互通式立交设计问题总结

1 互通式立交设计应注意问题

   

   

   

   

l)互通式立交的间距

从现有的审核、咨询项目来看，互通式立交的间距超过30km的不多，即使超过30km，也会按规范在其间适当位置设置U形转弯设施或预留互通式立交。但在我国北京、山东、江苏、上海、广东等经济发达省、市，相继出现了一些互通式立交间距小于4km甚至2km的工程实例，而且，随着我国高速公路的快速发展，路网密度越来越大，近距离互通式立交将会越来越多。    

因此，结合设置出口预告标志，各种情况下的极限最小距离应分别为： 

单喇叭互通与单喇叭互通：1000／2十1000十1000／2＝2000m

单喇叭互通与苜蓿叶互通(或菱形互通)：1000／2十1000十1300／2＝2150m

单喇叭互通与枢纽互通：1000／2十l000十2500／2＝2750m

枢纽互通与苜蓿叶互通(或菱形互通)：2500／2十lo00十l 300／2＝2900m

枢纽互通与枢纽互通：2500／2十1000十2500／2＝3500m。

一般情况下，互通式立交尽可能以独立的形式存在，由于路网连接需要、或由于公路改建需要、或由于地形条件限制，必须设置近距离互通式立交时，才以辅助车道或集散道的形式将近距离互迥式立交连接起来，形成复合式立交。复合式立交的处理在送审稿中都有明确的要求。

2)主线及被交路线形指标

互通式立交范围内的主线平纵面指标应高于主线正常路段标准，尤其是在主线的分、合流部。应有良好的视距及较缓的纵坡，尽量避免较大的横坡。

设计中常见的问题是设计者较多地注重了匝道的设计，而往往忽视了主线及被交路线形指标是否满足规范要求，尤其以后者多见：一是互通式立交范围内的主线平曲线半径、竖曲线半径或纵坡中的某项指标小于极限值，或仅大于极限值而小于一般值(但满足正常路段标准)，《公路路线设计规范》明确规定：一般情况下应等于或大于一般值，特殊情况时才可采用极限值；二是被交路(特别是已建成的高速公路)平纵面指标偏低，如果属于大于极限值而小于一般值的情况可以尽量不改，如果属于小于极限值的情况，则应以书面的形式报请业主或被交路所属管理者批准，对互通式立交范围内的被交路实行改造，但指标小于极限值的位置若避开变速车道范围也可以尽量不改。

3)匝道设计速度

一般来讲，车辆在主线互通式立交之间的正常路段保持一定的速度行驶是可能的，也是驾驶员所希望的，因此，公路的设计速度可以是一个固定值，并以此来控制公路几何设计的各项指标。 如设计速度100km／h的高速公路在一定长度范围内设计速度都是一致的。 车辆从高速公路进入匝道要减速，从匝道进入高速公路要加速，进入收费站要减速停车，离开收准，严格来讲设计是不合理的。 

尽管送审稿取消了互通式立交的分级，并将匝道设计速度类似公路一样指定为一个固定值，但匝道设计速度是在不断变化的意义并没有改变。

同一处互通式立交，由于各个匝道形式、功能不同，允许不同的匝道采用不同的设计速度。一般情况下，右转弯匝道和半定向左转弯匝道(又称半直连式匝道)设计速度可以取主线设计速度的50一70％，环形匝道设计速度取30—40km／h。 如主线和被交路设计速度为120km／h的部分苜蓿叶形十半定向匝道互通式立交，环形匝道设计速度可采用40km／h，半定向匝道设计速度可采用60km／h，右转弯匝道的设计速度可采用80km／h。

4)环形匝道设计

由于设计速度及圆曲线半径的控制，环形匝道的通行能力也往往受到了限制，但交通量到底达到多大时不能设环形匝道迄今未见权威的论证，经验做法是交通量一般控制在6000pcu／d(小客车)以内，大于6000pcu／d应考虑采用半定向匝道。但在设计中也见到过交通量大于10000pcu／d甚至18000pcu／d也采用环形匝道，应该说方案明显不合理。

环形匝道的设计速度是互通式立交中所有匝道中最低的，但又是决定平纵面线形设计的关键。不管是枢纽互通式立交还是一般互通式立交，《公路路线设计规范》规定环形匝道的设计速度不能超过40km／h，根据主线设计速度及交通量一般采用30、35或40km／h即可。现行设计中枢纽互通式立交的环形匝道采用50km／h设计的情况比较多见，主要受互通式立交分级的影响所致。

从行车角度考虑，半径当然越大越好，但环形匝道半径每增加一级(10km／h为一级)，环形匝道占地就会成倍增加，且车辆绕行距离增长，规模明显增大，不经济且不必要。经验做法是交通量不超过3000pcu／d取极限半径或稍大于极限值的半径，交通量在3000一6000pcM／d之间取一般半径或稍大于一般值的半径，送审稿规定：冰冻积雪地区不得采用最小半径。从现有的审核、咨询项目来看，喇叭形互通式立交的环形匝道半径取值较为适宜，但枢纽互通式立交的环形匝道半径取80、85甚至100m的情况也有，应该说是很不经济的。

匝道加宽设计中常见的问题有： 一是忘记了加宽；二是对向双车道的内侧行车道加宽了，而外侧行车道没有加宽；三是加宽值不是加在行车道，而是加在了硬路肩；四是按公路的双车道路面加宽值加宽。20世纪80年代末， 在广深珠高速公路设计时从香港引入了一种三次抛物线加宽过渡方式:bx=(3k2-2k3)b ,其显著的特点是加宽段的起点和终点无折点，加宽的线形流畅、员滑，至今在设计中广泛使用。三次抛物线也适用于超高过渡。

匝道的超高 应与车辆在匝道上的行驶速度相适应，最大超高一般出现在环形匝道上，过大的超高给人一种不安全感，同时影响路容。一般情况下，我国南方地区匝道超高不宜超过8％，合成坡度不宜大于10．5％，北方积雪冰冻区匝道超高不得超过6％，合成坡度不得大于8％。匝道土路肩的横坡一般为外倾3％或4％，当路面超高为6％、7％、8％时，超高段外侧土路肩的横坡可以分别可取一3％、一2％、一1％。匝道硬路肩的横坡可以与行车道横坡相同。超高设计中主要采用按线性方式或三次抛物线方式(公式同前)。 线性过渡有两个弊病： 一是超高的起终点路面曲折、不平整，二是如果两反向超高过渡，小于2％横坡的滞水段较长。三次抛物线过渡正好克服了这两个弊病，在所有匝道超高过渡及公路超高过渡中使用非常普遍。

5）减速车道及分流点设计

设计时最为常见的问题主要集中在减速车道及分流点附近，这也互通式立交设计的重点和难点。

直接式减速车道的设计方法主要有两种。 习惯设计法是从主线外侧车道中心开始，以一定的出口角采用直线、缓和曲线或大半径圆曲线偏出，这种方法具有较顺直的流出行车轨迹，符合驾驶员的习惯。另一种方法是20世纪90年代初从北美国家引进的， 称流行设计法，即直接从减速车道起点(即1个车道宽的位置)开始，再以一定的出口角采用直线、缓和曲线或大半径圆曲线偏出。 

习惯设计法主要有三个缺点： 一是渐变段长度一般比减速车道长，主线转弯车辆开始偏离的位置不明显；二是定线时并不知道减速车道起点在哪里，需要计算；三是主线为曲线时减速车道起点处的出口渐变率不易控制，或大或小。流行设计法正好克服了习惯设计方法的缺点，即渐变段长度可以自由控制，与主线路基形成明显的折点，出口位置明显；定线时就定了减速车道的起点位置；出口渐变率直接控制，不存在或大或小的问题。事实上，只要将减速车道的起点反向延长，与主线外侧车道中心线相交，就是习惯设计法了。此外，流行设计法在双车道加、减速车道并设置辅助车道的设计时优势更加明显。

为了适应车辆顺适而平缓地从减速车道过渡到匝道圆曲线， 一种最有效和最常用的方法是在匝道圆曲线之前设置一种两段缓和曲线运相连接的复曲线，在连接点处曲率半径相等，这种曲线叫刹车曲线。 1993年在京珠国道主干线河北石安高速公路设计时从北欧国家引入刹车曲线，遗憾的是至今采用刹车曲线设计还不太普遍，主要原因是计算相对复杂一些。曲率平缓过渡的第二种方法是将第一段缓和曲线改为半径较大的圆曲线，使之成为卵形曲线。这种方法使用较为普遍，尤其是在主线弯道内侧更为有利。另外，还有一种方法是采用三次样条曲线，同样可以保证曲线的曲率连续，但使用较少，只是作为线元法设计的一种调整工具。

减速车道及分流点附近有许多指标控制，要完全满足这些指标并非易事。

(1)减速车道长度： 规范规定的长度应视为最小值，设计中不少人认为是标准值而加以采用，长度明显不够；另一个问题是当主线纵坡大于2％时下坡减速车道长度末考虑修正(山区高速公路多见)。 

(2)渐变段长度： 由上述两种减速车道设计方法得到的渐变段长度都不会有大的问题。 

(3)出口渐变率： 规范规定的渐变率应视为最大值，设计中常见的问题是主线弯道内侧出口渐变率过小，而外侧出口渐变率过大。 

(4)分流点曲率半径及缓和曲线参数： 一是设计中不少人将“曲率半径”与“圆曲线半径”混为一谈，如主线设计速度为100km／h时分流点最小曲率半径为200m，就认为非要接一段半径为200m的圆曲线不可；二是缓和曲线参数符合规范要求，但分流点曲率半径又不符合规范要求，如图3所示，主线设计速度为100km／h时分流点AK0十129．62曲率半径只有189．27m；三是曲率半径和缓和曲线参数均符合规范要求，但分流点之后的缓和曲线长度过短，以至不能满足匝道超高过渡的需要。

(5)分流点附近竖曲线半径及竖曲线长度： 凸、凹形竖曲线半径一般能满足设计规范要求，但竖曲线长度小于一般值甚至小于极限值的情况时有发生。应当指出：加速是减速的逆过程，加速车道同样可以采用逆向刹车曲线；由于合流点附近车速已经较高，其平纵面指标应尽量达到分流点附近的相应指标(如曲率半径、竖曲线长等)，设计中往往忽视了这一点，认为规范没有要求而采用了过低的指标。

6）渐变段设计

互通式立交范围内存在许多路基渐变段设计，如变速车道渐变段、匝道收费广场渐变段、平交口附加车道渐变段及匝道之间分、合流渐变段等，由于设计规范只规定了渐变率，对渐变段的过渡方式未作详细的规定，因此，设计时比较自由、灵活。

（1）变速车道渐变段： 通常采用直线过渡，使折点明显。为使路容美观、诱导视线，也可在三角段的起、终点处设置10—20m长的圆弧，平交口附加车道渐变段方法类似。 

（2）分流点偏宽渐变段： 当主线硬路肩不足3.0m时，为给误行车辆通提供返回的余地应设置偏宽（硬路肩能停车时不需要设置偏宽），匝道偏宽为0.6-1.0m偏宽渐变段由于长度较短，通常采用直线过渡，为使路宽美观，也可采用二次抛物线过渡。 

（3）收费广场渐变段： 一般情况下收费广场要比与之连接的匝道路基宽，采用直线过渡路容很不美观，通常在渐变段起、终点处设置10—40m长的圆弧，也可采用二次抛物线过渡。当收费广场位于半径较小的曲线上时，应放缓曲线内侧的渐变率，并增大转折点圆滑曲线的半径。

7）纵断面设计

匝道起、终点标高的计算是匝道纵断面设计首先要解决的问题，一般由分流点或合流点对应的主线标高按主线路面横坡推算至分流点或合流点，再按匝道起、终点处路面横坡推算至匝道起、终点的控制标高。

匝道起、终点纵坡的计算 目前没有一个统一的计算模式，从现有的审核、咨询项目来看，主要有两种计算方法： 一种是直接采用分流点或合流点对应的主线桩号切线纵坡，这种方法计算简单、复核方便，但误差稍大，一般用于初步设计。另一种是在匝道上距分流点或合流点5m或10m取一点，从主线分别推算该点与分流点或合流点对应设计高之差，再除以这两点之间的距离，作为分流点处出主线、合流点处进主线的匝道纵坡值。 这种方法计算的匝道纵坡是瞬间纵坡，误差较小，一般用于施工图设计。匝道之间分流点或合流点对应匝道纵坡的计算与此相同。

匝道平、纵面线形组合设计原则上尽可能地执行公路路线的做法，如平曲线应包住竖曲线、变坡点不得与反向平曲线的拐点重合、直线段内不能插入短的竖曲线等，特别是对设计速度较大的匝道(如半定向匝道)纵断面设计更应该如此。由于设计规范对匝道平、纵面组合设计工作强调，设计中就显得“过于自由”，有的设计甚至千篇一律在离匝道起点后30m或35m、离匝道终点前30m或35m设置变坡点，而不顾平、纵面线形的组合及填挖高度。

在出口处，如果是凸形竖曲线接下坡匝道，应使凸形竖曲线加长以增大视距，使驾驶员能及早发现平曲线的方向，具有足够的安全运行时间。在人口处，如果是上坡接凸形竖曲线，应使匝道(一般长度至少60m)纵断面与邻近的主线基本一致，使驾驶员能看清主线上的交通情况，以便安全驶入。

值得一提的是： 位于跨线桥上的匝道竖曲线半径应尽可能大，以提供良好的行车视线。如喇叭形互通式立交，由于跨线桥过后紧接环形匝道，跨线桥上的竖曲线半径不能以满足相应设计速度的一般值为原则，应考虑提高一级设计速度的标准来确定竖曲线半径的大小。枢纽互通式立交中的半定向匝道由于纵坡一般较大，跨线桥上的匝道竖曲线半径能满足相应设计速度的一般值即可。

匝道纵坡应尽量平缓，避免多次不必要的变坡。最大纵坡应适当留有余地，最小纵坡应考虑纵向排水要求，一般情况不应小于o．5％，特殊情况不应小于o．3％。设计规范对匝道最短坡长没有严格的规定，通常情况下能设得下竖曲线即可。 作者认为：参照公路路线的做法，按照匝道的设计速度，最短直坡长度应不小于3s行程，若不够，应加大竖曲线半径，将竖曲线连接起来。

2 互通区匝道半径取值

   

   

   

   

喇叭形互通立交环形匝道的设计主要有3 个特点: ?? 互通式立交的最小技术指标( 如最小平曲线半径、最大纵坡、最大超高等) 基本上出现在环形匝道上,直接影响到行车的舒适性及安全性; 设计速度及圆曲线半径限制了环形匝道的通行能力, 但交通量达到多大时不能设环形匝道迄今未见权威论证, 经验做法是交通量一般控制在6 000 pcu/ d( 小客车) 以内; 由于布设左转弯环形匝道, 使立交占地面积大, 车辆绕行距离长, 当交通量较大时, 运行经济性受到影响。可     见, 环形匝道半径取值的大小直接影响到整个立交的服务水平和运营经济性, 因此, 研究环形匝道的半径取值有着现实意义。

喇叭形互通立交环形匝道的设计速度是互通式立交中所有匝道中最低的, 但又是决定平纵线形设计的关键; 平曲线半径一般根据设计速度确定, 其值的选取应保证汽车行驶的安全性、稳定性和旅客的舒适性, 基于经典力学的分析, 用横向力系数??的大小评价汽车在弯道上行驶的稳定性。

环形匝道各设计速度对应各平曲线半径时的横向力系数如表1 所示。

根据表1 中数据可绘制横向力系数??随半径R及设计速度V 变化而变化的折线图( 图1、2) 。

分析图1、2 曲线变化规律, 可以得到:

( 1) 当V= 50 km/ h 时, μ随R 的减小迅速增大,其增大变化率是其他同类型折线中最大的, 说明V 越大, 随着R 的减小, 对μ的影响也越显著。

( 2) 当V = 40、35、30 km/ h 时, 3 条折线近似平行, 说明当V 降至一定数值时, 随着R 的减小, μ的增大变化率差不多。

( 3) 当R= 40、50 m 时, μ随V 的增大迅速增大,图中表现为其折线比其他同类型折线陡。

( 4) 当R= 72、80、100 m 时, 随着V 的增大, 折线变化趋于平缓, 说明R 越大, V 对μ的变化率影响越不显著。

文献表明： 横向力系数μ= 0. 05 时, 汽车机件损耗及油耗均小, 旅客无明显的弯道感觉; μ= 0. 10时, 汽车机件损耗及油耗增加, 旅客有弯道感觉; μ=0. 15 时, 汽车机件损耗及油耗加大, 旅客向外侧倾斜的感觉比较明显, 一般认为μ小于某一值( 0. 1 ~0. 15) 时该曲线设计是安全的; 又根据经验调查, 当主线设计车速为120 km/ h 时, 驾驶员认为可以容忍的环形匝道最低速度为40 km/ h。

环形匝道设计车速直接影响环形匝道半径取值,而环道平曲线半径值直接影响匝道的形式、用地、规模和造价, 若从行车角度考虑, 如图2曲线变化,  半径越大越好, 但占地亦会越大, 无论在地形复杂的山区还是在人口密度大、用地紧张的发达地区, 从立交用地、路线长度、造价等工程角度和行驶时间、绕行距离、油耗等运行角度来分析都不具备优势。

通过以上定量和定性分析, 结合表1 中数据及图1 曲线变化规律, 作者认为,  喇叭形互通立交环形匝道可取某一较低的设计速度( 40~ 30 km/ h) 以满足汽车行驶的稳定性和地区综合经济效益要求。

环形匝道的运行分析如图3 所示, 车辆由对向双车道A 匝道经环形匝道C 左转弯至高速公路B, 研究范围的起点O 为匝道A 与高速公路B 设计中心线的交点, 终点F 为加速车道渐变段终点, 并设环形匝道缓和曲线参数等于圆曲线半径, 即A = R。高速公路设计车速为100 km/ h, 环形匝道设计速度取40 km/ h, 对应的平曲线半径值取100、72、6 0、40、30 m。72 m 为规范送审稿要求圆曲线不设加宽最小值, 有的设计单位为了不在圆曲线内侧加宽而取该值。由上述起点O 至终点F 的行驶距离、行驶时间、匝道占地面积等指标按正常的车辆行驶状况计算出理论值见表2。

根据美国AASHTO规定, 当主线设计车速为100 km/ h 时, 变速车道上平均车速取80 km/ h, 当设计速度低于40 km/ h 时, 取平均车速等于设计车速。

分析表2 中数据, 不难发现:

( 1) 车辆在环形匝道上的行驶距离和运行时间均随半径的增加而增加。 在正常的行驶条件下, 车辆行驶距离的差异, 主要是在环形匝道圆曲线段, 而在非圆曲线段行驶距离的差异相对较小。

( 2) 在正常的行驶条件下, 车辆行驶时间的差异,主要是在环形匝道圆曲线段, 而在非圆曲线段行驶时间差异相对较小。在自由车流情况下, 车辆在不同半径立交左转弯匝道的非圆弧段的行驶时间大致相同。

( 3) 纵断面的平均纵坡由于受环形匝道路线长度的影响, 随半径变化较明显。 当半径小于60 m 时, 其纵坡不能满足规范送审稿中关于环形入口、出口匝道上、下坡段最大纵坡4%的要求, 故设计平面线形时必须兼顾纵断面。

( 4) 环形匝道的占地面积随半径的增大迅速增大。

( 5) 采用相对较大的环形匝道半径, 有利于行车的连续性和舒适性, 但是总的运行距离和运行时间都有较大的增加。

由此可见, 环形匝道的半径值直接影响到车辆行驶距离、运行时间及立交占地。

至于半径值可取多大, 主要从工程、行车经济性角度考虑。设环形匝道平均高峰小时交通量为600pcu/ h( 相当于立交交通量预测分析年限中期的交通量) , 取高峰小时流量比( 注: 高峰小时流量比为高峰小时交通量占全天交通量之比。一般取9% ~ 10%) 为10% , 则1 d 的交通量为6 000 pcu/ d。不 同半径时立交占地、车辆运行时间及距离见表3。

从表3 可以看出:

( 1) R=72 m与R=60m 相比, 环形匝道占地增加了6198. 546m2 ; R=100 m 与R=72m相比, 环形匝道占地增加了19662. 046m2 , 说明半径的增加可引起占地成倍增加。

( 2) R= 2m与R= 60m相比, 每昼夜环形匝道行驶总时间增长了3. 042h, 行驶总长度共增加了437. 866km。若考虑立交分析年限为20年, 则环形匝道上车辆行驶总时间增长22 206. 6h, 行驶总长度增加3196421. 8km。 半径越大, 行驶总时间增长越多, 行驶总长度增加越大, 车辆运行经济性也越差。

从汽车行驶稳定性角度出发建议： 喇叭形互通立交 环形匝道应取较低的设计车速, 推荐一般地区宜采用40 km/ h; 山区高速公路立交受地形影响较大可取40~ 30 km/ h。

根据表1 中数据V= 40 km/ h, 当R < 60 m 时, μ均大于0. 15 及表2、表3 的分析,  一般地区环道半径值宜采用60 m; 山区高速公路应结合地形环道半径可采用60~ 30 m 。不仅能减少用地、缩短匝道路线长度以节约工程造价, 而且能减少车辆运行时间和运行费用。

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