“中”字形立交在城市平交口改造中的應(yīng)用

張秀松

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300392）

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快以及城市機(jī)動(dòng)化程度的日益提高，長(zhǎng)期以來形成的城市機(jī)動(dòng)車增長(zhǎng)與道路設(shè)施滯后的結(jié)構(gòu)性矛盾日益突出；為解決這一問題，各城市越來越重視路網(wǎng)的重新規(guī)劃與舊路改造工作。城市路網(wǎng)中的交叉口大部分都是平面的，平面交叉口是城市道路交通的瓶頸，是造成行車延誤的主要因素[1]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料[2～4]，在城市路網(wǎng)中平面交叉口的通行能力不足道路通行能力的50%，車輛在平面交叉口耽誤的時(shí)間約占全程時(shí)間的31%，同時(shí)各個(gè)方向的交通流在平面交叉口處不斷地產(chǎn)生交叉、合流、分流沖突，使平面交叉口成為交通事故的多發(fā)點(diǎn)，城市道路發(fā)生的交通事故有60%以上在平面交叉口范圍內(nèi)。因此平交口立交化改造是城市路網(wǎng)重新規(guī)劃與改造工作的關(guān)鍵。

目前，城市路網(wǎng)中普遍存在的問題是早期規(guī)劃前瞻性不足，未預(yù)留平交口立交化改造空間；導(dǎo)致立交方案設(shè)計(jì)、施工困難，造價(jià)過高，甚至因?yàn)檎鞯貑栴}無法實(shí)現(xiàn)。本文分析主次分明的兩條城市道路交叉時(shí)的各種平交口立交化改造方案的利弊，提出一種改進(jìn)的“中”字形城市立交方案。

1 常見的平交口立交化改造方案

1.1 菱形立交

菱形立交占地少、實(shí)施簡(jiǎn)便、造價(jià)低，可保證主路直行車流連續(xù)，是城市立交的主流形式。但菱形立交車輛左轉(zhuǎn)均需在次要道路平面上實(shí)現(xiàn)，存在6處沖突點(diǎn)和2處交織點(diǎn)，會(huì)對(duì)次要道路車流產(chǎn)生極大干擾，導(dǎo)致通行能力降低，高峰期易擁堵。實(shí)施信號(hào)控制時(shí)，由于匝道與次要道路平交口間距很小，需設(shè)4個(gè)相位，交通延誤大，通行能力仍然很低。此外多處沖突點(diǎn)和交織點(diǎn)會(huì)影響交通安全。見圖1。

圖1 菱形立交

1.2 部分苜蓿葉式立交

部分苜蓿葉式立交可保證直行車流暢通且造價(jià)低，可用于全苜蓿葉式立交分期修建的前期工程，適用于公路一側(cè)用地充裕，另一側(cè)用地緊張的情況。但部分苜蓿葉式立交同樣存在類似于菱形立交的沖突點(diǎn)較多、交通組織困難、通行能力低、對(duì)交通安全不利的問題；此外左轉(zhuǎn)匝道采用環(huán)圈形式，通行能力低，左轉(zhuǎn)繞行距離長(zhǎng)，兩層式的部分苜蓿葉式立交難以解決慢行交通通行問題。見圖2。

圖2 部分苜蓿葉式立交

1.3 全苜蓿葉式立交

全苜蓿葉式立交完全消滅了沖突點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)各方向車流快速通過，對(duì)直行交通干擾小。但全苜蓿葉式立交占地面積大、造價(jià)高，在用地緊張的城區(qū)實(shí)施困難；兩環(huán)圈間存在交織運(yùn)行，必要時(shí)需設(shè)置集散道。慢行交通通行有兩種方案：一是行人與非機(jī)動(dòng)車組成的慢行交通與機(jī)動(dòng)車不分層，均通過立交匝道實(shí)現(xiàn)各方向通行，該方案行人和非機(jī)動(dòng)車?yán)@行距離較遠(yuǎn)，給行人過街帶來不便，違章率會(huì)相應(yīng)增加，易誘發(fā)交通事故，同時(shí)慢行交通與機(jī)動(dòng)車存在沖突點(diǎn)，影響通行能力且對(duì)交通安全不利；二是慢行交通與機(jī)動(dòng)車分層行駛，在地面實(shí)現(xiàn)通行，該方案減少了行人過街的繞行距離且使慢行交通與機(jī)動(dòng)車完全分離，較為安全，但立交至少設(shè)置3層，規(guī)模較大且主要道路與次要道路均需進(jìn)行較大程度的改造，造價(jià)較高。見圖3。

圖3 全苜蓿葉式立交

1.4 遠(yuǎn)引

遠(yuǎn)引方案有兩種實(shí)現(xiàn)方式：通過遠(yuǎn)引掉頭調(diào)整左轉(zhuǎn)交通組織或改造為遠(yuǎn)引互通式立交。平交口遠(yuǎn)引掉頭方案造價(jià)最低，實(shí)施最為方便，但左轉(zhuǎn)車輛掉頭需從最外側(cè)車道變道至最內(nèi)側(cè)車道掉頭，影響快車道車輛通行，降低通行能力且易引發(fā)交通事故；同時(shí)對(duì)道路中央分隔帶寬度要求較高，適用性不強(qiáng)。遠(yuǎn)引互通式立交方案較平交口遠(yuǎn)引掉頭方案，可保證相交兩道路直行車流暢通，但仍存在連續(xù)跨越多個(gè)車道、需要較寬的中央分隔帶寬度、難以處理慢行交通通行等問題。見圖4。

圖4 遠(yuǎn)引互通式立交

2 “中”字形立交

上述各種平交口改造方案各有利弊，但均不能很好地解決用地緊張情況下平交口立交化改造問題。

本文在傳統(tǒng)“中”字形立交基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)方案，無需抬高舊路，僅需在主路兩側(cè)布設(shè)兩條交織車道、新建兩條U形匝道即可實(shí)現(xiàn)全互通，見圖5。

圖5 “中”字形立交總體

2.1 適用性分析

2.1.1 各方向車流行駛方式

主要道路直行、右轉(zhuǎn)，次要道路右轉(zhuǎn)均可直接實(shí)現(xiàn)，次要道路車輛直行需在路口右轉(zhuǎn)繞行匝道實(shí)現(xiàn)。為保證主要道路直行車流暢通，犧牲了次要道路直行車輛的便利性；因此，該方案特別適用于主次分明的兩條道路平交口改造時(shí)，用地緊張、次要道路交通量不大或次要道路轉(zhuǎn)彎交通量比例較大的情況。

主要道路上車輛左轉(zhuǎn)只需在路口變道駛?cè)朐训溃缭街骶€后駛下匝道右轉(zhuǎn)進(jìn)入次要道路即可實(shí)現(xiàn)；次要道路上車輛左轉(zhuǎn)只需在路口右轉(zhuǎn)駛?cè)朐训溃缭街骶€后駛下匝道并入主線車流即可實(shí)現(xiàn)。見圖6。

圖6 車輛左轉(zhuǎn)方式

主要道路上車輛掉頭只需在路口變道駛?cè)朐训溃缭街骶€后駛下匝道重新并入主線即可實(shí)現(xiàn)；次要道路由于交通量較小，可以在路口直接實(shí)現(xiàn)掉頭。

該方案完全消滅了沖突點(diǎn)，只需在主線兩側(cè)設(shè)置交織段即可較好地實(shí)現(xiàn)全互通式立交的功能。

2.1.2 慢行交通通行方式

立交范圍內(nèi)非機(jī)動(dòng)車道和人行道設(shè)于機(jī)動(dòng)車道外側(cè)，除穿越次要道路時(shí)與機(jī)動(dòng)車平交外，其余均不會(huì)與機(jī)動(dòng)車互相干擾，保障了機(jī)動(dòng)車通行能力和慢行交通的安全。行人可通過在匝道彎道處設(shè)置的步梯上到天橋穿越主要道路；行人穿越次要道路需走次要道路路口斑馬線，未對(duì)行人過街造成不便，亦未使非機(jī)動(dòng)車?yán)@行過遠(yuǎn)。見圖7。

圖7 慢行交通通行方式

2.2 關(guān)鍵因素分析

2.2.1 交織段長(zhǎng)度的確定

主路兩側(cè)立交范圍內(nèi)上下匝道車輛存在交織，根據(jù)《美國道路通行能力手冊(cè)》（下稱HCM）的定義，這種交織形式屬于A類交織，無論從主線駛?cè)朐训肋€是從匝道駛?cè)胫骶€，車輛都只需要變更一次車道[5]。見圖8。

圖8 A類交織

一般將從入口三角端寬0.6 m 處至出口三角端寬3.6 m 處之間的一段距離稱為交織區(qū)長(zhǎng)度。交織區(qū)長(zhǎng)度影響立交的通行能力并制約著U 形匝道起坡點(diǎn)位置[6]。

交織區(qū)分析的核心就是預(yù)測(cè)交織區(qū)內(nèi)交織車輛與非交織車輛的運(yùn)行速度。HCM 根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸得到下列經(jīng)驗(yàn)回歸公式，用于計(jì)算交織區(qū)內(nèi)車輛運(yùn)行速度

式中：S——交織區(qū)內(nèi)所有車輛的區(qū)間平均速度，km/h；

Sw——交織內(nèi)交織車輛的區(qū)間平均速度，km/h；

Snw——交織內(nèi)非交織車輛的區(qū)間平均速度，km/h；

SFF——路段自由流速度，km/h；

V ——交織區(qū)內(nèi)總流率，pcu/h；

Vw——交織區(qū)內(nèi)交織流率，pcu/h；

Vnw——交織區(qū)內(nèi)非交織流率，pcu/h；

VR——交織流量比，

N——交織區(qū)內(nèi)總車道數(shù)；

L ——交織區(qū)長(zhǎng)度，m；

a，b，c，d ——參數(shù)，對(duì)于非約束型運(yùn)行的A 類交織區(qū)，計(jì)算交織車輛速度Sw時(shí)，a=0.15，b=2.2，c=0.97，d=0.80；計(jì)算非交織車輛速度Snw時(shí)，a=0.003 5，b=4.0，c=1.3，d=0.75。

需要說明的是，該公式僅適用于非約束型交織運(yùn)行。若交織區(qū)長(zhǎng)度過長(zhǎng)或交織交通量過大，形成約束型交織運(yùn)行，a，b，c，d需相應(yīng)調(diào)整，還需引入約束型運(yùn)行和非約束型運(yùn)行的概念和判斷標(biāo)準(zhǔn)。

在交織區(qū)內(nèi)，交織車輛與非交織車輛爭(zhēng)奪可以利用的車道空間，最終達(dá)到平衡運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，交織車輛占用的交織區(qū)車道數(shù)為Nw，非交織車輛則占用剩余的（N-Nw）條車道。不同交織類型固有的構(gòu)造特征，限制了交織車輛所能利用的最大車道數(shù)，A類交織所能利用的最大車道數(shù)為1.4。當(dāng)計(jì)算得到的Nw超過該類交織所能被交織車輛利用的最大車道數(shù)時(shí)，交織車輛的運(yùn)行需求將得不到滿足，運(yùn)行狀況會(huì)越來越差，這種情況即稱為約束型交織運(yùn)行。交織車輛占用的車道數(shù)Nw采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

對(duì)于A類交織，Nw＞1.4時(shí)即形成約束型交織。

利用計(jì)算得到的交織區(qū)內(nèi)車輛運(yùn)行速度、單車道車流密度，進(jìn)而確定交織區(qū)服務(wù)水平

式中：D——交織區(qū)內(nèi)單車道平均車流密度，pcu/km。

交織區(qū)平均車流密度與服務(wù)水平對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 交織區(qū)服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)交織類型、交織交通量和交織車道數(shù)，通過變化交織段長(zhǎng)度即可試算得到設(shè)計(jì)服務(wù)水平下的交織段長(zhǎng)度。實(shí)際上，這一試算過程可以通過計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)。

對(duì)于A 類交織區(qū)，隨著交織區(qū)長(zhǎng)度的增加，交織車輛的車速增大，交織車輛需占用更多的車道空間，交織區(qū)形成約束型交織的可能性也增大。這說明A類交織區(qū)的通行能力存在上限，交織區(qū)長(zhǎng)度并非越長(zhǎng)越好，當(dāng)達(dá)到約束型交織運(yùn)行時(shí)，需要考慮改變交織類型，如采用B類交織來突破交織區(qū)通行能力上限。

2.2.2 匝道平曲線半徑及加寬值的確定

立交匝道平曲線半徑受主線道路寬度制約，往往難以取較大值。利用AutoTURN軟件對(duì)國內(nèi)各類代表車型的最小轉(zhuǎn)彎行跡和車身外廓需要的轉(zhuǎn)向凈空進(jìn)行模擬。見圖9。

圖9 各類代表車型車身尺寸

不同車型轉(zhuǎn)彎的行跡是不同的，同一車型以不同速度轉(zhuǎn)彎時(shí)其行跡也是不同的。因此在對(duì)匝道平曲線設(shè)計(jì)中首先應(yīng)確定用以控制的設(shè)計(jì)車輛和設(shè)計(jì)速度。

通過對(duì)各類代表車型的行跡進(jìn)行模擬分析，得到各類車型以較低的速度0～15 km/h及20、30 km/h速度下轉(zhuǎn)彎時(shí)所能通過的最小半徑，見表2。

表2 各類車輛在不同速度下的最小轉(zhuǎn)彎半徑

以圓曲線半徑25 m為例，得到各類代表車型轉(zhuǎn)彎時(shí)車身外廓需要的轉(zhuǎn)向凈空及所需要的平曲線加寬值，見表3。

表3 各類車輛在平曲線半徑為25 m時(shí)所需加寬值m

由表2和表3可以看出：各代表車型中，載重汽車車身并不是最長(zhǎng)，但其轉(zhuǎn)彎時(shí)所需最小半徑卻大于車身更長(zhǎng)的大型客車、鉸接列車等其他車型；而車身外廓所需要的轉(zhuǎn)向凈空則與車身總長(zhǎng)正相關(guān)。

在U形匝道設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)車輛類型和匝道設(shè)計(jì)速度，結(jié)合主線道路寬度和表2中給出的設(shè)計(jì)車輛所能通行的最小半徑，合理確定U 形匝道轉(zhuǎn)彎半徑。根據(jù)匝道轉(zhuǎn)彎半徑和設(shè)計(jì)車輛類型，確定匝道平曲線加寬值。

3 “中”字形立交方案存在的問題及改善思路

3.1 主路兩側(cè)存在交織

主要道路兩側(cè)立交范圍內(nèi)上下匝道車輛存在交織，在交通量較大時(shí)可能對(duì)主要道路車流形成干擾，進(jìn)而影響通行能力。

該問題可以通過下列途徑加以改善：

1）在主要道路下游增加一條輔助車道，將交織區(qū)構(gòu)型改為B類交織，見圖10；

圖10 B類交織方案

2）通過增加硬隔離措施，將車流引導(dǎo)到輔道上進(jìn)行交織，見圖11。

圖11 在輔道上完成交織

3.2 次要道路直行不暢

為保證主要道路車流暢通，犧牲了次要道路直行車輛的通暢性。當(dāng)次要道路交通量不大或次要道路轉(zhuǎn)彎交通量所占比重較大時(shí)，采用這種形式的立交并不會(huì)存在問題。當(dāng)次要道路直行交通量較大，可能造成匝道擁堵時(shí)，可通過改善匝道平面線形、增加匝道車道數(shù)等方式解決。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)各類平交口立交化改造方案的對(duì)比，給出了改進(jìn)的“中”字形立交的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性；通過計(jì)算分析和軟件模擬，討論了該種形式立交的工程關(guān)鍵因素，給出其交織區(qū)長(zhǎng)度確定方法和曲線半徑、加寬值的建議；針對(duì)這類立交存在的問題給出了改善思路。該方案占地少、可充分利用舊路、以較低的工程代價(jià)實(shí)現(xiàn)全互通、能夠較好地處理慢行交通問題，特別適用于主次分明兩條道路交叉時(shí)的平交口立交化改造。□■