呂紀(jì)云， 徐宇峰， 熊威

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430056)

目前，中國(guó)對(duì)于互通式立體交叉匝道的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)研究較多，但針對(duì)立體交叉范圍內(nèi)主線指標(biāo)的相關(guān)研究相對(duì)較少。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)人員在互通設(shè)計(jì)中主要參照《規(guī)范》與《細(xì)則》進(jìn)行相應(yīng)取值。例如，圓曲線半徑大小的取值，《規(guī)范》與《細(xì)則》對(duì)于不同設(shè)計(jì)速度下互通式立體交叉范圍內(nèi)主線圓曲線半徑的規(guī)定主要是為控制圓曲線外側(cè)變速車道連接部鼻端處的橫坡差。當(dāng)設(shè)計(jì)速度≥80 km/h時(shí)，一般值按照超高≤3%取值，極限值按照超高≤4%取值(表1)，從而控制小鼻端處主線橫坡與匝道橫坡差值在6%以內(nèi)。這一規(guī)定相對(duì)而言略為片面，取值的理論依據(jù)也沒有什么優(yōu)勢(shì)。若采用較小的圓曲線半徑：① 內(nèi)側(cè)超車道因中央分隔帶、護(hù)欄等因素易導(dǎo)致駕駛員視野范圍內(nèi)橫凈距不足，無法確保停車視距；② 由于識(shí)別視距不足，可能導(dǎo)致行駛車輛錯(cuò)過互通出口，并進(jìn)一步誘發(fā)倒車、追尾、側(cè)碰等交通事故。若采用較大的圓曲線半徑，在山區(qū)高速公路建設(shè)中，易導(dǎo)致互通整體規(guī)模偏大，工程經(jīng)濟(jì)性較差。尤其是高速公路周邊存在自然保護(hù)區(qū)或水源保護(hù)地等，平面指標(biāo)過大可能會(huì)引發(fā)環(huán)保問題。故此，對(duì)于互通設(shè)計(jì)而言，確定一個(gè)合理的主線圓曲線半徑非常重要(表1)。

表1 互通式立體交叉范圍內(nèi)主線圓曲線半徑

1 互通式立交范圍內(nèi)主線車輛行駛分析

以單向雙車道高速公路為例，主線車輛在互通范圍內(nèi)行駛主要存在兩種運(yùn)行狀態(tài)。其一，車輛在主線上繼續(xù)前行，未駛離高速公路。此種情況，主線圓曲線半徑的取值主要影響內(nèi)側(cè)車道駕駛員的視野。當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)前方有目標(biāo)(障礙物)時(shí)，停車視距是否滿足需求是衡量圓曲線半徑大小的關(guān)鍵指標(biāo)；其二，車輛由主線逐漸駛離高速公路進(jìn)入匝道。此類情況，主線圓曲線半徑的取值主要影響駕駛員能否及時(shí)判斷互通的出口，即識(shí)別視距是否滿足要求?；谏鲜龇治觯撐囊酝＼囈暰嗯c識(shí)別視距為基礎(chǔ)，構(gòu)建計(jì)算模型，進(jìn)而論證圓曲線半徑大小的合理取值。

2 基于停車視距的圓曲線半徑研究

2.1 視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)位置的確定

不同版本的規(guī)范與研究對(duì)于視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)的位置存在一定分歧?！兑?guī)范》條文說明中解釋視點(diǎn)位置為車道寬度的1/2處，即行車道中心線。然而，部分研究依托調(diào)查、駕駛員的位置與車型認(rèn)為小客車視點(diǎn)在其左側(cè)0.5 m處。此外，先期設(shè)計(jì)采用的路線規(guī)范與諸多研究均按照視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)位于同一軌跡線上進(jìn)行計(jì)算。2017版《規(guī)范》將目標(biāo)(障礙物)的位置修改為路面兩側(cè)對(duì)應(yīng)的車道邊緣線。文中針對(duì)視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)位于幾種不同位置予以分別研究。

2.2 視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)位于行車道中心線上的計(jì)算模型

以設(shè)計(jì)速度120 km/h，標(biāo)準(zhǔn)路幅為27 m的單向雙車道高速公路的小客車為例，如圖1所示。當(dāng)視點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)均位于行車道中心線上時(shí)，圓心與視點(diǎn)的連線定義為a，圓心與目標(biāo)(障礙物)的連線定義為b，a、b之間的夾角定義為θ，車輛從視點(diǎn)至目標(biāo)(障礙物)行駛的弧線定義為c，視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)的連線定義為弦線e。

圖1 位于行車道中心線上的停車視距計(jì)算模型1(單位：cm)

由于路緣石高度普遍較低，路基段阻擋視線的物體為中央分隔帶及外側(cè)護(hù)欄。橋梁段阻擋視線的物體為內(nèi)側(cè)護(hù)欄，護(hù)欄距離中央分隔帶邊緣均為0.5 m。a、b、c所構(gòu)成三角形的高定義為h，則h=R+(中央分隔帶寬度-護(hù)欄距中央分隔帶邊緣寬度)-d=R+1-d，d為視距線侵入護(hù)欄的橫向距離(即保證視距需增加的橫凈距)。當(dāng)d=0時(shí)，R的取值即為圓曲線最小半徑。

依據(jù)圖1中相對(duì)位置關(guān)系構(gòu)建計(jì)算模型1，可得式(1)：

(1)

式中：a=R+平面設(shè)計(jì)線與護(hù)欄距離+護(hù)欄與中央分隔帶邊緣距離+路緣帶+0.5×行車道寬度=R+4.125 m；b=R+平面設(shè)計(jì)線與護(hù)欄距離+護(hù)欄與中央分隔帶邊緣距離+路緣帶+0.5×行車道寬度=R+4.125 m；c=210 m(設(shè)計(jì)速度為120 km/h時(shí)，停車視距為210 m)。

考慮到中國(guó)停車視距的規(guī)定長(zhǎng)度略有不足，用弦長(zhǎng)e代替弧長(zhǎng)c一方面可以給予駕駛員一定的安全富余；另一方面可以簡(jiǎn)化計(jì)算模型，方便設(shè)計(jì)人員計(jì)算驗(yàn)證。

依據(jù)海倫公式構(gòu)建計(jì)算模型2。3條連線組成的三角形面積采用式(2)計(jì)算：

(2)

式中：p=0.5×(a+b+e)(半周長(zhǎng))。

結(jié)合三角形的對(duì)應(yīng)關(guān)系，h=R+1-d=2S/e，由此可得：d=R+1-2S/e。結(jié)合式(2)，當(dāng)d=0時(shí)，R的取值即為圓曲線最小半徑：

(3)

經(jīng)推導(dǎo)可得：R=1 761.438 m。

2.3 視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)位于車輛左側(cè)0.5 m處的計(jì)算模型

當(dāng)視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)選定在車輛左側(cè)0.5 m處時(shí)，車輛若在行車道中間行駛，視點(diǎn)距左側(cè)路緣帶邊緣為1.475 m。結(jié)合實(shí)際調(diào)查與超車需要，車輛會(huì)適當(dāng)向左偏移，視點(diǎn)則位于距左側(cè)路緣帶邊緣1.2 m處，也更具保障性，計(jì)算模型如圖2所示。a、b產(chǎn)生一定改變，a=b=R+平面設(shè)計(jì)線與護(hù)欄距離+護(hù)欄與中央分隔帶邊緣距離+路緣帶+距路緣帶1.2 m=R+3.45 m。結(jié)合計(jì)算模型1、2，推導(dǎo)可得R分別為2 246.142、2 247.775 m。

圖2 位于車輛左側(cè)0.5 m處的停車視距計(jì)算模型2

2.4 視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)不在同一軌跡線上的計(jì)算模型

當(dāng)視點(diǎn)位于內(nèi)側(cè)行車道中心線上、目標(biāo)(障礙物)為路面兩側(cè)對(duì)應(yīng)的車道邊緣線時(shí)，計(jì)算模型如圖3所示。圓心與視點(diǎn)的連線a=R+平面設(shè)計(jì)線與護(hù)欄距離+護(hù)欄與中央分隔帶邊緣距離+路緣帶+0.5×行車道寬度=R+4.125 m；圓心與目標(biāo)(障礙物)的連線b=R+平面設(shè)計(jì)線與護(hù)欄距離+護(hù)欄與中央分隔帶邊緣距離+路緣帶=R+2.25 m。結(jié)合計(jì)算模型1、2，推導(dǎo)可得R分別為2 645.544、2 647.178 m。

圖3 視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)不在同一軌跡線上的停車視距計(jì)算模型

結(jié)合車輛運(yùn)行狀態(tài)來看，目標(biāo)(障礙物)處于內(nèi)側(cè)行車道邊線時(shí)為最不利位置，所以最小半徑的計(jì)算以內(nèi)側(cè)行車道邊線為準(zhǔn)。

不同設(shè)計(jì)速度下行車道寬度、左側(cè)路緣帶寬度及停車視距如表2所示。

表2 《規(guī)范》規(guī)定的指標(biāo)值

結(jié)合表2中所列數(shù)據(jù)，即可得到不同設(shè)計(jì)速度下、不同視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)位置下的圓曲線最小半徑，如表3所示。

表3 基于停車視距的圓曲線最小半徑

對(duì)比上述兩種模型的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：R的最小取值相差較小，采用簡(jiǎn)化模型滿足高速公路設(shè)計(jì)的需要。

3 基于識(shí)別視距的圓曲線半徑研究

對(duì)于互通出口而言，駕駛員判別分流鼻端處的標(biāo)線，進(jìn)而采取換道、減速、制動(dòng)等措施，安全駛離主線，所需的距離即為識(shí)別視距。當(dāng)圓曲線半徑過小時(shí)，位于土路肩上的路側(cè)護(hù)欄會(huì)阻擋駕駛員對(duì)互通出口的判別?；ネǔ隹谠训来嬖趫D4中兩種形式。經(jīng)對(duì)比研究可發(fā)現(xiàn)：從圓曲線內(nèi)側(cè)流出的匝道識(shí)別視距更難以保證。此外，考慮到不同設(shè)計(jì)速度下雙車道減速車道長(zhǎng)度已接近1.25倍的停車視距(受限制路段)，識(shí)別視距更容易滿足需求，故針對(duì)較為不利的單車道減速車道進(jìn)行研究。

圖4 出口匝道示意圖

以設(shè)計(jì)速度120 km/h，標(biāo)準(zhǔn)路幅為27 m的單向雙車道高速公路為例。相比于外側(cè)車道，內(nèi)側(cè)車道的駕駛員發(fā)現(xiàn)出口后所需的一系列操作距離更長(zhǎng)。如圖5所示，圓心與視點(diǎn)的連線定義為a=R-中央分隔帶寬度/2-路緣帶寬度-路緣帶距視點(diǎn)距離=R-4.125 m；圓心與分流鼻的連線定義為b=R-中央分隔帶寬度/2-路緣帶寬度-行車道寬度-硬路肩-偏置加寬值-小鼻端半徑=R-13.85 m；視點(diǎn)與分流鼻的連線定義為c。c所對(duì)應(yīng)三角形的高定義為h，則h=R-平面設(shè)計(jì)線至護(hù)欄之間的距離-d=R-中央分隔帶寬度/2-路緣帶寬度-行車道寬度-分流流出距離-匝道行車道寬-硬路肩，d為護(hù)欄遮擋視線的橫向距離。根據(jù)三角形的幾何關(guān)系，當(dāng)c取識(shí)別視距一般值，所對(duì)應(yīng)的垂點(diǎn)在減速車道范圍內(nèi)，故平面設(shè)計(jì)線至護(hù)欄之間的距離大于R-16.75 m。為安全起見，取h=R-16.75 m更有利于保障視距。當(dāng)d=0時(shí)，結(jié)合式(1)，可得如下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

圖5 識(shí)別視距計(jì)算示意圖

(4)

經(jīng)推導(dǎo)可得R=2 219.912 m。

不同設(shè)計(jì)速度下識(shí)別視距的規(guī)定值如表4所示。

表4 識(shí)別視距指標(biāo)值

當(dāng)識(shí)別視距取1.25倍的停車視距時(shí)，主線圓曲線半徑采用《規(guī)范》的極限值時(shí)均可滿足視距要求。結(jié)合表2、4中規(guī)定值，即可得到不同設(shè)計(jì)速度下基于識(shí)別視距一般值的圓曲線最小半徑，如表5所示。

表5 基于識(shí)別視距的圓曲線最小半徑

4 互通范圍內(nèi)主線圓曲線半徑推薦值

結(jié)合表3、5的計(jì)算值，可得出互通范圍內(nèi)主線圓曲線最小半徑的推薦值，如表6所示。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)：《規(guī)范》對(duì)于設(shè)計(jì)速度120 km/h規(guī)定的一般值與極限值均偏?。粚?duì)于設(shè)計(jì)速度100、80 km/h規(guī)定的極限值偏小。此外，結(jié)合車輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)來看，駕駛員長(zhǎng)時(shí)間靠近左側(cè)路緣帶邊緣行駛的概率較小，將目標(biāo)(障礙物)的位置定為路面兩側(cè)對(duì)應(yīng)的車道邊緣線略為保守，但最大限度地保障了行車安全，故有條件的情況下可采用條件不受限路段的半徑值。

表6 互通范圍內(nèi)主線圓曲線最小半徑推薦值

5 安全保障措施研究

結(jié)合表6的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)互通段主線圓曲線半徑小于一般值時(shí)，需采取相應(yīng)工程措施保證視距需求。

(1) 條件允許的情況下，優(yōu)先調(diào)整前后路段路線方案，增大圓曲線半徑，以滿足視距需求。

(2) 若中央分隔帶較寬，可適當(dāng)減小中分帶寬度，調(diào)整植物及護(hù)欄位置或改變護(hù)欄形式，以滿足停車視距。由于實(shí)際項(xiàng)目中中央分隔帶寬度普遍為2～3 m，部分路段減小寬度后不滿足交安設(shè)置需要，其適用范圍有限。

(3) 若中央分隔帶較窄，可加寬左側(cè)路緣帶，使行駛車輛外移，從而保障停車視距。加寬路緣帶時(shí)應(yīng)注意與超高設(shè)置相協(xié)調(diào)，滿足漸變率要求，結(jié)合交安設(shè)施做好線形誘導(dǎo)。該措施增加的用地寬度有限，經(jīng)濟(jì)性較好，在廣西浦北至北流高速公路中得到了實(shí)際運(yùn)用。

(4) 分離式路基可加寬左側(cè)硬路肩，進(jìn)而調(diào)整護(hù)欄位置，增大橫凈距。

(5) 識(shí)別視距不足時(shí)，可加寬互通路段外側(cè)路肩，使護(hù)欄外移；挖方路段視情況可取消護(hù)欄設(shè)置。

(6) 結(jié)合交安設(shè)施，加強(qiáng)出口信息預(yù)告和駛出誘導(dǎo)，在鼻端處設(shè)置黃閃燈等措施提前告知、警示駕駛?cè)藛T。

(7) 最不利情況下，可采取限速措施，保障車輛安全運(yùn)行。

6 結(jié)論

(1) 以停車視距與識(shí)別視距為基礎(chǔ)，結(jié)合小客車視點(diǎn)與目標(biāo)(障礙物)位置分析與海倫公式計(jì)算對(duì)比，論證了互通主線圓曲線半徑大小的合理取值，今后的設(shè)計(jì)中可參考使用。

(2) 視距是互通設(shè)計(jì)中一個(gè)至關(guān)重要的指標(biāo)，在部分實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中仍存有一定疏漏。設(shè)計(jì)人員不應(yīng)盲目采用規(guī)范值，應(yīng)做好視距檢驗(yàn)，并與業(yè)內(nèi)其他單位積極溝通，探尋不同地區(qū)切合實(shí)際的解決方案。

(3) 闡述了多種視距安全保障措施，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合具體項(xiàng)目擇優(yōu)取用，竭力做到安全、合理、經(jīng)濟(jì)、可行。

(4) 視距是一個(gè)三維立體概念，互通范圍內(nèi)主線的縱斷面指標(biāo)對(duì)其同樣具有一定影響，需進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究。