匝道線形設(shè)計(jì)與匝道超高設(shè)置的探討

趙 江

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南長沙 410008)

通過改革開放特別是近年來的不懈努力，我國公路總量規(guī)模實(shí)現(xiàn)跨越式增長，到2010年底，全國公路通車總里程達(dá)到398.4萬km，從改革開放之初的世界第7位躍居第2位;高速公路從無到有達(dá)7.4萬km，居世界第2位。隨著公路網(wǎng)不斷完善和交通量的急劇增加，公路交通事故也成級數(shù)倍增加，而公路中發(fā)生交通事故的幾率以高速公路最高。然而在高速公路上，事故頻發(fā)地段莫過于高速公路立交匝道。據(jù)高速交警對連霍高速與京港澳高速上的事故調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，每年在高速匝道發(fā)生的交通事故占總事故的30%以上，這是駭人聽聞的數(shù)字。本文從探討影響匝道交通安全因素入手，通過研究汽車在匝道上行駛特性，闡述了匝道線形設(shè)計(jì)和超高設(shè)置的原則。

1 影響高速匝道交通安全的因素

影響出、入口匝道交通安全的因素有:設(shè)計(jì)因素和交通因素，其中設(shè)計(jì)因素包含匝道平曲線半徑、縱坡度和橫坡度;交通因素包含匝道交通量、匝道大型車比例和匝道車輛速度。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為［1］:

其中:Fdes為設(shè)計(jì)因素集，F(xiàn)des={F(r)，F(xiàn)(j)，F(xiàn)(i)}(F(r)為平曲線半徑因素;F(j)為縱坡度因素，%;F(i)為橫坡度因素，%);Ftra為交通因素集，)為匝道交通量因素;F(V)為匝道大型車比例因素;F(QH)為匝道車輛速度因素)。

2 汽車在匝道上行駛特性分析

匝道線形與汽車在匝道上的行駛特性密切相關(guān)。研究汽車在匝道上的行駛特性，目的是根據(jù)行車要求來確定匝道的平面線形，使匝道的平面線形與汽車行駛軌跡相適應(yīng)，滿足行車舒適性和安全性的要求。

2.1 出口匝道

2.1.1 汽車在減速車道段行駛規(guī)律

從高速公路分流V0→進(jìn)入減速車道減速行駛→減速至鍥形端V1。如圖1為車輛在出口匝道完成車道變換過程。在車道變換過程中，容易發(fā)生以下兩種情況的追尾事故:由于目標(biāo)車道內(nèi)前車較慢，在換車道時(shí)由于車速較高而與目標(biāo)車道內(nèi)的前車追尾;由于過早制動或者制動加速度過大，使得車輛車速降低過快，導(dǎo)致原車道內(nèi)后車追尾。

圖1 高速公路出口匝道換車道過程

2.1.2 汽車在中間段勻速行駛規(guī)律

汽車以V1速度通過鍥形端之后進(jìn)入匝道主體部分，以V1速度勻速行駛。但因減速行駛末速度的大小、駕駛員根據(jù)路況所采用的實(shí)際行駛速度的差異等因素的影響，常出現(xiàn)變速行駛狀態(tài)，即由V1減速或加速至入口處V21。在這個過程中，由于車輛減速不及時(shí)且平曲線指標(biāo)降低或匝道超高橫坡設(shè)置不合理，車輛容易發(fā)生翻車事故。

2.1.3 汽車在駛?cè)攵蔚男旭傄?guī)律

對于收費(fèi)立交，駛?cè)攵渭礊槠噺脑训乐黧w部分向連接線合流的過程，汽車以V1或V21勻速或變速行駛到連接線入口處減速行駛至收費(fèi)島停車?yán)U費(fèi)，或減速至收費(fèi)島允許的速度(ν)通過收費(fèi)島(ETC收費(fèi)車道)。由于匝道和連接線的設(shè)計(jì)速度一般比較接近，該過程不設(shè)加速車道。

玉米籽粒脫水速率與農(nóng)藝性狀相關(guān)分析………… 趙寬厚，蘇治軍，高聚林，于曉芳，王志剛，孫繼穎，胡樹平，屈佳偉，包海柱（16）

對于不收費(fèi)立交，駛?cè)攵渭礊槠噺脑训肋M(jìn)入正線Ⅱ，汽車從入口處以V1或V21為初始速度加速至合流速度V0'(該速度接近于或等于正線Ⅱ的直行速度)后，在加速車道上橫移匯入正線Ⅱ直行車流。

在這個過程中，由于車輛需變換車道，車輛容易發(fā)生碰撞或擠撞事故。如圖2。

圖2 匝道各組成部分事故分布圖

2.2 入口匝道

汽車在入口匝道的行駛規(guī)律是出口匝道的逆過程。

圖3 高速公路入口匝道換車道過程

在這個階段車輛行駛過程可分為分流減速、勻速或變速行駛以及加速合流行駛?cè)齻€過程。車輛由低速行駛的匝道進(jìn)入運(yùn)行車速較高的主線的階段，也必須完成車道變換，如圖3為入口匝道換車道過程。低速行駛的車輛為了不影響主線行車，需要從匝道末端及加速車道內(nèi)完成加速過程，并在加速車道中某一合適位置匯入主線車道，由于從出口匝道駛出的車輛運(yùn)行速度相對主線車輛來講還比較低，所以在車流匯流過程中，當(dāng)前車道內(nèi)的目標(biāo)車與目標(biāo)車道內(nèi)的前車追尾的可能性較小，但在這個過程中，容易發(fā)生以下兩種碰撞事故:由于目標(biāo)車在匯入主線車道內(nèi)的車速相對較低，在換車道時(shí)被目標(biāo)車道內(nèi)車速較高的后車追尾發(fā)生碰撞;由于主線車流量較大，使得在車道變換過程中出現(xiàn)減速甚至停車等待情況，目標(biāo)車輛在車道變換過程中與原車道的后車擠撞追尾。

2.3 出、入口匝道安全評價(jià)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1997年至2006年期間，哈大高速公路出入口匝道共計(jì)發(fā)生交通事故145起，其中，發(fā)生在出口匝道共103起，占事故統(tǒng)計(jì)總數(shù)的71%，其中分流點(diǎn)處的事故共有 48起，占事故總數(shù)的33%，占出口匝道事故總數(shù)的47%;入口匝道事故為42起，占事故統(tǒng)計(jì)總數(shù)的29%，其中合流點(diǎn)處的事故僅9起，占事故統(tǒng)計(jì)總數(shù)的6%，占入口匝道事故總數(shù)的21%。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，出口匝道事故數(shù)明顯高于入口匝道事故數(shù)，而且出口匝道的事故主要集中于分流點(diǎn)處，而對于入口匝道，其所占事故數(shù)的比例相對較低，合流點(diǎn)并不是入口匝道發(fā)生的主要地點(diǎn)。

3 匝道平面線形設(shè)計(jì)

3.1 出口匝道

3.1.1 V0－V1減速行駛過程

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，匝道交通安全事故大部分發(fā)生在這個過程中，而且多為惡性事故，它主要是由于車輛在車道變換過程中因減速不及、減速車道的起點(diǎn)不容易辨別、減速車道長度不夠或出口附近的曲率半徑不能滿足要求。減速車道起點(diǎn)不容易辨別建議采用流行減速車道設(shè)計(jì)方法，盡量不要采用傳統(tǒng)的減速車道設(shè)計(jì)方法，因?yàn)閭鹘y(tǒng)減速車道設(shè)計(jì)方法有減速車道不易辨認(rèn)的缺陷，而流行減速車道設(shè)計(jì)方法減速車道起點(diǎn)明確，漸變段可根據(jù)需要確定;匝道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證減速車道有足夠的減速長度，這里應(yīng)注意的是《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》上規(guī)定的減速車道長度為最小值，而非定值;在出口處應(yīng)盡量采用較大的曲率半徑，表1為分流端處應(yīng)滿足路規(guī)要求的最小曲率半徑值。

表1 分流端最小曲率半徑［2］

如果汽車行車速度在分流端之前能降到匝道的設(shè)計(jì)行車速度或之下，匝道中間段的事故率也會大大減少，因此該段的線形設(shè)計(jì)是否合理是出口匝道線形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。汽車在減速車道上從V0減速至V1，至匝道允許最低速度V21，然后減速(收費(fèi)立交)或加速至V0'(不收費(fèi)立交)。整個過程速度變化是不均衡的變化，因此比較理想的匝道平面線形是在V0－V1區(qū)段采用非對稱的曲率變化率連續(xù)的線形，條件允許時(shí)，分流點(diǎn)前減速車道平面線形應(yīng)盡量采用和主線線形一致。對于直連和半直連匝道以及環(huán)形匝道可以采用單曲線、凸形曲線、卵形曲線等，其中環(huán)形匝道還可采用水滴形和三心圓式復(fù)曲線的平面線形。

3.1.2 V1－V21勻速或變速行駛過程

該區(qū)段的平面線形主要是適應(yīng)超高變化設(shè)置和適應(yīng)匝道車速變化，滿足匝道行車舒適、安全要求。至于采用何種組合形式都是可行的，比如單元曲線、卵形曲線和S形曲線等。對于環(huán)形匝道，一般可采用一段較長的回旋線，考慮到載重汽車在分流端前可能減速不充分，一些研究提出，在出口和環(huán)形匝道圓弧之間可設(shè)置一組參數(shù)逐級遞減的三級復(fù)合回旋線，即“制動曲線”，它對變速中的曲率過渡有較好的吻合性。

3.1.3 V21－V'0加速行駛過程

在這個過程中，汽車如果在匝道上過早地加速，容易在入口附近造成減速不及而引起追尾事故。因此在此區(qū)段反向曲線(或同向曲線)之間不宜采用較長直線或大半徑平曲線連接。

3.2 入口匝道

入口匝道事故發(fā)生率較出口匝道低，可也不能忽視。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中往往容易忽視入口端曲率半徑的限制，駛?cè)虢禽^大，曲率半徑較小。如果通視條件又不好的情況，汽車容易過早匯入高速主線直行車流，導(dǎo)致與直行車流發(fā)生碰撞事故。通過對汽車在入口匝道的行駛狀態(tài)的分析可知，入口匝道的汽車行駛規(guī)律事實(shí)上是出口匝道的逆過程，因此入口端應(yīng)盡量采用大半徑曲線或直線，其曲率半徑應(yīng)盡量不小于分流鼻端曲率最小半徑值。

4 匝道超高的設(shè)置與平面線形之間的關(guān)系

根據(jù)力學(xué)定律，汽車在曲線上行駛的基本公式為［3］:

式中:i為匝道橫坡度;V為匝道設(shè)計(jì)速度;R為匝道圓曲線半徑;μ為橫向摩阻力系數(shù)，一般情況下，當(dāng)匝道設(shè)計(jì)速度 V≥40 km/h時(shí)，μ=0.10～0.15;當(dāng) V ＜40 km/h 時(shí)，μ =0.15 ～0.12［4］。

由上式可以看出，公路平面線形設(shè)計(jì)是以速度和曲率的相應(yīng)關(guān)系以及這二者與超高和橫向摩阻力之間的聯(lián)系為根據(jù)。合理地超高設(shè)置，可以提高汽車行駛在曲線上的穩(wěn)定性與舒適性。

4.1 出口匝道

汽車從高速路分流減速至分流端，進(jìn)入匝道，車速從 V0→V1→V21，一般 V1≥V21，在減速車道段，汽車從高速不斷減速的過程，減速車道應(yīng)盡量選擇在直線段或大半徑曲線段，其平面線形應(yīng)盡量與主線保持一致，從駛?cè)攵说椒至鞫嗽训莱弑M量保持與主線一致。當(dāng)受地形條件限制，減速車道位于較小半徑的曲線外側(cè)時(shí)，分流端匝道線形一般是采用S形緩和曲線過渡，這時(shí)主線超高和匝道主體部分超高趨勢正好相反，如果維持分流端線形與主線一致，勢必導(dǎo)致匝道長度增加，造價(jià)提升，因此在減速車道部分就進(jìn)行超高過渡，但分流端點(diǎn)處主線與匝道的橫坡代數(shù)差不宜過大，應(yīng)小于6%。

4.2 入口匝道

從汽車在出、入口匝道行駛狀態(tài)可知，入口匝道是出口匝道的逆過程。入口匝道在匯流端處應(yīng)保證有較大的曲率半徑，在加速車道段的橫坡盡量保持與主線一致。設(shè)計(jì)當(dāng)中由于匯入端點(diǎn)曲率半徑偏小，匯入角偏大，往往導(dǎo)致在匯流端點(diǎn)的超高橫坡值較大，超高過渡還要利用一段加速車道才能漸變至和主線橫坡一致。經(jīng)相關(guān)調(diào)查研究表明，在大部分的車流在加速車道1/3～2/3的區(qū)段就已經(jīng)匯入了主線車流，因此如果該段出現(xiàn)加速車道橫坡與主線不一致，就會導(dǎo)致匯入車輛行車不舒適性，不利于車流合流。若受地形條件限制，加速車道位于較小半徑的曲線外側(cè)時(shí)，在匯流端點(diǎn)處超高變?yōu)橥鈨A1%，匯流端點(diǎn)橫坡代數(shù)差＜6%。

5 工程實(shí)例

湖南龍山至永順高速公路項(xiàng)目在永順縣北側(cè)k76～k77處設(shè)永順互通，連接永順縣城上下高速公路的交通量，同時(shí)它也是龍永高速公路轉(zhuǎn)換交通量最大的互通。它所處位置地形、地物條件以及地質(zhì)條件復(fù)雜，匝道橋梁比重很大，占匝道總長53.4%。

如圖4為永順互通方案圖?；ネ锽型單喇叭方案，A匝道上跨龍永高速公路，內(nèi)環(huán)B匝道最小半徑為50 m。為適應(yīng)流出主線，進(jìn)入內(nèi)環(huán)匝道車輛速度變化和視距要求，B匝道分流點(diǎn)設(shè)置于A匝道跨線橋之前，減速車道長度為114.2 m，平曲線半徑采用R=2 800 m大半徑曲線，且保持與主線相同橫坡。考慮到分流點(diǎn)處車輛實(shí)際速度未達(dá)到內(nèi)環(huán)匝道設(shè)計(jì)速度，因此分流鼻后保持了一段路線線形與減速車道一致，隨后采用卵形曲線，通過一段L=71 m的緩和曲線連接內(nèi)環(huán)曲線，使線形和橫坡變化更好地適應(yīng)車輛行駛狀態(tài)變化，同時(shí)在增加較少用地和工程量情況下，增加了內(nèi)環(huán)匝道的拉坡長度，降低了縱坡度和合成坡度。

圖4 永順互通方案圖

A、D、E匝道中橋梁占匝道長度49.8%，D匝道橋梁總長占匝道長度96%，E匝道橋梁長度占匝道長度93.4%。其中，A匝道跨線橋橋型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以褲衩結(jié)構(gòu)與 D、E匝道橋梁相接，長度大，約760 m，最大橋墩高度達(dá)17 m，受主線標(biāo)高和地形條件限制，匝道橋梁段縱坡較大?？紤]到車輛在匝道橋梁上行車和施工安全，以及冬季結(jié)冰的問題，匝道線形設(shè)計(jì)利用地形布線，盡量采用簡單的線形組合，較大平曲線半徑，減小匝道超高橫坡度和合成坡度。通過優(yōu)化，最小曲線半徑為350 m，最大縱坡為4%，最大超高為3%，最大合成坡度為5%。D匝道為流出直連匝道，根據(jù)主線標(biāo)高，利用山體布線，該減速車道位于S型緩和曲線外側(cè)，設(shè)計(jì)采用直線流出，分流鼻后設(shè)置一段較長的大半徑平曲線，在與A匝道合流處設(shè)置一段半徑為150 m卵形曲線滿足橫坡變化，最大縱坡度為2.68%，最大超高橫坡為6%，最大合成坡度為6.07%。為保證當(dāng)?shù)厮禃惩?，E匝道也采用橋梁方案，最小平曲線半徑為160 m，最大縱坡為1.1%，最大超高橫坡為5%，最大合成坡度為5.12%;在合流鼻處為 R=420 m，合流角 6.7°，加速車道段保持與主線橫坡一致。

6 結(jié)束語

綜上所述，筆者認(rèn)為，匝道設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合地形、地物條件和構(gòu)造物設(shè)置情況，從匝道交通安全出發(fā)，充分考慮平面線形、縱坡度和橫坡度的組合因素影響，線形設(shè)計(jì)和平曲線指標(biāo)的選擇應(yīng)服從車輛在匝道上行駛狀態(tài)變化，使匝道平縱橫達(dá)到一個最佳組合，確保車輛行駛安全。當(dāng)縱坡度較大情況下，應(yīng)盡量采用較大曲線半徑，減小橫坡度;當(dāng)所采用的平曲線半徑較小，超高橫坡較大時(shí)，在有條件情況下，盡量利用地形布線，在對工程量增加不多的情況下，盡量增加匝道長度，減小縱坡度。另外在匝道橋梁路段，由于平曲線半徑一般較小，應(yīng)充分考慮冬季結(jié)冰情況，優(yōu)化線形設(shè)計(jì)，盡可能采用較小橫坡曲線組合，并減少橫坡反復(fù)變化次數(shù)。

［1］宋成舉.高速公路出入口匝道行車安全性分析和評價(jià)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］JTG D20－2006，公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］張雨化.道路勘測設(shè)計(jì)(公路與城市道路工程專業(yè)用)［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［4］曲向進(jìn).互通式立體交叉的選型與設(shè)計(jì)［J］.公路，1997(6).

［5］朱 穎.高速公路互通式立交技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)探討［J］.四川建筑，1997，17(2).

［6］美國各州公路與運(yùn)輸工作者協(xié)會.公路與城市道路幾何設(shè)計(jì)(2001年版)［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［7］楊少偉.汽車在立交匝道上的行駛特性及平面線形［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，18(3).

［8］李文權(quán)，周榮貴.高速公路合流區(qū)1車道交通量模型［J］.公路交通科技，2004(12).