公路互通式立交平面線形設計及應用思考

葉吉興

（廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530000）

公路互通式立交平面線形設計難度較高，除了要考慮公路工程建成后的通車需求、公路工程施工地點的實際情況等因素，還需對平面線形設計工作要點進行分析，才能確保最終的設計效果。然而在實際工作中，許多公路互通式立交平面線形設計方案存在不合理之處，有進一步優化的空間，在這種情況下對公路互通式立交平面線形設計和應用進行研究，可謂是勢在必行。

1 公路互通式立交平面線形設計應用案例

與長度動輒幾十公里、幾百公里的高速公路工程相比，公路互通式立交的設計難度更大，主要難點都集中在點狀結構的設計上，在一些市郊平原地區的立交設施中，其周邊的建筑主體比較少、設計自由度非常高，但是與此同時立交結構本身的特點決定了其設計空間較小，設計人員只能在有限的空間內完成平面、縱向等設計指標的變化，讓互通立交結構的作用得到優化，確保各方向交通流安全順暢轉換，這無疑給公路互通式立交平面線形設計工作帶來了一定的難度。從某種意義上來說，立交設計是公路設計的重要組成部分，而平面線形設計又是立交設計的關鍵要素，設計人員必須充分了解互通立交的設計要求和技術標準，在設計平面結構的過程中充分考慮縱、橫斷面等各階段的設計要求，根據過去的工作經驗和實際需求，不斷優化公路互通式立交平面線形設計方案[1]。平面線形設計工作中，設計人員需要對互通立交結構上車輛的行駛軌跡進行模擬，并從駕駛員的視角出發、考慮駕駛的要求，將以人為本作為基本原則，在充分考量各種外在影響因素的基礎上，確保公路互通式立交平面線形設計方案的科學性、規范性、安全性和綜合效益。某B型喇叭立交位于圓曲線半徑R=1 186．054 m、緩和曲線長度Ls=200 m的平曲線范圍（圖1）。由于主線平曲線半徑相對較小，對匝道出入口的線形連續性、漸變率等須嚴格按照《高速公路互通式立交匝道及連接線設計標準》要求設計，否則將容易誘發事故[2]。

圖1 某立交設計圖

2 公路互通式立交平面線形設計要點

2.1 公路互通式立交平面線形設計要求

公路互通式立交平面線形設計工作有一定的復雜性，為確保最終設計效果的合理性，必須對其具體的設計要求進行了解。一般來說，公路互通式立交應在具有良好線形指標的路段進行建設，設計人員可結合公路通行情況明確線形指標（表1）。

表1 公路互通式立交主線設計線性指標

其中，匝道是公路相交處的連接結構，根據車輛通行方向的差異可以分成右轉匝道與左轉匝道，右轉匝道可將其設計為平行式、反向曲線、斜線、單（復）曲線4種方式，一般為右轉右出的直接式匝道，出入難度比較低，但是各種指標計算難度比較大，進入左轉匝道的行駛車輛需調轉90°～270°方向才能正常行駛，為確保左轉匝道的合理性，一般應采取間接式設計方式開展工作[3]。在設計匝道平面線形的過程中，工作人員應結合公路地形及設計速度劃定圓曲線指標與回旋線參數及長度（表2）。

表2 公路互通式立交匝道參數線形指標

2.2 線元參數計算

在過去的公路互通式立交平面線形設計工作中，設計人員需要結合傳統設計模式，對立交結構現場的實際參數進行分析，并以此為基礎確定立交起始點坐標、起始點半徑、重點坐標等參數，在此基礎上根據設計速度指標明確線形參數。而在利用兩點線元法進行公路互通式立交平面線形設計的情況下，設計人員可進一步依據立交回旋偏轉角β進行線元參數計算。公式如下：

式中，A為回旋參數，R為任意點P的曲線半徑，L為任意點P到零點處的長度，β為任意點P切線方向的旋轉角度。在上述計算公式的基礎上，設計人員可結合三角函數、幾何關系等進行積分整理，得出P點相對坐標，為后續回旋參數確定夯實基礎。P點為回旋線的β偏移角度，其與曲線半徑、曲線長度等具有一一對應關系，為進一步確定P點相對坐標，完成回旋偏轉角迭代計算，設定函數fx（β）與 fy（β），具體公式如下：

2.3 明確回旋線參數

在進行線元參數迭代計算的基礎上，設計人員可以確定完整的公路互通式立交回旋線數據，目前回旋線坐標、切線偏轉角參數已明確，在此基礎上即可計算回旋線長度L、回旋線偏轉角度β參數數值，并確定互通式立交回旋曲線偏轉方向[4]。設計人員可以結合回旋線參數起點與終點的坐標確定偏轉方向，建立回旋線相對坐標系，在此基礎上根據旋轉公式計算出回旋線終點坐標，可根據迭代計算公式及互通式立交設計要求控制精準度，并將其設為，根據迭代公式完成回旋線偏轉角計算，并設定βnew為偏轉角初始值，從0～15范圍選取初始值具體數值，得βnew公式：

2.4 兩點線元法設計

除了要優化上述計算步驟，還需要充分發揮信息化技術的作用，將各種參數輸入到專項設計軟件當中，從而提升公路互通式立交平面線形設計的合理性。首先，設計人員可以把立交起點坐標、起點方向、起點半徑輸入設計軟件內，并與緯地道路設計軟件方位角對應，該軟件就能夠自動計算并生成符合設計標準的12條曲線，設計人員從12條曲線當中選擇最符合設計要求的曲線進行應用。另外，如果發現信息化系統存在曲線繪制失誤，可將輸入的數據刪除并重新進行自動化計算，提升公路互通式立交平面線形計算的準確度，讓互通式立交后續建設與通行效果得到保障[5]。

2.5 以運行速度指導線形設計

公路互通式立交平面線形設計的復雜性不言而喻，想要保證其設計合理性，設計人員要考慮車輛的運行速度等因素，在實際駕駛過程中，駕駛員往往會選擇在不違反有關規定的情況下以較高速度通行，因此進行取值的時候，不需要選擇行駛速度的極值。換而言之，在同一個匝道不同路段中，不同車輛的實際運行速度總是可能偏離匝道的設計速度，設計人員必須考慮到這一問題，避免設計速度低于車輛的實際運行速度，確保匝道線形指標的合理性，避免不必要的安全事故。比如在設計B型喇叭立交的內環匝道時，該內環匝道緊靠高速公路的出口，如果主線設計速度為100 km/h，匝道的設計速度為40 km/h，則該匝道的最小內環圓曲線半徑為60 m，在按照有關要求將減速車道長度設定為125 m、過渡段的緩和曲線長度Ls以40 km/h的準取最小值35 m的情況下，車輛在進入緩和曲線及圓曲線路段以后，很難按照預計情況完成減速，車輛的實際行駛速度可能會超出40 km/h，進而帶來一定的安全風險。為避免這一問題，設計人員需要結合道路的具體情況，對車輛減速所需要的路程進行計算，并對緩和曲線長度進行增加，同時延長減速車道段匝道第一段線元至楔形端以后，為駕駛員提供足夠的時間進行減速和前方道路辨識，降低出現安全事故的概率[6]。

2.6 線元長度的3 s行程要求

公路互通式立交平面線形設計的復雜性體現在許多方面，除了要考慮上述幾方面設計要點，設計人員還需要考慮到線元長度的3 s要求。車輛在曲線路線行駛的情況下，駕駛員需要頻繁調整方向盤，在曲線長度過短時，駕駛員就必須快速地完成方向盤的操作，這可能會提升車輛離心加速度，給乘客帶來極其不舒適的體驗，如果此時車輛的行駛速度非常快，那么駕駛員和乘客的生命安全將受到威脅。根據實際工作經驗來看，駕駛員往一個方向轉動方向盤至少需要3 s，因此在進行線元設計時，緩和曲線的長度至少應滿足3 s行程的要求。另外，直線及圓曲線上的行車雖然不用轉動方向盤，但是為了避免車輛安全事故，線元中直線和圓曲線的長度一般也不應小于3 s行程要求。

2.7 匝道各線元參數的均衡設計

匝道是公路互通式立交平面線形設計的重中之重，其線元參數除了要考慮3 s行程的要求，還需要具有取值均衡的特點，否則公路互通式立交平面線形設計效果可能會大打折扣。第一，要保證運行的連續協調。匝道線元參數的取值是否合理，會影響到車輛的運行情況，在線形指標較高時，駕駛員傾向于采用較高的速度行駛，其發現前方道路條件復雜的時候，會進一步集中注意力控制行駛速度，發生安全事故的可能性比較高，因此設計人員必須根據不同類型匝道的實際情況，合理進行線形參數的取值，保證駕駛的連續性與協調性。第二，要保證駕駛操作及視覺的連續。匝道的平面線形非常多樣化，結合不同的實際條件，設計人員可以采取單曲線、S形曲線、卵形曲線、復合曲線等曲線形式，但是無論選用哪種曲線形式，都必須以保證駕駛操作的連續性為出發點[7]。比如在S形曲線中，一般要求反向曲線間的兩個回旋線參數宜相等或相近，兩參數之比一般不宜大于2；而在卵形曲線中，則要求大小圓曲線半徑之比一般不宜大于5，只有這樣才能避免駕駛操作和視覺中斷的問題，確保公路互通式立交平面線形設計的安全性。特別需要提到的是，目前有一部分設計人員習慣于采用僅滿足匝道設計速度要求的緩和曲線長度，在長圓曲線兩側設置短緩和曲線，或使用短緩和曲線與長直線相接，這樣的設計思路會影響駕駛的連續性，不符合公路互通式立交平面線形設計的基本要求，在今后的工作中，必須杜絕類似設計問題。

2.8 匝道分合流漸變率m設計

根據公路互通式立交平面線形設計的有關要求，直接式的變速車道應滿足一定的漸變率m的要求，其中m指的是車輛行駛的橫向偏移率，在m值過大的情況下，車道的漸變過慢，一是可能會導致減速車道無法識別的問題，讓一些主線直行車輛誤入減速車道，影響到正常通行，一些需要轉彎的車輛卻意識不到減速車道的存在，未能及時減速行駛；二是可能導致車輛流出過慢等問題，主線連接部的長度只能隨之延長，整體的工程量會大幅度增加，不符合公路互通式立交平面線形設計的經濟性要求，因此在今后的設計工作中，必須確保直接式變速車道滿足漸變率要求。

3 結語

公路互通式立交平面線形設計的復雜性不言而喻，設計人員應根據實際建設需求，利用先進的設計軟件，通過兩點線元法設計等方法，以運行速度指導線形設計。同時需要遵守線元長度的3 s行程要求，對匝道各線元參數的均衡設計、匝道分合流漸變率m設計等進行優化，提升公路互通式立交平面線形設計的有效性。在今后的工作中，將結合公路互通式立交設計成功案例及實際建設需求，對平面線形設計的具體計算方法、需要注意的設計問題等進行進一步研究。