劉利民, 楊運平

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

喇叭形互通式立體交叉(以下簡稱“喇叭形互通”)是互通式立體交叉的典型代表，具有收費管理方便及工程規(guī)模較小等特點，是目前高速公路中應用最多的一種互通式立體交叉形式。因半直連式匝道和環(huán)形匝道組合外觀類似喇叭而得名。

在常見的路線與互通立交CAD軟件中，喇叭形互通的平縱橫設計均可以完成。喇叭頭位置的兩條匝道雖然路基寬度沖突，但在絕大多數(shù)CAD軟件中，作為兩條完全獨立的匝道進行設計，與連接線各自直接相接，連接部設計圖等部分圖表需要手工或半自動方式完成。JSL-路線專家系統(tǒng)作為新一代路線與互通立交CAD系統(tǒng)，應用了數(shù)十項創(chuàng)新和專利技術，互通式立體交叉連接部的參數(shù)化自動設計是其獨特創(chuàng)新之一。喇叭形互通喇叭頭的兩條匝道不存在合流與分流，并不是真正意義上的連接部，但二者之間的路基寬度銜接與連接部有高度的相似性。通過深入研究與嘗試，充分利用JSL-路線專家系統(tǒng)的靈活性，可將喇叭形互通的喇叭頭作為連接部，實現(xiàn)參數(shù)化自動設計。

1 喇叭形互通喇叭頭的常規(guī)設計方法

一般情況下，組成喇叭頭的半直連式匝道和環(huán)形匝道，是兩條相對獨立的對向行使匝道，既無主次從屬關系也不存在分流、合流，是并行關系，均單獨設計，即平縱橫各自與連接線順接。半直連式匝道和環(huán)形匝道路基寬度一般均為9.00 m，而連接線路基寬度一般為16.50 m，兩條匝道的總寬度為18.00 m，比連接線的路基寬度寬了1.50 m，說明兩條匝道在靠近連接線接點路段的路基寬度相沖突，路基設計表、連接部圖、連接部標高數(shù)據(jù)圖和路基橫斷面設計圖等圖表均只能手工或半自動方式處理。

根據(jù)JTG/T D21—2014《公路立體交叉設計細則》，連接部的定義是“匝道與交叉公路之間、主線相互之間或匝道相互之間相連接的部位，包括分、合流車道連接路段及鼻端”。因此，從理論上來說，喇叭形互通的喇叭頭位置并不屬于連接部的范疇。因此，設計中未按連接部的方式進行設計也在情理之中。

2 參數(shù)化自動設計新方法

JSL-路線專家系統(tǒng)實現(xiàn)了互通式立體交叉連接部的參數(shù)化自動設計，能解決主線之間、匝道之間、主線與匝道之間的連接部參數(shù)化自動設計，也解決了匝道出入口與主線(或匝道)之間路拱線的自動設計，且設置簡單、明了。

在實際生產中，發(fā)現(xiàn)設計人員對喇叭形互通的喇叭頭仍然采用原始的手工或半自動方式來設計。經回顧研發(fā)過程，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)研發(fā)時主要針對分流部和合流部的連接部設計，并未考慮喇叭形互通喇叭頭位置的處理。經深入研究與嘗試，喇叭形互通的喇叭頭可以用JSL-路線專家系統(tǒng)當做連接部來實現(xiàn)參數(shù)化自動設計。主要處理方法如下。

2.1 連接線前置處理

在喇叭形互通的喇叭頭位置，兩條匝道一般均設置相同的超高，作為連接部設置時，兩條匝道同坡成一個坡面。當與匝道相接的連接線無中央分隔帶時，作為連接部處理無問題。當與匝道相接的連接線有中央分隔帶時，中央分隔帶橫坡一般為零，喇叭頭作為連接部處理后，內側匝道與外側匝道同坡(包括中央分隔帶寬度)，外側匝道的內側路緣帶邊緣(對應原中央分隔帶外邊緣)位置與原中央分隔帶外邊緣位置會存在高差(圖1)。如匝道設置6%的超高、連接線中央分隔帶寬度為1 m時，兩者的高差為6 cm。這將導致一側匝道與連接線路面無法順接，必須進行技術處理。

圖1 作為連接部時中央分隔帶的變化

一般情況下，設置中央分隔帶時，設計高程在中央分隔帶邊緣。將半直連式匝道和環(huán)形匝道作為連接部設計時，為解決匝道與連接線同坡相接時的高差問題，必須設置漸變段將連接線的設計高程漸變至路基中心線位置，即將中央分隔帶寬度漸變至零、設計高程位置由中央分隔帶邊緣漸變至路基中心線。雖然如此，該寬度漸變，并不改變行車軌跡，也不改變路基寬度(甚至中央分隔帶依然可以設置)，只是為了方便匝道進行連接部設置而進行的技術處理，因此漸變段長度無需按照中央分隔帶漸變的要求設置，漸變長度取10 m即可滿足要求。如設計速度40 km/h的連接線和匝道在接點處設置6%超高時，1 m中央分隔帶按10 m漸變，此時寬度漸變率為1/20，該漸變率并不真正進行寬度變化，大小無要求；由設計高程位置變化在原中央分隔帶邊緣引起的附加縱坡為0.5×6%/10=0.3%≈1/333，該漸變率應小于設計速度40 km/h的最大超高漸變率1/150。

2.2 連接部的設置方法

經過研究，喇叭形互通的喇叭頭位置當做連接部處理，有按分流部處理和按合流部處理兩種方法。作為主線的匝道不能隨便設置，必須按照匝道相對于主線是流出還是流入來區(qū)分。

2.2.1 按分流部處理方法

按分流部處理時，半直連式匝道和環(huán)形匝道的角色如下：在A形喇叭形互通中，環(huán)形匝道(圖2中C匝道)是流出，可作為連接部的匝道，而將半直連式匝道(圖2中B匝道)作為連接部的主線；在B形喇叭形互通中，半直連式匝道(圖3中B匝道)是流出，可作為連接部的匝道，而將環(huán)形匝道(圖3中C匝道)作為連接部的主線。

圖2 A形喇叭互通

圖3 B形喇叭互通

按分流部處理時，B匝道和C匝道的平面設計與常規(guī)設計一致。作為流出匝道(圖2中C匝道或圖3中B匝道)，平面設計時需注意坡長是否足夠，不夠時需調整平面線形。平面設計完成后，進行連接部設置，這樣鼻端對應的環(huán)形匝道和半直連式匝道樁號均自動計算?？v斷面設計時，作為主線的匝道(圖2中B匝道或圖3中C匝道)，與連接線接坡；作為匝道的匝道，在鼻端與作為主線的匝道接坡。至此，喇叭形互通喇叭頭位置的設計實現(xiàn)了自動化，后續(xù)的路基設計表、連接部設計圖、連接部標高數(shù)據(jù)圖和路基橫斷面設計圖等圖表均可以自動輸出，無需手工修改。

2.2.2 合流部處理方法

按合流部處理時，半直連式匝道和環(huán)形匝道的角色如下：在A形喇叭形互通中，半直連式匝道是流入(圖2中B匝道)，作為連接部的匝道，環(huán)形匝道(圖2中C匝道)作為連接部的主線；在B形喇叭形互通中，環(huán)形匝道(圖3中C匝道)是流入，作為連接部的匝道，半直連式匝道(圖3中B匝道)作為連接部的主線。除了半直連式匝道和環(huán)形匝道的角色不同之外，其余的設計方法與按分流部處理的方法完全一致，在此不再重復敘述。

2.3 路拱線的自動設置

在JSL-路線專家系統(tǒng)中，連接部的路拱線實現(xiàn)了自動設置。無論連接部是否設置路拱線，主線的橫坡均按正常設置。當連接部不設置路拱線時，采用主線橫坡，匝道鼻端范圍內不設置超高；當連接部設置路拱線時，匝道鼻端范圍內設置超高即可。

系統(tǒng)根據(jù)匝道的橫坡設置，自動判斷路拱線的起訖樁號，在連接部設計圖和連接部標高數(shù)據(jù)圖中繪制路拱線，在路基設計表和路基橫斷面設計圖中體現(xiàn)路拱線的位置。路拱線由系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則自動生成，接近于光滑曲線，較人工隨意繪制的直線、圓曲線或折線要合理得多。路拱線的自動設置在喇叭形互通的喇叭頭位置同樣適用。

3 設計流程

喇叭形互通喇叭頭的兩條匝道可以用分流部或合流部設計。以圖3 B形喇叭形互通為例，用分流部設計的流程如下：

(1) 連接線A匝道平縱面設計完成后，進行B、C匝道的平面設計。

(2) 將C匝道作為主線，進行分流部參數(shù)設置。

(3) 將C匝道與A匝道、K線接坡，然后拉坡。

(4) 將B匝道作為匝道，B匝道與C匝道、K線接坡，然后拉坡。

(5) 若B匝道坡度超過規(guī)范要求，需要調整平面，重新拉坡。

(6) 若B匝道、C匝道橫坡不同，在B匝道鼻端前設置超高橫坡，即可在連接部等設計圖中自動設置路拱線。

(7) 在連接線A匝道終點倒推10 m設置漸變段將中央分隔帶寬度由1 m漸變?yōu)? m。

用合流部設計的流程與上述流程完全相同，A形互通的喇叭頭設計與B形互通也相似。

4 應用

某高速公路設置了一個B形喇叭形互通(圖3)，A為連接線，B匝道為環(huán)形匝道，C匝道為半直連式匝道，D、E匝道為直連式匝道。B匝道長217.227 m，C匝道長452.689 m。A匝道與B、C匝道的接坡坡度為3.20%。

采用常規(guī)方法設計時，B匝道BK0+000～BK0+217.227路段的縱坡為-3.200%/166.596 m、-1.303%/50.631 m；C匝道CK0+145.007～CK0+452.689路段縱坡為-1.488%/201.145 m、+3.200%/106.538 m。

在B、C匝道平面設計完成后，即可按分流部進行連接部設置(圖4)。此時，漸變段長度為0，輔助車道長度為0，減速車道由系統(tǒng)自動計算得到，設置主線的偏置值和匝道的偏置加寬值及其漸變段長度、硬路肩鼻端和土路肩鼻端半徑后，系統(tǒng)自動計算得到鼻端對應的主線和匝道樁號。連接部設置完成后，即可進入縱斷面設計。C匝道作為主線，縱坡與常規(guī)方法設計一致；B匝道作為匝道，BK0+000～BK0+029.525段作為連接部范圍，BK0+029.525～BK0+217.227段的縱坡為-3.200%/139.514 m、-1.303%/48.188 m。該方法與常規(guī)設計方法的設計高程略有差異，如BK0+100處，常規(guī)設計方法的設計高程為27.390 m，而此時設計高程為27.437 m，高差為+0.047 m。

圖4 C匝道作為主線的連接部設置

按合流部設計時，連接部設置與按分流部設置基本相似(圖5)。連接部設置完成后，即可進入縱斷面設計。B匝道作為主線，縱坡與常規(guī)方法設計一致；C匝道作為匝道，CK0+425.427～CK0+452.689段為連接部范圍，CK0+145.007～CK0+425.427段縱坡為-1.488%/202.184 m、+3.200%/78.236 m。該方法與常規(guī)設計方法的設計高程也略有差異，如CK0+350處，常規(guī)設計方法的設計高程為27.415 m，而該方法的設計高程為27.389 m，高差為-0.026 m。

在該互通中，B匝道作為主線，C匝道和B匝道之間設置了路拱線。BK0+000～BK0+041橫坡由6%漸變至2%，而C匝道CK0+319～CK0+452.689橫坡始終保持6%不變。系統(tǒng)根據(jù)該設置確定路拱線的起訖樁號并在連接部設計圖(圖6)等圖表中反映。

圖5 B匝道作為主線的連接部設置

圖6 喇叭頭的連接部設計圖

由此可見，無論以哪條匝道作為主線，連接部的位置完全一致；采用連接部設計和不采用連接部設計，縱坡差異小，對工程規(guī)模的影響可以忽略。

5 結語

從喇叭形互通的喇叭頭位置采用分流部和合流部兩種處理方法可以看出：該處確實不屬于連接部范疇，不具備一般連接部的加減速車道。但通過充分利用JSL-路線專家系統(tǒng)的靈活性，一方面實現(xiàn)了喇叭頭包括路拱線在內的參數(shù)化自動設計，提高了喇叭形互通的設計效率；另一方面拓展了JSL-路線專家系統(tǒng)的適用范圍。該方法不僅適用于喇叭形互通，也適用于部分苜蓿葉形互通。更進一步地說，JSL-路線專家系統(tǒng)已徹底解決了兩條設計線相接而路基寬度沖突時參數(shù)化自動設計的行業(yè)CAD難題，不局限于一般的連接部。因此，作為一種行之有效的設計方法，具有較大的實際推廣應用價值。