高速公路互通式立交設計淺析
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摘要:結合太行山高速公路互通立交設計實踐，對《公路路線設計規范》(JTGD20—2017)、《公路立體交叉設計細則》(JTG/TD21—2014)頒發后的互通立交設計主線指標、匝道單雙車道選用、匝道設計速度、平縱組合等問題進行分析、闡述，設計經驗可為其他同類型高速公路互通立交設計提供參考。
太行山高速公路作為唯一省網項目列入京津冀協同發展交通一體化國家專項規劃，自北向南貫穿太行山區全境，包括京蔚段、淶曲段、西阜段、平贊段、邢臺段和邯鄲段。太行山高速公路是河北省太行山區的重要旅游通道，也是河北省的重點建設項目，該項目采用雙向四車道高速公路標準，設計速度80km/h，路基寬度24．5m。筆者從對太行山高速公路互通立交設計的分析理解，并結合設計過程中有關專家審查、咨詢意見，在此對互通立交設計提出一些認識，與大家探討、交流。
1主線平縱面指標
在互通立交范圍內，由于流入和流出車輛的頻繁變化，運行情況十分復雜。筆者親歷節假日期間，某雙向八車道高速上由于車輛飽和，頻繁出現事故，事故發生點多數為互通立交的進出口，由此推測其他高速情況更為不樂觀，因此互通立交進出口一定距離范圍內的安全設計尤為重要。《公路路線設計規范》［1］(JTGD20—2017)、《公路立體交叉設計細則》［2］(JTG/TD21—2014)中均規定了互通式立體交叉范圍主線的最小圓曲線半徑，主要是為了控制主線超高橫坡，圓曲線外側變速車道連接部需設置脊線，變速車道和主線為反坡，橫坡差一般不大于6%，當大于該值時，車輛在主線與變速車道間變道存在安全風險，變速車道橫坡一般為向外2%，因此主線橫坡一般不大于4%。根據不同的主線設計速度，采用不同的最小圓曲線半徑，目的就是為了減小坡差。另外，互通識別視距控制范圍應盡量避免設置S型曲線，此位置由于變速車道及漸變段的設置對主線加寬，使得路面排水更為困難，如果條件限制必須設置S型曲線，需加強排水設置。互通式立體交叉范圍內，主線平縱面線形指標不滿足要求的情況一般出現在被交路上。如果被交路的平縱面指標不滿足規范規定極限值，需進行被交路改造、增強標志標線、局部限速等措施，如果被交路為已建高速公路，改造被交路多數情況下實現不了，因此目前較多采用標志標線和限速措施，如果有條件，也可將加減速車道分離點延長，接到主線指標較高的路段。雖然增加了匝道規模，但從安全性角度考慮還是值得的。互通立交范圍內應設置較緩的縱坡，縱坡過大，減速車道下坡路段不利于減速，車輛進入匝道車速過高，容易在匝道上失控;加速車道上坡路段不利于加速，爬坡能力較低的載重汽車容易出現低速駛入主線的情況，主線上的車流可能被匝道進入的車輛干擾，出現主線上車流一片“紅燈”，成為交通事故的隱患。因此，規范對互通立交范圍主線最大縱坡給出規定，采用略小于一般路段的縱坡。值得注意的是當主線設計速度不大于80km/h時，《公路路線設計規范》［1］(JTGD20—2017)附注標明當車輛以較大下坡進入互通，且減速車道為下坡，匝道線形指標較低時，主要公路的縱坡不得大于括號內的值，筆者認為有條件主線縱坡還是采用較緩的括號內取值。因為主線設計速度不大于80km/h的情況，多數為山區公路，山區公路為了減小對山體的開挖和破壞環境，一般匝道平縱指標偏低，雙低組合對行車安全尤為不利。
2匝道單雙車道的選用
《公路路線設計規范》［1］(JTGD20—2017)中規定對于單車道匝道能滿足交通量通行要求，但匝道達到一定長度后，應考慮超車之需而設置成雙車道匝道。匝道的車道數根據匝道的設計速度和設計小時交通量確定，同時，在單車道匝道上，大型車由于行駛速度較慢，如無法超車，導致整個匝道通行能力下降。因此在樞紐互通式立交中，即使交通量不大，匝道達到一定長度時，也有必要增加一個車道用來超車。當立交為喇叭形立交時，對向雙車道匝道以往一般設置成對向各一個車道，不考慮超車需求。《公路立體交叉設計細則》［2］(JTG/TD21—2014)在匝道橫斷面類型的選用和車道數選擇條件列表中，不僅列出了不同交通量所采用的不同斷面，而且給出了對應的匝道設計速度。按細則要求互通立交匝道設計車速為40km/h，匝道達到一定長度，需要設置為雙車道。對于喇叭形立交來說，對向匝道是否有必要設置一個超車道，從筆者近幾年參與的項目來看，不同的設計人員、不同的設計單位(有些是規模較大、較權威的設計單位)對此給出了不同的理解，單車道雙車道均有。筆者認為，喇叭形立交對向車道是否采用雙車道，首先應考慮安全因素，以圖1互通立交設計示意圖(一)為例，從線形上考慮，對向匝道入高速方向A→B一般為一段高指標線形接環形匝道，如匝道上跨主線，線形對安全更為不利;出高速方向C→A一般為S形曲線接環形匝道，進出高速的線形指標都很低，如在此超車，存在安全隱患。另外，《公路路線設計規范》［1］(JTGD20—2017)明確規定，環形匝道采用單車道匝道，因此筆者不建議喇叭形立交對向車道設置為雙車道。
3匝道的設計速度
《互通式立體交叉設計原理與應用》［3］指出，匝道的設計速度是指車輛能安全通過匝道平面線形中最緊迫路段的最大運行速度。實際上車輛運行速度是變化的，匝道平面線形各點處的曲率變化應該與汽車行駛速度變化情況相適應。仍以圖1互通立交設計示意圖(一)為例，喇叭式互通立交右轉匝道的平面布置，D匝道、E匝道與A匝道的匯合(分岔)點2、3應盡可能貼近A匝道，匝道平行主線的路段1、4應盡可能采用較高的指標，使匝道平縱面指標與車速、行駛特點相適應，并合理減少占地。圖中4位置匝道線形采用直線，與主線圓曲線接近相切的角度駛入主線，利于車輛加速，是較好的設計方案。另外，車輛在匝道上行駛，從主線到分流鼻，從分流鼻到匝道基本路段，速度依次為80km/h→55km/h→40km/h，如果主線設計速度為120km/h，分流鼻車速最小為65km/h，因此，匝道平面線形指標僅滿足基本路段規范要求的指標是不夠的，還需要在出口分流鼻和匝道基本控制曲線之間設置運行速度過渡段來保證行車安全，總而言之，既要滿足規范要求，又要符合實際情況。
4匝道的平縱面設計
匝道的平縱面線形設計應該綜合考慮地形和車輛組成情況，也要適應匝道上速度的變化要求，確保車輛運行連續、安全。喇叭形互通立交的單向匝道一般來說較短，平曲線插入直線難滿足直線最小長度要求，因此平面線形以曲線為主，各單元長度最小值要滿足3s行程，緩和曲線參數的取值首先要考慮超高漸變所需過渡段長度要求，還要適應變化的車速，在圖1互通立交設計示意圖(一)中，2、3位置緩和曲線參數取值滿足超高過渡即可，1、4位置的參數取值就不宜太小，應與行駛速度匹配。縱斷面盡量采用較緩的縱坡，減少變坡，困難路段最小坡長應滿足9s匝道設計速度行程長度，如圖2互通立交設計示意圖(二)中所示，匝道拉坡有效長度260m左右，設置3個變坡點，最小坡長74m，雖然降低了填土高度，減小了工程量，但坡長短，頻繁變坡使車輛行駛舒適性差，權衡利弊取消中間的變坡點才是合理的設計。積雪冰凍地區避免采用最大縱坡值，最小縱坡要考慮路面合成坡度不小于0.5%，互通區內被交路有混合交通行駛路段跨線橋圖2互通立交設計示意圖(二)縱坡不超過3．0%為宜。出入口位置的豎曲線長度及半徑取值，應與出入口對應的運行速度相適應。
5結語
近幾年河北省高速發展迅速，交通量與日俱增，路網不斷加密，立交設計日新月異，早期建成的互通立交通行能力不足等問題日趨嚴重，給立交設計者帶來了挑戰;另一方面，互通立體交叉設計標準的完善和設計理論的不斷成熟，也給立交設計迎來了發展的機遇。因此，通過對太行山高速立交的成功設計，總結經驗，不斷提高，使今后立交設計推向新的高度。
參考文獻
［1］中華人民共和國交通運輸部．公路路線設計規范:JTGD20—2017［S］．北京:人民交通出版社，2018．
［2］中華人民共和國交通運輸部．公路立體交叉設計細則:JTG/TD21—2014［S］．北京:人民交通出版社，2014．
［4］劉子劍．互通式立體交叉設計原理與應用［M］．北京:人民交通出版社，2015．
作者:梁子偉 單位:河北省交通規劃設計研究院有限公司