周 劍

（湖北建科國際工程有限公司,湖北 武漢 430223）

0 引言

互通立交設(shè)置目的是為了使多條公路在空間上分離，盡量消除交通沖突點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)交通空間轉(zhuǎn)換，其設(shè)計(jì)質(zhì)量受自然環(huán)境、交通量、投資金額等因素影響較大。如果線形指標(biāo)選擇不合理，可能會(huì)對公路行車安全性產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重的可能引起交通安全事故。大量工程實(shí)踐表明，互通立交匝道線形指標(biāo)比主線低，主要取決于匝道的設(shè)計(jì)速度、設(shè)計(jì)交通量、通行能力等因素[1]。因此，進(jìn)一步分析互通式立交工程的線形影響因素和設(shè)計(jì)方法具有重要的工程意義。

1 互通立交類型和線形指標(biāo)影響因素

1.1 互通立交類型

目前，互通立交并無統(tǒng)一的分類方法，按被交路等級可劃分為服務(wù)型和樞紐型兩類，具體特點(diǎn)見表1[2]：

表1 不同互通立交的特點(diǎn)

1.2 互通立交線形指標(biāo)影響因素

（1）設(shè)計(jì)速度的影響。匝道是主線上車輛的進(jìn)、出通道，其交通量較小，且匝道布設(shè)受互通立交類型、地形、用地等因素限制，使得設(shè)計(jì)速度也比主線低，但設(shè)計(jì)速度的降低幅度不宜過大。一般情況下，互通立交匝道設(shè)計(jì)速度可取主線的55%～80%。需注意，同一互通立交的不同匝道設(shè)計(jì)速度沒必要進(jìn)行統(tǒng)一，比如環(huán)形匝道和直連式匝道設(shè)計(jì)速度相同時(shí)，將增大環(huán)形匝道規(guī)模，而環(huán)形匝道交通量較小，兩者不匹配。

（2）設(shè)計(jì)交通量的影響?；ネ⒔辉训赖脑O(shè)計(jì)交通量是確定匝道類型（直連式、半直連式、環(huán)形）、車道數(shù)以及是否分期修建等的基本依據(jù)。在匝道設(shè)計(jì)前，要基于交通量調(diào)查資料，預(yù)測互通立交未來20 年的交通量變化情況，并合理分配互通立交各轉(zhuǎn)彎方向的交通量。

（3）通行能力的影響?；ネ⒔坏恼w通行能力受各匝道出、入口處通行能力及交織路段的影響。如果設(shè)計(jì)通行能力不滿足交通需求，應(yīng)適當(dāng)增加匝道數(shù)量、改變匝道設(shè)計(jì)參數(shù)或改善交通組織，以確保公路運(yùn)營期間的車流有序暢通，提高路網(wǎng)通行能力，避免局部路段出現(xiàn)擁堵。

2 互通立交平、縱線形指標(biāo)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

平原區(qū)和山嶺區(qū)的地形、地質(zhì)、水文等情況有較大差異，在開展互通立交設(shè)計(jì)時(shí)要堅(jiān)持“安全、經(jīng)濟(jì)、舒適、美觀”等原則，因地制宜地靈活選取平、縱線形指標(biāo)。如果局部路段受限使線形指標(biāo)必須突破規(guī)范，應(yīng)組織專家論證，各方同意后采用并用于指導(dǎo)施工。同時(shí)，互通立交是由主線和匝道組成的統(tǒng)一體，在設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)僅把現(xiàn)行路線設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的主線指標(biāo)作為控制性因素，再由匝道來“遷就”主線，這樣容易造成匝道規(guī)模增加、互通整體布局不協(xié)調(diào)等問題[3]。

2.1 圓曲線半徑設(shè)計(jì)

（1）圓曲線半徑計(jì)算。根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30—2017），互通立交的圓曲線半徑R均取決于設(shè)計(jì)速度V、超高橫坡i、橫向力系數(shù)u等因素，可按式（1）計(jì)算：

超高橫坡不宜過大或過小，超高橫坡過大會(huì)使司機(jī)感到不適，超高橫坡過小難以抵消離心力，且不利于路面排水。因此，超高橫坡在選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮行車舒適性和排水要求。對于一般地區(qū)，匝道最大超高≤8.0%；而在積雪冰凍地區(qū)，匝道最大超高≤6.0%。

橫向力系數(shù)受設(shè)計(jì)速度、路面類型、輪胎型式等因素影響較大。目前國內(nèi)規(guī)范未明確給出橫向力系數(shù)的計(jì)算方法，可參考德國規(guī)范計(jì)算，見式（2）。

式中，umax——最大橫向力系數(shù)允許值。

（2）最小圓曲線半徑建議?；ネ⒔粓A曲線最小半徑有一般值和極限值。按規(guī)范要求，圓曲線最小半徑通常取一般值，只有地形受限時(shí)，才可選擇極限值。需注意，圓曲線半徑選擇不宜盲目照搬規(guī)范，具體建議如下：右轉(zhuǎn)匝道圓曲線半徑應(yīng)在平曲線長度滿足縱坡最小長度的前提下，按實(shí)際地形條件選取，盡量使匝道布設(shè)緊湊，合理降低互通立交規(guī)模；而左轉(zhuǎn)匝道繞行距離較長，且與相鄰匝道會(huì)互相影響，在選擇圓曲線半徑時(shí)主要考慮交通量大小、相鄰匝道線位情況等因素?；谏鲜鲈瓌t，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)給出了不同互通立交匝道圓曲線最小半徑建議值，見表2[4]：

表2 匝道圓曲線最小半徑建議值

2.2 緩和曲線設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)研究成果，平面線形中插入緩和曲線主要有三大作用：一是通過曲率變化，保證線形及車輛轉(zhuǎn)向行駛軌跡的順暢；二是適應(yīng)離心加速度的變化，避免車輛產(chǎn)生側(cè)向沖擊；三是作為超高和加寬的過渡段。在互通立交主線路段，緩和曲線參數(shù)A一般取R/3～R。A＞R/3 是為了避免回旋曲線過于平緩，否則司機(jī)可能將其誤認(rèn)成直線；A＜R是為了確保司機(jī)經(jīng)過圓曲線后不至于過快減速；在匝道路段，允許變速形式，緩和曲線參數(shù)A可適當(dāng)增加。

2.3 變速車道長度設(shè)計(jì)

由于車輛在互通立交的加減速路段要轉(zhuǎn)換車道和改變運(yùn)行速度，極容易發(fā)生交通事故。根據(jù)公路交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，約80%的交通事故出現(xiàn)在加減速車道附近。因此，互通立交設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格控制加減速車道的長度。

（1）減速車道長度。減速車道有平行式和直接式兩類。平行式減速車道的運(yùn)行有2 個(gè)階段：以主線速度行駛的車輛在三角段轉(zhuǎn)移車道，采用制動(dòng)器減速；直接式減速車道的運(yùn)行有3 個(gè)階段：車輛在三角段轉(zhuǎn)移車道，先利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速，再利用制動(dòng)器減速。雖然平行式和直接式減速車道的運(yùn)行過程有所不同，但減速車道長度均可按式（3）計(jì)算減速車道長度：

式中，t——車輛發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間（s）；V0——分流初始速度（km/h）；α1、α2——分別為發(fā)動(dòng)機(jī)減速度和制動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速度（m/s2），取值與主線設(shè)計(jì)速度密切相關(guān)，見表3；V1、V2——分別為發(fā)動(dòng)機(jī)減速后車速和匝道平均車速（km/h）。

表3 α1、α2 取值

（2）加速車道長度。車輛從互通立交匝道駛?cè)胫骶€車流大致分兩步：一是車輛在加速段上勻加速至主線車速；二是車輛在等待段或過渡段上勻速行駛，并伺機(jī)匯入主線。如果加速車道長度較小，可能導(dǎo)致車輛在加速車道上滯留排隊(duì)或未完成加速強(qiáng)制匯入主線，導(dǎo)致車輛追尾。綜上，加速車道長度可用式（4）表達(dá)[5]：

式中，L1——加速段長度（m）；L2——等待段長度（m）；L0——過渡段長度（m）。

2.4 縱坡坡度設(shè)計(jì)

互通立交匝道縱坡應(yīng)平緩，坡度不宜取極限值。該文從車輛能耗和行車安全性兩方面來論證匝道縱坡的選用方法：

（1）匝道縱坡與車輛能耗的關(guān)系?；ネ⒔辉训涝O(shè)計(jì)時(shí)要重視節(jié)能環(huán)保，而縱坡坡度對車輛油耗影響較大。一般情況下，縱坡坡度越大，車輛的每公里油耗越高。以某貨車為例，坡度為0%、2%、4%、6%、8%時(shí)，其每公里油耗分別為265 ml、505 ml、750 ml、1 008 ml、1 550 ml。當(dāng)縱坡坡度超過6%，貨車每公里油耗驟增。

（2）匝道縱坡與行車安全性的關(guān)系。該文統(tǒng)計(jì)了多條高速公路縱坡坡度對交通事故率的影響，見圖1（負(fù)數(shù)表示下坡、正數(shù)表示上坡）。

圖1 縱坡坡度與交通事故率關(guān)系

由圖1 可知：隨著縱坡坡度的增加，上坡和下坡路段的交通事故率均呈上升趨勢，但兩者并不完全相同。當(dāng)縱坡坡度等于2%時(shí)，上坡和下坡路段的事故率基本一致；當(dāng)縱坡坡度在2%～4%，下坡路段事故率明顯大于上坡路段；當(dāng)縱坡坡度超過6%，下坡路段的事故率快速增加，上坡路段的事故率變化不明顯。這說明，在縱坡坡度較大時(shí)，下坡路段比上坡路段更危險(xiǎn)。

綜上，建議互通立交匝道橫斷面縱坡坡度在設(shè)計(jì)時(shí)不宜超過6%。

2.5 出、入口間距設(shè)計(jì)

合理的出入口間距是車輛在互通立交內(nèi)安全運(yùn)行的基本條件，出、入口間距是指互通立交兩連接口鼻端間的長度。根據(jù)組合類型不同，可將出、入口間距分成出口—出口（L1）、出口—入口（L2）、入口—入口（L3）、入口—出口（L4）四類，具體計(jì)算公式如下：L1=減速車道長度+識別標(biāo)志所需距離，L2=識別標(biāo)志所需距離，L3=加速車道長度，L4=車輛交織運(yùn)行所需長度。

3 互通立交線形設(shè)計(jì)實(shí)例分析

3.1 工程概況

以某高速公路互通立交為研究對象，闡述EICAD 軟件在互通立交線形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。該互通立交形式為單喇叭，主線里程樁號為K10+850～K11+900（1.05 km），主匝道為寬度16.5 m 的橫斷面，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，其他匝道為寬度10.5 m 的橫斷面，設(shè)計(jì)速度40 km/h。互通立交所在區(qū)域地形較簡單，地勢整體較平緩，局部有起伏，總體呈“東北高、西南低”的趨勢，且周邊路網(wǎng)、村鎮(zhèn)等分布密集，在設(shè)計(jì)時(shí)需注意減少征地和拆遷規(guī)模。

3.2 基于EICAD 的互通立交設(shè)計(jì)

EICAD 軟件能基于復(fù)合曲線模式法快速準(zhǔn)確地繪制出互通立交的平面線形和縱斷面線形，還能建立圖形—數(shù)據(jù)的雙向關(guān)聯(lián)機(jī)制，大大提高了互通立交的設(shè)計(jì)效率。

（1）地形數(shù)模處理。電子地形圖的高程點(diǎn)可能帶有標(biāo)高屬性，也可能沒有標(biāo)高屬性。此時(shí)，需要對沒有標(biāo)高屬性的高程點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理，即利用EICAD 軟件的“標(biāo)高賦值”功能將高程點(diǎn)附近的標(biāo)高數(shù)據(jù)添加到高程點(diǎn)的Z坐標(biāo)中。隨后，利用高程點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)模型，具體步驟如下：任選一點(diǎn)作為起始點(diǎn)→再選一點(diǎn)連成基線→按“空外接圓”準(zhǔn)則找出第三點(diǎn)→三點(diǎn)連接成三角網(wǎng)→重復(fù)上述步驟。一般情況下，三角網(wǎng)越密集，對地形的模擬效果越好。

（2）平縱線形設(shè)計(jì)方法。EICAD 軟件可用“同心圓”理論完成匝道之間的分離與合并，利用“動(dòng)態(tài)接線法”完成匝道與主線之間的布線。同時(shí)，互通立交縱斷面線形設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是匝道縱坡與主線縱坡的平順銜接，具體銜接方法為：以分流鼻鼻端作為接坡點(diǎn)，分別計(jì)算變速車道和匝道的高程數(shù)據(jù)，使兩者一致即完成接線。最終，建立的單喇叭互通立交如圖2 所示。

（3）互通立交線形設(shè)計(jì)成果。由圖2 可知：A 匝道選取房屋分布較少的區(qū)域穿過，并設(shè)置左偏圓曲線轉(zhuǎn)向西南，匝道縱斷面不斷上升。在靠近被交路處，可適當(dāng)降低縱斷高程；在靠近主線處，需將縱坡抬高，保證匝道與主線的凈空滿足設(shè)計(jì)要求。B 匝道、C 匝道、D 匝道、E 匝道均與主線及A 匝道相接，入口處和出口處分別采用平行式變速車道、直接式減速車道。

4 結(jié)論

該文研究了互通立交線形設(shè)計(jì)影響因素、平縱指標(biāo)選取方法，并基于EICAD 軟件對某高速公路的單喇叭互通進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到了以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）互通立交有服務(wù)型和樞紐型兩類，其線形設(shè)計(jì)受設(shè)計(jì)速度、設(shè)計(jì)交通量、通行能力等因素影響較大。

（2）互通立交平面線形設(shè)計(jì)要選擇合理的圓曲線半徑、緩和曲線參數(shù)、變速車道長度、出入口間距等，縱斷面線形設(shè)計(jì)要控制好最大縱坡。

（3）為了提高互通立交的設(shè)計(jì)效率，可利用EICAD軟件中的同心圓理論和動(dòng)態(tài)接線法完成平面線形設(shè)計(jì)，并以分流鼻鼻端作為接坡點(diǎn)進(jìn)行接坡處理。