城市地下道路智能控制潮汐匝道及其可行性研究

林 志，蘇培循，肖 麗，楊紅運

(重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

0 引言

隨著汽車產業的快速發展，城市的交通擁堵逐漸成為制約城市經濟發展的障礙[1],降低了大眾生活幸福感[2]。尤其城市的商業經濟文化中心等交通密集的區域，地面道路資源尤為緊缺，擁堵十分嚴重[3]。為解決這一難題，很多城市提出了城市交通的立體化建設[4]，但該方案在早期實施過程中受制于技術和成本等問題，主要面向城市上層空間(即高架橋與立交橋)的利用開發。高架橋與立交橋的建設在一定程度上緩解了交通擁堵問題，但其建設占地面積大，并且嚴重破壞了城市景觀。因此，越來越多的大城市將目光投入到城市地下空間的開發利用[5-7]。

在地下空間開發過程中，地下軌道交通(即地鐵)具有便利、高效、安全、占地少等優點，逐漸成為大城市經濟發展水平的標志之一。但是隨著我國小康社會的全面建設，小汽車逐漸進入千家萬戶，雖然很多城市實施了一系列措施來控制小汽車出行，鼓勵公共交通出行，依舊無法有效緩解小汽車過多帶來的交通擁堵。因此，建設城市地下道路成為解決城市交通擁堵問題的重要手段。

日本、澳大利亞、法國以及中國等很多國家的大城市逐步建設和使用城市地下道路，有效緩解了城市的交通擁堵。但由于在地下道路匝道出入口設置時會擠占地面的有限資源，因此地下道路匝道出入口成為限制城市地下道路通行效率的關鍵節點[8]。目前有關城市地下道路匝道出入口的研究較少，其大部分設計沿用隧道設計規范，創新較少。美國Boring公司實施了埃文·馬斯克設計的一種新型“汽車電梯式”匝道口設置形式，即采用電梯將道路上的車輛傳送至地下專門建造的隧道，但單座電梯同一時間只能運輸1輛汽車，成本高昂，通行效率過低，難以推廣。本文提出一種新型的城市地下道路智能控制潮汐匝道，通過分流長距離過境車輛進入地下快速路，可有效緩解地面交通擁堵問題，為城市地下道路的建設規劃提供新的創意。

1 城市地下道路匝道出入口現狀

1.1 主要問題

1)出入口匝道設置困難。由于地下道路的規劃建設落后于地面交通建設，而城市地下道路匝道的出入口要擠占一部分地面道路資源，給地面交通帶來了不便，同時其改建施工會大大增加地下道路匝道出入口的設置成本[9]；另一方面，由于城市中心區地面道路資源緊張，匝道位置選擇較少，難以根據需求靈活設置匝道，導致汽車進入城市地下道路需要繞道，增加了不必要的路程[10]。

2)節點易擁堵。地下道路匝道出入口是連接地上道路網與地下道路網的關鍵節點，匝道出入口的設置合理與否是地下道路發揮分流交通量功能的重要保障[11]。雖然很多大城市對地下道路進行了規劃建設，但是面對早晚高峰等車流量較大的情況仍然力不從心，匝道出入口成為限制發揮地下道路全部功能的阻礙，如何應對這種“潮汐式”交通節點擁堵問題引起了人們的廣泛思考[12]。

1.2 埃文·馬斯克“汽車電梯式”匝道出入口

埃文·馬斯克的“汽車電梯式”匝道出入口常用于地下車庫，埃文·馬斯克創造性地將這種電梯式升降裝置與地下道路相結合，通過汽車電梯托盤將汽車從地面運輸到專用隧道，使得汽車可以避開地面的交通擁堵，快速到達目的地。埃文·馬斯克的這種想法為緩解城市交通擁堵提供了一種創造性思路，但同時也有一些不足。首先，該方案需要自建隧道，成本較高，并且出入口限制在目的地和始發地兩者之間，難以充分利用隧道資源；其次，這種“汽車電梯式”匝道出入口采用金屬托盤運輸汽車，1個托盤只能運輸1輛汽車，汽車不能自主操作，需要排隊進入隧道，這使得汽車通過匝道出入口的效率十分低，等待時間較長[13]。

2 城市地下道路潮汐匝道設計方案

本文提出的地下道路智能控制潮汐匝道方案分為2個部分，即設備裝置(其中智能潮汐匝道裝置設備設計效果見圖1)與布設銜接。設備裝置主要包含路面部分裝置、自動升降裝置和附屬保障設施裝置；布設銜接包括地面道路布設銜接及與地下道路主線的銜接。

1—地上道路；2—地下道路；3—出入口；4—斜坡；6—第1、2液壓缸；7—凹槽；8—雨水攔截槽；10—升降柱; 13—容納槽; 51—第1鋼結構底座；52—第1瀝青層; 53—第1鉸接頭; 111—第2鋼結構底座；112—第2瀝青層; 113—第2鉸接頭; 121—殼體; 122—開口; 123—鎖止固定塊。

2.1 設備裝置

2.1.1 路面部分裝置

1)鎖止固定裝置部分。鎖止固定裝置主要有2個部分，即可伸縮搭接接頭與液壓傳動裝置。當匝道出入口即將開啟，可升降路面需要下降，則搭接接頭收縮，使得升降路面可以正常下降。當匝道出入口關閉后，搭接接頭伸出，為路面提供一定的支撐，可以避免升降裝置失效時升降匝道下落，導致行駛在升降匝道上的車輛跌落，造成人員傷亡；液壓傳動裝置為可伸縮搭接接頭的移動提供動力。

2)升降坡道路面部分。升降坡道路面部分分為3層。上層瀝青路面采用高摩阻瀝青鋪砌，能有效縮短剎車距離，提高行車安全性，并且具有吸收車輛行駛噪音的作用。同時，在路面面層上設置橡膠減速帶與警戒道路標線。中間部分為高強度鋼板，為鋪設瀝青材料提供平臺。第3層為鋼架結構框架層，采用鋼結構梁做支撐，強度高、穩定性好，能承受過往汽車重量、防止鋼板發生變形，同時為安裝升降裝置提供位置。當地下匝道出入口系統未開啟，城市地上道路交通保持正常運行；當地下匝道出入口系統開啟，可將地上、地下道路網連接起來。

3)鉸接側路面部分。鉸接側整體為鋼結構框架，與地面固定，同時突出一部分與可升降路面配合的鉸接頭，使可升降路面上下活動時路面保持平整。

2.1.2 自動升降裝置

自動升降裝置上下分別鉸接可升降坡道路面與匝道出入口坡道的地面部分。通過分析交通監控數據結果，控制升降裝置作業，當匝道出入口開啟(關閉)時自動升降裝置下降(升起)。潮汐匝道開啟中狀態前視圖見圖2。

圖2 潮汐匝道開啟中狀態前視圖

自動升降裝置是城市地下道路智能控制潮汐匝道出入口的關鍵裝置，必須保證其安全可靠。一方面在匝道出入口關閉時作為正常道路的支撐；一方面負責實現匝道出入口的開閉功能。

2.1.3 附屬保障設施裝置

1)自動升降路樁裝置。自動升降路樁裝置設在雙向兩車道的內側車道，為保障運營安全，必須設置一定的隔離裝置，且不能對地面交通產生影響。選擇在匝道出入口四周設置自動升降路樁，通過升降路樁控制車輛通行。當道路交通良好時，系統未開啟，升降路樁處于不升起狀態；當監控交通數據分析道路交通為堵塞狀態時，開啟系統，配合交通信號燈，控制車輛通行，同時，匝道出入口四周區域車道的升降路樁在系統控制下作業，進行交通誘導，維持相鄰車道正常行駛、保護車輛安全，防止發生意外事故。

2)雨水攔截裝置。由于坡道開啟后，匝道出入口處于露天狀態，必須考慮雨水倒灌情況，因此在匝道入口內側設置雨水攔截裝置，攔截路面上方通過匝道出入口系統流向地下道路的地表水，保護匝道出入口處不受水流沖刷；格柵式表面蓋板可防止雨水形成漩渦，減少不必要的安全隱患。

3)應急停車港灣。由于智能潮汐匝道為單向單車道，為保證交通安全，在匝道右側設置應急停車港灣(見圖3)，設置數量可以根據匝道長度調整，間距宜為500 m。

圖3 應急停車港灣示意圖

2.2 布設銜接

2.2.1 地面道路布設銜接

智能潮汐匝道推薦設置在路側慢車道上，如圖4所示。智能潮汐匝道在關閉狀態下與正常地面道路保持一致，不會對地面交通產生影響。但是當智能潮汐匝道開啟后，會占據一條車道的使用，因此應該盡量減少智能潮汐匝道對地面交通的干擾，選擇布設在路側慢車道，同時應該與前方交叉路口保持一定距離，為不需要進入地下道路的車輛繞行提供足夠的反應距離。

圖4 智能潮汐匝道關閉狀態效果圖

2.2.2 與地下道路主線銜接

智能潮汐匝道、地下道路主線銜接方式與傳統匝道銜接方式相同，見圖5。通過設置加速段與過渡段，保證匝道車輛安全平穩匯入地下道路主線。

圖5 智能潮汐匝道與地下道路主線銜接布設圖

3 可行性研究

3.1 智能控制管理系統

該系統可實現潮汐匝道出入口關閉與開啟的智能化、自動化。智能潮汐匝道開啟狀態效果見圖6，匝道入口的開啟流程如下：

圖6 智能潮汐匝道開啟狀態效果圖

1)檢測到地面交通擁堵，匝道入口前信號燈變為紅色，該車道上車輛選擇繞行其他車道或等待匝道開放，進入城市地下道路；

2)匝道出入口處四周自動升降路樁升起；

3)安全鎖止裝置打開，伸縮搭接收回，升降坡道路面開始下降；

4)升降坡道完全降落后，鉸接側道路安全路樁可以下降，其他三側道路安全樁保持升起狀態；

5)信號燈變為綠燈后，車輛從匝道入口進入城市地下道路。

當地面交通恢復正常通行時，可以關閉匝道入口，流程如下：

1)地面信號燈變為紅燈，車輛停止進入匝道；

2)當監測到匝道入口處沒有車輛行駛通過后，鉸接側安全路樁升起；

3)升降坡道開始上升，當恢復到正常路面高度時，可伸縮搭接接頭伸出；

4)四周所有安全路樁下降；

5)地面信號燈變為綠燈，恢復該段道路通行。

城市地下道路智能控制潮汐匝道出口的控制策略與入口相似，不再贅述，但要注意控制信號燈由地面改為地下。潮汐匝道智能控制開閉流程如圖7所示。

圖7 潮汐匝道智能控制開閉流程圖

3.2 設計參數推薦

依據CJJ221—2015《城市地下道路工程設計規范》，對地下匝道出入口的車速、限高、寬度、坡長、坡度等標準進行調整，提出參考取值，保證設計安全可靠[14-15]。

3.2.1 設計車輛與設計速度

在確定城市地下道路潮汐匝道出入口的參數設計推薦值之前，應先確定行駛車輛的外形尺寸與設計速度。本匝道出入口只考慮小型汽車，根據《中國汽車車型手冊》確定設計車輛的尺寸，見表1。

表1 小型車外廓尺寸

各級城市地下道路的設計速度見表2。根據規范，城市地下道路匝道的設計速度一般為主線的40%～70%，因此選取主線設計速度為60～80 km/h，匝道的設計速度為24～56 km/h，選取匝道出入口段的設計速度標準值為30 km/h。

表2 各級城市地下道路的設計速度

3.2.2 高度與寬度

城市地下道路潮汐匝道只面向城市小汽車開放，其最小凈高設計應參照城市地下道路與坡道式地下車庫出入口的設計規范。

參照CJJ221—2015《城市地下道路工程設計規范》中有關凈高及寬度的設計要求，見表3和表4，取凈高H=3.2 m，車道寬度b=3.25 m為推薦值。同時在匝道兩側與坡道平齊的位置向內分別凹0.5 m，其中0.25 m為路側帶，剩下0.25 m為安全帶，如圖8所示。

表3 城市地下道路最小凈高

表4 坡道最小凈寬

圖8 匝道路側安全帶示意圖

3.2.3 最大坡度

城市地下道路應盡量保持平緩，除在地形受限地區，在經過技術經濟論證后，最大縱坡可以增加1%。城市地下道路匝道設計速度取30 km/h，故綜合城市地下道路坡道設計要求(見表5)，城市地下道路潮汐匝道推薦取值為一般值的7%。

表5 地下道路最大坡道

3.2.4 升降坡道安全驗證

匝道出入口隧道施工推薦采用“明挖回填”的施工方法，減小開口埋深，防止因為出入口埋深過大導致開口過長，推薦埋深值h1為1 m，既可以實現匝道開口埋深不大，又可以保證洞口結構安全。

同時取坡道推薦值7%為計算坡道取值，車道寬度為3.25 m，匝道洞口凈高h2為3.2 m，洞口埋深為1 m，由此計算出坡道長度為60.15 m，面積為195.49 m2。根據使用材料估算升降坡道中瀝青層厚80 mm，大約需要38.16 t瀝青混合料，鋼板層厚度為5 mm，需要鋼材7.67 t，空心鋼結構骨架層由4根縱梁、57根小橫梁組成，質量約為8.85 t，總質量為54.68 t。升降坡道結構示意見圖9，潮汐匝道計算示意見圖10。

圖9 升降坡道結構示意圖

圖10 潮汐匝道計算示意簡圖(單位：m)

升降坡道一側為鉸接，一側為2根液壓千斤頂起重裝置支撐，故當升降坡道升起時單根液壓千斤頂承重為27.34 t。出于安全考慮選擇定制的全自動液壓千斤頂起重裝置規格選擇50 t，以保證潮汐匝道出入口在關閉情況下，為地面汽車提供安全平緩的道路行駛條件。

3.2.5 經濟可行性

該方案的成本主要來自以下幾部分：全自動液壓起重裝置、升降坡道、安全鎖止裝置、升降安全樁、配套控制軟件。其中升降坡道每m2造價約為0.14萬元，按照坡道長度60.15 m，面積為195.49 m2，則升降坡道整體造價約為28萬元。經粗略計算，整套裝置造價約為120萬元，見表6。

表6 成本計算表

3.2.6 通行效率驗證

在設計車速為30 km/h時，車輛安全間距為45 m，但實際上，在道路車流量較大時，城市道路上車輛間距一般為10 m左右，也就是車身長度的2倍；則該地下道路潮汐匝道出入口斷面每小時可以通行600～2 000輛小汽車，而埃文·馬斯克的汽車電梯式升降匝道從汽車進入汽車托盤固定到送達規定隧道出口的時間最短需要30 s，每小時可不間斷運送120輛小汽車，通行效率遠小于潮汐匝道。

4 結論與討論

智能控制的城市地下道路潮汐匝道作為一種新型的城市地下道路匝道出入口設置形式，具有以下優點:

1)土地資源高效利用，在同一車道實現了多種功能,提高了土地資源的利用率。

2)交通疏解能力強，相比埃文·馬斯克“汽車電梯式”升降匝道,本系統與傳統地下匝道功能一致,車輛自主行駛通過,不需要專門的載運工具,速度更快、成本更低。

3)可以作為應急救援逃生通道使用。當地下道路發生意外情況時,可以打開臨近匝道出入口,迅速對地下道路內部的意外情況進行處理解決,降低人員財產損失。

智能潮汐匝道出入口將地面道路與地下道路網有機緊密聯系在一起,通過控制潮汐匝道出入口的開、閉有效分流中、長距離過境交通量,并延緩短距離交通進入擁堵區域,可有效緩解城市交通擁堵問題,更充分地發揮道路的服務功能。但當短距離交通量較大,開放潮汐匝道并不能緩解擁堵情況,反而會因為車道數減少,干擾地面交通,造成擁堵加劇,故在使用智能潮汐匝道出入口時必須結合城市交通的實際情況。雖然目前智能潮汐匝道出入口還處于概念階段,距離實際應用還有很長的時間,但是其中的創新理念,可以開拓城市建設和管理者的思路。未來隨著城市地下道路的快速發展,也一定可以得到更廣泛的拓展,更好地解決城市交通問題。