浅析互通式立交工程的线形设计

李南南

(新疆交通科学研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830099)

1 指标影响因素分析

1.1 技术指标对互通立交的安全影响分析

(1)互通立交的安全影响因素

互通立交可以短时间内把高速公路主线上的车辆进行有效的集散,所以也造成了互通立交路段的交通安全事故频发。根据我国交通部门对互通立交各个部分发生事故数量的统计可知,匝道出入口处、加速车道、减速车道、被交道与匝道交叉口等大部分交通事故都集中在这些位置。立交类型与布局、车道连续性、平纵线形指标、交通控制、视距条件、通行能力、匝道分合流组织、速度差异化等是互通立交影响交通安全的主要因素。互通立交在道路的设计阶段应该做好充分的调研工作,尽量精准的预测公路通车后的交通量,整体性合理规划互通立交的布局。为了避免正常行驶车辆间的冲突和交通流的交织,应该尽量保证相邻的互通的进出交通流的独立性,尽量做到不相互干扰,给行驶车辆提供足够的安全距离,避免驾驶员的失误操作。如果相邻的互通安全间距不够的情况下为了保证公路交通的顺畅,可以设置辅助车道或者组合式互通等。高速出口、入口处的变速车道平纵线形特征会影响到公路上正常行驶的车辆,车辆驶出高速一般都是在看到出口标识后开始减速,当车辆的行驶速度降到匝道允许行驶速度后驶入匝道行驶。所以当出现出口标识不明确、减速车道线形指标过低等情况时,会给正常行驶的车辆造成极大的安全隐患。车辆驶入高速一般都是通过加速车道进行加速,在车辆速度达到主线允许的行驶速度后,在确保安全的情况下驶入主路,但是刚驶入主路的车辆车速一般都低于其他车辆,所以加速车道长度与通视条件也直接影响车辆的安全行驶。互通立交的设计不能只单单满足其中一项或者几项特征要求,要综合考虑互通立交的特征要素,要做到特征要素的协调统一,才能为交通的安全性提供可靠的保证。

(2)互通立交线形指标与安全

①平面线形对互通立交安全的关系

根据交通部门统计发现的互通区域内平曲线上发生的交通事故,当平曲线直径越大,则发生交通事故的几率就越小,而且是弯道的直径越小就会越明显。匝道与主线连接部的线形指标存在较大的差异,线形的变化过快影响着车辆的控制难度,提高了发生交通事故的概率。

②主线纵断面线形对互通立交安全的关系

互通区域内主线的坡长与垂直坡度都会直接影响车辆的行驶安全,上坡位置位于主线出口是比较好的情况,这样就可以利用坡度制动,不用频繁的刹车,而且还有较好的驾驶体验便于辨别车辆的行驶状态。控制坡的长度可以有效的减少坡的角度变化,避免车辆的连续起伏,提高车辆行驶过程的舒适性。竖曲线半径小和坡点位置不合理等会影响到驾驶员的视野,提高了发生交通事故的概率。

③变速车道对互通立交安全性的影响

变速车道分为加速车道与减速车道,是车辆进出匝道前调整车速的路段,变速车道设置的是否合理,直接影响所有经过车辆的驾驶体验。主线速度、匝道车道数、主线线形等都直接影响变速车道的长度和形式。我国现今执行的《公路路线设计规范》中没有明确规定相同主线速度对应不同匝道速度的加减速车道长度应该如何进行调整。目前我国公路设计大部分都采取不低于标准值的变速长度,并不考虑匝道的速度,这样就不能体现出不同匝道速度的差异性和匝道行驶的速度在不同线形下的变化性。

1.2 技术指标对互通立交的用地影响分析

(1)互通立交用地的影响因素

①互通立交形式

公路工程中对用地影响最主要的因素就是互通立交形式,其中占地最大的是苜蓿叶互通,最小的是喇叭形互通,不同类别的互通,其布局和占地也受到匝道线位的影响,线位组合要以尽量减少互通占地为目的,线位布置应该结合地形做到尽量紧密。双喇叭形、单喇叭形、菱形、半苜蓿叶形四个类型是一般互通立交形式,Ⅰ形、Ⅱ形、Ⅲ形、Ⅳ形、Ⅴ形(全苜蓿叶形四肢交叉)、Y形六个类型是枢纽互通立交形式,用地规模标准如表1所示,一般互通式立体交叉用地指标规定如表2所示,枢纽互通式立体交叉用地指标规定如表3所示。

表1 互通式立体交叉用地指标的工程规模

表2 一般互通式立体交叉用地指标 单位:hm2/座

表3 枢纽互通式立体交叉用地指标 单位:hm2/座

如果互通立交工程出现匝道为保证通行能力采用了比较高指标、互通受地形影响严重、转弯位置的交通量大等情况,互通式立体交叉不能按紧凑常规的方案,可以在用地指标调整允许的条件下,可以按互通实际用地需求进行增加。

②互通立交匝道设计速度

匝道规定的行驶速度的大小,对匝道组成各个部分大小与各项指标等都有着直接影响,对互通立交的占地多少取着决定性的作用。根据我国目前已通车的几十座互通的占地大小情况不难发现,对占地大小影响最大的就是环形匝道的规定速度,匝道的规定速度与匝道曲线半径成正比的关系,也会造成紧邻匝道的布局受到影响。

(2)互通用地与线形指标

互通立交确定了速度和等级的前提下,互通匝道的平面线形指标直接影响着互通占地的多少。

①平曲线半径

举例来说,当互通的立交形式为一般互通单喇叭形,当匝道的限速为要求不超过40 km/h时。根据规范标准可得出,圆曲线的最小半径极限值是50 m,一般值为60 m,匝道的限速提高一个级别要求不超过50 km/h时。根据规范标准可得出,圆曲线的最小半径极限值是80 m,一般值为100 m,不难看出虽然只增加了一个级别的速度,但是互通的规模会成倍的增加,在增加车辆的绕行距离的同时,也会大大增加互通的建造成本。所以在非必要的情况下,交通量不大时,环形匝道的速度都不应该设计的过大。

②缓和曲线

缓和曲线参数虽然没有平曲线半径对互通用地的影响大,但是合理规划也能够起到节约占地的目的,在圆曲线半径不变的前提下,随着缓和曲线的增加,互通占地面积也会相应的增加,但是增加数值影响不大。综上可知选取适合的匝道圆曲线半径,在配合选取相应的缓和曲线可以做到保证交通安全的前提下,尽量减少互通的占地面积。

2 技术指标合理性选用

2.1 选用合理技术指标方法

(1)确定互通立交的等级和速度

在公路的设计阶段,尽量精准的预测交通量与交通组成的特征,确定好互通立交在通车后需要起到的功能作用,并结合公路的实际情况确定互通立交的等级。我国目前把互通立交按功能分为一般互通式立交和枢纽互通式立交。一般互通式立体交叉是指一级公路、高速公路与其它公路相交和其它公路间的互通式立体交叉。枢纽互通式立体交叉是指高速公路间的互通式立体交叉。

(2)关键线形指标的选取

最大纵坡、竖曲线半径、变速车道长度、缓和曲线参数、平曲线半径等都是互通立交最主要的线形指标,公路行驶的安全性和服务水平都受这些指标的直接影响。想要设计出最为适合的、符合预期的互通方案必须做到场地条件的合理利用,指标选用的灵活性和适配性,线位组合的合理良好。

2.2 平曲线半径选用

计算匝道圆曲线的半径,在占地大小、立交形式、项目造价等几方面都考虑全面的前提下,圆曲线半径计算通用公式如公式所示

式中:R表示圆曲线半径,m;V表示设计速度,km/h;μ表示横向力系数(路面与轮胎间的横向摩阻系数);i表示超高横坡。从公式中可得出,圆曲线半径与设计速度、横向力系数、超高横坡的数值大小有关,当设计速度确定时,横向力系数和超高横坡的取值直接影响公路行驶的经济性、舒适性和安全性。

超高横坡i与曲线半径、路面类型、车速等有直接关系,超高的设置的作用是消除曲线路段行驶车辆的离心力。横向力系数μ主要是受路面形式、轮胎状况、车速等几方面因素的影响,一般的立交匝道长度都较短,可以适当的增加横向力系数,来降低驾驶的不舒适性。横向力系数的选用的原则为安全、舒适、交道路的等级三个方面。

2.3 匝道坡度选用

互通立交匝道的设计,纵坡最小不应低于0.3%,否则无法达到匝道排水的要求,纵坡最大值要低于极限值,尽量做到匝道纵坡的平缓。我国虽然没有明确给出匝道最短坡长的具体指标,但是从驾驶的安全性与舒适性考虑,坡度行程要控制到3 S以上。通过大型车和小型车不同纵坡在圆曲线上的运动发现:圆曲线半径对小型车的行驶车速影响较大,大型车的行驶车速受匝道纵坡的影响较大,但匝道纵坡对小型车的行驶车速不会造成影响。综上得出,依据平曲线条件道路纵坡值在2%～4%是较为合理的。

通过对各匝道坡度发生事故频率进行统计,得到匝道坡度与事故率的关系见图1。

图1 高速公路纵坡与事故率关系图

由图1分析可得出。

(1)当纵坡小于2%时,事故率较低,且上坡与下坡事故率基本一致。

(2)当纵坡处于2%～4%时,事故率开始上升且下坡事故率上升高于上坡,事故率总体仍较低。

(3)当纵坡大于6%时,上坡事故率仍然上升缓慢,但下坡事故率确成倍的快速上升,下坡事故率明显大于上坡。

综上可知,相对于上坡而言,下坡路段危险性更大,且纵坡越陡,下坡发生事故的概率越大,

纵坡通过坡长与纵坡来改变行车速度,从而影响行车的安全。

3 结 语

通过对互通式立交工程的线形设计分析,对一些指标提出了参考值建议,目的是在互通式立交工程设计过程中,综合考虑各种指标的影响,主要包括匝道的坡度、路线选择、转弯半径等,以保证互通式立交工程的线形设计可以做到经济、高效、安全、交通流畅等设计要求。