公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)及應(yīng)用思考

葉吉興

（廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000）

公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)難度較高，除了要考慮公路工程建成后的通車需求、公路工程施工地點(diǎn)的實(shí)際情況等因素，還需對(duì)平面線形設(shè)計(jì)工作要點(diǎn)進(jìn)行分析，才能確保最終的設(shè)計(jì)效果。然而在實(shí)際工作中，許多公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)方案存在不合理之處，有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，在這種情況下對(duì)公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行研究，可謂是勢(shì)在必行。

1 公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)應(yīng)用案例

與長(zhǎng)度動(dòng)輒幾十公里、幾百公里的高速公路工程相比，公路互通式立交的設(shè)計(jì)難度更大，主要難點(diǎn)都集中在點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，在一些市郊平原地區(qū)的立交設(shè)施中，其周邊的建筑主體比較少、設(shè)計(jì)自由度非常高，但是與此同時(shí)立交結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)決定了其設(shè)計(jì)空間較小，設(shè)計(jì)人員只能在有限的空間內(nèi)完成平面、縱向等設(shè)計(jì)指標(biāo)的變化，讓互通立交結(jié)構(gòu)的作用得到優(yōu)化，確保各方向交通流安全順暢轉(zhuǎn)換，這無疑給公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)工作帶來了一定的難度。從某種意義上來說，立交設(shè)計(jì)是公路設(shè)計(jì)的重要組成部分，而平面線形設(shè)計(jì)又是立交設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，設(shè)計(jì)人員必須充分了解互通立交的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)平面結(jié)構(gòu)的過程中充分考慮縱、橫斷面等各階段的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)過去的工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際需求，不斷優(yōu)化公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)方案[1]。平面線形設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)互通立交結(jié)構(gòu)上車輛的行駛軌跡進(jìn)行模擬，并從駕駛員的視角出發(fā)、考慮駕駛的要求，將以人為本作為基本原則，在充分考量各種外在影響因素的基礎(chǔ)上，確保公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、規(guī)范性、安全性和綜合效益。某B型喇叭立交位于圓曲線半徑R=1 186．054 m、緩和曲線長(zhǎng)度Ls=200 m的平曲線范圍（圖1）。由于主線平曲線半徑相對(duì)較小，對(duì)匝道出入口的線形連續(xù)性、漸變率等須嚴(yán)格按照《高速公路互通式立交匝道及連接線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求設(shè)計(jì)，否則將容易誘發(fā)事故[2]。

圖1 某立交設(shè)計(jì)圖

2 公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)要求

公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)工作有一定的復(fù)雜性，為確保最終設(shè)計(jì)效果的合理性，必須對(duì)其具體的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了解。一般來說，公路互通式立交應(yīng)在具有良好線形指標(biāo)的路段進(jìn)行建設(shè)，設(shè)計(jì)人員可結(jié)合公路通行情況明確線形指標(biāo)（表1）。

表1 公路互通式立交主線設(shè)計(jì)線性指標(biāo)

其中，匝道是公路相交處的連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)車輛通行方向的差異可以分成右轉(zhuǎn)匝道與左轉(zhuǎn)匝道，右轉(zhuǎn)匝道可將其設(shè)計(jì)為平行式、反向曲線、斜線、單（復(fù)）曲線4種方式，一般為右轉(zhuǎn)右出的直接式匝道，出入難度比較低，但是各種指標(biāo)計(jì)算難度比較大，進(jìn)入左轉(zhuǎn)匝道的行駛車輛需調(diào)轉(zhuǎn)90°～270°方向才能正常行駛，為確保左轉(zhuǎn)匝道的合理性，一般應(yīng)采取間接式設(shè)計(jì)方式開展工作[3]。在設(shè)計(jì)匝道平面線形的過程中，工作人員應(yīng)結(jié)合公路地形及設(shè)計(jì)速度劃定圓曲線指標(biāo)與回旋線參數(shù)及長(zhǎng)度（表2）。

表2 公路互通式立交匝道參數(shù)線形指標(biāo)

2.2 線元參數(shù)計(jì)算

在過去的公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，對(duì)立交結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)確定立交起始點(diǎn)坐標(biāo)、起始點(diǎn)半徑、重點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)計(jì)速度指標(biāo)明確線形參數(shù)。而在利用兩點(diǎn)線元法進(jìn)行公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)的情況下，設(shè)計(jì)人員可進(jìn)一步依據(jù)立交回旋偏轉(zhuǎn)角β進(jìn)行線元參數(shù)計(jì)算。公式如下：

式中，A為回旋參數(shù)，R為任意點(diǎn)P的曲線半徑，L為任意點(diǎn)P到零點(diǎn)處的長(zhǎng)度，β為任意點(diǎn)P切線方向的旋轉(zhuǎn)角度。在上述計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可結(jié)合三角函數(shù)、幾何關(guān)系等進(jìn)行積分整理，得出P點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)，為后續(xù)回旋參數(shù)確定夯實(shí)基礎(chǔ)。P點(diǎn)為回旋線的β偏移角度，其與曲線半徑、曲線長(zhǎng)度等具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，為進(jìn)一步確定P點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)，完成回旋偏轉(zhuǎn)角迭代計(jì)算，設(shè)定函數(shù)fx（β）與 fy（β），具體公式如下：

2.3 明確回旋線參數(shù)

在進(jìn)行線元參數(shù)迭代計(jì)算的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可以確定完整的公路互通式立交回旋線數(shù)據(jù)，目前回旋線坐標(biāo)、切線偏轉(zhuǎn)角參數(shù)已明確，在此基礎(chǔ)上即可計(jì)算回旋線長(zhǎng)度L、回旋線偏轉(zhuǎn)角度β參數(shù)數(shù)值，并確定互通式立交回旋曲線偏轉(zhuǎn)方向[4]。設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合回旋線參數(shù)起點(diǎn)與終點(diǎn)的坐標(biāo)確定偏轉(zhuǎn)方向，建立回旋線相對(duì)坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上根據(jù)旋轉(zhuǎn)公式計(jì)算出回旋線終點(diǎn)坐標(biāo)，可根據(jù)迭代計(jì)算公式及互通式立交設(shè)計(jì)要求控制精準(zhǔn)度，并將其設(shè)為，根據(jù)迭代公式完成回旋線偏轉(zhuǎn)角計(jì)算，并設(shè)定βnew為偏轉(zhuǎn)角初始值，從0～15范圍選取初始值具體數(shù)值，得βnew公式：

2.4 兩點(diǎn)線元法設(shè)計(jì)

除了要優(yōu)化上述計(jì)算步驟，還需要充分發(fā)揮信息化技術(shù)的作用，將各種參數(shù)輸入到專項(xiàng)設(shè)計(jì)軟件當(dāng)中，從而提升公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)的合理性。首先，設(shè)計(jì)人員可以把立交起點(diǎn)坐標(biāo)、起點(diǎn)方向、起點(diǎn)半徑輸入設(shè)計(jì)軟件內(nèi)，并與緯地道路設(shè)計(jì)軟件方位角對(duì)應(yīng)，該軟件就能夠自動(dòng)計(jì)算并生成符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的12條曲線，設(shè)計(jì)人員從12條曲線當(dāng)中選擇最符合設(shè)計(jì)要求的曲線進(jìn)行應(yīng)用。另外，如果發(fā)現(xiàn)信息化系統(tǒng)存在曲線繪制失誤，可將輸入的數(shù)據(jù)刪除并重新進(jìn)行自動(dòng)化計(jì)算，提升公路互通式立交平面線形計(jì)算的準(zhǔn)確度，讓互通式立交后續(xù)建設(shè)與通行效果得到保障[5]。

2.5 以運(yùn)行速度指導(dǎo)線形設(shè)計(jì)

公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不言而喻，想要保證其設(shè)計(jì)合理性，設(shè)計(jì)人員要考慮車輛的運(yùn)行速度等因素，在實(shí)際駕駛過程中，駕駛員往往會(huì)選擇在不違反有關(guān)規(guī)定的情況下以較高速度通行，因此進(jìn)行取值的時(shí)候，不需要選擇行駛速度的極值。換而言之，在同一個(gè)匝道不同路段中，不同車輛的實(shí)際運(yùn)行速度總是可能偏離匝道的設(shè)計(jì)速度，設(shè)計(jì)人員必須考慮到這一問題，避免設(shè)計(jì)速度低于車輛的實(shí)際運(yùn)行速度，確保匝道線形指標(biāo)的合理性，避免不必要的安全事故。比如在設(shè)計(jì)B型喇叭立交的內(nèi)環(huán)匝道時(shí)，該內(nèi)環(huán)匝道緊靠高速公路的出口，如果主線設(shè)計(jì)速度為100 km/h，匝道的設(shè)計(jì)速度為40 km/h，則該匝道的最小內(nèi)環(huán)圓曲線半徑為60 m，在按照有關(guān)要求將減速車道長(zhǎng)度設(shè)定為125 m、過渡段的緩和曲線長(zhǎng)度Ls以40 km/h的準(zhǔn)取最小值35 m的情況下，車輛在進(jìn)入緩和曲線及圓曲線路段以后，很難按照預(yù)計(jì)情況完成減速，車輛的實(shí)際行駛速度可能會(huì)超出40 km/h，進(jìn)而帶來一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為避免這一問題，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合道路的具體情況，對(duì)車輛減速所需要的路程進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)緩和曲線長(zhǎng)度進(jìn)行增加，同時(shí)延長(zhǎng)減速車道段匝道第一段線元至楔形端以后，為駕駛員提供足夠的時(shí)間進(jìn)行減速和前方道路辨識(shí)，降低出現(xiàn)安全事故的概率[6]。

2.6 線元長(zhǎng)度的3 s行程要求

公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)的復(fù)雜性體現(xiàn)在許多方面，除了要考慮上述幾方面設(shè)計(jì)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員還需要考慮到線元長(zhǎng)度的3 s要求。車輛在曲線路線行駛的情況下，駕駛員需要頻繁調(diào)整方向盤，在曲線長(zhǎng)度過短時(shí)，駕駛員就必須快速地完成方向盤的操作，這可能會(huì)提升車輛離心加速度，給乘客帶來極其不舒適的體驗(yàn)，如果此時(shí)車輛的行駛速度非常快，那么駕駛員和乘客的生命安全將受到威脅。根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)來看，駕駛員往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤至少需要3 s，因此在進(jìn)行線元設(shè)計(jì)時(shí)，緩和曲線的長(zhǎng)度至少應(yīng)滿足3 s行程的要求。另外，直線及圓曲線上的行車雖然不用轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，但是為了避免車輛安全事故，線元中直線和圓曲線的長(zhǎng)度一般也不應(yīng)小于3 s行程要求。

2.7 匝道各線元參數(shù)的均衡設(shè)計(jì)

匝道是公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)的重中之重，其線元參數(shù)除了要考慮3 s行程的要求，還需要具有取值均衡的特點(diǎn)，否則公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)效果可能會(huì)大打折扣。第一，要保證運(yùn)行的連續(xù)協(xié)調(diào)。匝道線元參數(shù)的取值是否合理，會(huì)影響到車輛的運(yùn)行情況，在線形指標(biāo)較高時(shí)，駕駛員傾向于采用較高的速度行駛，其發(fā)現(xiàn)前方道路條件復(fù)雜的時(shí)候，會(huì)進(jìn)一步集中注意力控制行駛速度，發(fā)生安全事故的可能性比較高，因此設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)不同類型匝道的實(shí)際情況，合理進(jìn)行線形參數(shù)的取值，保證駕駛的連續(xù)性與協(xié)調(diào)性。第二，要保證駕駛操作及視覺的連續(xù)。匝道的平面線形非常多樣化，結(jié)合不同的實(shí)際條件，設(shè)計(jì)人員可以采取單曲線、S形曲線、卵形曲線、復(fù)合曲線等曲線形式，但是無論選用哪種曲線形式，都必須以保證駕駛操作的連續(xù)性為出發(fā)點(diǎn)[7]。比如在S形曲線中，一般要求反向曲線間的兩個(gè)回旋線參數(shù)宜相等或相近，兩參數(shù)之比一般不宜大于2；而在卵形曲線中，則要求大小圓曲線半徑之比一般不宜大于5，只有這樣才能避免駕駛操作和視覺中斷的問題，確保公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)的安全性。特別需要提到的是，目前有一部分設(shè)計(jì)人員習(xí)慣于采用僅滿足匝道設(shè)計(jì)速度要求的緩和曲線長(zhǎng)度，在長(zhǎng)圓曲線兩側(cè)設(shè)置短緩和曲線，或使用短緩和曲線與長(zhǎng)直線相接，這樣的設(shè)計(jì)思路會(huì)影響駕駛的連續(xù)性，不符合公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)的基本要求，在今后的工作中，必須杜絕類似設(shè)計(jì)問題。

2.8 匝道分合流漸變率m設(shè)計(jì)

根據(jù)公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)的有關(guān)要求，直接式的變速車道應(yīng)滿足一定的漸變率m的要求，其中m指的是車輛行駛的橫向偏移率，在m值過大的情況下，車道的漸變過慢，一是可能會(huì)導(dǎo)致減速車道無法識(shí)別的問題，讓一些主線直行車輛誤入減速車道，影響到正常通行，一些需要轉(zhuǎn)彎的車輛卻意識(shí)不到減速車道的存在，未能及時(shí)減速行駛；二是可能導(dǎo)致車輛流出過慢等問題，主線連接部的長(zhǎng)度只能隨之延長(zhǎng)，整體的工程量會(huì)大幅度增加，不符合公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性要求，因此在今后的設(shè)計(jì)工作中，必須確保直接式變速車道滿足漸變率要求。

3 結(jié)語

公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不言而喻，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際建設(shè)需求，利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件，通過兩點(diǎn)線元法設(shè)計(jì)等方法，以運(yùn)行速度指導(dǎo)線形設(shè)計(jì)。同時(shí)需要遵守線元長(zhǎng)度的3 s行程要求，對(duì)匝道各線元參數(shù)的均衡設(shè)計(jì)、匝道分合流漸變率m設(shè)計(jì)等進(jìn)行優(yōu)化，提升公路互通式立交平面線形設(shè)計(jì)的有效性。在今后的工作中，將結(jié)合公路互通式立交設(shè)計(jì)成功案例及實(shí)際建設(shè)需求，對(duì)平面線形設(shè)計(jì)的具體計(jì)算方法、需要注意的設(shè)計(jì)問題等進(jìn)行進(jìn)一步研究。