalenie następujących w ielkości:

Qpi/Q

P2

- natężenie w iększego/m niejszego z przeplatających się potoków , Qp - łączne natężenie poto k ó w przeplatających się,

Q - łączne natężenie ruchu w obszarze przeplatania, Qp/Q - w skaźnik natężeń,

Q P

2

/Qp - w skaźnik przeplatania.

Prędkość ruchu pojazdów przeplatający się Vw i pojazdów nie przeplatających się V„

o blicza się ze w zoru:

gdzie:

Q - łączne natężenie w obszarze przeplatania [E/h], Q p - łączne natężenie potoków przeplatających się [E/h], n - liczba w szystkich pasó w ruchu w obszarze przeplatania, lp - długość odcinka przeplatania [m],

a, b, c, d - stałe, zależne od typu ukształtow ania obszaru przeplatania.

K .,K = 24 + 80

[ km /h] (9)

Spraw dzenie, czy dany odcinek działa w w arunkach w ym uszonych czy niew ym uszonych, odbyw a się poprzez porów nanie dw óch w ielkości: obliczonej liczby pasów np (liczba pasów ruchu dla pojazdów przeplatających się w niew ym uszonych w arunkach ruchu) oraz odczytanej z tablicy liczby pasów n pmax (liczba dostępnych dla pojazdów przeplatających się pasów ). W przypadku gdy np<npmax - to m ów im y, że na analizow anym odcinku odbyw a się ruch niew ym uszony, jeśli natom iast n p>npmax - to na danym odcinku odbyw a się ruch w ym uszony. Jeśli n p> n pmax, to obliczone w cześniej prędkości należy ponow nie przeliczyć z zastosow aniem param etrów dla ruchu w ym uszonego. O kreślenie PSR następuje poprzez porów nanie w artości obliczonych V w i V n z zaw artym i w tablicy m inim alnym i prędkościam i dla poszczególnych PSR.

S zczegółow y opis m etody przeprow adzania analizy przepustow ości obszarów w jazdów i zjazdów , dróg łącznikow ych oraz obszarów przeplatania m ożna znaleźć w publikacjach [2] i [3].

2.4. P rogram „P rzepustow ość autostrad”

A nalizę przepustow ości poszczególnych elem entów istniejących i now o pow stałych autostrad z a p o m o cą m etody H C M -94 ułatw ia program „P rzepustow ość autostrady” . W program ie tym oprócz przeprow adzania analizy przepustow ości obszarów w jazdów i zjazdów , dróg łącznikow ych oraz obszarów przeplatania m ożna rów nież przeprow adzić analizę przepustow ości odcinków podstaw ow ych (m iędzyw ęzłow ych) autostrady. N a rysunku

1

przedstaw ione zostały okna dialogow e um ożliw iające w pisanie danych niezbędnych do w ykonania analizy przepustow ości obszarów łącznic w jazdow ych i zjazdow ych.

Oczba pasów ructiu r Szeroko« pasów, f i» " " " * ] Łącznica opawe

autostradv 1 _ J ; ruchu [m] 1 - 1 włączenia

wynoszącym w[m]

Udział pojazdów cięikłehpt] Odległość od fiii" . nastepnei łącznicy

M

na autostradzie łącznicy / ( T '

ZS&T”

P— ¡¿g*- ia r

poprzedzatącaiH

Całkowita natężenie roćhu na łącznicy li

•,j nasiępneipodonet

j * l Wyjscre no autostradzie ¡100

łąctnicy ¡40

ruchu na łącznicy (80 J:jl j* " T l następnei po dantą

łącznicy (E/h)

X Wstecz

I I

Rys. 1. Okna dialogowe programu (obliczanie przepustowości łącznic wjazdowych i wyjazdowych) Fig. 1. Program ’s dialogue window (capacity o f motorway entries and exits calculations)

O kna dialogow e um ożliw iające analizę przepustow ości obszarów przeplatania p rzed staw ia rysu n ek 2. Szczegółow e inform acje n a tem at m ożliw ości zasto so w an ia oraz sposobu obsługi tego program u zaw iera instrukcja do program u „Przepustow ość autostrady” .

Rys. 2. Okna dialogowe programu (obliczanie przepustowości obszarów przeplatania) Fig. 2. Program 's dialogue window (capacity o f interleave areas calculations)

3. W Ę Z E Ł AL. G Ó R N O ŚL Ą SK A - M U R C K O W SK A K A T O W IC E

D o p rzeprow adzenia badań w arunków ruchu panujących n a w ęźle Al. G órnośląska - M u rck o w sk a w K atow icach w ykorzystano m etodę p ojazdu testow ego. T rasa i kierunek p rzejazd u (rys. 3) została dobrana tak, aby uzyskane w yniki badań uw zględniały w pływ bardzo bliskiej lokalizacji dw óch w ęzłów drogow ych Al. R oździeńskiego - M urckow ska, Al. G órnośląska - Francuska.

Rys. 3. Lokalizacja węzła Al. Górnośląska - Murckowska w Katowicach (trasa przejazdu) Fig. 3. Location o f Al. Górnośląska - Murckowska junction in Katowice (drive route)

B adania w ykonyw ane były od piątku do czw artku w godzinach m iędzy 7

00

- 7

30

i 1500 - 1530 w okresie od 28.02.2003 do 6.03.2003. B adaniom podlegały: całkow ity czas przejazdu, zatłoczenie - m ożliw ość sw obodnego w ykonyw ania m anew rów , kolejki - czas oczekiw ania w kolejce. W yniki badań zestaw iono w tablicy 1.

T ablica 1 W yniki badań w arunków ruchu na w ęźle Al. G óm ośląka - M urckow ska w K atow icach

D ata pom iaru (dzień tygodnia)

Całkow ity czas p rzejazd u

Zatłoczenie D/Ś/M

Czas oczekiw ania w kolejce Kolejki 1 | K olejki 11 | K olejki III

Czas pom iaru '-j § i 'i

28.02.03 (piątek) 14min 2s S - 30s 49s

1.03.03 (sobota) 13min 38s M - - -

2.03.03 (niedziela) 12min 41 s M - - -

3.03.03 (poniedziałek) 15min 1 ls S - 45 s 50s

4.03.03 (wtorek) 14min 25s S - 44s -

5.03.03 (środa) 15min 32s S - lm in 14s lm in 3s

6.0303. (czwartek) 13min 23s s - 23 s -

C zas pom iaru 15"" - 153"

28.02.03 piątek 17min 3s s - 6min 3s lm in

1.03.03 sobota 13min 40s M . - -

2.03.03 niedziela 13min 51 s M . - -

3.03.03 poniedziałek 19min 25s D - 7min 30s 45s

4.03.03 wtorek 20min 18s D - 8min 13s 39s

5.03.03 środa 21min 42s S - 9min 4s 54s

6.0303. czwartek 18min 7s S - 5min 55s 38s

Źródło: Badania własne

Z atłoczenie oceniano w zależności od zaobserw ow anej podczas badań m ożliw ości sw obodnego w ykonyw ania m anew rów , a w szczególności m anew ru zm iany p asa ruchu, stąd zatłoczenie określane było w trzech kategoriach: D - duże zatłoczenie, duże utrudnienia w ruchu, S - średnie zatłoczenie, niew ielkie utrudnienia w ruchu, M - m ałe zatłoczenie, brak utrudnień w m ożliw ości w ykonyw ania m anew rów .

Rys. 4. Lokalizacja miejsc występowania kolejek Fig. 4. Location o f queue occurrences

L okalizację m iejsc, w których tw orzyły się kolejki, zaznaczono (gruba linia) na rysu n k u 4. N a w ęźle Al. R oździeńskiego - M urckow ska - K I nie zaobserw ow ano p o w staw an ia żadnych kolejek, natom iast najw iększe kolejki w ystępow ały n a w ęźle Al.

G órnośląska - M urckow ska - K II (zjazd z autostrady A -4). D odatkow o w p rzypadku tego w ęzła kolejki oczekujących pojazdów u tru d n iają w jazd z ul. Prow ansalskiej i ul. Pułaskiego n a autostradę A -4 (rys. 4). N a w ęźle A l. G órnośląska - F rancuska - K III rów nież zaobserw ow ano tw orzenie się niew ielkich kolejek w obu okresach pom iarow ych.

Z astosow ane w przypadku w ęzła autostradow ego Al. G ó m o śląk a - M urckow ska ro zw iązan ia geom etrycznego, w ęzła typu p ełn a ko n iczy n a z rów noległym i w zdłuż drogi głów nej drogam i z - r (zbiorczo - rozdzielczym i), pow inno zapew nić d o b rą przepustow ość.

Z w łaszcza, że zastosow ane jezd n ie z - r s ą m iejscem dodatkow ego, odbyw ającego się poza je z d n ią g łó w n ą p rzeplotu potoków pojazdów . P oniew aż je d n a k w ęzeł ten znajduje się w centrum K atow ic, problem y z zapew nieniem dostatecznej przepustow ości p o jaw iają się szczególnie w godzinach szczytu

(6

^°-

840

i 1400-1700). W przypadku w ęzła A l. G órnośląska - F ran cu sk a (w ęzeł typu półkoniczyna) popraw ę przepustow ości i polepszenie w arunków ruchu m o żn a uzyskać p o p rzez dobudow ę p asa w łączeń n a zjeździe z autostrady A -4.

4. PO D SU M O W A N IE

L ikw idacja zatłoczenia spow odow anego n ied o stateczn ą p rzep u sto w o ścią w ęzła autostradow ego je s t jed n y m z w ażniejszych celów uzasadniających przeprow adzanie badań przepustow ości w ęzła. Polepszenie w arunków ruchu na w ęźle oraz zw iększenie przepustow ości m o żn a osiągnąć poprzez zm ianę p aram etrów geom etrycznych tego węzła.

N iestety, przeb u d o w a istniejącego ju ż w ęzła drogow ego je s t zadaniem niezw ykle kosztow nym i trudnym , dlatego w yniki badań w arunków ru ch u i przepustow ości istniejących ju ż w ęzłó w pow inny być jed n y m z w ażniejszych zagadnień rozpatryw anych podczas przeprow adzania analizy przepustow ościow ej now o projektow anych w ęzłów autostradow ych.

L iteratura

1. P raca zbiorow a p od red. K rystek R.: W ęzły drogow e i autostradow e. W K iŁ, W arszaw a 1998.

2. Instrukcja obliczania przepustow ości dróg I i II klasy technicznej (A utostrady i drogi ekspresow e). G D D P, W arszaw a 1995.

3. T ransportation research Board: H ighw ay C apacity M anuał, Special R eport 209, W ashington D .C., 1985.

A bstract

O ne o f the m ost im portant objectives w hich gives grounds to carry out junction capacity m onitoring is liquidation o f overcrow ding caused by inadequate capacity o f the ju n ctio n . Im provem ent in traffic conditions on a ju n ctio n and increase in ju n ctio n capacity m ay be achieved by ju n ctio n geom etry m odification. U nfortunately reconstruction o f the existing ju n c tio n is a difficult and expensive task, therefore the results o f traffic conditions m onitoring o f existing ju n ctio n s should be one o f the m ost im portant issues being considered during analyzing th e capacity o f new designed m otorw ay junctions.