淺析互通式立交工程的線形設(shè)計(jì)

摘要 互通立交對(duì)道路的無(wú)障礙通行起到了較大的保障作用，其線形設(shè)計(jì)也得到了眾多專家和學(xué)者的共同關(guān)注。互通立交匝道存在三岔式、四岔式等基本形式，實(shí)際工程的選擇是基于交通流量、通行能力和線形設(shè)計(jì)等方面，同時(shí)還需要從預(yù)測(cè)交通量增長(zhǎng)、匝道口優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面對(duì)互通立交的安全通行進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。根據(jù)實(shí)際互通立交項(xiàng)目，文章詳細(xì)分析了主線設(shè)計(jì)和匝道設(shè)計(jì)，同時(shí)針對(duì)規(guī)范中的相關(guān)要求進(jìn)行了針對(duì)性的分析和優(yōu)化研究。

關(guān)鍵詞 互通立交；匝道設(shè)計(jì)；合流路線；分流線形

中圖分類號(hào) U412.352.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）08-0029-03

0 引言

由于高速公路是封閉性質(zhì)的，因此高速公路穿越某一區(qū)域?qū)ν饨缃煌o(wú)任何影響，只是在出入口方向會(huì)對(duì)周圍產(chǎn)生影響。因此應(yīng)采取針對(duì)性的設(shè)計(jì)措施，確保互通式立交的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的現(xiàn)實(shí)意義。由于互通式立交占地面積較大，造成其基建工程量、造價(jià)成本較高，且對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，因此互通式立交的設(shè)計(jì)需要綜合考慮道路通行情況、周圍環(huán)境限制和互通式立交的重要程度，確保匝道和主線交通流能夠有效地合流、分流，保證通行安全和交通順暢[1]。由于互通立交的交通流量、通行能力和線形設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，目前主要存在三岔式和四岔式兩種互通立交形式。互通立交線形的安全評(píng)價(jià)分析需要綜合考慮交通流量增長(zhǎng)和匝道口的優(yōu)化設(shè)計(jì)，依托于某互通立交項(xiàng)目，主線設(shè)計(jì)和匝道線形設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其是匝道分流、合流的曲線半徑、縱坡坡度對(duì)匝道設(shè)計(jì)的影響。下述就互通式立交工程的線形設(shè)計(jì)展開研究。

1 互通式立交匝道選型標(biāo)準(zhǔn)

1.1 互通式立交基本形式

從結(jié)構(gòu)形式上看，互通式立交分為三岔式和四岔式兩種。

1.1.1 三岔式互通立交

從結(jié)構(gòu)上分析，三岔式互通立交分為喇叭形、半直連式T形和Y形，具體如下。

（1）喇叭形。根據(jù)主線左轉(zhuǎn)彎出口的相對(duì)位置，喇叭形互通立交可以分為A型和B型，其中A型前置于跨線橋，B型后置于跨線橋，在一定方向上通過(guò)匝道滿足車輛的通行需求。由于環(huán)圈式的匝道的線形較差，會(huì)在一定程度上增加行車距離、降低行車速度，適用于交通通行量不大的互通立交[2]。

（2）半直連式T形互通立交。半直連式T形互通立交適用于交通流量較小的互通立交，優(yōu)點(diǎn)是在不同的規(guī)劃上較為清晰，但是在主線和匝道長(zhǎng)度的控制上優(yōu)勢(shì)不明顯。

（3）Y形互通立交。Y形互通立交在交通流量較大的樞紐式立交有較強(qiáng)的實(shí)用性，且支持左轉(zhuǎn)彎車輛的高速通行，在縮短行車路徑的同時(shí)大大提高道路的通行能力，需要正線行車道預(yù)留一定的分流車道距離，且在一定程度上增加了左轉(zhuǎn)車輛匯入車道的困難。

1.1.2 四岔式互通立交

從結(jié)構(gòu)上而言，四岔式互通立交主要分為菱形、苜蓿葉形和環(huán)形三種形式，以下進(jìn)行詳細(xì)分析。

（1）菱形互通立交。菱形互通立交給主線車輛提供良好的行車條件，縮短車輛行駛路程，且在主線下穿段可通過(guò)匝道坡度優(yōu)化設(shè)計(jì)提高行車速度，但是對(duì)于匝道和次要交通線的通行能力有所影響，適用于小交通量的互通立交[3]。

（2）苜蓿葉形互通立交。苜蓿葉形的互通立交設(shè)計(jì)，對(duì)于左轉(zhuǎn)彎采用環(huán)圈式設(shè)計(jì)，消除了車輛通行過(guò)程中的沖突點(diǎn)，能夠在較大程度上保障車輛安全，適用于左轉(zhuǎn)彎交通量較小的立交。

（3）環(huán)形互通立交。從結(jié)構(gòu)上分析，環(huán)形互通立交分為2層或3層兩種結(jié)構(gòu)。優(yōu)勢(shì)較為明顯，結(jié)構(gòu)布局得到較大程度的優(yōu)化，不僅明確了轉(zhuǎn)彎車輛的行駛方向，同時(shí)提高了道路的通行能力。

1.2 匝道選型標(biāo)準(zhǔn)

匝道的選型設(shè)計(jì)需要綜合考慮交通流量、通行能力和匝道線形設(shè)計(jì)。

（1）交通流量。交通流量考慮小時(shí)交通流量，用來(lái)評(píng)價(jià)匝道通行能力，計(jì)算公式如下式所示。

V=ADT×K×D （1）

式中，V——單位時(shí)間內(nèi)交通流量；ADT——預(yù)期交通流量；K——單位時(shí)間內(nèi)交通量系數(shù)；D——匝道方向的不均勻系數(shù)。

（2）通行能力。匝道的通行能力需要綜合考慮單、雙車道、交織路段長(zhǎng)度、出入口長(zhǎng)度等因素，從而根據(jù)路段情況確定其通行能力，完成匝道通行能力的統(tǒng)計(jì)分析。目前為了實(shí)現(xiàn)主線道路與匝道質(zhì)檢的分流和回流，多通過(guò)增設(shè)變速車道、減小行車速度和縮短匝道半徑的方式。另外關(guān)于匝道出入口的車輛通行能力，還應(yīng)考慮單車道車流量和流向等因素，綜合車輛行駛距離、橫向凈空等確定匝道寬度和橫坡，最大限度地提高匝道通行能力。

（3）線形設(shè)計(jì)。從道路線形組成上分析，匝道線形包括直線、圓曲線和回旋線，因此在線形設(shè)計(jì)階段需要綜合考慮匝道坡度。關(guān)于匝道的設(shè)計(jì)時(shí)速如表1所示。

為了確保互通立交的通行安全，最根本的原則是需要確保路、車協(xié)調(diào)[4]，針對(duì)匝道設(shè)計(jì)提出如下的優(yōu)化對(duì)策。

2.1 預(yù)測(cè)交通量

交通流量的預(yù)測(cè)，是匝道線形設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，在交通流量科學(xué)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，區(qū)分主次匝道的設(shè)計(jì)。由于主次匝道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、交通流量不同，因此針對(duì)性地進(jìn)行區(qū)分設(shè)計(jì)，主匝道采用較高標(biāo)準(zhǔn)以確保車輛快速通過(guò)，次匝道采用相對(duì)低標(biāo)準(zhǔn)以滿足車輛通行情況下造價(jià)成本的節(jié)省。

在匝道的線形指標(biāo)和交通流量之間的協(xié)調(diào)性得到初步滿足的基礎(chǔ)上，同時(shí)需要考慮相鄰匝道的線形指標(biāo)的協(xié)調(diào)性。由于車輛在通行過(guò)程中需要通過(guò)多條匝道完成交通通行，需要確保相鄰匝道線形指標(biāo)的協(xié)調(diào)和均衡，否則將會(huì)對(duì)車輛行駛的連續(xù)性造成影響，甚至影響車輛通行安全。

2.2 匝道端口優(yōu)化

主線和匝道的出入口是交通事故的多發(fā)點(diǎn)，主要分為匯流點(diǎn)事故和分流點(diǎn)事故。具體事故類型如圖1所示。

（1）車道數(shù)的平衡。互通立交的匝道設(shè)計(jì)過(guò)程中，車流存在由匝道匯入主線、從主線駛?cè)朐训赖那闆r，匝道車道數(shù)與主線車道數(shù)的均衡和協(xié)調(diào)則能在較大程度上確保車流駛?cè)搿Ⅰ偝鲋骶€時(shí)的安全[5]。

（2）匝道變速車道長(zhǎng)度。匝道變速車道長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)，需要綜合考慮匝道的通行能力、通行安全和工程造價(jià)。關(guān)于匝道變速車道長(zhǎng)度，每個(gè)國(guó)家的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并不完全統(tǒng)一，需要綜合考慮人口密度、車輛數(shù)量和通行安全。根據(jù)國(guó)內(nèi)外規(guī)范和交通事故調(diào)查分析，美國(guó)匝道變速車道長(zhǎng)度高于中國(guó)和日本匝道變速車道長(zhǎng)度，這也是美國(guó)匝道安全事故率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中國(guó)和日本的原因，體現(xiàn)了匝道變速車道長(zhǎng)度對(duì)通行安全方面的保障作用。

在匝道優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮車道數(shù)的平衡和變速車道的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，以下進(jìn)行詳細(xì)分析。

3 工程概況

某互通立交處于兩條高速公路的交叉點(diǎn)，共設(shè)置5條匝道，匝道設(shè)計(jì)時(shí)速為60.0 km/h，其中A匝道（l =670.335 m，W=16.5 m）、B匝道（l =489.205 m）、C匝道（l =955.855 m）、D匝道（l =755.736 m）、E匝道（l =841.132 m）。

4 主線及匝道設(shè)計(jì)

4.1 主線設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)組成上，主線線形包括直線、圓曲線和回旋線組成，以下進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)分析。

（1）直線設(shè)計(jì)。首先在CAD中輸入起點(diǎn)坐標(biāo)（xa，ya），根據(jù)直線的方向從而確定起點(diǎn)方向，結(jié)合路線走向選擇下一點(diǎn)，即完成直線設(shè)計(jì)。

（2）圓曲線設(shè)計(jì)。首先根據(jù)直線設(shè)計(jì)的過(guò)程設(shè)計(jì)圓曲線，起始點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為（xb，yb），終點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為（xe，ye），在圓上任選一點(diǎn)（xi，yi），即可得到任一點(diǎn)的坐標(biāo)公式如下式所示。

式中，（x0，y0）——圓心坐標(biāo)；α——起點(diǎn)切線方向角；θi——偏轉(zhuǎn)角度；r——圓半徑。

（3）回旋線設(shè)計(jì)。完整回旋線的設(shè)計(jì)，需要參考直線和圓曲線的設(shè)計(jì)步驟，根據(jù)“正環(huán)完、反緩?fù)辍钡牟襟E，此時(shí)需要將偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，不得超過(guò)1.5π。

（4）主線組合設(shè)計(jì)。由于主線包括直線、圓曲線和回旋線，因此線形設(shè)計(jì)需要考慮三種線形的組合。軸線需要確認(rèn)兩種線形連接點(diǎn)的曲率和切線，首先需要確定起點(diǎn)的坐標(biāo)和切線方向，然后根據(jù)路線布局確定一點(diǎn)，選擇圓曲線；再次根據(jù)路線布局確定方向完整緩和曲線；最后根據(jù)回旋線，沿著切線方向確定直線，即可完成直線組合線形的設(shè)計(jì)[6]。

4.2 匝道設(shè)計(jì)

4.2.1 緩和曲線A值選擇

根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）中路線設(shè)計(jì)要求，回旋線的參數(shù)應(yīng)在R/3≤A≤R的范圍內(nèi)確定。

式中，A——回旋曲線的參數(shù)（m）；R為相鄰圓曲線半徑（m），關(guān)于R與A之間的關(guān)系，參考如下：

①R接近100 m時(shí)，選擇A=R；②R小于100 m時(shí)，選擇A≥R；③當(dāng)R接近于3 000 m時(shí)，選擇A=R/3；④當(dāng)R大于3 000 m時(shí)，選擇Alt;R/3；⑤當(dāng)100 m＜R＜3 000 m，選擇R/3≤A≤R。

從上述規(guī)范可以發(fā)現(xiàn)，A值可以選小于100 m。對(duì)于A值的設(shè)計(jì)，需要同時(shí)考慮匝道回旋線參數(shù)和回旋線長(zhǎng)度的要求，具體要求如表2所示。

4.2.2 S形曲線線形設(shè)計(jì)

關(guān)于S曲線線形設(shè)計(jì)，根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）關(guān)于線形設(shè)計(jì)的要求，相鄰回旋線參數(shù)A1、A2應(yīng)保持一致；另外S曲線的兩條圓曲線半徑比值不宜過(guò)大，R1、R2的比值不能超過(guò)2.0，S形曲線的組合如圖2所示。

在互通立交工程的匝道設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于匝道的布設(shè)相對(duì)集中，加上周圍環(huán)境限制因素較多，如果完全按照R1、R2比值不超過(guò)2.0進(jìn)行控制相對(duì)比較困難。因此，在滿足視距要求并滿足安全要求前提下，R1、R2的比值應(yīng)按照1.0～3.0進(jìn)行控制。

4.2.3 卵形曲線線形設(shè)計(jì)

卵形曲線也是互通匝道線形設(shè)計(jì)中的常選線形，R1、R2的比值對(duì)匝道線形影響較大。根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）要求，相鄰圓曲線半徑R1、R2比值以控制在0.2～0.8范圍內(nèi)，圓曲線與回旋曲線相接圖如圖3所示。

4.3 匝道分、合流段線形設(shè)計(jì)

關(guān)于匝道平面線形需要考慮車道駛出、匯入的速度的協(xié)調(diào)適應(yīng)程度，同時(shí)應(yīng)綜合考慮各方向匝道的交通流量分布情況，對(duì)于主要方向的匝道采取較高的線形指標(biāo)，次要方向的匝道可采取相對(duì)較低的線形指標(biāo)；駛出匝道的行駛速度多高于流入匝道的速度，因此流出匝道的線形采用較高的線形指標(biāo)。同時(shí)對(duì)于分流、合流處在設(shè)計(jì)線形滿足要求的情況下，應(yīng)綜合考慮通視條件[7]。

根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）規(guī)范對(duì)分流匝道的曲線曲率進(jìn)行了嚴(yán)格要求，具體數(shù)據(jù)見表3。

為了有效控制合流、分流處的行車速度，對(duì)于合流、分流處的最大縱坡也進(jìn)行了限制分析，具體要求見表4。

根據(jù)表3～4可以發(fā)現(xiàn)，匝道分流線形要求高于合流線形要求，分流匝道大半徑的緩坡或者上坡匝道對(duì)于行車安全更有利。

5 結(jié)論

互通立交線形的設(shè)計(jì)，尤其是匝道線形設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮各種影響因素、匝道與主線速度協(xié)調(diào)、坡度滿足速度控制要求，同時(shí)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，方能確保互通立交線形滿足通行功能，而且線形適應(yīng)地形，還能夠最大程度地保障合流、分流協(xié)調(diào)，提高匝道的通行能力。基于互通立交匝道選型標(biāo)準(zhǔn)的研究，該文詳細(xì)分析了三岔式和四岔式互通立交的基本形式，并通過(guò)交通量和匝道口的優(yōu)化對(duì)互通立交線形的安全進(jìn)行了分析，依托于某互通立交項(xiàng)目，分析了項(xiàng)目的主線和匝道設(shè)計(jì)，重點(diǎn)針對(duì)匝道緩和曲線、S形曲線、卵形曲線以及匝道分流合流的平縱線形設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，希望對(duì)于來(lái)類似項(xiàng)目有所借鑒。

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