匝道線形設計與匝道超高設置的探討

趙 江

(湖南省交通規劃勘察設計院，湖南長沙 410008)

通過改革開放特別是近年來的不懈努力，我國公路總量規模實現跨越式增長，到2010年底，全國公路通車總里程達到398.4萬km，從改革開放之初的世界第7位躍居第2位;高速公路從無到有達7.4萬km，居世界第2位。隨著公路網不斷完善和交通量的急劇增加，公路交通事故也成級數倍增加，而公路中發生交通事故的幾率以高速公路最高。然而在高速公路上，事故頻發地段莫過于高速公路立交匝道。據高速交警對連霍高速與京港澳高速上的事故調查統計發現，每年在高速匝道發生的交通事故占總事故的30%以上，這是駭人聽聞的數字。本文從探討影響匝道交通安全因素入手，通過研究汽車在匝道上行駛特性，闡述了匝道線形設計和超高設置的原則。

1 影響高速匝道交通安全的因素

影響出、入口匝道交通安全的因素有:設計因素和交通因素，其中設計因素包含匝道平曲線半徑、縱坡度和橫坡度;交通因素包含匝道交通量、匝道大型車比例和匝道車輛速度。用數學表達式表示為［1］:

其中:Fdes為設計因素集，Fdes={F(r)，F(j)，F(i)}(F(r)為平曲線半徑因素;F(j)為縱坡度因素，%;F(i)為橫坡度因素，%);Ftra為交通因素集，)為匝道交通量因素;F(V)為匝道大型車比例因素;F(QH)為匝道車輛速度因素)。

2 汽車在匝道上行駛特性分析

匝道線形與汽車在匝道上的行駛特性密切相關。研究汽車在匝道上的行駛特性，目的是根據行車要求來確定匝道的平面線形，使匝道的平面線形與汽車行駛軌跡相適應，滿足行車舒適性和安全性的要求。

2.1 出口匝道

2.1.1 汽車在減速車道段行駛規律

從高速公路分流V0→進入減速車道減速行駛→減速至鍥形端V1。如圖1為車輛在出口匝道完成車道變換過程。在車道變換過程中，容易發生以下兩種情況的追尾事故:由于目標車道內前車較慢，在換車道時由于車速較高而與目標車道內的前車追尾;由于過早制動或者制動加速度過大，使得車輛車速降低過快，導致原車道內后車追尾。

圖1 高速公路出口匝道換車道過程

2.1.2 汽車在中間段勻速行駛規律

汽車以V1速度通過鍥形端之后進入匝道主體部分，以V1速度勻速行駛。但因減速行駛末速度的大小、駕駛員根據路況所采用的實際行駛速度的差異等因素的影響，常出現變速行駛狀態，即由V1減速或加速至入口處V21。在這個過程中，由于車輛減速不及時且平曲線指標降低或匝道超高橫坡設置不合理，車輛容易發生翻車事故。

2.1.3 汽車在駛入段的行駛規律

對于收費立交，駛入段即為汽車從匝道主體部分向連接線合流的過程，汽車以V1或V21勻速或變速行駛到連接線入口處減速行駛至收費島停車繳費，或減速至收費島允許的速度(ν)通過收費島(ETC收費車道)。由于匝道和連接線的設計速度一般比較接近，該過程不設加速車道。

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對于不收費立交，駛入段即為汽車從匝道進入正線Ⅱ，汽車從入口處以V1或V21為初始速度加速至合流速度V0'(該速度接近于或等于正線Ⅱ的直行速度)后，在加速車道上橫移匯入正線Ⅱ直行車流。

在這個過程中，由于車輛需變換車道，車輛容易發生碰撞或擠撞事故。如圖2。

圖2 匝道各組成部分事故分布圖

2.2 入口匝道

汽車在入口匝道的行駛規律是出口匝道的逆過程。

圖3 高速公路入口匝道換車道過程

在這個階段車輛行駛過程可分為分流減速、勻速或變速行駛以及加速合流行駛三個過程。車輛由低速行駛的匝道進入運行車速較高的主線的階段，也必須完成車道變換，如圖3為入口匝道換車道過程。低速行駛的車輛為了不影響主線行車，需要從匝道末端及加速車道內完成加速過程，并在加速車道中某一合適位置匯入主線車道，由于從出口匝道駛出的車輛運行速度相對主線車輛來講還比較低，所以在車流匯流過程中，當前車道內的目標車與目標車道內的前車追尾的可能性較小，但在這個過程中，容易發生以下兩種碰撞事故:由于目標車在匯入主線車道內的車速相對較低，在換車道時被目標車道內車速較高的后車追尾發生碰撞;由于主線車流量較大，使得在車道變換過程中出現減速甚至停車等待情況，目標車輛在車道變換過程中與原車道的后車擠撞追尾。

2.3 出、入口匝道安全評價

據統計，在1997年至2006年期間，哈大高速公路出入口匝道共計發生交通事故145起，其中，發生在出口匝道共103起，占事故統計總數的71%，其中分流點處的事故共有 48起，占事故總數的33%，占出口匝道事故總數的47%;入口匝道事故為42起，占事故統計總數的29%，其中合流點處的事故僅9起，占事故統計總數的6%，占入口匝道事故總數的21%。

從以上數據可以看出，出口匝道事故數明顯高于入口匝道事故數，而且出口匝道的事故主要集中于分流點處，而對于入口匝道，其所占事故數的比例相對較低，合流點并不是入口匝道發生的主要地點。

3 匝道平面線形設計

3.1 出口匝道

3.1.1 V0－V1減速行駛過程

根據調查發現，匝道交通安全事故大部分發生在這個過程中，而且多為惡性事故，它主要是由于車輛在車道變換過程中因減速不及、減速車道的起點不容易辨別、減速車道長度不夠或出口附近的曲率半徑不能滿足要求。減速車道起點不容易辨別建議采用流行減速車道設計方法，盡量不要采用傳統的減速車道設計方法，因為傳統減速車道設計方法有減速車道不易辨認的缺陷，而流行減速車道設計方法減速車道起點明確，漸變段可根據需要確定;匝道設計時應保證減速車道有足夠的減速長度，這里應注意的是《公路路線設計規范》上規定的減速車道長度為最小值，而非定值;在出口處應盡量采用較大的曲率半徑，表1為分流端處應滿足路規要求的最小曲率半徑值。

表1 分流端最小曲率半徑［2］

如果汽車行車速度在分流端之前能降到匝道的設計行車速度或之下，匝道中間段的事故率也會大大減少，因此該段的線形設計是否合理是出口匝道線形設計的關鍵。汽車在減速車道上從V0減速至V1，至匝道允許最低速度V21，然后減速(收費立交)或加速至V0'(不收費立交)。整個過程速度變化是不均衡的變化，因此比較理想的匝道平面線形是在V0－V1區段采用非對稱的曲率變化率連續的線形，條件允許時，分流點前減速車道平面線形應盡量采用和主線線形一致。對于直連和半直連匝道以及環形匝道可以采用單曲線、凸形曲線、卵形曲線等，其中環形匝道還可采用水滴形和三心圓式復曲線的平面線形。

3.1.2 V1－V21勻速或變速行駛過程

該區段的平面線形主要是適應超高變化設置和適應匝道車速變化，滿足匝道行車舒適、安全要求。至于采用何種組合形式都是可行的，比如單元曲線、卵形曲線和S形曲線等。對于環形匝道，一般可采用一段較長的回旋線，考慮到載重汽車在分流端前可能減速不充分，一些研究提出，在出口和環形匝道圓弧之間可設置一組參數逐級遞減的三級復合回旋線，即“制動曲線”，它對變速中的曲率過渡有較好的吻合性。

3.1.3 V21－V'0加速行駛過程

在這個過程中，汽車如果在匝道上過早地加速，容易在入口附近造成減速不及而引起追尾事故。因此在此區段反向曲線(或同向曲線)之間不宜采用較長直線或大半徑平曲線連接。

3.2 入口匝道

入口匝道事故發生率較出口匝道低，可也不能忽視。設計人員在設計中往往容易忽視入口端曲率半徑的限制，駛入角較大，曲率半徑較小。如果通視條件又不好的情況，汽車容易過早匯入高速主線直行車流，導致與直行車流發生碰撞事故。通過對汽車在入口匝道的行駛狀態的分析可知，入口匝道的汽車行駛規律事實上是出口匝道的逆過程，因此入口端應盡量采用大半徑曲線或直線，其曲率半徑應盡量不小于分流鼻端曲率最小半徑值。

4 匝道超高的設置與平面線形之間的關系

根據力學定律，汽車在曲線上行駛的基本公式為［3］:

式中:i為匝道橫坡度;V為匝道設計速度;R為匝道圓曲線半徑;μ為橫向摩阻力系數，一般情況下，當匝道設計速度 V≥40 km/h時，μ=0.10～0.15;當 V ＜40 km/h 時，μ =0.15 ～0.12［4］。

由上式可以看出，公路平面線形設計是以速度和曲率的相應關系以及這二者與超高和橫向摩阻力之間的聯系為根據。合理地超高設置，可以提高汽車行駛在曲線上的穩定性與舒適性。

4.1 出口匝道

汽車從高速路分流減速至分流端，進入匝道，車速從 V0→V1→V21，一般 V1≥V21，在減速車道段，汽車從高速不斷減速的過程，減速車道應盡量選擇在直線段或大半徑曲線段，其平面線形應盡量與主線保持一致，從駛入端到分流端匝道超高盡量保持與主線一致。當受地形條件限制，減速車道位于較小半徑的曲線外側時，分流端匝道線形一般是采用S形緩和曲線過渡，這時主線超高和匝道主體部分超高趨勢正好相反，如果維持分流端線形與主線一致，勢必導致匝道長度增加，造價提升，因此在減速車道部分就進行超高過渡，但分流端點處主線與匝道的橫坡代數差不宜過大，應小于6%。

4.2 入口匝道

從汽車在出、入口匝道行駛狀態可知，入口匝道是出口匝道的逆過程。入口匝道在匯流端處應保證有較大的曲率半徑，在加速車道段的橫坡盡量保持與主線一致。設計當中由于匯入端點曲率半徑偏小，匯入角偏大，往往導致在匯流端點的超高橫坡值較大，超高過渡還要利用一段加速車道才能漸變至和主線橫坡一致。經相關調查研究表明，在大部分的車流在加速車道1/3～2/3的區段就已經匯入了主線車流，因此如果該段出現加速車道橫坡與主線不一致，就會導致匯入車輛行車不舒適性，不利于車流合流。若受地形條件限制，加速車道位于較小半徑的曲線外側時，在匯流端點處超高變為外傾1%，匯流端點橫坡代數差＜6%。

5 工程實例

湖南龍山至永順高速公路項目在永順縣北側k76～k77處設永順互通，連接永順縣城上下高速公路的交通量，同時它也是龍永高速公路轉換交通量最大的互通。它所處位置地形、地物條件以及地質條件復雜，匝道橋梁比重很大，占匝道總長53.4%。

如圖4為永順互通方案圖。互通為B型單喇叭方案，A匝道上跨龍永高速公路，內環B匝道最小半徑為50 m。為適應流出主線，進入內環匝道車輛速度變化和視距要求，B匝道分流點設置于A匝道跨線橋之前，減速車道長度為114.2 m，平曲線半徑采用R=2 800 m大半徑曲線，且保持與主線相同橫坡。考慮到分流點處車輛實際速度未達到內環匝道設計速度，因此分流鼻后保持了一段路線線形與減速車道一致，隨后采用卵形曲線，通過一段L=71 m的緩和曲線連接內環曲線，使線形和橫坡變化更好地適應車輛行駛狀態變化，同時在增加較少用地和工程量情況下，增加了內環匝道的拉坡長度，降低了縱坡度和合成坡度。

圖4 永順互通方案圖

A、D、E匝道中橋梁占匝道長度49.8%，D匝道橋梁總長占匝道長度96%，E匝道橋梁長度占匝道長度93.4%。其中，A匝道跨線橋橋型結構復雜，以褲衩結構與 D、E匝道橋梁相接，長度大，約760 m，最大橋墩高度達17 m，受主線標高和地形條件限制，匝道橋梁段縱坡較大。考慮到車輛在匝道橋梁上行車和施工安全，以及冬季結冰的問題，匝道線形設計利用地形布線，盡量采用簡單的線形組合，較大平曲線半徑，減小匝道超高橫坡度和合成坡度。通過優化，最小曲線半徑為350 m，最大縱坡為4%，最大超高為3%，最大合成坡度為5%。D匝道為流出直連匝道，根據主線標高，利用山體布線，該減速車道位于S型緩和曲線外側，設計采用直線流出，分流鼻后設置一段較長的大半徑平曲線，在與A匝道合流處設置一段半徑為150 m卵形曲線滿足橫坡變化，最大縱坡度為2.68%，最大超高橫坡為6%，最大合成坡度為6.07%。為保證當地水系暢通，E匝道也采用橋梁方案，最小平曲線半徑為160 m，最大縱坡為1.1%，最大超高橫坡為5%，最大合成坡度為5.12%;在合流鼻處為 R=420 m，合流角 6.7°，加速車道段保持與主線橫坡一致。

6 結束語

綜上所述，筆者認為，匝道設計應結合地形、地物條件和構造物設置情況，從匝道交通安全出發，充分考慮平面線形、縱坡度和橫坡度的組合因素影響，線形設計和平曲線指標的選擇應服從車輛在匝道上行駛狀態變化，使匝道平縱橫達到一個最佳組合，確保車輛行駛安全。當縱坡度較大情況下，應盡量采用較大曲線半徑，減小橫坡度;當所采用的平曲線半徑較小，超高橫坡較大時，在有條件情況下，盡量利用地形布線，在對工程量增加不多的情況下，盡量增加匝道長度，減小縱坡度。另外在匝道橋梁路段，由于平曲線半徑一般較小，應充分考慮冬季結冰情況，優化線形設計，盡可能采用較小橫坡曲線組合，并減少橫坡反復變化次數。

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［3］張雨化.道路勘測設計(公路與城市道路工程專業用)［M］.北京:人民交通出版社，1999.

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