匝道连接部设计浅析

林良秋

（上海千年城市规划工程设计股份有限公司，上海市 201108）

0 引言

互通式立体交叉因相交道路所形成的节点多，错综复杂，导致其设计是一项极其复杂、计算繁琐、工作量巨大的工作。匝道连接部是匝道相互之间的连接部位，包括分、合流车道连接路段及鼻端等[1]，是非常典型的互通式立体交叉节点，设计牵扯内容较多，难度较大。该处的设计优劣是整个互通式立体交叉设计成败的关键，对其进行精细化设计是非常有必要的。而连接部处精细化设计主要包括如下内容：路拱横坡；超高渐变；相邻匝道纵坡的确定。

本文结合工程实例，在平面线形设计完成的基础上，提供两种设计方法，通过对连接部处路拱横坡、纵坡、超高进行精细设计，使得匝道连接部处两匝道纵坡衔接良好、路拱横坡过渡顺畅、行车舒适、易于排水。

1 工程实例

南北高速枢纽立交是北海市向海大道工程的一个立交枢纽，位于广西省北海市，由向海大道（城市主干路）与南北高速公路相交而设置的全互通立体交叉。该互通式立体交叉采用“双苜蓿叶”+两个半定向左转匝道+4个定向右转匝道的形式，立交示意见图1。

图1 互通式立体交叉示意图

本互通最具代表性的匝道连接部为EN即东向北匝道、ES即东向南匝道形成的分流连接部和WS即西向南匝道、ES即东向南匝道形成的合流连接部。故本文选取上述两连接部作为研究对象。

2 连接部

本次设计，匝道采用单向横坡，路拱横坡为1.5%。

2.1 分流连接部

EN匝道、ES匝道分流连接部，平面线位见图2：连接部处，EN匝道的平面线形是“缓和曲线+半径R=300 m的圆曲线”；ES匝道的平面线形是“直线+缓和曲线+半径R=250 m的圆曲线”。

EN匝道平面线形位于ES匝道内侧，鼻端之前，EN匝道与ES匝道采用相同的路拱横坡。根据图2，可知EN匝道和ES匝道平面线型位置，鼻端附近EN匝道的设计中心线为半径R=300 m的圆曲线，需设置全超高，根据规范，超高值为3%，而鼻端前ES匝道为缓和曲线。EN匝道的缓圆点（HY）对应的ES匝道的桩号为B，鼻端处ES匝道桩号为C，故ES匝道桩号由B至C的路拱横坡取EN匝道的全超高值3%。ES匝道缓圆（HY）点后的圆曲线半径为R=250 m，按照规范，超高值为4%。所以ES匝道C桩号至缓圆点（HY）D桩号，路拱横坡由3%渐变至4%。因ES匝道此段超高渐变，超高方向始终没有改变，整个超高过程不会出现横坡接近0的情况，也就不会出现排水不顺畅的情况，故此段超高渐变不用验算超高渐变率。ES匝道超高渐变见图3。

图2 ES、EN匝道平面线位图

图3 ES匝道超高渐变图

2.1.2 连接部处EN匝道纵坡的确定

连接部处两匝道纵坡相互影响，为了鼻端处标高能衔接良好，纵坡需要通过计算确定。本次设计，因ES匝道线形复杂，长度较长，所以以ES匝道为控制匝道，先确定ES匝道纵坡，再以ES纵坡作为控制要素，确定EN匝道在鼻端处及鼻端前某桩号对应的标高，求出两点间的长度，计算出它们的纵坡坡度，此坡度即为EN匝道在连接部处纵坡坡度，示意见图4。

图4 EN匝道连接部纵坡求解图

具体计算方法如下：

（1）确定鼻端处EN匝道的桩号G，再在鼻端前不远处任选一桩号H；

其中,p为看涨期权定价模型参数向量;Ω为参数向量空间;τi和Ki(i=1,2,…,M)为第i种期权的到期时间和敲定价格;C0(τi,Ki,p)和为由期权定价模型得到的期权价格和市场观测到的实际价格;wi(i=1,2,…,M)为第i种期权的权重因子。3种模型的参数选取和搜寻空间如表1所示。

（2）过G点作匝道ES中心线的垂线GE交ES匝道于E桩号，过H点作匝道ES中心线的垂线HF交ES匝道于F桩号；

（3）由前面所述可知GE，HF均处于ES匝道路拱横坡i为3%的断面上，所以G标高=E标高-LGE×3%，H标高=F标高-LHF×3%，LGE，LHF分别为 G、E，H、F两点间的长度；

（4）EN匝道起点段GH的纵坡PGH便可确定：两桩号的差值。

2.2 合流连接部

WS匝道、ES匝道合流连接部，平面线位见图5：连接部处，ES匝道的平面线形是“半径R=250 m的圆曲线+两段反向缓和曲线”；WS匝道的平面线形是“缓和曲线+半径R=298.25 m的圆曲线”。

图5 WS、ES匝道平面线位图

2.2.1 附加路拱

由两匝道平面线位图可知，连接部处两匝道中心线为反向曲线，ES匝道长度较长，线形复杂，选此匝道作为控制匝道。因WS匝道中心线位于ES匝道外侧，故在鼻端三角区附近采用附加路拱的方式过渡反向横坡。

附加路拱，顾名思义，就是本来连接部处两匝道应处于一个平面，但是因为线形问题，两匝道在同一断面处做不到横坡相同，只能在三角区附近添加一路脊线，使得连接部处两匝道能通过该路脊线消化掉横坡差。

2.2.2 附加路拱设置方法

在靠近鼻端的一侧，分别作出ES匝道、WS匝道硬路肩边线，延长至相交，相交的点J便是附加路拱的路脊线端点，连接鼻端中心点K与路脊线端点J所得的直线便是附加路拱的路脊线，附加路拱见图6。

图6 附加路拱图

2.2.3 路拱横坡、超高渐变

由图5、图6可知，合流连接部处WS匝道中心线圆曲线半径R=298.25 m，根据规范[1]，需设超高，超高值i2=3%。故附加路拱路脊线端点J处对应的ES匝道J桩号的路拱横坡取全超高值3%，J点往后，两匝道共面，路拱横坡相同。由图5可看出，鼻端前ES匝道圆曲线半径R=250 m，根据规范，需设超高，超高值i1=-4%，超高方向与WS匝道在J点的超高方向相反。故ES匝道由圆缓点（YH）至J点，路拱横坡由-4%渐变到3%，超高方向相反，需验算超高渐变率ρ，计算方法如下H=B2×i2-B1×i1，其中，B1、B2为超高过渡段起、终点车行道边缘至超高旋转轴的宽度；L为超高过渡段起点至终点的长度。代入已知数据得到的超高渐变率ρ=0.006 6，小于规范规定的匝道超高最大渐变率1/150，满足要求。ES匝道超高渐变见图7。

图7 ES匝道超高渐变图

2.2.4 连接部处WS匝道纵坡的确定

在鼻端三角区附近设置附加路拱，匝道纵坡计算方法类似于分流连接部。同样地，以ES匝道为控制匝道，确定好ES匝道纵坡之后，再通过计算，确定鼻端处及鼻端后某桩号的标高，求出两点间的长度，计算它们的坡度，此坡度即为WS匝道接入匝道连接部的纵坡。WS匝道纵坡求解见图8。

图8 WS匝道连接部纵坡求解图

计算方法如下：

（1）分别过鼻端中心K作ES匝道、WS匝道的垂线KM、KN，交ES匝道于M桩号，交WS匝道于N桩号；

（2）通过渐变率的计算，可知MK断面对应的ES匝道路拱横坡值i=a，路拱方向指向鼻端，NK断面对应的WS匝道路拱横坡值为i=b，路拱方向背向鼻端；

（3）在K点沿着路脊线往前不远处选某点S，分别作ES匝道、WS匝道的垂线SO、SQ交ES匝道于O桩号、WS匝道于Q桩号；

（4）通过渐变率的计算可知，OS断面对应的ES匝道路拱横坡值i=c，路拱方向指向路脊线，QS断面对应的WS匝道路拱横坡值为i=d，路拱方向背向路脊线；

（5）已经确定ES匝道纵坡，故M、O两点的标高M标高、O标高为已知。鼻端中心K点标高K标高=M标高-LMK×a，路脊线上S点处的标高S标高=O标高-LOS×c，WS匝道上N点标高N标高=K标高-LN-K×b，Q 点标高 Q标高=S标高-LQS×d，其中 LMK、LOS、LNK、LQS分别为 MK、OS、NK、QS 两点间的长度；

（6）WS匝道连接部处NQ的纵坡PNQ便可确定两桩号的差值。

3 分析

3.1 设计方法分析

通过以上连接部的设计对比，我们得知，当两匝道连接部处平面线形确定之后，连接部处的精细化设计需要具体情况具体分析。一般情况下，当连接部处次要匝道平面线形位于控制匝道内侧，则采取本项目分流连接部的方法对其进行设计、计算；当连接部处次要匝道位于平面线形控制匝道的外侧，则采取本项目合流连接部设计方法对其进行设计、计算。

3.2 三者关系简要分析

匝道连接部处路拱横坡和超高渐变两者关系密不可分。一般情况，先确定匝道连接部附近某匝道的设计中心线为圆曲线的半径，查找规范，找出对应的超高值，通过最大、最小渐变率、断面宽度，算出最大最小渐变长度，再根据匝道间的平面线形关系，在最大、最小渐变长度中选用合适的超高渐变长度，使得连接部处两匝道路拱横坡能衔接顺畅。

连接部的纵坡衔接，往往是先由平面线形的复杂程度、交通量大小来确定主要匝道（控制匝道）和次要匝道。次要匝道的纵坡往往是在路拱横坡和超高渐变确定之后，根据主要匝道（控制匝道）已确定的纵坡，通过路拱横坡，计算确定。

4 结语

本文通过运用两种连接部的设计方法，对匝道连接部处作精细化设计，使得连接部处纵坡衔接良好，横坡过渡顺畅，进而使行车舒适、排水顺畅。希望通过本文，能提供互通式立交匝道的设计参考。