肖昌仁

（中國市政工程中南設(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足車輛安全地流出、流入主線以及加、減速的要求。

1 變速車道設(shè)計(jì)

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

1.1 變速車道處理方法

平行式變速車道設(shè)計(jì)相對比較簡單，直接式變速車道在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中存在如下兩種不同的做法（以車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)車道中心線開始，以規(guī)范規(guī)定的與匝道設(shè)計(jì)車速對應(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）國際流行設(shè)計(jì)法：直接從減速車道起點(diǎn)（即一個(gè)車道寬位置）車道中心線開始，以規(guī)范規(guī)定的與匝道設(shè)計(jì)車速對應(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)（見圖1），主線外側(cè)邊線車道中心線至減速車道起點(diǎn)車道中心線縱向位移即為一個(gè)車道寬（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)長度L（主線外側(cè)邊線車道中心線至減速車道起點(diǎn)車道中心線橫向位移）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)方法直接式變速車道對比圖（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)的直接式變速車道及漸變段長度相對較長，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)方法直接式變速車道對比圖（單位：m）

圖3 兩種設(shè)計(jì)方法直接式變速車道對比圖（單位：m）

當(dāng)緊接變速車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（見圖4），此時(shí)變速車道長度進(jìn)一步加長，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)的直接式變速車道及漸變段長度相對較短，能保證車輛更為快捷地駛離主線進(jìn)入匝道。另外，在進(jìn)行設(shè)置輔助車道的直接式變速車道設(shè)計(jì)時(shí)，采用習(xí)慣設(shè)計(jì)方法將不再適宜。國際流行設(shè)計(jì)法直接從減速車道起點(diǎn)開始設(shè)計(jì)匝道線形，輔助車道及漸變段的設(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)定的漸變段長度最小值人為確定漸變段長度，這樣處理的結(jié)果是由漸變段過渡至減速車道時(shí)存在明顯轉(zhuǎn)折。為保證車輛駛離主線進(jìn)入匝道的連續(xù)順暢，建議采用將減速車道的設(shè)計(jì)起點(diǎn)反向延長至主線外側(cè)車道中心線相交的方式來確定漸變段長度，如圖5所示。

圖5 直接式變速車道示意圖

1.2 較窄硬路肩道路立交的匝道端部處理

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

主線車行道邊緣不偏置加寬時(shí)，如圖6（a）所示，漸變段長度將很長。過長的漸變段不僅增加工程造價(jià)，也不利于車輛進(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度，減少了車輛進(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 無硬路肩道路變速車道設(shè)計(jì)示意圖（單位：m）

因此對于無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道，應(yīng)對端部主線車行道邊緣進(jìn)行偏置加寬[3]；對于無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道位置，然后在端部位置通過加大端部圓弧來實(shí)現(xiàn)端部主線車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)對其進(jìn)行安全評價(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)評價(jià)

大量的交通事故是由相鄰路段的運(yùn)行車速差導(dǎo)致，當(dāng)相鄰路段運(yùn)行車速差超過某一限值時(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改善相鄰路段指標(biāo)組合，降低容許車速差，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)相對較低的組合體，進(jìn)行運(yùn)行速度檢驗(yàn)評價(jià)十分必要。

交通部頒發(fā)的《公路項(xiàng)目安全性評價(jià)指南》對運(yùn)行速度的計(jì)算方法進(jìn)行了描述。對于立交匝道，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?？v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)行車速差進(jìn)行運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評價(jià)，并對不良路段調(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賽車游戲開發(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)評價(jià)方法相對比較簡單，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)過程進(jìn)行無縫對接，生成的三維透視圖對匝道線形指標(biāo)的檢驗(yàn)更為直觀，目前國內(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，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)算簡便，并且設(shè)計(jì)出來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)對行車產(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)的端部行車平穩(wěn)。其缺點(diǎn)是由于采用的“一塊板”設(shè)計(jì)僅針對端部這一小部分，因此設(shè)計(jì)結(jié)果可能對前、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)方法適合于對排水要求較高的路段。端部的幾何情況見圖 9、圖10。

圖9 單坡斷面匝道

圖10 雙坡斷面匝道

對于圖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)車輛由匝道內(nèi)（外）側(cè)車道 駛?cè)朐训劳猓▋?nèi)）側(cè)車道時(shí)，需翻越“路脊線”。

對于圖10（c）、（d）型端部，其處理方法應(yīng)先通過橫斷面修改，使匝道在鼻端部前變?yōu)閱纹拢缓笠灾骶€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

本文針對互通式立交匝道起終點(diǎn)變速車道及匝道線形指標(biāo)檢驗(yàn)等技術(shù)性問題，結(jié)合目前比較常見的習(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[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.