基于JSL-路線專家系統(tǒng)喇叭形互通喇叭頭設(shè)計(jì)新方法

劉利民, 楊運(yùn)平

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

喇叭形互通式立體交叉(以下簡(jiǎn)稱“喇叭形互通”)是互通式立體交叉的典型代表，具有收費(fèi)管理方便及工程規(guī)模較小等特點(diǎn)，是目前高速公路中應(yīng)用最多的一種互通式立體交叉形式。因半直連式匝道和環(huán)形匝道組合外觀類似喇叭而得名。

在常見(jiàn)的路線與互通立交CAD軟件中，喇叭形互通的平縱橫設(shè)計(jì)均可以完成。喇叭頭位置的兩條匝道雖然路基寬度沖突，但在絕大多數(shù)CAD軟件中，作為兩條完全獨(dú)立的匝道進(jìn)行設(shè)計(jì)，與連接線各自直接相接，連接部設(shè)計(jì)圖等部分圖表需要手工或半自動(dòng)方式完成。JSL-路線專家系統(tǒng)作為新一代路線與互通立交CAD系統(tǒng)，應(yīng)用了數(shù)十項(xiàng)創(chuàng)新和專利技術(shù)，互通式立體交叉連接部的參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)是其獨(dú)特創(chuàng)新之一。喇叭形互通喇叭頭的兩條匝道不存在合流與分流，并不是真正意義上的連接部，但二者之間的路基寬度銜接與連接部有高度的相似性。通過(guò)深入研究與嘗試，充分利用JSL-路線專家系統(tǒng)的靈活性，可將喇叭形互通的喇叭頭作為連接部，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)。

1 喇叭形互通喇叭頭的常規(guī)設(shè)計(jì)方法

一般情況下，組成喇叭頭的半直連式匝道和環(huán)形匝道，是兩條相對(duì)獨(dú)立的對(duì)向行使匝道，既無(wú)主次從屬關(guān)系也不存在分流、合流，是并行關(guān)系，均單獨(dú)設(shè)計(jì)，即平縱橫各自與連接線順接。半直連式匝道和環(huán)形匝道路基寬度一般均為9.00 m，而連接線路基寬度一般為16.50 m，兩條匝道的總寬度為18.00 m，比連接線的路基寬度寬了1.50 m，說(shuō)明兩條匝道在靠近連接線接點(diǎn)路段的路基寬度相沖突，路基設(shè)計(jì)表、連接部圖、連接部標(biāo)高數(shù)據(jù)圖和路基橫斷面設(shè)計(jì)圖等圖表均只能手工或半自動(dòng)方式處理。

根據(jù)JTG/T D21—2014《公路立體交叉設(shè)計(jì)細(xì)則》，連接部的定義是“匝道與交叉公路之間、主線相互之間或匝道相互之間相連接的部位，包括分、合流車道連接路段及鼻端”。因此，從理論上來(lái)說(shuō)，喇叭形互通的喇叭頭位置并不屬于連接部的范疇。因此，設(shè)計(jì)中未按連接部的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)也在情理之中。

2 參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)新方法

JSL-路線專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了互通式立體交叉連接部的參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)，能解決主線之間、匝道之間、主線與匝道之間的連接部參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)，也解決了匝道出入口與主線(或匝道)之間路拱線的自動(dòng)設(shè)計(jì)，且設(shè)置簡(jiǎn)單、明了。

在實(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員對(duì)喇叭形互通的喇叭頭仍然采用原始的手工或半自動(dòng)方式來(lái)設(shè)計(jì)。經(jīng)回顧研發(fā)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)研發(fā)時(shí)主要針對(duì)分流部和合流部的連接部設(shè)計(jì)，并未考慮喇叭形互通喇叭頭位置的處理。經(jīng)深入研究與嘗試，喇叭形互通的喇叭頭可以用JSL-路線專家系統(tǒng)當(dāng)做連接部來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)。主要處理方法如下。

2.1 連接線前置處理

在喇叭形互通的喇叭頭位置，兩條匝道一般均設(shè)置相同的超高，作為連接部設(shè)置時(shí)，兩條匝道同坡成一個(gè)坡面。當(dāng)與匝道相接的連接線無(wú)中央分隔帶時(shí)，作為連接部處理無(wú)問(wèn)題。當(dāng)與匝道相接的連接線有中央分隔帶時(shí)，中央分隔帶橫坡一般為零，喇叭頭作為連接部處理后，內(nèi)側(cè)匝道與外側(cè)匝道同坡(包括中央分隔帶寬度)，外側(cè)匝道的內(nèi)側(cè)路緣帶邊緣(對(duì)應(yīng)原中央分隔帶外邊緣)位置與原中央分隔帶外邊緣位置會(huì)存在高差(圖1)。如匝道設(shè)置6%的超高、連接線中央分隔帶寬度為1 m時(shí)，兩者的高差為6 cm。這將導(dǎo)致一側(cè)匝道與連接線路面無(wú)法順接，必須進(jìn)行技術(shù)處理。

圖1 作為連接部時(shí)中央分隔帶的變化

一般情況下，設(shè)置中央分隔帶時(shí)，設(shè)計(jì)高程在中央分隔帶邊緣。將半直連式匝道和環(huán)形匝道作為連接部設(shè)計(jì)時(shí)，為解決匝道與連接線同坡相接時(shí)的高差問(wèn)題，必須設(shè)置漸變段將連接線的設(shè)計(jì)高程漸變至路基中心線位置，即將中央分隔帶寬度漸變至零、設(shè)計(jì)高程位置由中央分隔帶邊緣漸變至路基中心線。雖然如此，該寬度漸變，并不改變行車軌跡，也不改變路基寬度(甚至中央分隔帶依然可以設(shè)置)，只是為了方便匝道進(jìn)行連接部設(shè)置而進(jìn)行的技術(shù)處理，因此漸變段長(zhǎng)度無(wú)需按照中央分隔帶漸變的要求設(shè)置，漸變長(zhǎng)度取10 m即可滿足要求。如設(shè)計(jì)速度40 km/h的連接線和匝道在接點(diǎn)處設(shè)置6%超高時(shí)，1 m中央分隔帶按10 m漸變，此時(shí)寬度漸變率為1/20，該漸變率并不真正進(jìn)行寬度變化，大小無(wú)要求；由設(shè)計(jì)高程位置變化在原中央分隔帶邊緣引起的附加縱坡為0.5×6%/10=0.3%≈1/333，該漸變率應(yīng)小于設(shè)計(jì)速度40 km/h的最大超高漸變率1/150。

2.2 連接部的設(shè)置方法

經(jīng)過(guò)研究，喇叭形互通的喇叭頭位置當(dāng)做連接部處理，有按分流部處理和按合流部處理兩種方法。作為主線的匝道不能隨便設(shè)置，必須按照匝道相對(duì)于主線是流出還是流入來(lái)區(qū)分。

2.2.1 按分流部處理方法

按分流部處理時(shí)，半直連式匝道和環(huán)形匝道的角色如下：在A形喇叭形互通中，環(huán)形匝道(圖2中C匝道)是流出，可作為連接部的匝道，而將半直連式匝道(圖2中B匝道)作為連接部的主線；在B形喇叭形互通中，半直連式匝道(圖3中B匝道)是流出，可作為連接部的匝道，而將環(huán)形匝道(圖3中C匝道)作為連接部的主線。

圖2 A形喇叭互通

圖3 B形喇叭互通

按分流部處理時(shí)，B匝道和C匝道的平面設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)一致。作為流出匝道(圖2中C匝道或圖3中B匝道)，平面設(shè)計(jì)時(shí)需注意坡長(zhǎng)是否足夠，不夠時(shí)需調(diào)整平面線形。平面設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行連接部設(shè)置，這樣鼻端對(duì)應(yīng)的環(huán)形匝道和半直連式匝道樁號(hào)均自動(dòng)計(jì)算?？v斷面設(shè)計(jì)時(shí)，作為主線的匝道(圖2中B匝道或圖3中C匝道)，與連接線接坡；作為匝道的匝道，在鼻端與作為主線的匝道接坡。至此，喇叭形互通喇叭頭位置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，后續(xù)的路基設(shè)計(jì)表、連接部設(shè)計(jì)圖、連接部標(biāo)高數(shù)據(jù)圖和路基橫斷面設(shè)計(jì)圖等圖表均可以自動(dòng)輸出，無(wú)需手工修改。

2.2.2 合流部處理方法

按合流部處理時(shí)，半直連式匝道和環(huán)形匝道的角色如下：在A形喇叭形互通中，半直連式匝道是流入(圖2中B匝道)，作為連接部的匝道，環(huán)形匝道(圖2中C匝道)作為連接部的主線；在B形喇叭形互通中，環(huán)形匝道(圖3中C匝道)是流入，作為連接部的匝道，半直連式匝道(圖3中B匝道)作為連接部的主線。除了半直連式匝道和環(huán)形匝道的角色不同之外，其余的設(shè)計(jì)方法與按分流部處理的方法完全一致，在此不再重復(fù)敘述。

2.3 路拱線的自動(dòng)設(shè)置

在JSL-路線專家系統(tǒng)中，連接部的路拱線實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)設(shè)置。無(wú)論連接部是否設(shè)置路拱線，主線的橫坡均按正常設(shè)置。當(dāng)連接部不設(shè)置路拱線時(shí)，采用主線橫坡，匝道鼻端范圍內(nèi)不設(shè)置超高；當(dāng)連接部設(shè)置路拱線時(shí)，匝道鼻端范圍內(nèi)設(shè)置超高即可。

系統(tǒng)根據(jù)匝道的橫坡設(shè)置，自動(dòng)判斷路拱線的起訖樁號(hào)，在連接部設(shè)計(jì)圖和連接部標(biāo)高數(shù)據(jù)圖中繪制路拱線，在路基設(shè)計(jì)表和路基橫斷面設(shè)計(jì)圖中體現(xiàn)路拱線的位置。路拱線由系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則自動(dòng)生成，接近于光滑曲線，較人工隨意繪制的直線、圓曲線或折線要合理得多。路拱線的自動(dòng)設(shè)置在喇叭形互通的喇叭頭位置同樣適用。

3 設(shè)計(jì)流程

喇叭形互通喇叭頭的兩條匝道可以用分流部或合流部設(shè)計(jì)。以圖3 B形喇叭形互通為例，用分流部設(shè)計(jì)的流程如下：

(1) 連接線A匝道平縱面設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行B、C匝道的平面設(shè)計(jì)。

(2) 將C匝道作為主線，進(jìn)行分流部參數(shù)設(shè)置。

(3) 將C匝道與A匝道、K線接坡，然后拉坡。

(4) 將B匝道作為匝道，B匝道與C匝道、K線接坡，然后拉坡。

(5) 若B匝道坡度超過(guò)規(guī)范要求，需要調(diào)整平面，重新拉坡。

(6) 若B匝道、C匝道橫坡不同，在B匝道鼻端前設(shè)置超高橫坡，即可在連接部等設(shè)計(jì)圖中自動(dòng)設(shè)置路拱線。

(7) 在連接線A匝道終點(diǎn)倒推10 m設(shè)置漸變段將中央分隔帶寬度由1 m漸變?yōu)? m。

用合流部設(shè)計(jì)的流程與上述流程完全相同，A形互通的喇叭頭設(shè)計(jì)與B形互通也相似。

4 應(yīng)用

某高速公路設(shè)置了一個(gè)B形喇叭形互通(圖3)，A為連接線，B匝道為環(huán)形匝道，C匝道為半直連式匝道，D、E匝道為直連式匝道。B匝道長(zhǎng)217.227 m，C匝道長(zhǎng)452.689 m。A匝道與B、C匝道的接坡坡度為3.20%。

采用常規(guī)方法設(shè)計(jì)時(shí)，B匝道BK0+000～BK0+217.227路段的縱坡為-3.200%/166.596 m、-1.303%/50.631 m；C匝道CK0+145.007～CK0+452.689路段縱坡為-1.488%/201.145 m、+3.200%/106.538 m。

在B、C匝道平面設(shè)計(jì)完成后，即可按分流部進(jìn)行連接部設(shè)置(圖4)。此時(shí)，漸變段長(zhǎng)度為0，輔助車道長(zhǎng)度為0，減速車道由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得到，設(shè)置主線的偏置值和匝道的偏置加寬值及其漸變段長(zhǎng)度、硬路肩鼻端和土路肩鼻端半徑后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得到鼻端對(duì)應(yīng)的主線和匝道樁號(hào)。連接部設(shè)置完成后，即可進(jìn)入縱斷面設(shè)計(jì)。C匝道作為主線，縱坡與常規(guī)方法設(shè)計(jì)一致；B匝道作為匝道，BK0+000～BK0+029.525段作為連接部范圍，BK0+029.525～BK0+217.227段的縱坡為-3.200%/139.514 m、-1.303%/48.188 m。該方法與常規(guī)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)高程略有差異，如BK0+100處，常規(guī)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)高程為27.390 m，而此時(shí)設(shè)計(jì)高程為27.437 m，高差為+0.047 m。

圖4 C匝道作為主線的連接部設(shè)置

按合流部設(shè)計(jì)時(shí)，連接部設(shè)置與按分流部設(shè)置基本相似(圖5)。連接部設(shè)置完成后，即可進(jìn)入縱斷面設(shè)計(jì)。B匝道作為主線，縱坡與常規(guī)方法設(shè)計(jì)一致；C匝道作為匝道，CK0+425.427～CK0+452.689段為連接部范圍，CK0+145.007～CK0+425.427段縱坡為-1.488%/202.184 m、+3.200%/78.236 m。該方法與常規(guī)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)高程也略有差異，如CK0+350處，常規(guī)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)高程為27.415 m，而該方法的設(shè)計(jì)高程為27.389 m，高差為-0.026 m。

在該互通中，B匝道作為主線，C匝道和B匝道之間設(shè)置了路拱線。BK0+000～BK0+041橫坡由6%漸變至2%，而C匝道CK0+319～CK0+452.689橫坡始終保持6%不變。系統(tǒng)根據(jù)該設(shè)置確定路拱線的起訖樁號(hào)并在連接部設(shè)計(jì)圖(圖6)等圖表中反映。

圖5 B匝道作為主線的連接部設(shè)置

圖6 喇叭頭的連接部設(shè)計(jì)圖

由此可見(jiàn)，無(wú)論以哪條匝道作為主線，連接部的位置完全一致；采用連接部設(shè)計(jì)和不采用連接部設(shè)計(jì)，縱坡差異小，對(duì)工程規(guī)模的影響可以忽略。

5 結(jié)語(yǔ)

從喇叭形互通的喇叭頭位置采用分流部和合流部?jī)煞N處理方法可以看出：該處確實(shí)不屬于連接部范疇，不具備一般連接部的加減速車道。但通過(guò)充分利用JSL-路線專家系統(tǒng)的靈活性，一方面實(shí)現(xiàn)了喇叭頭包括路拱線在內(nèi)的參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)，提高了喇叭形互通的設(shè)計(jì)效率；另一方面拓展了JSL-路線專家系統(tǒng)的適用范圍。該方法不僅適用于喇叭形互通，也適用于部分苜蓿葉形互通。更進(jìn)一步地說(shuō)，JSL-路線專家系統(tǒng)已徹底解決了兩條設(shè)計(jì)線相接而路基寬度沖突時(shí)參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)的行業(yè)CAD難題，不局限于一般的連接部。因此，作為一種行之有效的設(shè)計(jì)方法，具有較大的實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。