山地城市立交設(shè)計(jì)理念探討

林 洋，趙建新，王 天

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

山地城市指主要分布在山地區(qū)域的城市，形成與平原地區(qū)迥然不同的城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境。修建在大于50°的斜坡地之上的城市，也屬于山地城市。山地城市受地形、地貌、地質(zhì)等影響，立交設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。近年，山地城市立交研究主要聚焦于規(guī)劃和選型，但立交總體設(shè)計(jì)相關(guān)研究較少。結(jié)合山地城市立交案例，從立交的功能定位、規(guī)模選型、線形設(shè)計(jì)、匝道靈活性設(shè)計(jì)、擁堵防治等角度進(jìn)行探討。

1 山地城市特性

1.1 城市空間布局

山地城市空間總體布局有中心組團(tuán)模式、帶狀發(fā)展模式、分片擴(kuò)張模式。中心組團(tuán)模式有明顯的城市中心及若干組團(tuán)，各部分之間為山脈、江湖、溝壑、礦產(chǎn)等天然屏障，不適宜成為建設(shè)用地。帶狀發(fā)展模式，城市沿山間谷地方向延伸，形成帶狀布局。分片擴(kuò)張模式，在中心組團(tuán)布局的基礎(chǔ)上，各組團(tuán)逐漸擴(kuò)張連片，形成靈活而不規(guī)則的空間布局形態(tài)。在城鎮(zhèn)化發(fā)展的高級(jí)階段，分片擴(kuò)張模式是山地城市發(fā)展的必然趨勢(shì)，土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度增大，出行需求激增，路網(wǎng)形態(tài)固化、級(jí)配失衡、容量面臨瓶頸，城市交通供需矛盾在立交節(jié)點(diǎn)更為突出。

1.2 交通出行特征

山地城市交通出行具有下列特征[1]：

（1）交通潮汐特征顯著，路段擁堵緩行多發(fā)；

（2）組團(tuán)間長(zhǎng)距離出行占比大，對(duì)道路斷面、立交節(jié)點(diǎn)通行能力提出較高要求；

（3）公交、軌道出行模式轉(zhuǎn)移在一定時(shí)期內(nèi)效果有限，出行總量增加在很大程度上向私人小汽車模式傾斜。

1.3 路網(wǎng)及節(jié)點(diǎn)特征

山地城市路網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)配失衡、均衡性差、可靠度較低。立交節(jié)點(diǎn)受到路網(wǎng)特性影響，存在節(jié)點(diǎn)規(guī)劃不合理、功能與選型不匹配、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低等通病。

2 山地城市立交存在的問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)上的缺陷

以樞紐立交為例，山地城市立交一方面要滿足全互通功能，另一方面又受制于現(xiàn)場(chǎng)諸多限制條件，容易留下設(shè)計(jì)缺陷，成為運(yùn)營(yíng)階段擁堵和事故的內(nèi)因。

山地城市立交設(shè)計(jì)缺陷通常有：

（1）立交功能定位與城市路網(wǎng)規(guī)劃不相適宜；

（2）立交選型與功能定位不相匹配；

（3）主線車道規(guī)模不一致；

（4）重要轉(zhuǎn)向匝道缺失，采用U 型匝道代償，干擾主線及其他轉(zhuǎn)向匝道；

（5）主線及匝道單一線形指標(biāo)雖滿足規(guī)范要求，但未采用運(yùn)營(yíng)速度核驗(yàn)，成為事故易發(fā)路段；

（6）匝道縱斷面設(shè)計(jì)和排水設(shè)計(jì)不相協(xié)調(diào)，匝道低洼段易積水；

（7）環(huán)形匝道停車視距不足；

（8）交織段設(shè)計(jì)欠妥；

（9）隧道口與立交距離過(guò)近，匝道設(shè)置突兀。

2.2 運(yùn)營(yíng)階段存在的問(wèn)題

運(yùn)營(yíng)階段存在的問(wèn)題主要包括安全和擁堵。山地城市立交運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題主要源于主線及匝道線形指標(biāo)偏低、幾何設(shè)計(jì)不合理、交通標(biāo)志識(shí)讀性低等原因。交通事故易發(fā)段通常位于主線與匝道連接部、匝道平縱指標(biāo)不利段、分合流端部。交通事故包含單車事故和多車事故，例如：車輛撞擊小半徑環(huán)形匝道護(hù)欄、車輛撞擊鼻端、車輛駛出主線時(shí)與直行車碰撞、匝道上多車追尾等。山地城市路網(wǎng)空間分布均衡性差，交通量過(guò)度集中于某些關(guān)鍵性走廊，尤其在立交轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換交通缺乏可替代路徑、集中度高，為城市交通擁堵高發(fā)點(diǎn)。

3 山地城市立交設(shè)計(jì)探討

3.1 功能定位——機(jī)動(dòng)性與可達(dá)性平衡

機(jī)動(dòng)性和可達(dá)性是城市道路兩種功能屬性。機(jī)動(dòng)性強(qiáng)調(diào)道路的通過(guò)功能，快速、無(wú)側(cè)向干擾是機(jī)動(dòng)性的基本要求。可達(dá)性是道路提供的出入兩側(cè)地塊的功能，直接、就近是可達(dá)性的基本要求[2]。機(jī)動(dòng)性出行需求通過(guò)立交主線和匝道實(shí)現(xiàn)；可達(dá)性出行需求通過(guò)輔道和出入口實(shí)現(xiàn)。機(jī)動(dòng)性和可達(dá)性表現(xiàn)為互斥關(guān)系，強(qiáng)化立交的機(jī)動(dòng)性則會(huì)弱化其可達(dá)性。例如，互通式立交增設(shè)輔道連接，增加了子系統(tǒng)數(shù)量，使得整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜程度增加。平原城市路網(wǎng)規(guī)劃空間布局均衡、級(jí)配合理，能夠支持有序合理的出行路徑：主出行、轉(zhuǎn)換、集散和終達(dá)。山地城市因其特殊的地形地貌、路網(wǎng)形態(tài)，其立交在某些情況下需要承擔(dān)部分可達(dá)性，導(dǎo)致山地城市立交復(fù)雜程度增加。某立交為解決西北側(cè)居住用地出行，在北向西右轉(zhuǎn)匝道上增設(shè)小區(qū)出入口，以降低機(jī)動(dòng)性為代價(jià)提升其可達(dá)性（見(jiàn)圖1）。同時(shí)，也可通過(guò)設(shè)置輔道系統(tǒng)，改善立交可達(dá)性。上述兩種方式均較為常見(jiàn)，山地城市立交宜與周邊用地規(guī)劃條件相協(xié)調(diào)，從區(qū)域路網(wǎng)規(guī)劃、城市設(shè)計(jì)、交通影響評(píng)價(jià)等多角度、多層次分析其功能定位，均衡立交機(jī)動(dòng)性與可達(dá)性。

圖1 山地城市立交機(jī)動(dòng)性和可達(dá)性示例圖

3.2 規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)——樞紐立交與一般立交選擇

《城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程》（CJJ 152—2010）根據(jù)相交道路等級(jí)、直行及轉(zhuǎn)向車流特征、機(jī)非干擾等因素，將立交分為樞紐立交、一般立交和分離式立交三類，立交類型選擇根據(jù)節(jié)點(diǎn)所在路網(wǎng)地位、作用、相交道路等級(jí)、城市性質(zhì)、規(guī)模、交通需求以及區(qū)域用地條件選定[3]。其中，立交分類最核心的因素為轉(zhuǎn)向（主要是左轉(zhuǎn)）車流行駛特征，立交選型最重要的因素為相交道路等級(jí)、路網(wǎng)地位和交通量。平原城市立交選型因素（需求條件）基本能夠與立交分類(技術(shù)指標(biāo))相匹配，而山地城市立交選型因素（需求條件）可能會(huì)與立交分類（技術(shù)指標(biāo)）錯(cuò)位。例如，某快速路-快速路交叉節(jié)點(diǎn)，交通轉(zhuǎn)換需求明確，應(yīng)按樞紐立交選定，但因其相對(duì)高差過(guò)大，最終采用分離式立交。在山地城市立交選型過(guò)程中，除相對(duì)高差過(guò)大因素外，制約因素還包括隧道口距離交叉過(guò)短、特大橋梁距離交叉過(guò)短、周邊山體及滑坡等。在這種情形下，立交選型可能由樞紐立交降低為一般立交，甚至分離式立交，局部節(jié)點(diǎn)的交通轉(zhuǎn)換需求則需要通過(guò)整體路網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。因此，山地城市立交選型需要兼顧需求條件和限制條件，需求條件支持樞紐立交選型而限制條件難以實(shí)現(xiàn)樞紐立交時(shí)，可選用一般立交。選型流程見(jiàn)圖2。

圖2 山地城市立交選型流程圖

3.3 飽和狀態(tài)下避免反堵

《城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程》（CJJ 152—2010）規(guī)定，樞紐立交和一般立交設(shè)計(jì)服務(wù)水平采用Ⅱ1 和Ⅱ2 服務(wù)水平，交通流特征為接近自由流和行車自由度受限，均屬非飽和狀態(tài)。實(shí)際上，多數(shù)城市立交在運(yùn)營(yíng)數(shù)年內(nèi)即達(dá)到飽和狀態(tài)。立交平縱線形指標(biāo)方面，非飽和狀態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)能夠覆蓋飽和流狀態(tài)要求。交通運(yùn)行角度，基于非飽和狀態(tài)的幾何設(shè)計(jì)不一定能適應(yīng)飽和狀態(tài)運(yùn)行要求。飽和狀態(tài)顯著特征為車流在局部節(jié)點(diǎn)或區(qū)段超過(guò)設(shè)施通行能力，產(chǎn)生擁堵排隊(duì)。擁堵排隊(duì)一方面降低自身流向的服務(wù)水平，另一方面導(dǎo)致其關(guān)聯(lián)流向的擁堵排隊(duì)，即反堵。受反堵影響的轉(zhuǎn)向本身是暢通的，因其他轉(zhuǎn)向擁堵?tīng)窟B所致，給駕駛者帶來(lái)不好的體驗(yàn)感。

山地城市立交不利因素較多，反堵凸顯，以下情形均屬于反堵：一是匝道存在瓶頸點(diǎn)或其下游方向疏解能力受限，駛出車輛擁堵于減速車道并蔓延至主線行車道，影響主線正常通行；二是兩條匝道之間設(shè)計(jì)X 型并線段，其中某條匝道轉(zhuǎn)向流量飽和，排隊(duì)溢出并線段，不具備穿越所需的最小車輛間距，使得另一匝道也發(fā)生擁堵。

避免飽和狀態(tài)反堵，山地城市立交設(shè)計(jì)考慮以下兩點(diǎn)：一是各流向疏解能力驗(yàn)算，主線—減速段—端部—匝道—分/合流點(diǎn)—端部—加速段—主線，檢查各點(diǎn)各段線形要素、幾何設(shè)計(jì)，避免指標(biāo)突降，消除指標(biāo)瓶頸；二是立交匝道敷設(shè)盡量不采用X 型并線段，保持匝道之間分合流簡(jiǎn)潔清晰。

3.4 駕駛習(xí)慣友好設(shè)計(jì)

快速路靠中央分隔帶的車流為直行快速車流，匝道出入口布置于主線最右側(cè)。駕駛者通常默認(rèn)這種交通組織方式，并形成駕駛習(xí)慣。左出左進(jìn)匝道設(shè)計(jì)會(huì)造成駕駛者對(duì)車速、車流特征誤判，誘發(fā)交通事故。山地城市立交處于橋梁、隧道、路塹、長(zhǎng)坡等復(fù)雜路段環(huán)境，駕駛者被動(dòng)接受信息量大、操作復(fù)雜，疊加左出左進(jìn)匝道會(huì)放大交通事故誘因，因此山地城市立交設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵循右進(jìn)右出匝道設(shè)置。目前手機(jī)導(dǎo)航功能應(yīng)用廣泛，山地城市立交設(shè)計(jì)空間層次不宜過(guò)于復(fù)雜，匝道交叉、分合流、并線宜清晰明確，易于人機(jī)識(shí)別，避免多條匝道在空間上重疊敷設(shè)，以免導(dǎo)航定位功能失效。

3.5 匝道靈活性設(shè)計(jì)

立交匝道分為全定向匝道、半定向匝道、迂回匝道、環(huán)形匝道。山地城市立交匝道靈活性設(shè)計(jì)主要形式有：

（1）270°迂回右轉(zhuǎn)匝道，適用于主線之間高差過(guò)大、受橋隧限制需調(diào)整匝道接入點(diǎn)位置的情況；

（2）螺旋式右轉(zhuǎn)匝道，適用于主線之間高差過(guò)大的情況；

（3）多次迂回左轉(zhuǎn)匝道，適用于主線之間高差大，難以直接敷設(shè)左轉(zhuǎn)匝道的情況。

某立交，下層主線距離隧道洞口僅50 m，西向南轉(zhuǎn)向無(wú)法布置常規(guī)右轉(zhuǎn)匝道，利用橋下迂回掉頭后接主線，實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)功能，保證匝道接入主線鼻端與隧道口的距離（見(jiàn)圖3）。

圖3 匝道靈活性設(shè)計(jì)案例1 示意圖

某立交下層主線縱坡度達(dá)5%，與上層主線高差15 m，南向東匝道螺旋迂回450°后接入上層主線，縱坡4%，且匝道長(zhǎng)度僅380 m，保證匝道行車安全性（見(jiàn)圖4）。

圖4 匝道靈活性設(shè)計(jì)案例2 示意圖

某立交，主線高差16 m，周邊控制性建筑較多，南向西匝道采用多次迂回左轉(zhuǎn)匝道（見(jiàn)圖5）。

圖5 匝道靈活性設(shè)計(jì)案例3 示意圖

3.6 線形設(shè)計(jì)

山地城市立交平縱線形設(shè)計(jì)，受地形地貌、橋隧結(jié)構(gòu)、坡地臺(tái)地、周邊建筑等因素限制，設(shè)計(jì)指標(biāo)的選取關(guān)系到工程的可行性和經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）匝道設(shè)計(jì)速度取用

匝道設(shè)計(jì)速度取用依據(jù)主要為立交等級(jí)、類型、轉(zhuǎn)彎交通量大小等條件，取用原則要保證行車安全、工程經(jīng)濟(jì)和車速差合理，針對(duì)不同匝道形式，按照規(guī)范取值要求取值。

（2）山地立交平面設(shè)計(jì)

在出口匝道端部，車輛易與護(hù)欄碰撞，出口匝道應(yīng)盡量采用直接式出口，且線形應(yīng)與主線保持3 s 行程一致，若受橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)物限制，減速車道較短，應(yīng)采取提前預(yù)告及降速措施，保證立交轉(zhuǎn)向辨識(shí)性及行車安全性。入口匝道需保證加速段長(zhǎng)度，若受橋隧等結(jié)構(gòu)物限制，可變換匝道形式，調(diào)整匝道接入點(diǎn)，保證變速車道長(zhǎng)度。

（3）立交縱斷面設(shè)計(jì)

立交縱斷面設(shè)計(jì)需要結(jié)合周邊地塊及凈空要求，合理選取縱坡值。主線與匝道行車流線上縱斷坡度柔性過(guò)渡，在匝道范圍內(nèi)增設(shè)縱坡緩和段，下坡匝道應(yīng)考慮大車行車安全，避免過(guò)大縱坡。若條件受限縱坡采用或接近極限值，應(yīng)采取相應(yīng)減速措施及降速預(yù)告措施。立交匝道出口不宜設(shè)置在主線凸曲線頂部，容易造成出口識(shí)別不及時(shí)。

（4）平縱組合

立交匝道應(yīng)避免在小半徑曲線段設(shè)置過(guò)大縱坡，控制最大超高橫坡，驗(yàn)算合成縱坡。某立交主線設(shè)計(jì)速度60 km/h，北向西右轉(zhuǎn)匝道（見(jiàn)圖6），NW匝道）為下坡匝道，高差達(dá)44 m，受鐵路、110 kV 變電站限制，不具備迂回展線條件，需要采用直接右轉(zhuǎn)匝道，設(shè)計(jì)縱坡6.8%，規(guī)范最大值為8%，設(shè)置2.5%緩坡過(guò)渡，同時(shí)增設(shè)震蕩減速標(biāo)線，運(yùn)營(yíng)階段安全性和可靠性均較優(yōu)，如圖6 所示。

圖6 線形設(shè)計(jì)案例示意圖（單位：m）

4 結(jié)論

山地城市立交是路網(wǎng)系統(tǒng)中的重要組成節(jié)點(diǎn)，是支撐城市交通的關(guān)鍵設(shè)施。山地城市立交設(shè)計(jì)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)是建立在平原城市立交基礎(chǔ)上的，并結(jié)合山地城市道路設(shè)計(jì)建造、交通管理的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)完善。技術(shù)路線仍然是遵循城市總體規(guī)劃、綜合交通體系規(guī)劃、干線道路網(wǎng)規(guī)劃及區(qū)域詳細(xì)規(guī)劃，綜合路網(wǎng)容量匹配、交通組織流暢及城市風(fēng)貌協(xié)調(diào)等因素，對(duì)立交功能定位、規(guī)模選型、線形指標(biāo)、靈活性設(shè)計(jì)及擁堵防治等方面進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)論證，提出技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)合理的總體方案。