互通式立交設(shè)計問題總結(jié)

互通式立交設(shè)計問題總結(jié)1互通式立交設(shè)計應(yīng)注意問題l)互通式立交的間距從現(xiàn)有的審核、咨詢項目來看，互通式立交的間距超過30km的不多，即使超過30km，也會按規(guī)范在其間適當(dāng)位置設(shè)置U形轉(zhuǎn)彎設(shè)施或預(yù)留互通式立交。但在我國北京、山東、江蘇、上海、廣東等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省、市，相繼出現(xiàn)了一些互通式立交間距小于4km甚至2km的工程實例，而且，隨著我國高速公路的快速發(fā)展，路網(wǎng)密度越來越大，近距離互通式立交將會越來越多。因此，結(jié)合設(shè)置出口預(yù)告標(biāo)志，各種情況下的極限最小距離應(yīng)分別為：單喇叭互通與單喇叭互通：1000／2十1000十1000／2＝2000m單喇叭互通與苜蓿葉互通(或菱形互通)：1000／2十1000十1300／2＝2150m單喇叭互通與樞紐互通：1000／2十l000十2500／2＝2750m樞紐互通與苜蓿葉互通(或菱形互通)：2500／2十lo00十l300／2＝2900m樞紐互通與樞紐互通：2500／2十1000十2500／2＝3500m。一般情況下，互通式立交盡可能以獨立的形式存在，由于路網(wǎng)連接需要、或由于公路改建需要、或由于地形條件限制，必須設(shè)置近距離互通式立交時，才以輔助車道或集散道的形式將近距離互迥式立交連接起來，形成復(fù)合式立交。復(fù)合式立交的處理在送審稿中都有明確的要求。2)主線及被交路線形指標(biāo)互通式立交范圍內(nèi)的主線平縱面指標(biāo)應(yīng)高于主線正常路段標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在主線的分、合流部。應(yīng)有良好的視距及較緩的縱坡，盡量避免較大的橫坡。設(shè)計中常見的問題是設(shè)計者較多地注重了匝道的設(shè)計，而往往忽視了主線及被交路線形指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求，尤其以后者多見：一是互通式立交范圍內(nèi)的主線平曲線半徑、豎曲線半徑或縱坡中的某項指標(biāo)小于極限值，或僅大于極限值而小于一般值(但滿足正常路段標(biāo)準(zhǔn))，《公路路線設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定：一般情況下應(yīng)等于或大于一般值，特殊情況時才可采用極限值；二是被交路(特別是已建成的高速公路)平縱面指標(biāo)偏低，如果屬于大于極限值而小于一般值的情況可以盡量不改，如果屬于小于極限值的情況，則應(yīng)以書面的形式報請業(yè)主或被交路所屬管理者批準(zhǔn)，對互通式立交范圍內(nèi)的被交路實行改造，但指標(biāo)小于極限值的位置若避開變速車道范圍也可以盡量不改。3)匝道設(shè)計速度一般來講，車輛在主線互通式立交之間的正常路段保持一定的速度行駛是可能的，也是駕駛員所希望的，因此，公路的設(shè)計速度可以是一個固定值，并以此來控制公路幾何設(shè)計的各項指標(biāo)。如設(shè)計速度100km／h的高速公路在一定長度范圍內(nèi)設(shè)計速度都是一致的。車輛從高速公路進(jìn)入匝道要減速，從匝道進(jìn)入高速公路要加速，進(jìn)入收費(fèi)站要減速停車，離開收準(zhǔn)，嚴(yán)格來講設(shè)計是不合理的。盡管送審稿取消了互通式立交的分級，并將匝道設(shè)計速度類似公路一樣指定為一個固定值，但匝道設(shè)計速度是在不斷變化的意義并沒有改變。同一處互通式立交，由于各個匝道形式、功能不同，允許不同的匝道采用不同的設(shè)計速度。一般情況下，右轉(zhuǎn)彎匝道和半定向左轉(zhuǎn)彎匝道(又稱半直連式匝道)設(shè)計速度可以取主線設(shè)計速度的50一70％，環(huán)形匝道設(shè)計速度取30—40km／h。如主線和被交路設(shè)計速度為120km／h的部分苜蓿葉形十半定向匝道互通式立交，環(huán)形匝道設(shè)計速度可采用40km／h，半定向匝道設(shè)計速度可采用60km／h，右轉(zhuǎn)彎匝道的設(shè)計速度可采用80km／h。4)環(huán)形匝道設(shè)計由于設(shè)計速度及圓曲線半徑的控制，環(huán)形匝道的通行能力也往往受到了限制，但交通量到底達(dá)到多大時不能設(shè)環(huán)形匝道迄今未見權(quán)威的論證，經(jīng)驗做法是交通量一般控制在6000pcu／d(小客車)以內(nèi)，大于6000pcu／d應(yīng)考慮采用半定向匝道。但在設(shè)計中也見到過交通量大于10000pcu／d甚至18000pcu／d也采用環(huán)形匝道，應(yīng)該說方案明顯不合理。環(huán)形匝道的設(shè)計速度是互通式立交中所有匝道中最低的，但又是決定平縱面線形設(shè)計的關(guān)鍵。不管是樞紐互通式立交還是一般互通式立交，《公路路線設(shè)計規(guī)范》規(guī)定環(huán)形匝道的設(shè)計速度不能超過40km／h，根據(jù)主線設(shè)計速度及交通量一般采用30、35或40km／h即可?，F(xiàn)行設(shè)計中樞紐互通式立交的環(huán)形匝道采用50km／h設(shè)計的情況比較多見，主要受互通式立交分級的影響所致。從行車角度考慮，半徑當(dāng)然越大越好，但環(huán)形匝道半徑每增加一級(10km／h為一級)，環(huán)形匝道占地就會成倍增加，且車輛繞行距離增長，規(guī)模明顯增大，不經(jīng)濟(jì)且不必要。經(jīng)驗做法是交通量不超過3000pcu／d取極限半徑或稍大于極限值的半徑，交通量在3000一6000pcM／d之間取一般半徑或稍大于一般值的半徑，送審稿規(guī)定：冰凍積雪地區(qū)不得采用最小半徑。從現(xiàn)有的審核、咨詢項目來看，喇叭形互通式立交的環(huán)形匝道半徑取值較為適宜，但樞紐互通式立交的環(huán)形匝道半徑取80、85甚至100m的情況也有，應(yīng)該說是很不經(jīng)濟(jì)的。匝道加寬設(shè)計中常見的問題有：一是忘記了加寬；二是對向雙車道的內(nèi)側(cè)行車道加寬了，而外側(cè)行車道沒有加寬；三是加寬值不是加在行車道，而是加在了硬路肩；四是按公路的雙車道路面加寬值加寬。20世紀(jì)80年代末，在廣深珠高速公路設(shè)計時從香港引入了一種三次拋物線加寬過渡方式:bx=(3k2-2k3)b,其顯著的特點是加寬段的起點和終點無折點，加寬的線形流暢、員滑，至今在設(shè)計中廣泛使用。三次拋物線也適用于超高過渡。匝道的超高應(yīng)與車輛在匝道上的行駛速度相適應(yīng)，最大超高一般出現(xiàn)在環(huán)形匝道上，過大的超高給人一種不安全感，同時影響路容。一般情況下，我國南方地區(qū)匝道超高不宜超過8％，合成坡度不宜大于10．5％，北方積雪冰凍區(qū)匝道超高不得超過6％，合成坡度不得大于8％。匝道土路肩的橫坡一般為外傾3％或4％，當(dāng)路面超高為6％、7％、8％時，超高段外側(cè)土路肩的橫坡可以分別可取一3％、一2％、一1％。匝道硬路肩的橫坡可以與行車道橫坡相同。超高設(shè)計中主要采用按線性方式或三次拋物線方式(公式同前)。線性過渡有兩個弊?。阂皇浅叩钠鸾K點路面曲折、不平整，二是如果兩反向超高過渡，小于2％橫坡的滯水段較長。三次拋物線過渡正好克服了這兩個弊病，在所有匝道超高過渡及公路超高過渡中使用非常普遍。5）減速車道及分流點設(shè)計設(shè)計時最為常見的問題主要集中在減速車道及分流點附近，這也互通式立交設(shè)計的重點和難點。直接式減速車道的設(shè)計方法主要有兩種。習(xí)慣設(shè)計法是從主線外側(cè)車道中心開始，以一定的出口角采用直線、緩和曲線或大半徑圓曲線偏出，這種方法具有較順直的流出行車軌跡，符合駕駛員的習(xí)慣。另一種方法是20世紀(jì)90年代初從北美國家引進(jìn)的，稱流行設(shè)計法，即直接從減速車道起點(即1個車道寬的位置)開始，再以一定的出口角采用直線、緩和曲線或大半徑圓曲線偏出。習(xí)慣設(shè)計法主要有三個缺點：一是漸變段長度一般比減速車道長，主線轉(zhuǎn)彎車輛開始偏離的位置不明顯；二是定線時并不知道減速車道起點在哪里，需要計算；三是主線為曲線時減速車道起點處的出口漸變率不易控制，或大或小。流行設(shè)計法正好克服了習(xí)慣設(shè)計方法的缺點，即漸變段長度可以自由控制，與主線路基形成明顯的折點，出口位置明顯；定線時就定了減速車道的起點位置；出口漸變率直接控制，不存在或大或小的問題。事實上，只要將減速車道的起點反向延長，與主線外側(cè)車道中心線相交，就是習(xí)慣設(shè)計法了。此外，流行設(shè)計法在雙車道加、減速車道并設(shè)置輔助車道的設(shè)計時優(yōu)勢更加明顯。為了適應(yīng)車輛順適而平緩地從減速車道過渡到匝道圓曲線，一種最有效和最常用的方法是在匝道圓曲線之前設(shè)置一種兩段緩和曲線運(yùn)相連接的復(fù)曲線，在連接點處曲率半徑相等，這種曲線叫剎車曲線。1993年在京珠國道主干線河北石安高速公路設(shè)計時從北歐國家引入剎車曲線，遺憾的是至今采用剎車曲線設(shè)計還不太普遍，主要原因是計算相對復(fù)雜一些。曲率平緩過渡的第二種方法是將第一段緩和曲線改為半徑較大的圓曲線，使之成為卵形曲線。這種方法使用較為普遍，尤其是在主線彎道內(nèi)側(cè)更為有利。另外，還有一種方法是采用三次樣條曲線，同樣可以保證曲線的曲率連續(xù)，但使用較少，只是作為線元法設(shè)計的一種調(diào)整工具。減速車道及分流點附近有許多指標(biāo)控制，要完全滿足這些指標(biāo)并非易事。(1)減速車道長度：規(guī)范規(guī)定的長度應(yīng)視為最小值，設(shè)計中不少人認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)值而加以采用，長度明顯不夠；另一個問題是當(dāng)主線縱坡大于2％時下坡減速車道長度末考慮修正(山區(qū)高速公路多見)。(2)漸變段長度：由上述兩種減速車道設(shè)計方法得到的漸變段長度都不會有大的問題。(3)出口漸變率：規(guī)范規(guī)定的漸變率應(yīng)視為最大值，設(shè)計中常見的問題是主線彎道內(nèi)側(cè)出口漸變率過小，而外側(cè)出口漸變率過大。(4)分流點曲率半徑及緩和曲線參數(shù)：一是設(shè)計中不少人將“曲率半徑”與“圓曲線半徑”混為一談，如主線設(shè)計速度為100km／h時分流點最小曲率半徑為200m，就認(rèn)為非要接一段半徑為200m的圓曲線不可；二是緩和曲線參數(shù)符合規(guī)范要求，但分流點曲率半徑又不符合規(guī)范要求，如圖3所示，主線設(shè)計速度為100km／h時分流點AK0十129．62曲率半徑只有189．27m；三是曲率半徑和緩和曲線參數(shù)均符合規(guī)范要求，但分流點之后的緩和曲線長度過短，以至不能滿足匝道超高過渡的需要。(5)分流點附近豎曲線半徑及豎曲線長度：凸、凹形豎曲線半徑一般能滿足設(shè)計規(guī)范要求，但豎曲線長度小于一般值甚至小于極限值的情況時有發(fā)生。應(yīng)當(dāng)指出：加速是減速的逆過程，加速車道同樣可以采用逆向剎車曲線；由于合流點附近車速已經(jīng)較高，其平縱面指標(biāo)應(yīng)盡量達(dá)到分流點附近的相應(yīng)指標(biāo)(如曲率半徑、豎曲線長等)，設(shè)計中往往忽視了這一點，認(rèn)為規(guī)范沒有要求而采用了過低的指標(biāo)。6）漸變段設(shè)計互通式立交范圍內(nèi)存在許多路基漸變段設(shè)計，如變速車道漸變段、匝道收費(fèi)廣場漸變段、平交口附加車道漸變段及匝道之間分、合流漸變段等，由于設(shè)計規(guī)范只規(guī)定了漸變率，對漸變段的過渡方式未作詳細(xì)的規(guī)定，因此，設(shè)計時比較自由、靈活。（1）變速車道漸變段：通常采用直線過渡，使折點明顯。為使路容美觀、誘導(dǎo)視線，也可在三角段的起、終點處設(shè)置10—20m長的圓弧，平交口附加車道漸變段方法類似。（2）分流點偏寬漸變段：當(dāng)主線硬路肩不足3.0m時，為給誤行車輛通提供返回的余地應(yīng)設(shè)置偏寬（硬路肩能停車時不需要設(shè)置偏寬），匝道偏寬為0.6-1.0m偏寬漸變段由于長度較短，通常采用直線過渡，為使路寬美觀，也可采用二次拋物線過渡。（3）收費(fèi)廣場漸變段：一般情況下收費(fèi)廣場要比與之連接的匝道路基寬，采用直線過渡路容很不美觀，通常在漸變段起、終點處設(shè)置10—40m長的圓弧，也可采用二次拋物線過渡。當(dāng)收費(fèi)廣場位于半徑較小的曲線上時，應(yīng)放緩曲線內(nèi)側(cè)的漸變率，并增大轉(zhuǎn)折點圓滑曲線的半徑。7）縱斷面設(shè)計匝道起、終點標(biāo)高的計算是匝道縱斷面設(shè)計首先要解決的問題，一般由分流點或合流點對應(yīng)的主線標(biāo)高按主線路面橫坡推算至分流點或合流點，再按匝道起、終點處路面橫坡推算至匝道起、終點的控制標(biāo)高。匝道起、終點縱坡的計算目前沒有一個統(tǒng)一的計算模式，從現(xiàn)有的審核、咨詢項目來看，主要有兩種計算方法：一種是直接采用分流點或合流點對應(yīng)的主線樁號切線縱坡，這種方法計算簡單、復(fù)核方便，但誤差稍大，一般用于初步設(shè)計。另一種是在匝道上距分流點或合流點5m或10m取一點，從主線分別推算該點與分流點或合流點對應(yīng)設(shè)計高之差，再除以這兩點之間的距離，作為分流點處出主線、合流點處進(jìn)主線的匝道縱坡值。這種方法計算的匝道縱坡是瞬間縱坡，誤差較小，一般用于施工圖設(shè)計。匝道之間分流點或合流點對應(yīng)匝道縱坡的計算與此相同。匝道平、縱面線形組合設(shè)計原則上盡可能地執(zhí)行公路路線的做法，如平曲線應(yīng)包住豎曲線、變坡點不得與反向平曲線的拐點重合、直線段內(nèi)不能插入短的豎曲線等，特別是對設(shè)計速度較大的匝道(如半定向匝道)縱斷面設(shè)計更應(yīng)該如此。由于設(shè)計規(guī)范對匝道平、縱面組合設(shè)計工作強(qiáng)調(diào)，設(shè)計中就顯得“過于自由”，有的設(shè)計甚至千篇一律在離匝道起點后30m或35m、離匝道終點前30m或35m設(shè)置變坡點，而不顧平、縱面線形的組合及填挖高度。在出口處，如果是凸形豎曲線接下坡匝道，應(yīng)使凸形豎曲線加長以增大視距，使駕駛員能及早發(fā)現(xiàn)平曲線的方向，具有足夠的安全運(yùn)行時間。在人口處，如果是上坡接凸形豎曲線，應(yīng)使匝道(一般長度至少60m)縱斷面與鄰近的主線基本一致，使駕駛員能看清主線上的交通情況，以便安全駛?cè)搿Ｖ档靡惶岬氖牵何挥诳缇€橋上的匝道豎曲線半徑應(yīng)盡可能大，以提供良好的行車視線。如喇叭形互通式立交，由于跨線橋過后緊接環(huán)形匝道，跨線橋上的豎曲線半徑不能以滿足相應(yīng)設(shè)計速度的一般值為原則，應(yīng)考慮提高一級設(shè)計速度的標(biāo)準(zhǔn)來確定豎曲線半徑的大小。樞紐互通式立交中的半定向匝道由于縱坡一般較大，跨線橋上的匝道豎曲線半徑能滿足相應(yīng)設(shè)計速度的一般值即可。匝道縱坡應(yīng)盡量平緩，避免多次不必要的變坡。最大縱坡應(yīng)適當(dāng)留有余地，最小縱坡應(yīng)考慮縱向排水要求，一般情況不應(yīng)小于o．5％，特殊情況不應(yīng)小于o．3％。設(shè)計規(guī)范對匝道最短坡長沒有嚴(yán)格的規(guī)定，通常情況下能設(shè)得下豎曲線即可。作者認(rèn)為：參照公路路線的做法，按照匝道的設(shè)計速度，最短直坡長度應(yīng)不小于3s行程，若不夠，應(yīng)加大豎曲線半徑，將豎曲線連接起來。2互通區(qū)匝道半徑取值喇叭形互通立交環(huán)形匝道的設(shè)計主要有3個特點:互通式立交的最小技術(shù)指標(biāo)(如最小平曲線半徑、最大縱坡、最大超高等)基本上出現(xiàn)在環(huán)形匝道上,直接影響到行車的舒適性及安全性;設(shè)計速度及圓曲線半徑限制了環(huán)形匝道的通行能力,但交通量達(dá)到多大時不能設(shè)環(huán)形匝道迄今未見權(quán)威論證,經(jīng)驗做法是交通量一般控制在6000pcu/d(小客車)以內(nèi);由于布設(shè)左轉(zhuǎn)彎環(huán)形匝道,使立交占地面積大,車輛繞行距離長,當(dāng)交通量較大時,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性受到影響。可見,環(huán)形匝道半徑取值的大小直接影響到整個立交的服務(wù)水平和運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性,因此,研究環(huán)形匝道的半徑取值有著現(xiàn)實意義。喇叭形互通立交環(huán)形匝道的設(shè)計速度是互通式立交中所有匝道中最低的,但又是決定平縱線形設(shè)計的關(guān)鍵;平曲線半徑一般根據(jù)設(shè)計速度確定,其值的選取應(yīng)保證汽車行駛的安全性、穩(wěn)定性和旅客的舒適性,基于經(jīng)典力學(xué)的分析,用橫向力系數(shù)的大小評價汽車在彎道上行駛的穩(wěn)定性。環(huán)形匝道各設(shè)計速度對應(yīng)各平曲線半徑時的橫向力系數(shù)如表1所示。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可繪制橫向力系數(shù)隨半徑R及設(shè)計速度V變化而變化的折線圖(圖1、2)。分析圖1、2曲線變化規(guī)律,可以得到:(1)當(dāng)V=50km/h時,μ隨R的減小迅速增大,其增大變化率是其他同類型折線中最大的,說明V越大,隨著R的減小,對μ的影響也越顯著。(2)當(dāng)V=40、35、30km/h時,3條折線近似平行,說明當(dāng)V降至一定數(shù)值時,隨著R的減小,μ的增大變化率差不多。(3)當(dāng)R=40、50m時,μ隨V的增大迅速增大,圖中表現(xiàn)為其折線比其他同類型折線陡。(4)當(dāng)R=72、80、100m時,隨著V的增大,折線變化趨于平緩,說明R越大,V對μ的變化率影響越不顯著。文獻(xiàn)表明：橫向力系數(shù)μ=0.05時,汽車機(jī)件損耗及油耗均小,旅客無明顯的彎道感覺;μ=0.10時,汽車機(jī)件損耗及油耗增加,旅客有彎道感覺;μ=0.15時,汽車機(jī)件損耗及油耗加大,旅客向外側(cè)傾斜的感覺比較明顯,一般認(rèn)為μ小于某一值(0.1~0.15)時該曲線設(shè)計是安全的;又根據(jù)經(jīng)驗調(diào)查,當(dāng)主線設(shè)計車速為120km/h時,駕駛員認(rèn)為可以容忍的環(huán)形匝道最低速度為40km/h。環(huán)形匝道設(shè)計車速直接影響環(huán)形匝道半徑取值,而環(huán)道平曲線半徑值直接影響匝道的形式、用地、規(guī)模和造價,若從行車角度考慮,如圖2曲線變化,

半徑越大越好,但占地亦會越大,無論在地形復(fù)雜的山區(qū)還是在人口密度大、用地緊張的發(fā)達(dá)地區(qū),從立交用地、路線長度、造價等工程角度和行駛時間、繞行距離、油耗等運(yùn)行角度來分析都不具備優(yōu)勢。通過以上定量和定性分析,結(jié)合表1中數(shù)據(jù)及圖1曲線變化規(guī)律,作者認(rèn)為,

喇叭形互通立交環(huán)形匝道可取某一較低的設(shè)計速度(40~30km/h)以滿足汽車行駛的穩(wěn)定性和地區(qū)綜合經(jīng)濟(jì)效益要求。環(huán)形匝道的運(yùn)行分析如圖3所示,車輛由對向雙車道A匝道經(jīng)環(huán)形匝道C左轉(zhuǎn)彎至高速公路B,研究范圍的起點O為匝道A與高速公路B設(shè)計中心線的交點,終點F為加速車道漸變段終點,并設(shè)環(huán)形匝道緩和曲線參數(shù)等于圓曲線半徑,即A=R。高速公路設(shè)計車速為100km/h,環(huán)形匝道設(shè)計速度取40km/h,對應(yīng)的平曲線半徑值取100、72、60、40、30m。72m為規(guī)范送審稿要求圓曲線不設(shè)加寬最小值,有的設(shè)計單位為了不在圓曲線內(nèi)側(cè)加寬而取該值。由上述起點O至終點F的行駛距離、行駛時間、匝道占地面積等指標(biāo)按正常的車輛行駛狀況計算出理論值見表2。根據(jù)美國AASHTO規(guī)定,當(dāng)主線設(shè)計車速為100km/h時,變速車道上平均車速取80km/h,當(dāng)設(shè)計速度低于40km/h時,取平均車速等于設(shè)計車速。分析表2中數(shù)據(jù),不難發(fā)現(xiàn):(1)車輛在環(huán)形匝道上的行駛距離和運(yùn)行時間均隨半徑的增加而增加。在正常的行駛條件下,車輛行駛距離的差異,主要是在環(huán)形匝道圓曲線段,而在非圓曲線段行駛距離的差異相對較小。(2)在正常的行駛條件下,車輛行駛時間的差異,主要是在環(huán)形匝道圓曲線段,而在非圓曲線段行駛時間差異相對較小。在自由車流情況下,車輛在不同半徑立交左轉(zhuǎn)彎匝道的非圓弧段的行駛時間大致相同。(3)縱斷面的平均縱坡由于受環(huán)形匝道路線長度的影響,隨半徑變化較明顯。當(dāng)半徑小于60m時,其縱坡不能滿足規(guī)范送審稿中關(guān)于環(huán)形入口、出口匝道上、下坡段最大縱坡4%的要求,故設(shè)計平面線形時必須兼