基于平曲線參數(shù)的服務(wù)區(qū)出入口匝道長度研究

朱建方，毛化冰，韓澤祥

[濟南市市政工程設(shè)計研究院（集團）有限責(zé)任公司，山東 濟南 250003]

0 引言

高速公路服務(wù)區(qū)作為高速公路重要的附屬設(shè)施，為道路使用者提供休息、補給的重要場所。而服務(wù)區(qū)匝道在于保證用路者安全順適地到達或離開服務(wù)區(qū)，目前道路設(shè)計相關(guān)規(guī)范中，缺少服務(wù)區(qū)匝道長度的有關(guān)指標(biāo)要求。并且可以從多個理論角度與實測角度分析保證駕駛員安全快速地到達或駛離服務(wù)場區(qū)的最小匝道長度，以達到完善規(guī)范的目的。

1 服務(wù)區(qū)出入口匝道的概念及設(shè)計指標(biāo)

1.1 服務(wù)區(qū)出入口匝道的概念

高速公路服務(wù)區(qū)匝道根據(jù)組成分為出口匝道、場區(qū)車道和入口匝道[2]。根據(jù)《公路立體交叉設(shè)計細則》（JTG/T D21—2014）[1]（以下簡稱《細則》）服務(wù)區(qū)出、入口匝道示意圖可知（見圖1），高速公路出入口匝道是根據(jù)車輛駛出、駛?cè)敫咚俟返姆较虼_定，其中由高速公路減速車道駛出，進入服務(wù)區(qū)停車場的匝道為出口匝道，由服務(wù)區(qū)駛出，匯入高速公路主線的匝道為入口匝道。

圖1 服務(wù)區(qū)出、入口匝道示意圖

匝道長度為主線鼻端至停車場入口或出口間的長度，即從減速車道末點或加速車道始點開始計算，以出口匝道為例，圖2 中黑點所示為減速車道末點，即匝道長度計算始點。

圖2 減速車道與出口匝道始點示意圖

1.2 變速車道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

目前，從高速公路進入服務(wù)區(qū)匝道的變速車道設(shè)計均遵循《細則》10.2 變速車道的有關(guān)規(guī)定[1]：

（1）細則規(guī)定為：減速車道的形式宜采用直接式，當(dāng)出口匝道為環(huán)形時，減速車道宜采用平行式，單車道加速車道宜采用平行式[1]。

（2）變速車道各路段最小長度符合《細則》10.2.5的相關(guān)規(guī)定，具體見表1。

表1 變速車道各路段最小長度

一般情況下，服務(wù)區(qū)與主線之間的交通流量較小且出入口匝道的任意斷面車頭時距較大，《細則》指出，服務(wù)區(qū)匝道宜采用互通式立體交叉單向單車道匝道。

1.3 服務(wù)區(qū)出入口匝道的設(shè)計速度

由于高速公路服務(wù)區(qū)的出、入口匝道的直接作用是服務(wù)車輛便捷駛?cè)?、駛出場區(qū)，平縱面線形設(shè)計指標(biāo)高且形式簡單，高速服務(wù)區(qū)的選址一般盡量選擇地形平坦開闊地帶，然而在山嶺地區(qū)受制于周邊復(fù)雜地形條件，高速服務(wù)區(qū)的選址及出、入口匝道布置條件受限，服務(wù)區(qū)的出、入口匝道長度不長，很大程度上區(qū)別于互通式立交一般意義上的匝道。圖3 為青蘭高速沂源服務(wù)區(qū)。

圖3 青蘭高速沂源服務(wù)區(qū)示意圖

《細則》中指出，高速公路服務(wù)區(qū)入口匝道的長度不小于60 m，當(dāng)主線設(shè)計速度為80 km/h 時，服務(wù)區(qū)出口匝道長度不小于80 m[1]。類比互通式立交設(shè)計形式，服務(wù)區(qū)出、入口匝道的形式與設(shè)計速度可類比于一般互通式立體交叉直連式變化型和標(biāo)準(zhǔn)型匝道，見表2。

表2 匝道基本路段設(shè)計速度及匝道類型

《細則》中指出匝道的設(shè)計速度可采用40 km/h。當(dāng)條件受限時，可根據(jù)主線設(shè)計速度適當(dāng)降低，但不應(yīng)小于30 km/h。國內(nèi)相關(guān)論文經(jīng)過實際測速和規(guī)范參考提出服務(wù)區(qū)匝道的設(shè)計速度是根據(jù)主線設(shè)計速度區(qū)分的[2]，見表3。

表3 服務(wù)區(qū)匝道的設(shè)計速度

服務(wù)區(qū)場區(qū)速度是指服務(wù)區(qū)內(nèi)部場區(qū)車道的設(shè)計速度，服務(wù)區(qū)的場區(qū)速度一般為10～15 km/h[2]?？紤]到山區(qū)高速服務(wù)區(qū)地形差，選址困難，場區(qū)速度在本文計算中取大值。

2 服務(wù)區(qū)出入口匝道長度計算

根據(jù)《細則》中的相關(guān)規(guī)定：

（1）出口匝道在分流鼻端附近的設(shè)計速度可參考表4。

表4 出口匝道分流鼻端通過速度

（2）入口匝道在合流鼻端附近的設(shè)計速度可采用匝道基本路段的設(shè)計速度。

根據(jù)《規(guī)范》中互通式立體交叉匝道路段運行速度預(yù)測模型，由于服務(wù)區(qū)出入口匝道設(shè)計指標(biāo)高，縱斷面坡度一般不大于3%，將服務(wù)區(qū)出入口匝道劃分為平直路段或者平曲線路段。當(dāng)圓曲線半徑小于等于600 m 時為平曲線路段，大于600 m 時為平直路段。

2.1 平直路段下出、入口匝道長度計算

2.1.1 出口匝道長度計算

根據(jù)我國《汽車駕駛員手冊》建議，一般舒適的減速度為1.0～1.5 m/s2，基本舒適的減速度為1.5～2.0 m/s2，取a=2.0 m/s2[4]。由《規(guī)范》中匝道平直路段終點的運行速度模型：

式中：Vout為場區(qū)速度，取15 km/h；Vin為出口匝道分流鼻端通過速度，當(dāng)主線設(shè)計速度為80 km/h 時，根據(jù)表4 取60 km/h。

計算得到出口匝道長度S=65 m。當(dāng)主線設(shè)計速度為其它設(shè)計速度時，結(jié)果見表5。

表5 服務(wù)區(qū)出口匝道最小長度

2.1.2 入口匝道長度計算

服務(wù)區(qū)入口匝道與平行式加速車道相連接，車輛在合流鼻端附近的運行速度小于分流鼻附近的運行速度。根據(jù)以下模型：

式中：Vout出口匝道分流鼻端通過速度，當(dāng)主線設(shè)計速度為80 km/h，取35 km/h；Vin為場區(qū)速度，取15 km/h。加速度a 根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》（JTG D20 －2006）[5]取1.0 m/s2，計算得到入口匝道長度S=28 m。

當(dāng)主線設(shè)計速度為其它設(shè)計速度時，計算結(jié)果見表6。

表6 服務(wù)區(qū)入口匝道最小長度

2.2 平曲路段下出、入口匝道長度計算

2.2.1 入口匝道長度計算

當(dāng)服務(wù)區(qū)入口匝道位于半徑R≤600 m 的曲線上，入口匝道設(shè)計速度取40 km/h，入口匝道長度假設(shè)為60 m，圓曲線半徑R=100 m，緩和曲線ls=50 m,根據(jù)式（3）反算：

轉(zhuǎn)角α 約為6°，文章以小汽車為研究對象，根據(jù)《規(guī)范》B.4.6 模型,取Rfront= 5Rnow

其中Vin為場區(qū)速度，取15 km/h,得到：

Vout與Rnow的函數(shù)關(guān)系見圖4。

圖4 Vout 與Rnow 函數(shù)關(guān)系圖

根據(jù)相關(guān)論文研究服務(wù)區(qū)入口匝道在合流鼻端附近的速度Vout具體取值參考表3,當(dāng)主線設(shè)計速度為80 km/h，Vout取35 km/h，此時Rnow=158 m。由《細則》得到匝道回旋線長度最小取值，見表7。

表7 匝道回旋線的最小長度

當(dāng)V=35 km/h，緩和曲線最小長度為30 m。匝道最小長度：

當(dāng)主線設(shè)計速度為其它設(shè)計速度時，計算結(jié)果見表8。

表8 服務(wù)區(qū)入口匝道最小長度

2.2.2 出口匝道長度計算

當(dāng)服務(wù)區(qū)入口匝道位于半徑R≤600 m 的曲線上，同樣以小汽車為研究對象，根據(jù)2.2.1，Vout為場區(qū)速度，取15 km/h，得到:

Vin與Rnow的函數(shù)關(guān)系見圖5。

圖5 Vin 與Rnow 函數(shù)關(guān)系圖

當(dāng)主線設(shè)計速度為80 km/h，根據(jù)表4，Vin取60 km/h，此時Rnow= 325 m，根據(jù)表3 和表6 得到回旋線最小長度25 m，則:

當(dāng)主線設(shè)計速度為其它設(shè)計速度時，計算結(jié)果見表9。

表9 服務(wù)區(qū)出口匝道最小長度

3 結(jié)論

文章以小汽車為研究對象，以不同的主線設(shè)計速度為變量，考慮服務(wù)區(qū)出、入口匝道不同的平曲線參數(shù)，分別得到了不同參數(shù)下匝道的最小長度。通過分析2.1 和2.2 的計算結(jié)果，對于出、入口匝道的最小長度根據(jù)表10、表11 確定。

表10 服務(wù)區(qū)出口匝道最小長度 單位：m

表11 服務(wù)區(qū)入口匝道最小長度 單位：m

本文利用匝道平曲線參數(shù)計算理論，結(jié)合運行速度計算模型，對高速公路服務(wù)區(qū)出、入口匝道長度進行研究。建立了以小汽車為研究對象，在平曲線參數(shù)下，主線不同設(shè)計速度出、入口匝道長度計算模型，并給出最小值。文章所提出的出入口匝道長度的最小值及計算模型，對于完善高速公路相關(guān)規(guī)范具有重要的理論價值和參考意義。