匝道线形设计与匝道超高设置的探讨

赵 江

(湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008)

通过改革开放特别是近年来的不懈努力，我国公路总量规模实现跨越式增长，到2010年底，全国公路通车总里程达到398.4万km，从改革开放之初的世界第7位跃居第2位;高速公路从无到有达7.4万km，居世界第2位。随着公路网不断完善和交通量的急剧增加，公路交通事故也成级数倍增加，而公路中发生交通事故的几率以高速公路最高。然而在高速公路上，事故频发地段莫过于高速公路立交匝道。据高速交警对连霍高速与京港澳高速上的事故调查统计发现，每年在高速匝道发生的交通事故占总事故的30%以上，这是骇人听闻的数字。本文从探讨影响匝道交通安全因素入手，通过研究汽车在匝道上行驶特性，阐述了匝道线形设计和超高设置的原则。

1 影响高速匝道交通安全的因素

影响出、入口匝道交通安全的因素有:设计因素和交通因素，其中设计因素包含匝道平曲线半径、纵坡度和横坡度;交通因素包含匝道交通量、匝道大型车比例和匝道车辆速度。用数学表达式表示为［1］:

其中:Fdes为设计因素集，Fdes={F(r)，F(j)，F(i)}(F(r)为平曲线半径因素;F(j)为纵坡度因素，%;F(i)为横坡度因素，%);Ftra为交通因素集，)为匝道交通量因素;F(V)为匝道大型车比例因素;F(QH)为匝道车辆速度因素)。

2 汽车在匝道上行驶特性分析

匝道线形与汽车在匝道上的行驶特性密切相关。研究汽车在匝道上的行驶特性，目的是根据行车要求来确定匝道的平面线形，使匝道的平面线形与汽车行驶轨迹相适应，满足行车舒适性和安全性的要求。

2.1 出口匝道

2.1.1 汽车在减速车道段行驶规律

从高速公路分流V0→进入减速车道减速行驶→减速至锲形端V1。如图1为车辆在出口匝道完成车道变换过程。在车道变换过程中，容易发生以下两种情况的追尾事故:由于目标车道内前车较慢，在换车道时由于车速较高而与目标车道内的前车追尾;由于过早制动或者制动加速度过大，使得车辆车速降低过快，导致原车道内后车追尾。

图1 高速公路出口匝道换车道过程

2.1.2 汽车在中间段匀速行驶规律

汽车以V1速度通过锲形端之后进入匝道主体部分，以V1速度匀速行驶。但因减速行驶末速度的大小、驾驶员根据路况所采用的实际行驶速度的差异等因素的影响，常出现变速行驶状态，即由V1减速或加速至入口处V21。在这个过程中，由于车辆减速不及时且平曲线指标降低或匝道超高横坡设置不合理，车辆容易发生翻车事故。

2.1.3 汽车在驶入段的行驶规律

对于收费立交，驶入段即为汽车从匝道主体部分向连接线合流的过程，汽车以V1或V21匀速或变速行驶到连接线入口处减速行驶至收费岛停车缴费，或减速至收费岛允许的速度(ν)通过收费岛(ETC收费车道)。由于匝道和连接线的设计速度一般比较接近，该过程不设加速车道。

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对于不收费立交，驶入段即为汽车从匝道进入正线Ⅱ，汽车从入口处以V1或V21为初始速度加速至合流速度V0'(该速度接近于或等于正线Ⅱ的直行速度)后，在加速车道上横移汇入正线Ⅱ直行车流。

在这个过程中，由于车辆需变换车道，车辆容易发生碰撞或挤撞事故。如图2。

图2 匝道各组成部分事故分布图

2.2 入口匝道

汽车在入口匝道的行驶规律是出口匝道的逆过程。

图3 高速公路入口匝道换车道过程

在这个阶段车辆行驶过程可分为分流减速、匀速或变速行驶以及加速合流行驶三个过程。车辆由低速行驶的匝道进入运行车速较高的主线的阶段，也必须完成车道变换，如图3为入口匝道换车道过程。低速行驶的车辆为了不影响主线行车，需要从匝道末端及加速车道内完成加速过程，并在加速车道中某一合适位置汇入主线车道，由于从出口匝道驶出的车辆运行速度相对主线车辆来讲还比较低，所以在车流汇流过程中，当前车道内的目标车与目标车道内的前车追尾的可能性较小，但在这个过程中，容易发生以下两种碰撞事故:由于目标车在汇入主线车道内的车速相对较低，在换车道时被目标车道内车速较高的后车追尾发生碰撞;由于主线车流量较大，使得在车道变换过程中出现减速甚至停车等待情况，目标车辆在车道变换过程中与原车道的后车挤撞追尾。

2.3 出、入口匝道安全评价

据统计，在1997年至2006年期间，哈大高速公路出入口匝道共计发生交通事故145起，其中，发生在出口匝道共103起，占事故统计总数的71%，其中分流点处的事故共有 48起，占事故总数的33%，占出口匝道事故总数的47%;入口匝道事故为42起，占事故统计总数的29%，其中合流点处的事故仅9起，占事故统计总数的6%，占入口匝道事故总数的21%。

从以上数据可以看出，出口匝道事故数明显高于入口匝道事故数，而且出口匝道的事故主要集中于分流点处，而对于入口匝道，其所占事故数的比例相对较低，合流点并不是入口匝道发生的主要地点。

3 匝道平面线形设计

3.1 出口匝道

3.1.1 V0－V1减速行驶过程

根据调查发现，匝道交通安全事故大部分发生在这个过程中，而且多为恶性事故，它主要是由于车辆在车道变换过程中因减速不及、减速车道的起点不容易辨别、减速车道长度不够或出口附近的曲率半径不能满足要求。减速车道起点不容易辨别建议采用流行减速车道设计方法，尽量不要采用传统的减速车道设计方法，因为传统减速车道设计方法有减速车道不易辨认的缺陷，而流行减速车道设计方法减速车道起点明确，渐变段可根据需要确定;匝道设计时应保证减速车道有足够的减速长度，这里应注意的是《公路路线设计规范》上规定的减速车道长度为最小值，而非定值;在出口处应尽量采用较大的曲率半径，表1为分流端处应满足路规要求的最小曲率半径值。

表1 分流端最小曲率半径［2］

如果汽车行车速度在分流端之前能降到匝道的设计行车速度或之下，匝道中间段的事故率也会大大减少，因此该段的线形设计是否合理是出口匝道线形设计的关键。汽车在减速车道上从V0减速至V1，至匝道允许最低速度V21，然后减速(收费立交)或加速至V0'(不收费立交)。整个过程速度变化是不均衡的变化，因此比较理想的匝道平面线形是在V0－V1区段采用非对称的曲率变化率连续的线形，条件允许时，分流点前减速车道平面线形应尽量采用和主线线形一致。对于直连和半直连匝道以及环形匝道可以采用单曲线、凸形曲线、卵形曲线等，其中环形匝道还可采用水滴形和三心圆式复曲线的平面线形。

3.1.2 V1－V21匀速或变速行驶过程

该区段的平面线形主要是适应超高变化设置和适应匝道车速变化，满足匝道行车舒适、安全要求。至于采用何种组合形式都是可行的，比如单元曲线、卵形曲线和S形曲线等。对于环形匝道，一般可采用一段较长的回旋线，考虑到载重汽车在分流端前可能减速不充分，一些研究提出，在出口和环形匝道圆弧之间可设置一组参数逐级递减的三级复合回旋线，即“制动曲线”，它对变速中的曲率过渡有较好的吻合性。

3.1.3 V21－V'0加速行驶过程

在这个过程中，汽车如果在匝道上过早地加速，容易在入口附近造成减速不及而引起追尾事故。因此在此区段反向曲线(或同向曲线)之间不宜采用较长直线或大半径平曲线连接。

3.2 入口匝道

入口匝道事故发生率较出口匝道低，可也不能忽视。设计人员在设计中往往容易忽视入口端曲率半径的限制，驶入角较大，曲率半径较小。如果通视条件又不好的情况，汽车容易过早汇入高速主线直行车流，导致与直行车流发生碰撞事故。通过对汽车在入口匝道的行驶状态的分析可知，入口匝道的汽车行驶规律事实上是出口匝道的逆过程，因此入口端应尽量采用大半径曲线或直线，其曲率半径应尽量不小于分流鼻端曲率最小半径值。

4 匝道超高的设置与平面线形之间的关系

根据力学定律，汽车在曲线上行驶的基本公式为［3］:

式中:i为匝道横坡度;V为匝道设计速度;R为匝道圆曲线半径;μ为横向摩阻力系数，一般情况下，当匝道设计速度 V≥40 km/h时，μ=0.10～0.15;当 V ＜40 km/h 时，μ =0.15 ～0.12［4］。

由上式可以看出，公路平面线形设计是以速度和曲率的相应关系以及这二者与超高和横向摩阻力之间的联系为根据。合理地超高设置，可以提高汽车行驶在曲线上的稳定性与舒适性。

4.1 出口匝道

汽车从高速路分流减速至分流端，进入匝道，车速从 V0→V1→V21，一般 V1≥V21，在减速车道段，汽车从高速不断减速的过程，减速车道应尽量选择在直线段或大半径曲线段，其平面线形应尽量与主线保持一致，从驶入端到分流端匝道超高尽量保持与主线一致。当受地形条件限制，减速车道位于较小半径的曲线外侧时，分流端匝道线形一般是采用S形缓和曲线过渡，这时主线超高和匝道主体部分超高趋势正好相反，如果维持分流端线形与主线一致，势必导致匝道长度增加，造价提升，因此在减速车道部分就进行超高过渡，但分流端点处主线与匝道的横坡代数差不宜过大，应小于6%。

4.2 入口匝道

从汽车在出、入口匝道行驶状态可知，入口匝道是出口匝道的逆过程。入口匝道在汇流端处应保证有较大的曲率半径，在加速车道段的横坡尽量保持与主线一致。设计当中由于汇入端点曲率半径偏小，汇入角偏大，往往导致在汇流端点的超高横坡值较大，超高过渡还要利用一段加速车道才能渐变至和主线横坡一致。经相关调查研究表明，在大部分的车流在加速车道1/3～2/3的区段就已经汇入了主线车流，因此如果该段出现加速车道横坡与主线不一致，就会导致汇入车辆行车不舒适性，不利于车流合流。若受地形条件限制，加速车道位于较小半径的曲线外侧时，在汇流端点处超高变为外倾1%，汇流端点横坡代数差＜6%。

5 工程实例

湖南龙山至永顺高速公路项目在永顺县北侧k76～k77处设永顺互通，连接永顺县城上下高速公路的交通量，同时它也是龙永高速公路转换交通量最大的互通。它所处位置地形、地物条件以及地质条件复杂，匝道桥梁比重很大，占匝道总长53.4%。

如图4为永顺互通方案图。互通为B型单喇叭方案，A匝道上跨龙永高速公路，内环B匝道最小半径为50 m。为适应流出主线，进入内环匝道车辆速度变化和视距要求，B匝道分流点设置于A匝道跨线桥之前，减速车道长度为114.2 m，平曲线半径采用R=2 800 m大半径曲线，且保持与主线相同横坡。考虑到分流点处车辆实际速度未达到内环匝道设计速度，因此分流鼻后保持了一段路线线形与减速车道一致，随后采用卵形曲线，通过一段L=71 m的缓和曲线连接内环曲线，使线形和横坡变化更好地适应车辆行驶状态变化，同时在增加较少用地和工程量情况下，增加了内环匝道的拉坡长度，降低了纵坡度和合成坡度。

图4 永顺互通方案图

A、D、E匝道中桥梁占匝道长度49.8%，D匝道桥梁总长占匝道长度96%，E匝道桥梁长度占匝道长度93.4%。其中，A匝道跨线桥桥型结构复杂，以裤衩结构与 D、E匝道桥梁相接，长度大，约760 m，最大桥墩高度达17 m，受主线标高和地形条件限制，匝道桥梁段纵坡较大。考虑到车辆在匝道桥梁上行车和施工安全，以及冬季结冰的问题，匝道线形设计利用地形布线，尽量采用简单的线形组合，较大平曲线半径，减小匝道超高横坡度和合成坡度。通过优化，最小曲线半径为350 m，最大纵坡为4%，最大超高为3%，最大合成坡度为5%。D匝道为流出直连匝道，根据主线标高，利用山体布线，该减速车道位于S型缓和曲线外侧，设计采用直线流出，分流鼻后设置一段较长的大半径平曲线，在与A匝道合流处设置一段半径为150 m卵形曲线满足横坡变化，最大纵坡度为2.68%，最大超高横坡为6%，最大合成坡度为6.07%。为保证当地水系畅通，E匝道也采用桥梁方案，最小平曲线半径为160 m，最大纵坡为1.1%，最大超高横坡为5%，最大合成坡度为5.12%;在合流鼻处为 R=420 m，合流角 6.7°，加速车道段保持与主线横坡一致。

6 结束语

综上所述，笔者认为，匝道设计应结合地形、地物条件和构造物设置情况，从匝道交通安全出发，充分考虑平面线形、纵坡度和横坡度的组合因素影响，线形设计和平曲线指标的选择应服从车辆在匝道上行驶状态变化，使匝道平纵横达到一个最佳组合，确保车辆行驶安全。当纵坡度较大情况下，应尽量采用较大曲线半径，减小横坡度;当所采用的平曲线半径较小，超高横坡较大时，在有条件情况下，尽量利用地形布线，在对工程量增加不多的情况下，尽量增加匝道长度，减小纵坡度。另外在匝道桥梁路段，由于平曲线半径一般较小，应充分考虑冬季结冰情况，优化线形设计，尽可能采用较小横坡曲线组合，并减少横坡反复变化次数。

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