公路互通式立交平面线形设计及应用思考

叶吉兴

（广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530000）

公路互通式立交平面线形设计难度较高，除了要考虑公路工程建成后的通车需求、公路工程施工地点的实际情况等因素，还需对平面线形设计工作要点进行分析，才能确保最终的设计效果。然而在实际工作中，许多公路互通式立交平面线形设计方案存在不合理之处，有进一步优化的空间，在这种情况下对公路互通式立交平面线形设计和应用进行研究，可谓是势在必行。

1 公路互通式立交平面线形设计应用案例

与长度动辄几十公里、几百公里的高速公路工程相比，公路互通式立交的设计难度更大，主要难点都集中在点状结构的设计上，在一些市郊平原地区的立交设施中，其周边的建筑主体比较少、设计自由度非常高，但是与此同时立交结构本身的特点决定了其设计空间较小，设计人员只能在有限的空间内完成平面、纵向等设计指标的变化，让互通立交结构的作用得到优化，确保各方向交通流安全顺畅转换，这无疑给公路互通式立交平面线形设计工作带来了一定的难度。从某种意义上来说，立交设计是公路设计的重要组成部分，而平面线形设计又是立交设计的关键要素，设计人员必须充分了解互通立交的设计要求和技术标准，在设计平面结构的过程中充分考虑纵、横断面等各阶段的设计要求，根据过去的工作经验和实际需求，不断优化公路互通式立交平面线形设计方案[1]。平面线形设计工作中，设计人员需要对互通立交结构上车辆的行驶轨迹进行模拟，并从驾驶员的视角出发、考虑驾驶的要求，将以人为本作为基本原则，在充分考量各种外在影响因素的基础上，确保公路互通式立交平面线形设计方案的科学性、规范性、安全性和综合效益。某B型喇叭立交位于圆曲线半径R=1 186．054 m、缓和曲线长度Ls=200 m的平曲线范围（图1）。由于主线平曲线半径相对较小，对匝道出入口的线形连续性、渐变率等须严格按照《高速公路互通式立交匝道及连接线设计标准》要求设计，否则将容易诱发事故[2]。

图1 某立交设计图

2 公路互通式立交平面线形设计要点

2.1 公路互通式立交平面线形设计要求

公路互通式立交平面线形设计工作有一定的复杂性，为确保最终设计效果的合理性，必须对其具体的设计要求进行了解。一般来说，公路互通式立交应在具有良好线形指标的路段进行建设，设计人员可结合公路通行情况明确线形指标（表1）。

表1 公路互通式立交主线设计线性指标

其中，匝道是公路相交处的连接结构，根据车辆通行方向的差异可以分成右转匝道与左转匝道，右转匝道可将其设计为平行式、反向曲线、斜线、单（复）曲线4种方式，一般为右转右出的直接式匝道，出入难度比较低，但是各种指标计算难度比较大，进入左转匝道的行驶车辆需调转90°～270°方向才能正常行驶，为确保左转匝道的合理性，一般应采取间接式设计方式开展工作[3]。在设计匝道平面线形的过程中，工作人员应结合公路地形及设计速度划定圆曲线指标与回旋线参数及长度（表2）。

表2 公路互通式立交匝道参数线形指标

2.2 线元参数计算

在过去的公路互通式立交平面线形设计工作中，设计人员需要结合传统设计模式，对立交结构现场的实际参数进行分析，并以此为基础确定立交起始点坐标、起始点半径、重点坐标等参数，在此基础上根据设计速度指标明确线形参数。而在利用两点线元法进行公路互通式立交平面线形设计的情况下，设计人员可进一步依据立交回旋偏转角β进行线元参数计算。公式如下：

式中，A为回旋参数，R为任意点P的曲线半径，L为任意点P到零点处的长度，β为任意点P切线方向的旋转角度。在上述计算公式的基础上，设计人员可结合三角函数、几何关系等进行积分整理，得出P点相对坐标，为后续回旋参数确定夯实基础。P点为回旋线的β偏移角度，其与曲线半径、曲线长度等具有一一对应关系，为进一步确定P点相对坐标，完成回旋偏转角迭代计算，设定函数fx（β）与 fy（β），具体公式如下：

2.3 明确回旋线参数

在进行线元参数迭代计算的基础上，设计人员可以确定完整的公路互通式立交回旋线数据，目前回旋线坐标、切线偏转角参数已明确，在此基础上即可计算回旋线长度L、回旋线偏转角度β参数数值，并确定互通式立交回旋曲线偏转方向[4]。设计人员可以结合回旋线参数起点与终点的坐标确定偏转方向，建立回旋线相对坐标系，在此基础上根据旋转公式计算出回旋线终点坐标，可根据迭代计算公式及互通式立交设计要求控制精准度，并将其设为，根据迭代公式完成回旋线偏转角计算，并设定βnew为偏转角初始值，从0～15范围选取初始值具体数值，得βnew公式：

2.4 两点线元法设计

除了要优化上述计算步骤，还需要充分发挥信息化技术的作用，将各种参数输入到专项设计软件当中，从而提升公路互通式立交平面线形设计的合理性。首先，设计人员可以把立交起点坐标、起点方向、起点半径输入设计软件内，并与纬地道路设计软件方位角对应，该软件就能够自动计算并生成符合设计标准的12条曲线，设计人员从12条曲线当中选择最符合设计要求的曲线进行应用。另外，如果发现信息化系统存在曲线绘制失误，可将输入的数据删除并重新进行自动化计算，提升公路互通式立交平面线形计算的准确度，让互通式立交后续建设与通行效果得到保障[5]。

2.5 以运行速度指导线形设计

公路互通式立交平面线形设计的复杂性不言而喻，想要保证其设计合理性，设计人员要考虑车辆的运行速度等因素，在实际驾驶过程中，驾驶员往往会选择在不违反有关规定的情况下以较高速度通行，因此进行取值的时候，不需要选择行驶速度的极值。换而言之，在同一个匝道不同路段中，不同车辆的实际运行速度总是可能偏离匝道的设计速度，设计人员必须考虑到这一问题，避免设计速度低于车辆的实际运行速度，确保匝道线形指标的合理性，避免不必要的安全事故。比如在设计B型喇叭立交的内环匝道时，该内环匝道紧靠高速公路的出口，如果主线设计速度为100 km/h，匝道的设计速度为40 km/h，则该匝道的最小内环圆曲线半径为60 m，在按照有关要求将减速车道长度设定为125 m、过渡段的缓和曲线长度Ls以40 km/h的准取最小值35 m的情况下，车辆在进入缓和曲线及圆曲线路段以后，很难按照预计情况完成减速，车辆的实际行驶速度可能会超出40 km/h，进而带来一定的安全风险。为避免这一问题，设计人员需要结合道路的具体情况，对车辆减速所需要的路程进行计算，并对缓和曲线长度进行增加，同时延长减速车道段匝道第一段线元至楔形端以后，为驾驶员提供足够的时间进行减速和前方道路辨识，降低出现安全事故的概率[6]。

2.6 线元长度的3 s行程要求

公路互通式立交平面线形设计的复杂性体现在许多方面，除了要考虑上述几方面设计要点，设计人员还需要考虑到线元长度的3 s要求。车辆在曲线路线行驶的情况下，驾驶员需要频繁调整方向盘，在曲线长度过短时，驾驶员就必须快速地完成方向盘的操作，这可能会提升车辆离心加速度，给乘客带来极其不舒适的体验，如果此时车辆的行驶速度非常快，那么驾驶员和乘客的生命安全将受到威胁。根据实际工作经验来看，驾驶员往一个方向转动方向盘至少需要3 s，因此在进行线元设计时，缓和曲线的长度至少应满足3 s行程的要求。另外，直线及圆曲线上的行车虽然不用转动方向盘，但是为了避免车辆安全事故，线元中直线和圆曲线的长度一般也不应小于3 s行程要求。

2.7 匝道各线元参数的均衡设计

匝道是公路互通式立交平面线形设计的重中之重，其线元参数除了要考虑3 s行程的要求，还需要具有取值均衡的特点，否则公路互通式立交平面线形设计效果可能会大打折扣。第一，要保证运行的连续协调。匝道线元参数的取值是否合理，会影响到车辆的运行情况，在线形指标较高时，驾驶员倾向于采用较高的速度行驶，其发现前方道路条件复杂的时候，会进一步集中注意力控制行驶速度，发生安全事故的可能性比较高，因此设计人员必须根据不同类型匝道的实际情况，合理进行线形参数的取值，保证驾驶的连续性与协调性。第二，要保证驾驶操作及视觉的连续。匝道的平面线形非常多样化，结合不同的实际条件，设计人员可以采取单曲线、S形曲线、卵形曲线、复合曲线等曲线形式，但是无论选用哪种曲线形式，都必须以保证驾驶操作的连续性为出发点[7]。比如在S形曲线中，一般要求反向曲线间的两个回旋线参数宜相等或相近，两参数之比一般不宜大于2；而在卵形曲线中，则要求大小圆曲线半径之比一般不宜大于5，只有这样才能避免驾驶操作和视觉中断的问题，确保公路互通式立交平面线形设计的安全性。特别需要提到的是，目前有一部分设计人员习惯于采用仅满足匝道设计速度要求的缓和曲线长度，在长圆曲线两侧设置短缓和曲线，或使用短缓和曲线与长直线相接，这样的设计思路会影响驾驶的连续性，不符合公路互通式立交平面线形设计的基本要求，在今后的工作中，必须杜绝类似设计问题。

2.8 匝道分合流渐变率m设计

根据公路互通式立交平面线形设计的有关要求，直接式的变速车道应满足一定的渐变率m的要求，其中m指的是车辆行驶的横向偏移率，在m值过大的情况下，车道的渐变过慢，一是可能会导致减速车道无法识别的问题，让一些主线直行车辆误入减速车道，影响到正常通行，一些需要转弯的车辆却意识不到减速车道的存在，未能及时减速行驶；二是可能导致车辆流出过慢等问题，主线连接部的长度只能随之延长，整体的工程量会大幅度增加，不符合公路互通式立交平面线形设计的经济性要求，因此在今后的设计工作中，必须确保直接式变速车道满足渐变率要求。

3 结语

公路互通式立交平面线形设计的复杂性不言而喻，设计人员应根据实际建设需求，利用先进的设计软件，通过两点线元法设计等方法，以运行速度指导线形设计。同时需要遵守线元长度的3 s行程要求，对匝道各线元参数的均衡设计、匝道分合流渐变率m设计等进行优化，提升公路互通式立交平面线形设计的有效性。在今后的工作中，将结合公路互通式立交设计成功案例及实际建设需求，对平面线形设计的具体计算方法、需要注意的设计问题等进行进一步研究。