壺柄式U形匝道在公路改擴建工程中的應用

張 利

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

近年來社會經濟的快速發展對交通需求的日益增加，國省干線公路升級改造的步伐也在逐漸加快，國省干線經升級改造后，線形指標得到較大改善，運行速度顯著提高。運行速度的提高要求我們要更加重視公路各組成部分的細化設計，以確保車輛運行順適、安全。平面交叉口作為干線公路重要的組成部分和交通轉換的重要節點，合理的布置形式，科學的交通組織有利于提高干線公路整體通行能力以及安全性。

1 常用壺柄式U形匝道的布設方案

壺柄式U形匝道主要解決大型車輛掉頭時轉彎半徑不足的問題，常見壺柄式U形匝道分為兩種，即A形壺柄式（如圖1）和B形壺柄式（如圖2）。A形壺柄式匝道由公路左側流出，經U形匝道完成車輛掉頭后車輛進入主線；B形壺柄式直接由公路右側車道流出，在U形匝道上完成車輛掉頭后，車輛駛回主線。A形壺柄式在同向車道不存在交通沖突點，只存在交通分流問題，對同向車輛影響較小，但是在對向車道存在交通沖突點，對對向車輛運行影響較大；B形壺柄式在同向車道存在交通沖突點，對同向車輛產生較大的影響，但在對向車道不存在交通沖突點，只存在車輛合流問題，對對向車輛運行影響較小。

2 壺柄式U形匝道的線形參數與交通組織

圖1 A形壺柄式U形匝道

圖2 B形壺柄式U形匝道

壺柄式U形匝道的設置主要是解決大型車輛掉頭時轉彎半徑不足的問題，因此，壺柄式U形匝道以通行大車為主；同時，因存在交通沖突點以及車輛匯流等問題，車輛整體行駛速度較低，綜合以上因素，結合《公路路線設計規范》(JTG D20—2017)[1]第10.4條轉彎設計10.4.2（2）“左轉彎曲線的行駛速度采用5～15 km/h。”和“第10.4.3條，表10.4.3路面內緣的最小半徑”的規定，壺柄式U形匝道的設計速度在起點處可以適當減小，但不宜低于20 km/h所對應的線形參數，在合（分）流處，曲線半徑應適當增大，不宜低于主線設計速度的70%所對應的線形參數。由于U形匝道以通行大型車輛為主，且線形參數相對較低，因此應優先采用三類加寬。

壺柄式U形匝道微循環系統作為一種非常規的平面交叉口解決方案，良好的交通組織是其正常高效運行的關鍵。在平面交叉口范圍內應設置清晰的、簡單明了的引導標線和標志對過往車輛進行引導，在U形匝道起點處應根據交通量的大小設置停車讓行標志或采用信號燈控制以確保車輛安全有序地運行。

3 壺柄式U形匝道的通行能力分析

壺柄式U形匝道的實質是利用微循環減少或者消除平面交叉中的沖突點。但是，使用微循環進行交叉口交通流的轉換必然增加車輛繞行距離，同時，受U形匝道線形指標的限制，車輛運行速度也會受到一定的影響。因此，這里分析在一定的時間內車流通過U形匝道完成交通轉換的數量與常規平面交叉口通行能力進行對比，分析壺柄式U形匝道微循環在實際應用中的可行性和合理性。

由于采用壺柄式U形匝道微循環后，車輛通過交叉口不需停車等待（假設U形匝道掉頭處車流較少，掉頭車輛無需停車等待），因此單位時間內的左轉車道通行能力主要受車輛運行速度v和繞行距離L的影響。根據《公路路線設計規范》（JTG D20—2017）對平面交叉口范圍內轉彎車輛及直行車輛運行速度的要求，將車輛運行狀態分為3段（如圖3所示）：直線段長度L1，速度為v1；U形匝道長度為L2，速度采用v2；右轉彎長度為L3，速度采用v3，根據車輛通過U形匝道完成轉向行駛的總長度為L1+L2+L3，平均速度v采用各段速度的加權平均值，由式（1）計算：

同時假設車輛有序、不間斷運行。車輛繞行距離的確定是根據選擇的U形匝道的布設位置，及U形匝道本身采用的參數確定。

圖3 壺柄式U型匝道微循環運行路徑圖

采用上述形式的壺柄式U形匝道的通行能力[2]CS計算采用式（2）：

式中：t為駕駛人最小反應時間，一般取1.2 s；a0為安全距離，一般取510 m；a1為車身長度，一般取5 m（小型車）；a2為制動距離，計算公式如式（3）：

式中：β為路面與輪胎之間的附著系數，取0.7；φ為道路阻力系數，φ=f±i；f為路面滾動系數；i為道路縱坡。

壺柄式U形匝道構成的微循環是一種新的交通組織方式擁有自身特有的優勢，而常規平面交叉依然是最常用的交通轉換形式，因此，本文研究壺柄式U形匝道與設有左轉彎專用信號的平面交叉的通行能力。假設某一平面交叉采用信號控制，且設有左轉彎專用信號，左轉彎專用車道為單車道，且左轉彎車輛有序、不間斷運行，則有平面交叉范圍內一個方向左轉彎車道的通行能力[2]C1如式（4）所示：

式中：TC為信號周期長；t1為一個信號周期內左轉彎信號時長；v1為左轉彎車輛通過交叉口的行車速度；a為車輛起動時的平均加速度；t0為左轉彎車輛連續通過交叉口的平均車頭時距，一般取2.5 s。

通過以上分析可以看出，壺柄式U形匝道微循環的通行能力主要受行車速度、車輛組成以及繞行距離的影響，重型車輛組成比例大，繞行距離遠，則壺柄式U形匝道微循環的通行能力弱；而信號控制的平面交叉口的通行能力主要受信號周期、車輛組成的影響，信號交叉同樣受車輛組成的影響，重型車輛組成比例大，則車輛啟動速度與運行速度均較低，平面交叉口的通行能力弱。兩種交通組織形式既有共同點又各具特色，特點鮮明。

4 壺柄式U形匝道的形式選擇和使用條件

壺柄式U形匝道常用的形式有兩種，即文中提到的A形和B形。在使用的過程中，根據不同的轉向交通量、交通組成以及各種限制因素綜合考慮選用。一般有如下情況：

a）通過U形匝道掉頭后，需要再次右轉的車輛比例較大，則采用A形，因為車輛通過U形匝道掉頭后與主線道路上行駛的車輛產生匯流，A形壺柄式U形匝道可以有效減少車輛交織。

b）通過U形匝道掉頭后，直行車輛的比例較大，則采用B形，該形式的好處是車輛只與主線道路上的車輛存在匯流，不存在交織。

c）通過U形匝道掉頭后，右轉和直行車輛比例相當時，應綜合考慮采用不同的形式以盡量減少對主線直行車輛的影響。

5 結語

平面交叉口作為公路重要的組成部分，其合理的布設方案是公路高效、安全運營的重要保障。在公路改擴建工程中，由于沿線發展建設，勢必會對改擴建工程產生一定的限制，而平面交叉處，往往受環境影響更大，采用合理可行的方案降低對周圍環境的影響，同時降低工程投資規模是首先要考慮采取的措施。本文介紹的壺柄式U形匝道微循環系統是平面交叉的一種新的解決方案，該方案經研究分析是可行的，并且實施難度不大，但仍然需要進行更深入研究，尤其是交通標志、標線的合理設置，提高運行效率的措施等。