簡化互通式立體交叉設計流程在變速車道設計中的應用

紀連君

（青海省育才公路勘察設計有限公司，青海 西寧 810002）

互通式立體交叉由主線、被交道路、匝道、連接線構成。這些路通過互相影響和制衡的關系構成了這種大型構造物。匝道在互通式立體交叉的作用是連接上下層的道路。在經過互通選址、互通方案的初步擬定之后，主要的工作就是匝道設計了。匝道的設計首先從平面開始，由于匝道的作用以及考慮工程規模等因素，匝道的設計長度顯然不宜過長，否則工程規模無謂加大、汽車行駛里程過長；但過短的長度又會給匝道的縱斷面設計造成障礙，甚至無法滿足《公路路線設計規范》JTG D20-2006（以下簡稱規范）中縱斷面的指標，顯然后者的設計是沒有實際意義的。通常為了較好的解決這個矛盾，必須要采取一系列的有效措施，較為準確的控制匝道的長度。匝道在平面設計的過程中要考慮兩端連接道路的高差、跨越障礙物的高度、凈空、圓曲線的加寬及超高過渡段長度等諸多因素。匝道通過變速車道從主線出入。本文提到的匝道不包含變速車道。實際上本文提到的匝道的設計是從變速車道的末端開始的（為敘述簡便暫且稱之為極限流設計法）。匝道的平面設計不包含變速車道，但要考慮變速車道對匝道的約束。

互通是平縱橫所有矛盾的高度集中和統一。平面設計必須要為后續的縱斷面設計和加寬及超高過渡創造必要的條件，否則就不是有效的平面設計。

一、主線與變速車道及匝道間的約束關系

變速車道連接主線和匝道，主線的車速高，匝道的車速低，需要在變速車道上進行過渡，變速車道上的車速通常都很高。減速車道是由于駕駛員還沒有擺脫高速駕駛的慣性，駕駛員和車輛都需要一個時間和空間來進行調整，而在加速車道上的車輛即將匯入主線的高速車流，此時通常是加速并且尋找合適的時機。由于變速車道的這種特性，為了確保行車的安全，在《規范》中有相應的規定，確保平縱線形的連續。從以往的規范和《送審稿》 來看均不推薦在變速車道范圍內進行超高過渡。

由于匝道通過變速車道從主線出入，變速車道的形式就決定了與其相接的匝道的方位和支距（相對于主線而言）。與平行式變速車道相接的匝道，方位與主線平行（含反向）；與直接式變速車道相接的匝道，與主線間存在一個夾角（規范變速車道表格中的漸變率）。

表1

由于平行式變速車道的特性，在進行與其相接的匝道的平面設計時，只需與主線相應或相鄰線元的平行段（直線）同心圓（緩和曲線及園曲線）相接即可，實現起來較為簡單。

對于直接式變速車道而言，要稍微復雜一點，尤其是入口。但是由于緯地軟件強大的起終點接線功能可以歸結為一類問題即出口問題。下文將根據規范中關于直接式車道的規定結合具體數據進行分析，以圖尋求一種最簡單的解決方式。

二、直接式變速車道分析

以主線設計速度120km/h、直接式單車道數據為例：

（漸變段+變速車道的長度）×漸變率=（100+145）×1/25=9.8m。

在分流鼻處推算一下此時匝道偏離主線的支距：

支距=3.5/2+3.5+0.6+0.6+0.6+1+3.5/2=9.8米。

按照上述方法逐一計算不同車速下的數值得到表1。

根據上述計算結果，從幾何圖形上分析，直接式（變速車道）其實就是主線通過寬度簡單加寬增加的一個特別的車道，其漸變段起點位于距離主線外側車道外側邊緣半個單車道匝道的行車道寬度的位置主線，終點位于分流鼻處，其終點位于分匯流鼻處，漸變段起點則為硬路肩分流鼻樁號±（漸變段+變速車道的長度）。這將作為下文控制變速車道的長度的理論依據。先找到變速車道的終點然后采取倒推的方式找到變速車道的起點位置（設計變速車道長度時候要考慮主線坡道的修正）?？梢栽O想通過樁號、寬度的數字描述就可以實現這種數據結構。

三、超高過渡段長度

下面我們以假設一下最不利的情況，確定超高漸變段的長度。根據超高漸變率的計算公式，最不利的組合應該是最大的超高和最大的加寬值同時出現的情況，通過查閱規范中的表格不難得出，設計車速為30km/h時最緊迫的平曲線，就是這種最不利的組合。

經過查閱規范中表11.1.9 互通式立體交叉范圍內主線形指標。我們不難發現：設置互通的主線超高一般為4%，極限為5%。而匝道緊迫的圓曲線所對應的超高是-8%，以匝道設計速度30km/h為例，根據超高漸變率的計算公式，我們可以得出：

旋轉軸為左路緣帶外邊線時（0.05+0.08）*（0.5+3.5+2.75）*200=175.5m

旋轉軸為行車道中心線時（0.05+0.08）*（3.5/2+2.75）*250=146.25m

加寬漸變段所需長度 2.75*15=41.25m

連接這兩個反向圓曲線是組成S型的兩條緩和曲線。如果按照極端的線元長度來考慮，似乎只有兩倍的緩和曲線最小長度，這個長度是遠遠達不到超高過渡的要求的。但這只是平面設計最基本的要求，通常分流鼻附近的車速較高，還有曲率的限制，綜合考慮減速行程（很遺憾新規范中從送審稿中去掉了這部分內容），再加上通常不會在臨近主線的位置上采用這么小的半徑，筆者本人設計及參與過的互通設計中，匝道緊迫線形所對應的超高一般為6%。所以極限流設計法適應絕大多數的情況。

四、變速車道結合緯地軟件的具體實體

“工欲善其事，必先利其器”，筆者使用的軟件是中交第一公路勘察設計研究院研發的緯地三維道路CAD系統。簡化設計變速車道就是充分利用緯地系統數據文件管理的優勢進行的。根據上文變速車道分析的結果，可以非常輕松的通過修改主線所在項目緯地路幅寬度文件（*.wid）來實現變速車道的設計。

通常緯地的路幅寬度數據文件是由設計向導生成的，通過少量的修改就可以實現變速車道的設計。開始匝道線形設計首先要確定匝道的流出角（規范中的漸變率），在通常情況下可以直接去用規范中表11.3.7-3的數據，但如果出口減速需要考慮修正的話，這個流出角應該是反算出來的：

流出角=修正后的變速車道長度/支距。

確定了流出角、分匯流鼻處匝道和主線之間的距離之后，就可以開始匝道的線形設計了，通常采用文件控制2的起點接線方式。由于終點接線需要進行拖動，所以匝道起點與主線的對應樁號在匝道平面線形設計沒有完成以前是不確定的。在確定了匝道的平面線形以后，通過工具->搜索端部（當前項目為主線或其它控制匝道）可以很容易的確定分流鼻出的兩個對應樁號、高程、縱坡等接坡數據，然后通過編輯主線的路幅寬度文件，可以快速實現變速車道的設計。

五、極限流匝道設計法的優缺點

首先聲明，所謂極限流設計法并不是一種新的設計方法，筆者也無顛覆傳統之意，這種方法與傳統方法最大的不同僅僅是在變速車道的處理上，根據筆者對《規范》的理解并充分利用軟件的優勢，剔出一些冗余的操作，意在提高設計的效率，希望能夠提供一種新的思路。

極限流設計法的主要優點：

1 平面線形設計非常靈活，采用后變速車道設計，節約了設計人員的精力。

2 直接式變速車道采用與主線相同的線形，符合《規范》的要求，尤其是在變速車道區間存在曲線要素點（如直緩、緩圓、直圓等）的時候效果尤為明顯

3 可以極為精確的控制變速車道的長度并極大的簡化了變速車道的設計過程

4 簡化變速車道設計的同時也簡化了匝道的設計

5 分流鼻處的曲率半徑將非常容易控制

極限流設計法的缺點：

1 有一定的跳躍性思維，習慣了傳統的設計法之后，理解起來有一定的困難。

2 在主線和匝道現行特別緊迫的情況下，有一定的局限性。

結語

從分匯流鼻處開始進出口匝道的平面設計，在表面上僅僅是變換了變速車道的表達方式—用主線的樁號表示變速車道。實際上大大的簡化了設計流程，特別是在變速車道區間內存在曲線要素樁的時候，而且最大限度的實現了規范中關于“直接式變速車道直至分、匯流鼻的全長范圍內應采用與主線相同的線形”的規定。采用這種方法進行匝道的線形設計，可以有更多的時間和精力去解決匝道設計最突出的矛盾—平縱面設計。提高了變速車道設計的質量和效率，在一定程度上提高了工作效率。

[1]中華人民共和國行業標準.公路路線設計規范JTG D20—2006[M].北京：人民交通出版社.

[2]道路三維集成CAD技術.—緯地三維道路CAD系列軟件教程[M].北京：人民交通出版社.