互通立交匝道相關(guān)技術(shù)性問(wèn)題探討

肖昌仁

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，云南昆明 650021）

0 前言

互通式立體交叉幾何設(shè)計(jì)主要包括平面、縱斷面、橫斷面、匝道起終點(diǎn)及端部設(shè)計(jì)。由于匝道起終點(diǎn)直接與主線相銜接，不僅要進(jìn)行變速，還要進(jìn)行分、合流等復(fù)雜的駕駛操作，是容易發(fā)生事故的地點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)時(shí)一定要特別注意最大程度地滿(mǎn)足車(chē)輛安全地流出、流入主線以及加、減速的要求。

1 變速車(chē)道設(shè)計(jì)

公路及城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范均規(guī)定變速車(chē)道為單車(chē)道時(shí)，減速車(chē)道宜采用直接式，加速車(chē)道宜采用平行式；變速車(chē)道為雙車(chē)道時(shí)，減速車(chē)道和加速車(chē)道均應(yīng)采用直接式[1]。

1.1 變速車(chē)道處理方法

平行式變速車(chē)道設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，直接式變速車(chē)道在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中存在如下兩種不同的做法（以車(chē)道中心線作為匝道設(shè)計(jì)中線時(shí)）。

（1）習(xí)慣設(shè)計(jì)法：從主線外側(cè)車(chē)道中心線開(kāi)始，以規(guī)范規(guī)定的與匝道設(shè)計(jì)車(chē)速對(duì)應(yīng)的出入角α（漸變率）采用直線、緩和曲線或大半徑圓曲線偏出。

（2）國(guó)際流行設(shè)計(jì)法：直接從減速車(chē)道起點(diǎn)（即一個(gè)車(chē)道寬位置）車(chē)道中心線開(kāi)始，以規(guī)范規(guī)定的與匝道設(shè)計(jì)車(chē)速對(duì)應(yīng)的出入角α（漸變率）采用直線、緩和曲線或大半徑圓曲線偏出。

當(dāng)主線為直線或大半徑圓曲線時(shí)（見(jiàn)圖1），主線外側(cè)邊線車(chē)道中心線至減速車(chē)道起點(diǎn)車(chē)道中心線縱向位移即為一個(gè)車(chē)道寬（或加上路緣帶寬）B，考慮到此段線位較為平緩，線位按直線近似考慮，則漸變點(diǎn)長(zhǎng)度L（主線外側(cè)邊線車(chē)道中心線至減速車(chē)道起點(diǎn)車(chē)道中心線橫向位移）大致可以確定，L≈B×α。兩種設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的直接式變速車(chē)道線形當(dāng)主線為直線時(shí)完全相同，當(dāng)主線為大半徑圓曲線時(shí)相差不大。

圖1 兩種設(shè)計(jì)方法直接式變速車(chē)道對(duì)比圖（單位：m）

當(dāng)主線為轉(zhuǎn)角偏向匝道側(cè)的小半徑圓曲線時(shí)（如圖2所示）或當(dāng)主線為與匝道圓曲線轉(zhuǎn)向相反的小半徑圓曲線時(shí)（如圖3所示），由于主線圓曲線各段落的曲率變化明顯，將導(dǎo)致從漸變段和從變速車(chē)道起點(diǎn)以一定出入角α（漸變率）分出匝道時(shí)的匝道線形曲率差異。實(shí)際結(jié)果是采用習(xí)慣設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的直接式變速車(chē)道及漸變段長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，并且在兩種設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的匝道線形相近時(shí)，習(xí)慣設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的匝道緩和曲線起點(diǎn)將位于匝道端部前方。

圖2 兩種設(shè)計(jì)方法直接式變速車(chē)道對(duì)比圖（單位：m）

圖3 兩種設(shè)計(jì)方法直接式變速車(chē)道對(duì)比圖（單位：m）

當(dāng)緊接變速車(chē)道的匝道圓曲線需要設(shè)置曲線加寬且主線和匝道采用橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，為減少構(gòu)造物處理上的難度，采用習(xí)慣設(shè)計(jì)方法時(shí)需調(diào)整匝道線形，將緩和曲線起點(diǎn)調(diào)整至匝道端部后方附近（見(jiàn)圖4），此時(shí)變速車(chē)道長(zhǎng)度進(jìn)一步加長(zhǎng)，匝道線位更靠近主線。

圖4 習(xí)慣設(shè)計(jì)方法調(diào)整緩和曲線位置示意圖（單位：m）

綜上分析可知，國(guó)際流行設(shè)計(jì)法能夠更加靈活地設(shè)計(jì)立交匝道線形，設(shè)計(jì)的直接式變速車(chē)道及漸變段長(zhǎng)度相對(duì)較短，能保證車(chē)輛更為快捷地駛離主線進(jìn)入匝道。另外，在進(jìn)行設(shè)置輔助車(chē)道的直接式變速車(chē)道設(shè)計(jì)時(shí)，采用習(xí)慣設(shè)計(jì)方法將不再適宜。國(guó)際流行設(shè)計(jì)法直接從減速車(chē)道起點(diǎn)開(kāi)始設(shè)計(jì)匝道線形，輔助車(chē)道及漸變段的設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)人員按規(guī)范規(guī)定靈活控制。

采用國(guó)際流行設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)匝道線形后，一些設(shè)計(jì)人員按規(guī)范規(guī)定的漸變段長(zhǎng)度最小值人為確定漸變段長(zhǎng)度，這樣處理的結(jié)果是由漸變段過(guò)渡至減速車(chē)道時(shí)存在明顯轉(zhuǎn)折。為保證車(chē)輛駛離主線進(jìn)入匝道的連續(xù)順暢，建議采用將減速車(chē)道的設(shè)計(jì)起點(diǎn)反向延長(zhǎng)至主線外側(cè)車(chē)道中心線相交的方式來(lái)確定漸變段長(zhǎng)度，如圖5所示。

圖5 直接式變速車(chē)道示意圖

1.2 較窄硬路肩道路立交的匝道端部處理

對(duì)于無(wú)硬路肩的城市道路立交及較窄硬路肩的公路立交，當(dāng)變速車(chē)道采用直接式時(shí)，主線與駛出匝道的出口分流處主線車(chē)行道邊緣應(yīng)偏置加寬，寬度宜為2.5～3.5 m[2]。筆者以單車(chē)道直接式變速車(chē)道（見(jiàn)圖6）為例進(jìn)行了驗(yàn)證。

主線車(chē)行道邊緣不偏置加寬時(shí)，如圖6（a）所示，漸變段長(zhǎng)度將很長(zhǎng)。過(guò)長(zhǎng)的漸變段不僅增加工程造價(jià)，也不利于車(chē)輛進(jìn)出匝道的交通組織，易造成漸變段范圍的交通混亂。

主線車(chē)行道邊緣偏置加寬時(shí)，如圖6（b）所示，不僅縮短了漸變段長(zhǎng)度，減少了車(chē)輛進(jìn)出匝道的交通延誤，也給主線誤行交通提供了返回的空間。

圖6 無(wú)硬路肩道路變速車(chē)道設(shè)計(jì)示意圖（單位：m）

因此對(duì)于無(wú)硬路肩的城市道路立交及較窄硬路肩的公路立交直接式變速車(chē)道，應(yīng)對(duì)端部主線車(chē)行道邊緣進(jìn)行偏置加寬[3]；對(duì)于無(wú)硬路肩的城市道路立交，當(dāng)端部位于高架結(jié)構(gòu)段時(shí)可不設(shè)置偏置加寬，但應(yīng)先按偏置加寬進(jìn)行設(shè)計(jì)確定漸變段及變速車(chē)道位置，然后在端部位置通過(guò)加大端部圓弧來(lái)實(shí)現(xiàn)端部主線車(chē)行道邊緣的不偏置加寬。

2 匝道線形指標(biāo)的檢驗(yàn)

按規(guī)范規(guī)定確定好匝道的平、縱、橫線形指標(biāo)后應(yīng)對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)。目前比較流行的檢驗(yàn)方法有運(yùn)行速度檢驗(yàn)評(píng)價(jià)、三維透視圖檢驗(yàn)及三維動(dòng)態(tài)模擬檢驗(yàn)。

2.1 運(yùn)行速度檢驗(yàn)評(píng)價(jià)

大量的交通事故是由相鄰路段的運(yùn)行車(chē)速差導(dǎo)致，當(dāng)相鄰路段運(yùn)行車(chē)速差超過(guò)某一限值時(shí)，路段將存在安全隱患，而運(yùn)行速度理論的核心就是通過(guò)改善相鄰路段指標(biāo)組合，降低容許車(chē)速差，從而消除安全隱患。匝道作為一個(gè)線形單元變化頻率較高、線形指標(biāo)相對(duì)較低的組合體，進(jìn)行運(yùn)行速度檢驗(yàn)評(píng)價(jià)十分必要。

交通部頒發(fā)的《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)指南》對(duì)運(yùn)行速度的計(jì)算方法進(jìn)行了描述。對(duì)于立交匝道，運(yùn)行速度計(jì)算的第一步即劃分路段，因緩和曲線在路段單元中起過(guò)渡緩和的作用，可將緩和曲線視為圓曲線的組成部分而統(tǒng)歸為同一路段考慮，因此匝道可視為不同半徑圓曲線的首尾相連。縱坡小于3%的直線和半徑大于1 000 m的曲線自成一段；其余小半徑曲線段、縱坡大于3%、坡長(zhǎng)大于300 m的路段以及彎坡組合段作為獨(dú)立單元分別進(jìn)行運(yùn)行速度測(cè)算。計(jì)算出各路段的運(yùn)行速度后即可根據(jù)相鄰路段運(yùn)行車(chē)速差進(jìn)行運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)，并對(duì)不良路段調(diào)整匝道線形指標(biāo)[4]。

2.2 三維透視圖檢驗(yàn)

設(shè)計(jì)人員在利用道路設(shè)計(jì)軟件完成道路平、縱、橫斷面設(shè)計(jì)后，可以利用道路設(shè)計(jì)軟件快速建立公路、橋梁隧道等的三維模型，并可以從任意角度觀察、顯示設(shè)計(jì)成果的三維透視圖，從而直觀地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

2.3 三維動(dòng)態(tài)模擬檢驗(yàn)

設(shè)計(jì)人員在利用道路設(shè)計(jì)軟件完成道路平、縱、橫斷面設(shè)計(jì)后，可以基于DTM和平、縱、橫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)生成地面、道路、橋梁、隧道等的三維真實(shí)模型，采用OpenGL賽車(chē)游戲開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行任意位置、視點(diǎn)、高度、速度的三維全景行車(chē)模擬，從而直觀地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

運(yùn)行速度檢驗(yàn)評(píng)價(jià)方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但需要進(jìn)行較為繁瑣的計(jì)算；三維透視圖檢驗(yàn)與道路設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，生成的三維透視圖對(duì)匝道線形指標(biāo)的檢驗(yàn)更為直觀，目前國(guó)內(nèi)主要的道路設(shè)計(jì)軟件都可以實(shí)現(xiàn)；三維動(dòng)態(tài)模擬檢驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)真實(shí)行車(chē)的動(dòng)態(tài)模擬，但目前僅有少數(shù)道路設(shè)計(jì)軟件可實(shí)現(xiàn)此功能。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際情況靈活采用上述方法對(duì)匝道線形指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 端部豎向設(shè)計(jì)

在互通式立交設(shè)計(jì)中，主線與匝道連接部即端部的設(shè)計(jì)是整個(gè)立交設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。進(jìn)行端部設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮平、縱、橫的配合，加寬、超高、橫坡、緩和，主線與匝道的協(xié)調(diào)以及該區(qū)域的排水、行車(chē)條件等要素。

有關(guān)互通立交端部的設(shè)計(jì)方法有輔助線法、整體綜合法、等高線法等[5]。

3.1 輔助線法

從鼻端控制點(diǎn)（B1）到端部設(shè)計(jì)終斷面上與主線邊緣線相交點(diǎn)（B2）作一條圓滑的連線，這條連線即所謂的“輔助線”，如圖7所示。由于此時(shí)平、縱設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，因此主線上一點(diǎn)如P1的坐標(biāo)、高程即可推算出來(lái)，由P1點(diǎn)的法向與輔助線相交于P2，再由P2作匝道垂線，與匝道相交于P3，由于此時(shí)匝道的縱坡已定，所以可根據(jù) P3的坐標(biāo)求出該點(diǎn)的高程值。

圖7 輔助線法設(shè)示

這種設(shè)計(jì)方法思路清晰，計(jì)算簡(jiǎn)便，并且設(shè)計(jì)出來(lái)的端部完全符合原設(shè)計(jì)的縱向線形。缺點(diǎn)是由于采用了人為增加的輔助線，因此會(huì)在建成后出現(xiàn)一道所謂的“設(shè)計(jì)路脊線”，當(dāng)主線與匝道端部處橫坡有較大差異時(shí)，會(huì)對(duì)行車(chē)產(chǎn)生不利的影響。

3.2 整體綜合法

將端部及與其相接的路面組成一個(gè)整體進(jìn)行一塊板式的設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖8），因整個(gè)設(shè)計(jì)段處于一個(gè)平面，故用這種方法設(shè)計(jì)的端部行車(chē)平穩(wěn)。其缺點(diǎn)是由于采用的“一塊板”設(shè)計(jì)僅針對(duì)端部這一小部分，因此設(shè)計(jì)結(jié)果可能對(duì)前、后段路面連接不太順適，且由于采用一側(cè)排水，雨量大時(shí)容易對(duì)路基穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

圖8 整體綜合法

3.3 等高線法

將減速車(chē)道至端部區(qū)域按平交口作等高線進(jìn)行豎向設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法適合于對(duì)排水要求較高的路段。端部的幾何情況見(jiàn)圖 9、圖10。

圖9 單坡斷面匝道

圖10 雙坡斷面匝道

對(duì)于圖9（a）、（b）型端部，因主線與匝道橫坡方向一致，因此應(yīng)按照“整體綜合法”進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于圖9（c）型端部，可采用圖9（a）型端部的處理方法，但需進(jìn)一步考慮橫坡發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)的后一段漸變。

對(duì)于圖9（d）型端部，由于主線與匝道橫坡相反，所以其計(jì)算應(yīng)以主線內(nèi)邊線及匝道外邊線為框架，按“等高線法”或“輔助線法”進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于圖10（a）、（b）型端部，因其主線與匝道相靠的兩橫坡方向相反，因此其設(shè)計(jì)應(yīng)先通過(guò)橫斷面修改，再到達(dá)鼻端前匝道變?yōu)閱纹?，然后以主線內(nèi)邊線及匝道中線為一設(shè)計(jì)區(qū)域，以匝道中線與匝道外邊線為另一設(shè)計(jì)區(qū)域，按“等高線法”設(shè)計(jì)，將兩個(gè)區(qū)域合成一體。但此種方法設(shè)計(jì)的端部，當(dāng)車(chē)輛由匝道內(nèi)（外）側(cè)車(chē)道 駛?cè)朐训劳猓▋?nèi)）側(cè)車(chē)道時(shí)，需翻越“路脊線”。

對(duì)于圖10（c）、（d）型端部，其處理方法應(yīng)先通過(guò)橫斷面修改，使匝道在鼻端部前變?yōu)閱纹?，然后以主線外邊線與匝道中線為一設(shè)計(jì)單元，以匝道中線與匝道外邊線為另一設(shè)計(jì)單元 ,前一設(shè)計(jì)單元用整體綜合法計(jì)算，后一設(shè)計(jì)單元按“等高線法”處理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)互通式立交匝道起終點(diǎn)變速車(chē)道及匝道線形指標(biāo)檢驗(yàn)等技術(shù)性問(wèn)題，結(jié)合目前比較常見(jiàn)的習(xí)慣做法進(jìn)行了分析和探討。在互通式立交匝道的設(shè)計(jì)過(guò)程中需全面考慮、均衡協(xié)調(diào)、周詳計(jì)算、細(xì)致檢驗(yàn)，方能設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足功能、適應(yīng)地形、線形流暢、行駛安全的“精品”工程。

[1]CJJ 152—2010，城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[2]JTG D20—2006，公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]李嘉.公路設(shè)計(jì)百問(wèn)[M].北京：人民交通出版社，2009.

[4]喬翔，藺惠茹.公路立交規(guī)劃與設(shè)計(jì)實(shí)務(wù)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]孫家駟.道路立交規(guī)劃與設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2009.