壶柄式U形匝道在公路改扩建工程中的应用

张 利

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

近年来社会经济的快速发展对交通需求的日益增加，国省干线公路升级改造的步伐也在逐渐加快，国省干线经升级改造后，线形指标得到较大改善，运行速度显著提高。运行速度的提高要求我们要更加重视公路各组成部分的细化设计，以确保车辆运行顺适、安全。平面交叉口作为干线公路重要的组成部分和交通转换的重要节点，合理的布置形式，科学的交通组织有利于提高干线公路整体通行能力以及安全性。

1 常用壶柄式U形匝道的布设方案

壶柄式U形匝道主要解决大型车辆掉头时转弯半径不足的问题，常见壶柄式U形匝道分为两种，即A形壶柄式（如图1）和B形壶柄式（如图2）。A形壶柄式匝道由公路左侧流出，经U形匝道完成车辆掉头后车辆进入主线；B形壶柄式直接由公路右侧车道流出，在U形匝道上完成车辆掉头后，车辆驶回主线。A形壶柄式在同向车道不存在交通冲突点，只存在交通分流问题，对同向车辆影响较小，但是在对向车道存在交通冲突点，对对向车辆运行影响较大；B形壶柄式在同向车道存在交通冲突点，对同向车辆产生较大的影响，但在对向车道不存在交通冲突点，只存在车辆合流问题，对对向车辆运行影响较小。

2 壶柄式U形匝道的线形参数与交通组织

图1 A形壶柄式U形匝道

图2 B形壶柄式U形匝道

壶柄式U形匝道的设置主要是解决大型车辆掉头时转弯半径不足的问题，因此，壶柄式U形匝道以通行大车为主；同时，因存在交通冲突点以及车辆汇流等问题，车辆整体行驶速度较低，综合以上因素，结合《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)[1]第10.4条转弯设计10.4.2（2）“左转弯曲线的行驶速度采用5～15 km/h。”和“第10.4.3条，表10.4.3路面内缘的最小半径”的规定，壶柄式U形匝道的设计速度在起点处可以适当减小，但不宜低于20 km/h所对应的线形参数，在合（分）流处，曲线半径应适当增大，不宜低于主线设计速度的70%所对应的线形参数。由于U形匝道以通行大型车辆为主，且线形参数相对较低，因此应优先采用三类加宽。

壶柄式U形匝道微循环系统作为一种非常规的平面交叉口解决方案，良好的交通组织是其正常高效运行的关键。在平面交叉口范围内应设置清晰的、简单明了的引导标线和标志对过往车辆进行引导，在U形匝道起点处应根据交通量的大小设置停车让行标志或采用信号灯控制以确保车辆安全有序地运行。

3 壶柄式U形匝道的通行能力分析

壶柄式U形匝道的实质是利用微循环减少或者消除平面交叉中的冲突点。但是，使用微循环进行交叉口交通流的转换必然增加车辆绕行距离，同时，受U形匝道线形指标的限制，车辆运行速度也会受到一定的影响。因此，这里分析在一定的时间内车流通过U形匝道完成交通转换的数量与常规平面交叉口通行能力进行对比，分析壶柄式U形匝道微循环在实际应用中的可行性和合理性。

由于采用壶柄式U形匝道微循环后，车辆通过交叉口不需停车等待（假设U形匝道掉头处车流较少，掉头车辆无需停车等待），因此单位时间内的左转车道通行能力主要受车辆运行速度v和绕行距离L的影响。根据《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）对平面交叉口范围内转弯车辆及直行车辆运行速度的要求，将车辆运行状态分为3段（如图3所示）：直线段长度L1，速度为v1；U形匝道长度为L2，速度采用v2；右转弯长度为L3，速度采用v3，根据车辆通过U形匝道完成转向行驶的总长度为L1+L2+L3，平均速度v采用各段速度的加权平均值，由式（1）计算：

同时假设车辆有序、不间断运行。车辆绕行距离的确定是根据选择的U形匝道的布设位置，及U形匝道本身采用的参数确定。

图3 壶柄式U型匝道微循环运行路径图

采用上述形式的壶柄式U形匝道的通行能力[2]CS计算采用式（2）：

式中：t为驾驶人最小反应时间，一般取1.2 s；a0为安全距离，一般取510 m；a1为车身长度，一般取5 m（小型车）；a2为制动距离，计算公式如式（3）：

式中：β为路面与轮胎之间的附着系数，取0.7；φ为道路阻力系数，φ=f±i；f为路面滚动系数；i为道路纵坡。

壶柄式U形匝道构成的微循环是一种新的交通组织方式拥有自身特有的优势，而常规平面交叉依然是最常用的交通转换形式，因此，本文研究壶柄式U形匝道与设有左转弯专用信号的平面交叉的通行能力。假设某一平面交叉采用信号控制，且设有左转弯专用信号，左转弯专用车道为单车道，且左转弯车辆有序、不间断运行，则有平面交叉范围内一个方向左转弯车道的通行能力[2]C1如式（4）所示：

式中：TC为信号周期长；t1为一个信号周期内左转弯信号时长；v1为左转弯车辆通过交叉口的行车速度；a为车辆起动时的平均加速度；t0为左转弯车辆连续通过交叉口的平均车头时距，一般取2.5 s。

通过以上分析可以看出，壶柄式U形匝道微循环的通行能力主要受行车速度、车辆组成以及绕行距离的影响，重型车辆组成比例大，绕行距离远，则壶柄式U形匝道微循环的通行能力弱；而信号控制的平面交叉口的通行能力主要受信号周期、车辆组成的影响，信号交叉同样受车辆组成的影响，重型车辆组成比例大，则车辆启动速度与运行速度均较低，平面交叉口的通行能力弱。两种交通组织形式既有共同点又各具特色，特点鲜明。

4 壶柄式U形匝道的形式选择和使用条件

壶柄式U形匝道常用的形式有两种，即文中提到的A形和B形。在使用的过程中，根据不同的转向交通量、交通组成以及各种限制因素综合考虑选用。一般有如下情况：

a）通过U形匝道掉头后，需要再次右转的车辆比例较大，则采用A形，因为车辆通过U形匝道掉头后与主线道路上行驶的车辆产生汇流，A形壶柄式U形匝道可以有效减少车辆交织。

b）通过U形匝道掉头后，直行车辆的比例较大，则采用B形，该形式的好处是车辆只与主线道路上的车辆存在汇流，不存在交织。

c）通过U形匝道掉头后，右转和直行车辆比例相当时，应综合考虑采用不同的形式以尽量减少对主线直行车辆的影响。

5 结语

平面交叉口作为公路重要的组成部分，其合理的布设方案是公路高效、安全运营的重要保障。在公路改扩建工程中，由于沿线发展建设，势必会对改扩建工程产生一定的限制，而平面交叉处，往往受环境影响更大，采用合理可行的方案降低对周围环境的影响，同时降低工程投资规模是首先要考虑采取的措施。本文介绍的壶柄式U形匝道微循环系统是平面交叉的一种新的解决方案，该方案经研究分析是可行的，并且实施难度不大，但仍然需要进行更深入研究，尤其是交通标志、标线的合理设置，提高运行效率的措施等。