“中”字形立交在城市平交口改造中的應(yīng)用

張秀松

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300392）

近年來，隨著我國城市化進程的進一步加快以及城市機動化程度的日益提高，長期以來形成的城市機動車增長與道路設(shè)施滯后的結(jié)構(gòu)性矛盾日益突出；為解決這一問題，各城市越來越重視路網(wǎng)的重新規(guī)劃與舊路改造工作。城市路網(wǎng)中的交叉口大部分都是平面的，平面交叉口是城市道路交通的瓶頸，是造成行車延誤的主要因素[1]。根據(jù)統(tǒng)計資料[2～4]，在城市路網(wǎng)中平面交叉口的通行能力不足道路通行能力的50%，車輛在平面交叉口耽誤的時間約占全程時間的31%，同時各個方向的交通流在平面交叉口處不斷地產(chǎn)生交叉、合流、分流沖突，使平面交叉口成為交通事故的多發(fā)點，城市道路發(fā)生的交通事故有60%以上在平面交叉口范圍內(nèi)。因此平交口立交化改造是城市路網(wǎng)重新規(guī)劃與改造工作的關(guān)鍵。

目前，城市路網(wǎng)中普遍存在的問題是早期規(guī)劃前瞻性不足，未預(yù)留平交口立交化改造空間；導(dǎo)致立交方案設(shè)計、施工困難，造價過高，甚至因為征地問題無法實現(xiàn)。本文分析主次分明的兩條城市道路交叉時的各種平交口立交化改造方案的利弊，提出一種改進的“中”字形城市立交方案。

1 常見的平交口立交化改造方案

1.1 菱形立交

菱形立交占地少、實施簡便、造價低，可保證主路直行車流連續(xù)，是城市立交的主流形式。但菱形立交車輛左轉(zhuǎn)均需在次要道路平面上實現(xiàn)，存在6處沖突點和2處交織點，會對次要道路車流產(chǎn)生極大干擾，導(dǎo)致通行能力降低，高峰期易擁堵。實施信號控制時，由于匝道與次要道路平交口間距很小，需設(shè)4個相位，交通延誤大，通行能力仍然很低。此外多處沖突點和交織點會影響交通安全。見圖1。

圖1 菱形立交

1.2 部分苜蓿葉式立交

部分苜蓿葉式立交可保證直行車流暢通且造價低，可用于全苜蓿葉式立交分期修建的前期工程，適用于公路一側(cè)用地充裕，另一側(cè)用地緊張的情況。但部分苜蓿葉式立交同樣存在類似于菱形立交的沖突點較多、交通組織困難、通行能力低、對交通安全不利的問題；此外左轉(zhuǎn)匝道采用環(huán)圈形式，通行能力低，左轉(zhuǎn)繞行距離長，兩層式的部分苜蓿葉式立交難以解決慢行交通通行問題。見圖2。

圖2 部分苜蓿葉式立交

1.3 全苜蓿葉式立交

全苜蓿葉式立交完全消滅了沖突點，可實現(xiàn)各方向車流快速通過，對直行交通干擾小。但全苜蓿葉式立交占地面積大、造價高，在用地緊張的城區(qū)實施困難；兩環(huán)圈間存在交織運行，必要時需設(shè)置集散道。慢行交通通行有兩種方案：一是行人與非機動車組成的慢行交通與機動車不分層，均通過立交匝道實現(xiàn)各方向通行，該方案行人和非機動車?yán)@行距離較遠，給行人過街帶來不便，違章率會相應(yīng)增加，易誘發(fā)交通事故，同時慢行交通與機動車存在沖突點，影響通行能力且對交通安全不利；二是慢行交通與機動車分層行駛，在地面實現(xiàn)通行，該方案減少了行人過街的繞行距離且使慢行交通與機動車完全分離，較為安全，但立交至少設(shè)置3層，規(guī)模較大且主要道路與次要道路均需進行較大程度的改造，造價較高。見圖3。

圖3 全苜蓿葉式立交

1.4 遠引

遠引方案有兩種實現(xiàn)方式：通過遠引掉頭調(diào)整左轉(zhuǎn)交通組織或改造為遠引互通式立交。平交口遠引掉頭方案造價最低，實施最為方便，但左轉(zhuǎn)車輛掉頭需從最外側(cè)車道變道至最內(nèi)側(cè)車道掉頭，影響快車道車輛通行，降低通行能力且易引發(fā)交通事故；同時對道路中央分隔帶寬度要求較高，適用性不強。遠引互通式立交方案較平交口遠引掉頭方案，可保證相交兩道路直行車流暢通，但仍存在連續(xù)跨越多個車道、需要較寬的中央分隔帶寬度、難以處理慢行交通通行等問題。見圖4。

圖4 遠引互通式立交

2 “中”字形立交

上述各種平交口改造方案各有利弊，但均不能很好地解決用地緊張情況下平交口立交化改造問題。

本文在傳統(tǒng)“中”字形立交基礎(chǔ)上提出一種改進方案，無需抬高舊路，僅需在主路兩側(cè)布設(shè)兩條交織車道、新建兩條U形匝道即可實現(xiàn)全互通，見圖5。

圖5 “中”字形立交總體

2.1 適用性分析

2.1.1 各方向車流行駛方式

主要道路直行、右轉(zhuǎn)，次要道路右轉(zhuǎn)均可直接實現(xiàn)，次要道路車輛直行需在路口右轉(zhuǎn)繞行匝道實現(xiàn)。為保證主要道路直行車流暢通，犧牲了次要道路直行車輛的便利性；因此，該方案特別適用于主次分明的兩條道路平交口改造時，用地緊張、次要道路交通量不大或次要道路轉(zhuǎn)彎交通量比例較大的情況。

主要道路上車輛左轉(zhuǎn)只需在路口變道駛?cè)朐训溃缭街骶€后駛下匝道右轉(zhuǎn)進入次要道路即可實現(xiàn)；次要道路上車輛左轉(zhuǎn)只需在路口右轉(zhuǎn)駛?cè)朐训溃缭街骶€后駛下匝道并入主線車流即可實現(xiàn)。見圖6。

圖6 車輛左轉(zhuǎn)方式

主要道路上車輛掉頭只需在路口變道駛?cè)朐训溃缭街骶€后駛下匝道重新并入主線即可實現(xiàn)；次要道路由于交通量較小，可以在路口直接實現(xiàn)掉頭。

該方案完全消滅了沖突點，只需在主線兩側(cè)設(shè)置交織段即可較好地實現(xiàn)全互通式立交的功能。

2.1.2 慢行交通通行方式

立交范圍內(nèi)非機動車道和人行道設(shè)于機動車道外側(cè)，除穿越次要道路時與機動車平交外，其余均不會與機動車互相干擾，保障了機動車通行能力和慢行交通的安全。行人可通過在匝道彎道處設(shè)置的步梯上到天橋穿越主要道路；行人穿越次要道路需走次要道路路口斑馬線，未對行人過街造成不便，亦未使非機動車?yán)@行過遠。見圖7。

圖7 慢行交通通行方式

2.2 關(guān)鍵因素分析

2.2.1 交織段長度的確定

主路兩側(cè)立交范圍內(nèi)上下匝道車輛存在交織，根據(jù)《美國道路通行能力手冊》（下稱HCM）的定義，這種交織形式屬于A類交織，無論從主線駛?cè)朐训肋€是從匝道駛?cè)胫骶€，車輛都只需要變更一次車道[5]。見圖8。

圖8 A類交織

一般將從入口三角端寬0.6 m 處至出口三角端寬3.6 m 處之間的一段距離稱為交織區(qū)長度。交織區(qū)長度影響立交的通行能力并制約著U 形匝道起坡點位置[6]。

交織區(qū)分析的核心就是預(yù)測交織區(qū)內(nèi)交織車輛與非交織車輛的運行速度。HCM 根據(jù)大量實測數(shù)據(jù)回歸得到下列經(jīng)驗回歸公式，用于計算交織區(qū)內(nèi)車輛運行速度

式中：S——交織區(qū)內(nèi)所有車輛的區(qū)間平均速度，km/h；

Sw——交織內(nèi)交織車輛的區(qū)間平均速度，km/h；

Snw——交織內(nèi)非交織車輛的區(qū)間平均速度，km/h；

SFF——路段自由流速度，km/h；

V ——交織區(qū)內(nèi)總流率，pcu/h；

Vw——交織區(qū)內(nèi)交織流率，pcu/h；

Vnw——交織區(qū)內(nèi)非交織流率，pcu/h；

VR——交織流量比，

N——交織區(qū)內(nèi)總車道數(shù)；

L ——交織區(qū)長度，m；

a，b，c，d ——參數(shù)，對于非約束型運行的A 類交織區(qū)，計算交織車輛速度Sw時，a=0.15，b=2.2，c=0.97，d=0.80；計算非交織車輛速度Snw時，a=0.003 5，b=4.0，c=1.3，d=0.75。

需要說明的是，該公式僅適用于非約束型交織運行。若交織區(qū)長度過長或交織交通量過大，形成約束型交織運行，a，b，c，d需相應(yīng)調(diào)整，還需引入約束型運行和非約束型運行的概念和判斷標(biāo)準(zhǔn)。

在交織區(qū)內(nèi)，交織車輛與非交織車輛爭奪可以利用的車道空間，最終達到平衡運行狀態(tài)時，交織車輛占用的交織區(qū)車道數(shù)為Nw，非交織車輛則占用剩余的（N-Nw）條車道。不同交織類型固有的構(gòu)造特征，限制了交織車輛所能利用的最大車道數(shù)，A類交織所能利用的最大車道數(shù)為1.4。當(dāng)計算得到的Nw超過該類交織所能被交織車輛利用的最大車道數(shù)時，交織車輛的運行需求將得不到滿足，運行狀況會越來越差，這種情況即稱為約束型交織運行。交織車輛占用的車道數(shù)Nw采用經(jīng)驗公式計算

對于A類交織，Nw＞1.4時即形成約束型交織。

利用計算得到的交織區(qū)內(nèi)車輛運行速度、單車道車流密度，進而確定交織區(qū)服務(wù)水平

式中：D——交織區(qū)內(nèi)單車道平均車流密度，pcu/km。

交織區(qū)平均車流密度與服務(wù)水平對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 交織區(qū)服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)交織類型、交織交通量和交織車道數(shù)，通過變化交織段長度即可試算得到設(shè)計服務(wù)水平下的交織段長度。實際上，這一試算過程可以通過計算程序?qū)崿F(xiàn)。

對于A 類交織區(qū)，隨著交織區(qū)長度的增加，交織車輛的車速增大，交織車輛需占用更多的車道空間，交織區(qū)形成約束型交織的可能性也增大。這說明A類交織區(qū)的通行能力存在上限，交織區(qū)長度并非越長越好，當(dāng)達到約束型交織運行時，需要考慮改變交織類型，如采用B類交織來突破交織區(qū)通行能力上限。

2.2.2 匝道平曲線半徑及加寬值的確定

立交匝道平曲線半徑受主線道路寬度制約，往往難以取較大值。利用AutoTURN軟件對國內(nèi)各類代表車型的最小轉(zhuǎn)彎行跡和車身外廓需要的轉(zhuǎn)向凈空進行模擬。見圖9。

圖9 各類代表車型車身尺寸

不同車型轉(zhuǎn)彎的行跡是不同的，同一車型以不同速度轉(zhuǎn)彎時其行跡也是不同的。因此在對匝道平曲線設(shè)計中首先應(yīng)確定用以控制的設(shè)計車輛和設(shè)計速度。

通過對各類代表車型的行跡進行模擬分析，得到各類車型以較低的速度0～15 km/h及20、30 km/h速度下轉(zhuǎn)彎時所能通過的最小半徑，見表2。

表2 各類車輛在不同速度下的最小轉(zhuǎn)彎半徑

以圓曲線半徑25 m為例，得到各類代表車型轉(zhuǎn)彎時車身外廓需要的轉(zhuǎn)向凈空及所需要的平曲線加寬值，見表3。

表3 各類車輛在平曲線半徑為25 m時所需加寬值m

由表2和表3可以看出：各代表車型中，載重汽車車身并不是最長，但其轉(zhuǎn)彎時所需最小半徑卻大于車身更長的大型客車、鉸接列車等其他車型；而車身外廓所需要的轉(zhuǎn)向凈空則與車身總長正相關(guān)。

在U形匝道設(shè)計時，根據(jù)設(shè)計車輛類型和匝道設(shè)計速度，結(jié)合主線道路寬度和表2中給出的設(shè)計車輛所能通行的最小半徑，合理確定U 形匝道轉(zhuǎn)彎半徑。根據(jù)匝道轉(zhuǎn)彎半徑和設(shè)計車輛類型，確定匝道平曲線加寬值。

3 “中”字形立交方案存在的問題及改善思路

3.1 主路兩側(cè)存在交織

主要道路兩側(cè)立交范圍內(nèi)上下匝道車輛存在交織，在交通量較大時可能對主要道路車流形成干擾，進而影響通行能力。

該問題可以通過下列途徑加以改善：

1）在主要道路下游增加一條輔助車道，將交織區(qū)構(gòu)型改為B類交織，見圖10；

圖10 B類交織方案

2）通過增加硬隔離措施，將車流引導(dǎo)到輔道上進行交織，見圖11。

圖11 在輔道上完成交織

3.2 次要道路直行不暢

為保證主要道路車流暢通，犧牲了次要道路直行車輛的通暢性。當(dāng)次要道路交通量不大或次要道路轉(zhuǎn)彎交通量所占比重較大時，采用這種形式的立交并不會存在問題。當(dāng)次要道路直行交通量較大，可能造成匝道擁堵時，可通過改善匝道平面線形、增加匝道車道數(shù)等方式解決。

4 結(jié)語

本文通過對各類平交口立交化改造方案的對比，給出了改進的“中”字形立交的優(yōu)缺點和適用性；通過計算分析和軟件模擬，討論了該種形式立交的工程關(guān)鍵因素，給出其交織區(qū)長度確定方法和曲線半徑、加寬值的建議；針對這類立交存在的問題給出了改善思路。該方案占地少、可充分利用舊路、以較低的工程代價實現(xiàn)全互通、能夠較好地處理慢行交通問題，特別適用于主次分明兩條道路交叉時的平交口立交化改造。□■