地下車庫聯絡道出入口設計研究

李 尚

(北京城建設計發展集團股份有限公司， 北京 100045)

0 引言

隨著我國城市化進程的發展，重要城市中心城區的土地資源與交通需求和人口壓力之間的矛盾越來越突出，地下道路的系統性開發利用對于大型城市來說是一種必然趨勢。地下道路這種交通設施不僅能節約土地資源緩解交通擁堵、降低汽車噪音對居民生活的影響、集中收集處理汽車排放的尾氣減少對大氣的污染，還能避免傳統的地面道路和高架道路對兩側地塊的割離現象，利于地塊的開發利用。

目前，國內在建或已建成的地下道路在使用功能上可大致分為4類[1]： 1)穿越江河、山體等障礙物的城市地下道路； 2)穿越一個或多個交叉口的城市地下道路； 3)系統性很強、多點進出的城市地下道路； 4)與區域地下車庫聯系溝通的地下道路。第4類地下道路的功能是改善城市區域的到發交通，溝通聯系地下車庫，整合車庫資源，并與地塊建筑聯系緊密。而且此類地下道路的技術標準較低，設計速度一般為20～30 km/h，可實現靜態交通與動態交通的轉換，有利于提高停車效率，如北京中關村地下環廊、北京金融街地下環廊、成都大源地下環廊等。本文研究對象為第4類地下道路，也稱為地下車庫聯絡道。

國際上，北美、西歐、日本等發達國家已經對地下道路的開發進行了一定研究，并積累了一些經驗。日本是區域性地下聯絡道方面應用經驗較豐富的國家之一，在城市核心區大量建設使用地下聯絡道，如日本梅田地下聯絡道、東京品川站東口地區地下聯絡道、廣島市基町地下聯絡道、汐留地區地下聯絡道等[2]。國內汪怡然等[3]和游克思[4]對地下道路出入口銜接模式和地下道路的交通安全評價進行了相關研究，郝標[5]和尹海軍[6]對地下道路的設計要點做了相關研究和探討，尚德申[7]對核心區的地下道路建設做了研究，章華金等[8]對地下道路外部出入口的布置位置進行了相關研究。

上述研究提出了針對地下道路特定領域的研究理念和評價體系，對相關工程設計和后評價有一定的借鑒和參考價值。但目前國內的規范標準沒有對地下車庫聯絡道出入口線形指標進行規定，相關文獻也缺少基于運行安全、施工難度和防災疏散對地下車庫聯絡道出入口線形指標和位置選擇的研究。本文從上述3個角度出發，根據現行規范的計算原理，結合工程可實施性，推導出地下車庫聯絡道出入口變速車道和漸變段長度的取值。通過對低等級公路的運行速度計算模型進行優化和推導，應用到地下車庫聯絡道中，并依據計算結果判斷運行安全性，從而合理選擇出入口位置。并根據火災案例和煙霧發展情況，提出單洞單向地下道路疏散間距的要求。

1 國內地下車庫聯絡道現狀調查和工程案例

1.1 國內地下車庫聯絡道現狀調查

筆者根據所收集的設計資料，對國內已實施的部分環形地下車庫聯絡道進行調查分析，對地下車庫聯絡道的研究歸納起到一定的借鑒作用。國內已建成地下車庫聯絡道調查總結如表1所示。

表1 國內已建成地下車庫聯絡道調查表

介于地面市政道路與地下車庫之間的地下車庫聯絡道，運營管理主體比較模糊，投資建設主體一般屬于地方市政公用設施投資建設部門，但后期運營管理部門各地并不統一且尚未明確。目前調查的已經建成的幾條地下車庫聯絡道，大部分消防部門和交管部門并未驗收接管。從標準規范應用來看，由于北京中關村地下環廊建設時間比較早，當時依據建筑行業規范進行設計，其他地下道路大部分主要線形指標依據市政行業規范要求，根據2015年發布的《城市地下道路工程設計規范》[9]，地下車庫聯絡道已經被納入市政行業系統標準中，但是缺乏公安消防、交管等部門的共同參與，同時也缺乏針對地下車庫聯絡道的指導細則，如變速車道長度、出入口間距、出入口位置選擇與主線運行速度協調性等。

1.2 工程案例

筆者以在建的鄭東新區CBD副中心環形地下道路和成都金融總部商務區河東片區核心區地下道路為設計案例，對地下車庫聯絡道交通組織和出入口在設計過程中遇到的問題進行研究分析，并提出相應的解決方案。

1.2.1 案例1

鄭東新區CBD副中心地下道路主路總長3.12 km。該地下道路的交通組織方式為主路采用逆時針單向行駛，主路設計速度為30 km/h，單向6車道。外側輔路與主路同向，內側輔路與主路反向，輔路設計速度為20 km/h，單向2車道。該項目整體鳥瞰圖如圖1所示，地下道路交通組織如圖2所示，中環路地下道路橫斷面如圖3所示。

圖1 鄭東新區CBD副中心地下道路項目整體鳥瞰圖

Fig. 1 Overall aerial view of underground road project of Zhengdong CBD sub-center

圖2 鄭東新區CBD副中心地下道路交通組織圖

Fig. 2 Traffic organization of underground roads of Zhengdong CBD sub-center

圖3 鄭東新區CBD副中心區中環路橫斷面圖(單位： m)

1.2.2 案例2

成都金融總部商務區核心區地下道路總長2.4 km。該地下道路的交通組織方式為單洞逆時針單向行駛，設計速度為30 km/h，單向3車道。該項目整體鳥瞰圖如圖4所示，地下道路交通組織如圖5所示，地下道路橫斷面如圖6所示。

圖4 成都金融總部商務區地下道路項目整體鳥瞰圖

Fig. 4 Overall aerial view of underground road project of Chengdu financial business district

圖5 成都金融總部商務區地下道路交通組織圖

Fig. 5 Traffic organization of of underground roads of Chengdu financial business district

圖6 成都金融總部商務區地下道路橫斷面圖(單位： mm)

Fig. 6 Cross-section of underground road of Chengdu financial business district (unit: mm)

2 地下車庫聯絡道交通組織設計

根據目前已建或在建的工程實例可知，地下車庫聯絡道交通組織方式的選擇主要考慮3種交通組織方式： 單向逆時針行駛、單向順時針行駛和雙向行駛。

地下車庫聯絡道交通組織設計應根據區域路網規劃、功能定位、實施條件、工程造價等綜合考慮。如采用單洞地下道路，從交通安全和內部空氣環境等方面進行考慮，結合地下車庫聯絡道區域性短距離到發交通的特點，宜優先采用單向交通行駛。根據外部道路交通組織方式以及出入口設置的位置，按照機動車靠右行駛的駕駛習慣，優先采用右進右出，避免交通沖突點，提高通行效率，最終確定順時針或逆時針的交通組織方式。

3 地下車庫聯絡道出入口設計

3.1 線形指標選擇

地下車庫聯絡道及出入口的線形指標應根據設計速度按照《城市道路路線設計規范》[10]和《城市地下道路工程設計規范》[9]中線形指標選取，不宜按《車庫建筑設計規范》[11]進行設計。

以設計速度為20 km/h的小汽車專用地下道路為例，按極限值考慮，市政行業規范和建筑行業規范中主要線形指標對比如表2所示。

表2 市政行業和建筑行業中主要線形指標對比

3.2 變速車道和漸變段長度

對于地下車庫聯絡道的出入口，根據其交叉形式，一般分為T形出入口和平行式出入口。

出入口的設計有2種： 第1種是參照立交匝道的方法進行設計，設置相應的變速車道和漸變段； 第2種是參照平面交叉的方法進行設計，主路可以根據交通量情況考慮是否設置展寬段和漸變段，長度可以依據《城市道路交叉口設計規程》[12]中支路標準的相關參數進行設計。2種方式均需通過驗算轉彎處的視距三角形來確定結構邊墻的位置。

對上述2種方式的設計結果進行比較。第1種方式標準偏高，會增加工程實施難度和建設成本，尤其是對于平行式出入口，需要做一個S型曲線，導致出入口規模比較大，結構設計非常困難。根據北京中關村地下環廊和成都大源地下環廊的設計經驗，柱跨徑最大為15～18 m，在整個S型曲線中，中間不設結構柱，導致梁和柱的尺寸偏大，且矩形地下結構受多方面因素制約，一般不采用預應力結構。所以這種方式一般需要結合結構設計進行優化。第2種方式相對而言較容易實施，轉彎半徑相對較小，跨徑相對容易滿足結構的設計要求。

出入口若按照匝道的標準設計，變速車道和漸變段無相關依據標準。目前規范中關于變速車道長度的取值只對主線設計速度40 km/h以上的有規定，設計速度為20～30 km/h的地下車庫聯絡道，也應按照AASHTO[13]給出的計算方法，計算出變速車道和漸變段長度，并結合停車視距最終做出要求。

停車視距分解為反應距離、制動距離和安全距離。依據《城市道路路線設計規范》，停車視距計算結果如表3所示。

表3 停車視距

加速車道的長度

(1)

表4 平均加速度

考慮到地下道路主線和出入口兩側側墻對視線的影響，在合流處無法像地面道路一樣保證三角通視區，需對加速車道長度計算值與停車視距進行比較，取二者之間的較大值作為加速車道長度。加速車道長度取值如表5所示。

表5 加速車道長度

減速車道的長度分解為發動機制動減速長度和制動器制動減速長度。依據《城市道路路線設計規范》，減速車道長度計算結果如表6所示。

表6 減速車道長度

對于漸變段長度，有2種計算方法： 第1種為橫移一條車道需要的最短距離； 第2種為車輛S形行駛軌跡反向曲線長度。依據《城市道路路線設計規范》，漸變段長度計算結果如表7所示。

表7 漸變段長度

如果無條件實施加速車道或展寬段時，需要在主線到達入口前設置配套的交通安全設施，提前將沖突點消除。而且應采取硬隔離的方式，而不宜只采取劃標線的方式(如增設交通柱或者護欄等)，以防止主線車輛駕駛人誤判或違規，導致入口處交通事故頻發，以保證主線和入口處車輛行車安全。

3.3 出入口位置選擇

在公路工程設計中，比較注重運行速度與設計速度協調性的檢驗與評價[14]。目前市政道路受規劃和交叉口間距較密等多方面因素的影響，對平縱線形組合方面考慮相對弱化。但對于規模較大的區域性地下車庫聯絡道，全程無燈控且駕駛員的視線沒有地面開闊，駕駛員進入地下道路更容易產生視覺疲勞，加上需要閱讀交通標志信息，人的反應會變慢，如果平縱組合不當，更容易發生交通事故，一旦地下工程發生較大的交通事故，救援難度大、危害嚴重。所以需要對地下車庫聯絡道進行運行速度協調性評價，合理選擇出入口及車庫開口的位置。

3.3.1 運行速度協調性評價標準

目前尚無針對設計速度低于40 km/h的地下車庫聯絡道運行速度評價體系指標的規范。本文提出針對設計速度為20～30 km/h的地下車庫聯絡道運行速度協調性評價標準，如表8所示。

表8 運行速度協調性評價標準

3.3.2 運行速度預測方法和模型

同時參照公路工程提出針對小汽車為服務主體、設計速度低于40 km/h的地下道路聯絡道的運行速度預測方法和模型，分析單元劃分原則如表9所示。

表9 分析單元劃分原則

平直路段運行速度模型：

(2)

式中：vout為終點速度；vin為起點速度；a為車輛加速度；s為路段長度；amax為最大加速度；amin為最小加速度；ve為期望速度。

平曲線路段運行速度模型如下。

1)曲中點，

vmiddle=-244.123+0.6vin+40ln(Rnow+400)。

(3)

2)曲線出口，

vout=-183.092+0.7vin+30ln(Rfront+400)。

(4)

式(3)—(4)中：vmiddle為曲中點運行速度；Rnow為所在圓曲線半徑；Rfront為即將駛入的曲線半徑，當前方為直線，取Rfront=350 m，若Rfront>5Rnow，取Rfront=5Rnow。

彎坡組合路段運行速度模型如下。

1)前半段上坡，

vmiddle=-244.123+0.6vin+40ln(Rnow+400)-

(350-Rnow)(i1-3)/350-0.324i2。

(5)

2)前半段下坡，

vmiddle=-244.123+0.6vin+40ln(Rnow+400)-

(350-Rnow)(i1+3)/350-0.324i2。

(6)

3)后半段上坡，

vout=-183.092+0.7vin+30ln(Rnow+400)-

1.2(350-Rnow)(i2-3)/350-0.324i3。

(7)

4)后半段下坡，

vout=-183.092+0.7vin+30ln(Rnow+400)-

0.8(350-Rnow)(i2+3)/350-0.324i3。

(8)

式(5)—(8)中：i1為中點前縱坡；i2為中點后縱坡；i3為前方的縱坡；上坡為正，下坡為負。

最終的運行速度模型中應根據路側干擾情況、開口密度、路側凈區寬度對運行速度進行折減修正。

3.3.3 設計案例運行速度計算結果

以成都金融總部商務區核心區地下道路為例，根據運行速度計算模型，得出運行速度計算結果，部分結果如表10所示。把出入口位置選擇在運行速度協調性較好的單元，出入口模擬效果圖如圖7所示。

表10 部分運行速度計算結果

圖7 成都金融總部商務區地下車庫聯絡道三維模擬效果

Fig. 7 Three-dimensional simulation effect of underground road at Chengdu financial business district

3.4 出入口間距要求

地下車庫聯絡道的出入口間距設計一方面要考慮地面道路路網和交通需求分析的影響，另一方面還需要考慮后期運營管理和防災救援疏散的要求。

地下道路的災害主要包括水災、地震、戰爭與恐怖襲擊、交通事故、有毒化學品泄漏以及火災。針對各災害發生的頻率和后果，目前主要考慮交通事故和火災。火災多發、危害大，作為首要的防范對象。由于地下道路與周邊地塊地下車庫的產權單位一般不是同一單位，設計時也是按照不同防火分區設置各自的防火卷簾，原則上地下車庫聯絡道不能將地下車庫出入口作為火災發生時車輛疏散通道，故需要考慮設計地下道路獨立的車輛疏散通道。所以在設置出入口的時候，除了考慮交通功能的需求外，還應考慮防災疏散功能。

火災爆發10 s后，火勢發展迅猛；10 min內頂板溫度上升至1 200 ℃，含氧量急劇下降，煙霧體積分數迅速上升。根據荷蘭及歐洲其他一些地區的一系列模擬試驗結果和對初期火災煙霧體積分數發展特點和碳氫火災升溫曲線特點的分析,以及各國對地下道路火災事故的總結[15]可知，逃生的最佳時間不超過5 min，宜在1～3 min內逃生到安全區域。

目前國內針對城市地下道路的防災疏散方面的規范標準主要參考《城市地下道路工程設計規范》和《建筑設計防火規范》。其中《城市地下道路工程設計規范》為市政行業標準，無公安消防部門參編，《建筑設計防火規范》為國家標準，由公安消防部門主編，但2個規范中均沒有針對單洞單向地下道路車行疏散通道間距的具體要求。

結合車輛疏散方面的要求，本文研究提出單洞地下車庫聯絡道出入口或車行疏散道的間距宜按照設計速度1～3 min行程考慮。如果設置了橫向或半橫向通風排煙設備和自動滅火系統，可以根據發生火災時煙霧和火情發展預測模型，延長逃生疏散時間，并適當加大車輛疏散間距，但最大間距不應超過5 min行程長度。

4 結論與建議

1)根據最新的規范要求，地下車庫聯絡道及出入口線形指標參數應采用市政行業規范標準的計算方法進行計算，不宜采用建筑行業標準進行計算。

2)對于出入口變速車道及漸變段長度的取值，應根據變速車道長度計算結果，結合停車視距長度綜合考慮。

3)通過建立地下車庫聯絡道運行速度協調性評價標準和預測模型，提出出入口位置選擇時應與主路進行運行速度協調性驗算，不應將出入口選擇在地下車庫聯絡道平縱線形條件不利的位置。

4)出入口的間距應既滿足交通功能的需求，又滿足防災疏散的需求，宜按照設計速度的1～3 min行程設置。

5)由于地下車庫聯絡道的建設尚未形成規模，總結的建設經驗有限，建議下一步加強對該領域多學科的基礎理論研究，如駕駛員心理學科、汽車工程學科、智能交通系統等對地下車庫聯絡道線形設計的影響。

6)由于目前大量已建成的地下車庫聯絡道均無法驗收，建議主管部門明確對于地下車庫聯絡道的運營和管理的權責劃分，保障地下車庫聯絡道運營和維護安全。

7)由于目前《城市地下道路工程設計規范》中缺乏公安消防部門的設計要求，建議該規范修編時進一步完善地下車庫聯絡道防災疏散方面的設計要求和驗收標準。