基于平曲線參數(shù)的服務(wù)區(qū)出入口匝道長(zhǎng)度研究

朱建方，毛化冰，韓澤祥

[濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250003]

0 引言

高速公路服務(wù)區(qū)作為高速公路重要的附屬設(shè)施，為道路使用者提供休息、補(bǔ)給的重要場(chǎng)所。而服務(wù)區(qū)匝道在于保證用路者安全順適地到達(dá)或離開服務(wù)區(qū)，目前道路設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范中，缺少服務(wù)區(qū)匝道長(zhǎng)度的有關(guān)指標(biāo)要求。并且可以從多個(gè)理論角度與實(shí)測(cè)角度分析保證駕駛員安全快速地到達(dá)或駛離服務(wù)場(chǎng)區(qū)的最小匝道長(zhǎng)度，以達(dá)到完善規(guī)范的目的。

1 服務(wù)區(qū)出入口匝道的概念及設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.1 服務(wù)區(qū)出入口匝道的概念

高速公路服務(wù)區(qū)匝道根據(jù)組成分為出口匝道、場(chǎng)區(qū)車道和入口匝道[2]。根據(jù)《公路立體交叉設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D21—2014）[1]（以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》）服務(wù)區(qū)出、入口匝道示意圖可知（見圖1），高速公路出入口匝道是根據(jù)車輛駛出、駛?cè)敫咚俟返姆较虼_定，其中由高速公路減速車道駛出，進(jìn)入服務(wù)區(qū)停車場(chǎng)的匝道為出口匝道，由服務(wù)區(qū)駛出，匯入高速公路主線的匝道為入口匝道。

圖1 服務(wù)區(qū)出、入口匝道示意圖

匝道長(zhǎng)度為主線鼻端至停車場(chǎng)入口或出口間的長(zhǎng)度，即從減速車道末點(diǎn)或加速車道始點(diǎn)開始計(jì)算，以出口匝道為例，圖2 中黑點(diǎn)所示為減速車道末點(diǎn)，即匝道長(zhǎng)度計(jì)算始點(diǎn)。

圖2 減速車道與出口匝道始點(diǎn)示意圖

1.2 變速車道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

目前，從高速公路進(jìn)入服務(wù)區(qū)匝道的變速車道設(shè)計(jì)均遵循《細(xì)則》10.2 變速車道的有關(guān)規(guī)定[1]：

（1）細(xì)則規(guī)定為：減速車道的形式宜采用直接式，當(dāng)出口匝道為環(huán)形時(shí)，減速車道宜采用平行式，單車道加速車道宜采用平行式[1]。

（2）變速車道各路段最小長(zhǎng)度符合《細(xì)則》10.2.5的相關(guān)規(guī)定，具體見表1。

表1 變速車道各路段最小長(zhǎng)度

一般情況下，服務(wù)區(qū)與主線之間的交通流量較小且出入口匝道的任意斷面車頭時(shí)距較大，《細(xì)則》指出，服務(wù)區(qū)匝道宜采用互通式立體交叉單向單車道匝道。

1.3 服務(wù)區(qū)出入口匝道的設(shè)計(jì)速度

由于高速公路服務(wù)區(qū)的出、入口匝道的直接作用是服務(wù)車輛便捷駛?cè)搿Ⅰ偝鰣?chǎng)區(qū)，平縱面線形設(shè)計(jì)指標(biāo)高且形式簡(jiǎn)單，高速服務(wù)區(qū)的選址一般盡量選擇地形平坦開闊地帶，然而在山嶺地區(qū)受制于周邊復(fù)雜地形條件，高速服務(wù)區(qū)的選址及出、入口匝道布置條件受限，服務(wù)區(qū)的出、入口匝道長(zhǎng)度不長(zhǎng)，很大程度上區(qū)別于互通式立交一般意義上的匝道。圖3 為青蘭高速沂源服務(wù)區(qū)。

圖3 青蘭高速沂源服務(wù)區(qū)示意圖

《細(xì)則》中指出，高速公路服務(wù)區(qū)入口匝道的長(zhǎng)度不小于60 m，當(dāng)主線設(shè)計(jì)速度為80 km/h 時(shí)，服務(wù)區(qū)出口匝道長(zhǎng)度不小于80 m[1]。類比互通式立交設(shè)計(jì)形式，服務(wù)區(qū)出、入口匝道的形式與設(shè)計(jì)速度可類比于一般互通式立體交叉直連式變化型和標(biāo)準(zhǔn)型匝道，見表2。

表2 匝道基本路段設(shè)計(jì)速度及匝道類型

《細(xì)則》中指出匝道的設(shè)計(jì)速度可采用40 km/h。當(dāng)條件受限時(shí)，可根據(jù)主線設(shè)計(jì)速度適當(dāng)降低，但不應(yīng)小于30 km/h。國(guó)內(nèi)相關(guān)論文經(jīng)過實(shí)際測(cè)速和規(guī)范參考提出服務(wù)區(qū)匝道的設(shè)計(jì)速度是根據(jù)主線設(shè)計(jì)速度區(qū)分的[2]，見表3。

表3 服務(wù)區(qū)匝道的設(shè)計(jì)速度

服務(wù)區(qū)場(chǎng)區(qū)速度是指服務(wù)區(qū)內(nèi)部場(chǎng)區(qū)車道的設(shè)計(jì)速度，服務(wù)區(qū)的場(chǎng)區(qū)速度一般為10～15 km/h[2]。考慮到山區(qū)高速服務(wù)區(qū)地形差，選址困難，場(chǎng)區(qū)速度在本文計(jì)算中取大值。

2 服務(wù)區(qū)出入口匝道長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)《細(xì)則》中的相關(guān)規(guī)定：

（1）出口匝道在分流鼻端附近的設(shè)計(jì)速度可參考表4。

表4 出口匝道分流鼻端通過速度

（2）入口匝道在合流鼻端附近的設(shè)計(jì)速度可采用匝道基本路段的設(shè)計(jì)速度。

根據(jù)《規(guī)范》中互通式立體交叉匝道路段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型，由于服務(wù)區(qū)出入口匝道設(shè)計(jì)指標(biāo)高，縱斷面坡度一般不大于3%，將服務(wù)區(qū)出入口匝道劃分為平直路段或者平曲線路段。當(dāng)圓曲線半徑小于等于600 m 時(shí)為平曲線路段，大于600 m 時(shí)為平直路段。

2.1 平直路段下出、入口匝道長(zhǎng)度計(jì)算

2.1.1 出口匝道長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)我國(guó)《汽車駕駛員手冊(cè)》建議，一般舒適的減速度為1.0～1.5 m/s2，基本舒適的減速度為1.5～2.0 m/s2，取a=2.0 m/s2[4]。由《規(guī)范》中匝道平直路段終點(diǎn)的運(yùn)行速度模型：

式中：Vout為場(chǎng)區(qū)速度，取15 km/h；Vin為出口匝道分流鼻端通過速度，當(dāng)主線設(shè)計(jì)速度為80 km/h 時(shí)，根據(jù)表4 取60 km/h。

計(jì)算得到出口匝道長(zhǎng)度S=65 m。當(dāng)主線設(shè)計(jì)速度為其它設(shè)計(jì)速度時(shí)，結(jié)果見表5。

表5 服務(wù)區(qū)出口匝道最小長(zhǎng)度

2.1.2 入口匝道長(zhǎng)度計(jì)算

服務(wù)區(qū)入口匝道與平行式加速車道相連接，車輛在合流鼻端附近的運(yùn)行速度小于分流鼻附近的運(yùn)行速度。根據(jù)以下模型：

式中：Vout出口匝道分流鼻端通過速度，當(dāng)主線設(shè)計(jì)速度為80 km/h，取35 km/h；Vin為場(chǎng)區(qū)速度，取15 km/h。加速度a 根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20 －2006）[5]取1.0 m/s2，計(jì)算得到入口匝道長(zhǎng)度S=28 m。

當(dāng)主線設(shè)計(jì)速度為其它設(shè)計(jì)速度時(shí)，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 服務(wù)區(qū)入口匝道最小長(zhǎng)度

2.2 平曲路段下出、入口匝道長(zhǎng)度計(jì)算

2.2.1 入口匝道長(zhǎng)度計(jì)算

當(dāng)服務(wù)區(qū)入口匝道位于半徑R≤600 m 的曲線上，入口匝道設(shè)計(jì)速度取40 km/h，入口匝道長(zhǎng)度假設(shè)為60 m，圓曲線半徑R=100 m，緩和曲線ls=50 m,根據(jù)式（3）反算：

轉(zhuǎn)角α 約為6°，文章以小汽車為研究對(duì)象，根據(jù)《規(guī)范》B.4.6 模型,取Rfront= 5Rnow

其中Vin為場(chǎng)區(qū)速度，取15 km/h,得到：

Vout與Rnow的函數(shù)關(guān)系見圖4。

圖4 Vout 與Rnow 函數(shù)關(guān)系圖

根據(jù)相關(guān)論文研究服務(wù)區(qū)入口匝道在合流鼻端附近的速度Vout具體取值參考表3,當(dāng)主線設(shè)計(jì)速度為80 km/h，Vout取35 km/h，此時(shí)Rnow=158 m。由《細(xì)則》得到匝道回旋線長(zhǎng)度最小取值，見表7。

表7 匝道回旋線的最小長(zhǎng)度

當(dāng)V=35 km/h，緩和曲線最小長(zhǎng)度為30 m。匝道最小長(zhǎng)度：

當(dāng)主線設(shè)計(jì)速度為其它設(shè)計(jì)速度時(shí)，計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 服務(wù)區(qū)入口匝道最小長(zhǎng)度

2.2.2 出口匝道長(zhǎng)度計(jì)算

當(dāng)服務(wù)區(qū)入口匝道位于半徑R≤600 m 的曲線上，同樣以小汽車為研究對(duì)象，根據(jù)2.2.1，Vout為場(chǎng)區(qū)速度，取15 km/h，得到:

Vin與Rnow的函數(shù)關(guān)系見圖5。

圖5 Vin 與Rnow 函數(shù)關(guān)系圖

當(dāng)主線設(shè)計(jì)速度為80 km/h，根據(jù)表4，Vin取60 km/h，此時(shí)Rnow= 325 m，根據(jù)表3 和表6 得到回旋線最小長(zhǎng)度25 m，則:

當(dāng)主線設(shè)計(jì)速度為其它設(shè)計(jì)速度時(shí)，計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 服務(wù)區(qū)出口匝道最小長(zhǎng)度

3 結(jié)論

文章以小汽車為研究對(duì)象，以不同的主線設(shè)計(jì)速度為變量，考慮服務(wù)區(qū)出、入口匝道不同的平曲線參數(shù)，分別得到了不同參數(shù)下匝道的最小長(zhǎng)度。通過分析2.1 和2.2 的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于出、入口匝道的最小長(zhǎng)度根據(jù)表10、表11 確定。

表10 服務(wù)區(qū)出口匝道最小長(zhǎng)度 單位：m

表11 服務(wù)區(qū)入口匝道最小長(zhǎng)度 單位：m

本文利用匝道平曲線參數(shù)計(jì)算理論，結(jié)合運(yùn)行速度計(jì)算模型，對(duì)高速公路服務(wù)區(qū)出、入口匝道長(zhǎng)度進(jìn)行研究。建立了以小汽車為研究對(duì)象，在平曲線參數(shù)下，主線不同設(shè)計(jì)速度出、入口匝道長(zhǎng)度計(jì)算模型，并給出最小值。文章所提出的出入口匝道長(zhǎng)度的最小值及計(jì)算模型，對(duì)于完善高速公路相關(guān)規(guī)范具有重要的理論價(jià)值和參考意義。