浅析高速公路互通立交设计

2016-08-10婷刮俊韦刚雷明轩中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安公路研究院

大陆桥视野 2016年10期

张婷刮俊韦刚雷明轩/.中交第一公路勘察设计研究院有限公司 .西安公路研究院

浅析高速公路互通立交设计

张婷1刮俊2韦刚1雷明轩1/1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司 2.西安公路研究院

【摘要】互通立交在高速公路中处于十分重要的地位，其平纵面设计更是影响互通通行能力与服务水平的重要因素。本文旨在通过一些实例，来研究设计中如何灵活运用平纵设计指标，用最低的造价设计出通行能力与服务水平较高的互通立交，为互通立交设计人员提供参考。

【关键词】互通立交；平纵面设计；通行能力；服务水平

一、背景

高速公路的兴起标志着我国经济建设持续、稳定、快速发展的成就，互通立交的产生则标志着人们对道路交叉认识上得飞跃，即道路交叉绝不是道路偶然相交形成的建议道口，而是处理和组织交通运行手段的必然产物。

作为高速公路出入口的互通立交是高速公路的门户，只有通过这些互通立交才能出入高速公路。因此，互通立交是一条高速公路上起着吞吐交通流量的作用，而交通流量的大小又直接关系到修建高速公路的经济效益。互通立交还起着梳理及控制车流的作用，通过高速公路出入口的互通立交使全部车流渠化。由此可见，互通立交在高速公路中处于十分重要的地位，因此，做好互通立交设计至关重要。

二、互通立交设计的原则

1.根据沿线路网现状以及远景规划，结合交通量预测分析，合理确定互通立交的布设位置与型式，满足交通流快速转换的需求。

2.在满足功能需求的前提下，应灵活掌握线形指标，尽可能利用地形布设匝道，以免对山体造成大面积开挖。

3.注重立交造型，线形尽量流畅，尽量避免匝道间的交织，以使交通路线清晰、造型美观、大方。

4.重视环境景观、绿化、美化设计，互通立交的布设与周围的地形、地貌相结合，坡面修饰、绿化等与周围的地貌、植被相协调，与周围的自然景观浑然一体。

三、互通区主线平纵面指标的选用

互通区主线平纵面指标规范规定是从主线辨识出入口，保证匝道与主线之间车流平稳汇入和流出角度考虑的，是硬性、确保安全的指标，但多数指标规范规定的值比较大，有一些指标属于好中求好指标。

表1　互通式立体交叉范围内主线的线形指标

注：当主要公路以较大的下坡进入互通式立体交叉，且所接的减速车道为下坡，同时，后随的匝道线形指标较低时，主要公路的纵坡不得大于括号内的值。

互通区主线竖曲线半径规范规定值都很大，有一些极限最小值也大于规范中对视觉所要求的半径值，例如主线设计速度为120km/h的凸形竖曲线半径值，该指标在一般情况下为降低工程规模建议采用略大于极限值，特殊情况下可考虑采用极限最小值。

互通区主线分流鼻之前应保证判断出口所需的识别视距。条件受限制时，识别视距应大于1.25倍的主线停车视距，即驾驶者能看到分流鼻端标线（物高为0）所需的距离。该要求是为防止误行、避免撞及分流鼻而设定的。规范规定值很大，有时条件受限的视距也大于规范规定的竖曲线极限最小值对应的视距（主线设计速度为120km/h的识别视距为350～460米，1.25倍的停车视距为210×1.25=263米。），属好中求好的指标，设计中首先必须满足竖曲线极限值，确保安全的情况下宜尽量满足1.25倍停车视距的要求。

互通区主线纵坡规范规定值比较小，在受条件限制时，通过灵活设计，避开不安全因素，在保证了行车安全下，合理运用技术指标，使得设计更好地与地形条件相适应（有时虽突破规范，但更利于行车安全，降低工程规模）。以图1为例

图1　立交区主线平纵缩图

如图1所示，互通区主体位于-1.970%纵坡上，仅A、B匝道接入主线纵坡-3.7%处。A匝道驶入高速，入口处为下坡，有利于车辆加速；B匝道驶出高速，出口处为上坡，有利于车辆减速驶出。该处虽突破规范，却对行车安全有利，又大大降低了工程规模，故该设计理念可行。

四、互通匝道平纵面设计

影响互通通行能力的因素很多，概括为道路、交通、管制和其它条件四个方面。道路条件包括车道数、平、纵线形、横断面，平交口形式。交通条件包括交通组成、驾驶员总体特性。管制条件包括道路设施、标志、标线、监控。其它条件有气候、地形、心理因素等。互通由匝道组成，一个标准的单喇叭或半苜蓿叶互通有四条匝道，互通通行能力是匝道通行能力总和。一条匝道一般经历与主线的分合离、匝道车行道、再进入地方被交道三过程，匝道这三部分的运行状态是一个有机整体，只要其中一个环节出现问题，整个互通都将受到影响，因此，匝道的通行能力，由下述三项中的最小值确定：①匝道与主线连接部分的通行能力。②匝道本身通行能力。③匝道与被交路平交口部分的通行能力。

可见，互通匝道平纵面设计，横断面取值，以及匝道流出驶入高速道口的设计则是影响互通通行能力的重中之重。匝道平纵面指标的选用要根据立交在路网中的地位，以及立交的等级，所处地理位置，被交路等级，转向交通量大小以及用地条件等确定。

（一）互通匝道平面设计

匝道的平曲线形要素是直线、圆曲线和缓和曲线，但因匝道通常较短，难以争取到较长的直线段，故多以曲线为主。根据车辆在匝道上行驶轨迹和特点，出入口存在二次减速的过程：主线→端部（对于120km/h设计速度，速度轨迹120→70）；端部 →匝道（设计速度40km/h环形匝道，速度轨迹70→40），为保证行车安全，匝道在平面线形设计中，除了要使得线形指标符合规范要求外，还要注意使平曲线的曲率变化与汽车变速行驶的状态相适应。举例说明一下：

图2 单喇叭立交示意图

图2中D匝道平面线形中，在收费站附近的缓和曲线A-160，与主线连接处的缓和曲线A-75，与车辆行驶速度不匹配；E匝道收费站附近采用指标高，与行驶速度不匹配，且匝道占地规模大；C匝道驶出主线处采用了A-51缓和曲线偏小，不利于车辆二次减速与行车安全；C匝道鼻端设置不合规范，要设置在桥前或者桥后150米处；B匝道接主线处端部位于R-200m圆曲线上，不利于曲线超高过渡。

综上，匝道在平面设计中，一定要顺应车辆的行驶轨迹和速度变化，技术指标逐渐变化。当匝道上设有收费站等交通服务设施时，匝道线形设计应考虑这些设施的用地和保证足够的变速行驶条件。另外还要注意当主线为高架桥时，匝道汇入流出主线处的分流鼻（大鼻端）应布设于主线桥墩处，利于桥梁分联、受力。总之，立交平面设计不仅仅是进行线位设计，还要结合桥梁、路基排水等专业，做到线位符合规范、线条优美，还要使得桥梁结构简单、施工简易，以及路基排水通畅等。

（二）互通匝道纵断面设计

匝道纵坡设计最好一次起伏，避免多次变坡。出口处竖曲线半径应尽量大些，以便误行车要倒车时不致造成危险。入口附近的纵断面设计必须有同主线一致的平行区段，以看清主线上得交通，安全驶入。

1.匝道接坡算法。

匝道的起终点必须与主线平顺连接，分流之前与合流之后匝道的纵段面应与主线保持一致。关于匝道接主线处纵坡的算法，我们长采用以下两种办法：

（1）平均纵坡法

同理求得B′C′段，C′D′段匝道纵坡值i2、i3,之后求取i1、i2、i3的平均值，即可得到匝道小鼻端点A′的纵坡值。该方案中关于L1的取值需注意，宜以≤5m为宜。

在实际项目接坡计算中，考虑到工程类允许误差等因素，将该方案进行简化，只计算一组即上述中其中一段（注意此时l A′B′取值以10m为宜），得出的纵坡值即为接坡点的纵坡值，正数为上坡，负数为下坡。

（2）临界纵坡法

主线的临界纵坡、横坡及匝道的临界纵坡三者之间的关系如下图所示：

以主线的临界纵坡矢量和横坡矢量构成一个平面，主线与匝道分离处，匝道起点的平面线形偏离主线一个α角度，沿匝道方向的灵界纵坡必然也位于此同一平面。假定主线的纵坡为iz，横坡为ic（横坡上升为正，下降为负），匝道与主线的交叉角度为α，可得匝道临界纵坡ix计算公式如下：

2.单喇叭互通错台处接坡算法。

图3　单喇叭立交错台处连接部图

方法一：B、C匝道与A匝道纵坡顺接，即B、C匝道采用与A匝道同一纵坡值。该方法的优点是同一行驶方向纵坡连续，B、C匝道超高独立、连续；缺点是端部高差大，B、C匝道之间存在高差。

方法二： C匝道纵坡由B匝道推算得到，即同上述平均纵坡法计算得到。该方法的优点是B、C匝道之间无高差，但B、C匝道与A匝道同一行驶方向纵坡值不一样，导致纵坡不连续，且因为C匝道超高横坡与B同，导致C匝道超高值偏大。

两种办法各有利弊，但从行车的舒适性与安全性来考虑，方法一优势较为突出，故在一般情况下，应尽量采用方法一。当错台刚好位于桥上时，此时为了桥梁计算方便采用方法二。

3.匝道拉坡中的技巧。

以单喇叭互通中上跨主线的A匝道为例，A匝道设计速度40Km/h，根据规范，匝道纵坡应≤4%。如下图中A匝道采用了两个拉坡思路，拉坡1在跨线桥处线处采用了3%的纵坡值，拉坡2在跨线桥处线处采用了3.9%的纵坡值。“拉坡1”由图4可见，“拉坡1”在保证主线净空的前提下，一方面降低了匝道桥台填土高度，另一方面减少了填方，节约了占地，还为收费站处缓坡争取了长度，有利于收费站处车辆停车缴费。