淺析互通式立交工程的線形設計

周 劍

（湖北建科國際工程有限公司,湖北 武漢 430223）

0 引言

互通立交設置目的是為了使多條公路在空間上分離，盡量消除交通沖突點，實現交通空間轉換，其設計質量受自然環境、交通量、投資金額等因素影響較大。如果線形指標選擇不合理，可能會對公路行車安全性產生不利影響，嚴重的可能引起交通安全事故。大量工程實踐表明，互通立交匝道線形指標比主線低，主要取決于匝道的設計速度、設計交通量、通行能力等因素[1]。因此，進一步分析互通式立交工程的線形影響因素和設計方法具有重要的工程意義。

1 互通立交類型和線形指標影響因素

1.1 互通立交類型

目前，互通立交并無統一的分類方法，按被交路等級可劃分為服務型和樞紐型兩類，具體特點見表1[2]：

表1 不同互通立交的特點

1.2 互通立交線形指標影響因素

（1）設計速度的影響。匝道是主線上車輛的進、出通道，其交通量較小，且匝道布設受互通立交類型、地形、用地等因素限制，使得設計速度也比主線低，但設計速度的降低幅度不宜過大。一般情況下，互通立交匝道設計速度可取主線的55%～80%。需注意，同一互通立交的不同匝道設計速度沒必要進行統一，比如環形匝道和直連式匝道設計速度相同時，將增大環形匝道規模，而環形匝道交通量較小，兩者不匹配。

（2）設計交通量的影響。互通立交匝道的設計交通量是確定匝道類型（直連式、半直連式、環形）、車道數以及是否分期修建等的基本依據。在匝道設計前，要基于交通量調查資料，預測互通立交未來20 年的交通量變化情況，并合理分配互通立交各轉彎方向的交通量。

（3）通行能力的影響。互通立交的整體通行能力受各匝道出、入口處通行能力及交織路段的影響。如果設計通行能力不滿足交通需求，應適當增加匝道數量、改變匝道設計參數或改善交通組織，以確保公路運營期間的車流有序暢通，提高路網通行能力，避免局部路段出現擁堵。

2 互通立交平、縱線形指標設計要點

平原區和山嶺區的地形、地質、水文等情況有較大差異，在開展互通立交設計時要堅持“安全、經濟、舒適、美觀”等原則，因地制宜地靈活選取平、縱線形指標。如果局部路段受限使線形指標必須突破規范，應組織專家論證，各方同意后采用并用于指導施工。同時，互通立交是由主線和匝道組成的統一體，在設計時不應僅把現行路線設計規范所規定的主線指標作為控制性因素，再由匝道來“遷就”主線，這樣容易造成匝道規模增加、互通整體布局不協調等問題[3]。

2.1 圓曲線半徑設計

（1）圓曲線半徑計算。根據《公路路線設計規范》（JTGD30—2017），互通立交的圓曲線半徑R均取決于設計速度V、超高橫坡i、橫向力系數u等因素，可按式（1）計算：

超高橫坡不宜過大或過小，超高橫坡過大會使司機感到不適，超高橫坡過小難以抵消離心力，且不利于路面排水。因此，超高橫坡在選擇時應綜合考慮行車舒適性和排水要求。對于一般地區，匝道最大超高≤8.0%；而在積雪冰凍地區，匝道最大超高≤6.0%。

橫向力系數受設計速度、路面類型、輪胎型式等因素影響較大。目前國內規范未明確給出橫向力系數的計算方法，可參考德國規范計算，見式（2）。

式中，umax——最大橫向力系數允許值。

（2）最小圓曲線半徑建議。互通立交圓曲線最小半徑有一般值和極限值。按規范要求，圓曲線最小半徑通常取一般值，只有地形受限時，才可選擇極限值。需注意，圓曲線半徑選擇不宜盲目照搬規范，具體建議如下：右轉匝道圓曲線半徑應在平曲線長度滿足縱坡最小長度的前提下，按實際地形條件選取，盡量使匝道布設緊湊，合理降低互通立交規模；而左轉匝道繞行距離較長，且與相鄰匝道會互相影響，在選擇圓曲線半徑時主要考慮交通量大小、相鄰匝道線位情況等因素。基于上述原則，并結合實際工程經驗給出了不同互通立交匝道圓曲線最小半徑建議值，見表2[4]：

表2 匝道圓曲線最小半徑建議值

2.2 緩和曲線設計

根據相關研究成果，平面線形中插入緩和曲線主要有三大作用：一是通過曲率變化，保證線形及車輛轉向行駛軌跡的順暢；二是適應離心加速度的變化，避免車輛產生側向沖擊；三是作為超高和加寬的過渡段。在互通立交主線路段，緩和曲線參數A一般取R/3～R。A＞R/3 是為了避免回旋曲線過于平緩，否則司機可能將其誤認成直線；A＜R是為了確保司機經過圓曲線后不至于過快減速；在匝道路段，允許變速形式，緩和曲線參數A可適當增加。

2.3 變速車道長度設計

由于車輛在互通立交的加減速路段要轉換車道和改變運行速度，極容易發生交通事故。根據公路交通事故統計數據，約80%的交通事故出現在加減速車道附近。因此，互通立交設計時要嚴格控制加減速車道的長度。

（1）減速車道長度。減速車道有平行式和直接式兩類。平行式減速車道的運行有2 個階段：以主線速度行駛的車輛在三角段轉移車道，采用制動器減速；直接式減速車道的運行有3 個階段：車輛在三角段轉移車道，先利用發動機制動減速，再利用制動器減速。雖然平行式和直接式減速車道的運行過程有所不同，但減速車道長度均可按式（3）計算減速車道長度：

式中，t——車輛發動機制動時間（s）；V0——分流初始速度（km/h）；α1、α2——分別為發動機減速度和制動機制動減速度（m/s2），取值與主線設計速度密切相關，見表3；V1、V2——分別為發動機減速后車速和匝道平均車速（km/h）。

表3 α1、α2 取值

（2）加速車道長度。車輛從互通立交匝道駛入主線車流大致分兩步：一是車輛在加速段上勻加速至主線車速；二是車輛在等待段或過渡段上勻速行駛，并伺機匯入主線。如果加速車道長度較小，可能導致車輛在加速車道上滯留排隊或未完成加速強制匯入主線，導致車輛追尾。綜上，加速車道長度可用式（4）表達[5]：

式中，L1——加速段長度（m）；L2——等待段長度（m）；L0——過渡段長度（m）。

2.4 縱坡坡度設計

互通立交匝道縱坡應平緩，坡度不宜取極限值。該文從車輛能耗和行車安全性兩方面來論證匝道縱坡的選用方法：

（1）匝道縱坡與車輛能耗的關系。互通立交匝道設計時要重視節能環保，而縱坡坡度對車輛油耗影響較大。一般情況下，縱坡坡度越大，車輛的每公里油耗越高。以某貨車為例，坡度為0%、2%、4%、6%、8%時，其每公里油耗分別為265 ml、505 ml、750 ml、1 008 ml、1 550 ml。當縱坡坡度超過6%，貨車每公里油耗驟增。

（2）匝道縱坡與行車安全性的關系。該文統計了多條高速公路縱坡坡度對交通事故率的影響，見圖1（負數表示下坡、正數表示上坡）。

圖1 縱坡坡度與交通事故率關系

由圖1 可知：隨著縱坡坡度的增加，上坡和下坡路段的交通事故率均呈上升趨勢，但兩者并不完全相同。當縱坡坡度等于2%時，上坡和下坡路段的事故率基本一致；當縱坡坡度在2%～4%，下坡路段事故率明顯大于上坡路段；當縱坡坡度超過6%，下坡路段的事故率快速增加，上坡路段的事故率變化不明顯。這說明，在縱坡坡度較大時，下坡路段比上坡路段更危險。

綜上，建議互通立交匝道橫斷面縱坡坡度在設計時不宜超過6%。

2.5 出、入口間距設計

合理的出入口間距是車輛在互通立交內安全運行的基本條件，出、入口間距是指互通立交兩連接口鼻端間的長度。根據組合類型不同，可將出、入口間距分成出口—出口（L1）、出口—入口（L2）、入口—入口（L3）、入口—出口（L4）四類，具體計算公式如下：L1=減速車道長度+識別標志所需距離，L2=識別標志所需距離，L3=加速車道長度，L4=車輛交織運行所需長度。

3 互通立交線形設計實例分析

3.1 工程概況

以某高速公路互通立交為研究對象，闡述EICAD 軟件在互通立交線形設計中的應用。該互通立交形式為單喇叭，主線里程樁號為K10+850～K11+900（1.05 km），主匝道為寬度16.5 m 的橫斷面，設計速度為60 km/h，其他匝道為寬度10.5 m 的橫斷面，設計速度40 km/h。互通立交所在區域地形較簡單，地勢整體較平緩，局部有起伏，總體呈“東北高、西南低”的趨勢，且周邊路網、村鎮等分布密集，在設計時需注意減少征地和拆遷規模。

3.2 基于EICAD 的互通立交設計

EICAD 軟件能基于復合曲線模式法快速準確地繪制出互通立交的平面線形和縱斷面線形，還能建立圖形—數據的雙向關聯機制，大大提高了互通立交的設計效率。

（1）地形數模處理。電子地形圖的高程點可能帶有標高屬性，也可能沒有標高屬性。此時，需要對沒有標高屬性的高程點進行預處理，即利用EICAD 軟件的“標高賦值”功能將高程點附近的標高數據添加到高程點的Z坐標中。隨后，利用高程點構建三角網模型，具體步驟如下：任選一點作為起始點→再選一點連成基線→按“空外接圓”準則找出第三點→三點連接成三角網→重復上述步驟。一般情況下，三角網越密集，對地形的模擬效果越好。

（2）平縱線形設計方法。EICAD 軟件可用“同心圓”理論完成匝道之間的分離與合并，利用“動態接線法”完成匝道與主線之間的布線。同時，互通立交縱斷面線形設計的難點是匝道縱坡與主線縱坡的平順銜接，具體銜接方法為：以分流鼻鼻端作為接坡點，分別計算變速車道和匝道的高程數據，使兩者一致即完成接線。最終，建立的單喇叭互通立交如圖2 所示。

（3）互通立交線形設計成果。由圖2 可知：A 匝道選取房屋分布較少的區域穿過，并設置左偏圓曲線轉向西南，匝道縱斷面不斷上升。在靠近被交路處，可適當降低縱斷高程；在靠近主線處，需將縱坡抬高，保證匝道與主線的凈空滿足設計要求。B 匝道、C 匝道、D 匝道、E 匝道均與主線及A 匝道相接，入口處和出口處分別采用平行式變速車道、直接式減速車道。

4 結論

該文研究了互通立交線形設計影響因素、平縱指標選取方法，并基于EICAD 軟件對某高速公路的單喇叭互通進行設計，得到了以下幾個結論：

（1）互通立交有服務型和樞紐型兩類，其線形設計受設計速度、設計交通量、通行能力等因素影響較大。

（2）互通立交平面線形設計要選擇合理的圓曲線半徑、緩和曲線參數、變速車道長度、出入口間距等，縱斷面線形設計要控制好最大縱坡。

（3）為了提高互通立交的設計效率，可利用EICAD軟件中的同心圓理論和動態接線法完成平面線形設計，并以分流鼻鼻端作為接坡點進行接坡處理。