基于平曲线参数的服务区出入口匝道长度研究

朱建方，毛化冰，韩泽祥

[济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250003]

0 引言

高速公路服务区作为高速公路重要的附属设施，为道路使用者提供休息、补给的重要场所。而服务区匝道在于保证用路者安全顺适地到达或离开服务区，目前道路设计相关规范中，缺少服务区匝道长度的有关指标要求。并且可以从多个理论角度与实测角度分析保证驾驶员安全快速地到达或驶离服务场区的最小匝道长度，以达到完善规范的目的。

1 服务区出入口匝道的概念及设计指标

1.1 服务区出入口匝道的概念

高速公路服务区匝道根据组成分为出口匝道、场区车道和入口匝道[2]。根据《公路立体交叉设计细则》（JTG/T D21—2014）[1]（以下简称《细则》）服务区出、入口匝道示意图可知（见图1），高速公路出入口匝道是根据车辆驶出、驶入高速公路的方向确定，其中由高速公路减速车道驶出，进入服务区停车场的匝道为出口匝道，由服务区驶出，汇入高速公路主线的匝道为入口匝道。

图1 服务区出、入口匝道示意图

匝道长度为主线鼻端至停车场入口或出口间的长度，即从减速车道末点或加速车道始点开始计算，以出口匝道为例，图2 中黑点所示为减速车道末点，即匝道长度计算始点。

图2 减速车道与出口匝道始点示意图

1.2 变速车道的设计标准

目前，从高速公路进入服务区匝道的变速车道设计均遵循《细则》10.2 变速车道的有关规定[1]：

（1）细则规定为：减速车道的形式宜采用直接式，当出口匝道为环形时，减速车道宜采用平行式，单车道加速车道宜采用平行式[1]。

（2）变速车道各路段最小长度符合《细则》10.2.5的相关规定，具体见表1。

表1 变速车道各路段最小长度

一般情况下，服务区与主线之间的交通流量较小且出入口匝道的任意断面车头时距较大，《细则》指出，服务区匝道宜采用互通式立体交叉单向单车道匝道。

1.3 服务区出入口匝道的设计速度

由于高速公路服务区的出、入口匝道的直接作用是服务车辆便捷驶入、驶出场区，平纵面线形设计指标高且形式简单，高速服务区的选址一般尽量选择地形平坦开阔地带，然而在山岭地区受制于周边复杂地形条件，高速服务区的选址及出、入口匝道布置条件受限，服务区的出、入口匝道长度不长，很大程度上区别于互通式立交一般意义上的匝道。图3 为青兰高速沂源服务区。

图3 青兰高速沂源服务区示意图

《细则》中指出，高速公路服务区入口匝道的长度不小于60 m，当主线设计速度为80 km/h 时，服务区出口匝道长度不小于80 m[1]。类比互通式立交设计形式，服务区出、入口匝道的形式与设计速度可类比于一般互通式立体交叉直连式变化型和标准型匝道，见表2。

表2 匝道基本路段设计速度及匝道类型

《细则》中指出匝道的设计速度可采用40 km/h。当条件受限时，可根据主线设计速度适当降低，但不应小于30 km/h。国内相关论文经过实际测速和规范参考提出服务区匝道的设计速度是根据主线设计速度区分的[2]，见表3。

表3 服务区匝道的设计速度

服务区场区速度是指服务区内部场区车道的设计速度，服务区的场区速度一般为10～15 km/h[2]。考虑到山区高速服务区地形差，选址困难，场区速度在本文计算中取大值。

2 服务区出入口匝道长度计算

根据《细则》中的相关规定：

（1）出口匝道在分流鼻端附近的设计速度可参考表4。

表4 出口匝道分流鼻端通过速度

（2）入口匝道在合流鼻端附近的设计速度可采用匝道基本路段的设计速度。

根据《规范》中互通式立体交叉匝道路段运行速度预测模型，由于服务区出入口匝道设计指标高，纵断面坡度一般不大于3%，将服务区出入口匝道划分为平直路段或者平曲线路段。当圆曲线半径小于等于600 m 时为平曲线路段，大于600 m 时为平直路段。

2.1 平直路段下出、入口匝道长度计算

2.1.1 出口匝道长度计算

根据我国《汽车驾驶员手册》建议，一般舒适的减速度为1.0～1.5 m/s2，基本舒适的减速度为1.5～2.0 m/s2，取a=2.0 m/s2[4]。由《规范》中匝道平直路段终点的运行速度模型：

式中：Vout为场区速度，取15 km/h；Vin为出口匝道分流鼻端通过速度，当主线设计速度为80 km/h 时，根据表4 取60 km/h。

计算得到出口匝道长度S=65 m。当主线设计速度为其它设计速度时，结果见表5。

表5 服务区出口匝道最小长度

2.1.2 入口匝道长度计算

服务区入口匝道与平行式加速车道相连接，车辆在合流鼻端附近的运行速度小于分流鼻附近的运行速度。根据以下模型：

式中：Vout出口匝道分流鼻端通过速度，当主线设计速度为80 km/h，取35 km/h；Vin为场区速度，取15 km/h。加速度a 根据《公路路线设计规范》（JTG D20 －2006）[5]取1.0 m/s2，计算得到入口匝道长度S=28 m。

当主线设计速度为其它设计速度时，计算结果见表6。

表6 服务区入口匝道最小长度

2.2 平曲路段下出、入口匝道长度计算

2.2.1 入口匝道长度计算

当服务区入口匝道位于半径R≤600 m 的曲线上，入口匝道设计速度取40 km/h，入口匝道长度假设为60 m，圆曲线半径R=100 m，缓和曲线ls=50 m,根据式（3）反算：

转角α 约为6°，文章以小汽车为研究对象，根据《规范》B.4.6 模型,取Rfront= 5Rnow

其中Vin为场区速度，取15 km/h,得到：

Vout与Rnow的函数关系见图4。

图4 Vout 与Rnow 函数关系图

根据相关论文研究服务区入口匝道在合流鼻端附近的速度Vout具体取值参考表3,当主线设计速度为80 km/h，Vout取35 km/h，此时Rnow=158 m。由《细则》得到匝道回旋线长度最小取值，见表7。

表7 匝道回旋线的最小长度

当V=35 km/h，缓和曲线最小长度为30 m。匝道最小长度：

当主线设计速度为其它设计速度时，计算结果见表8。

表8 服务区入口匝道最小长度

2.2.2 出口匝道长度计算

当服务区入口匝道位于半径R≤600 m 的曲线上，同样以小汽车为研究对象，根据2.2.1，Vout为场区速度，取15 km/h，得到:

Vin与Rnow的函数关系见图5。

图5 Vin 与Rnow 函数关系图

当主线设计速度为80 km/h，根据表4，Vin取60 km/h，此时Rnow= 325 m，根据表3 和表6 得到回旋线最小长度25 m，则:

当主线设计速度为其它设计速度时，计算结果见表9。

表9 服务区出口匝道最小长度

3 结论

文章以小汽车为研究对象，以不同的主线设计速度为变量，考虑服务区出、入口匝道不同的平曲线参数，分别得到了不同参数下匝道的最小长度。通过分析2.1 和2.2 的计算结果，对于出、入口匝道的最小长度根据表10、表11 确定。

表10 服务区出口匝道最小长度 单位：m

表11 服务区入口匝道最小长度 单位：m

本文利用匝道平曲线参数计算理论，结合运行速度计算模型，对高速公路服务区出、入口匝道长度进行研究。建立了以小汽车为研究对象，在平曲线参数下，主线不同设计速度出、入口匝道长度计算模型，并给出最小值。文章所提出的出入口匝道长度的最小值及计算模型，对于完善高速公路相关规范具有重要的理论价值和参考意义。