高速公路互通式立体交叉设计探讨
高速公路互通式立体交叉设计探讨
■ 邱 荔 娟 （福建省交通规划设计院，福州 350004）
本文着重对互通式立体交叉设计所涉及的位置选择，型式选定及几何设计等问题进行探讨。具体分析设计中的影响因素和技术要求，提出观点，旨在提高互通式立交设计的经济性和合理性。
关键词 高速公路 互通式立交 匝道 设计速度 变速车道 探讨
互通式立体交叉是高速公路之间和高速公路与其它公路交叉时所采用的主要交叉方式之一，是高速公路的重要组成部分，也是高速公路的重要构造物之一，它是公路网中最完美的沟通设施。互通式立交设计除了具有路线设计的一些特点外，还受小区域车辆行驶轨迹多向性、行驶速度多变性、线形元素多元化的影响，在技术上具有一定的复杂性。如何正确把握互通式立交设计要素，合理选定互通式立交位置，正确选择立交型式，准确应用各项技术指标，对保证互通式立交具有完善的交通功能、较高的服务水平、行车安全舒适、降低工程造价，减少占用土地和拆迁建筑物，提升公路景观效果等至关重要。
2 互通式立体交叉位置的选择
互通式立体交叉位置的选定应以现有公路网或规划的公路网为依据，结合考虑交通，社会经济发展、自然等条件慎重选择。
一条高速公路与既有公路或规划的公路相交时，不可能也没有必要在每个交叉点都设立互通式立交，应根据相交公路等级、路网中的地位、发展远景、服务功能、互通立交间的合理间隔、交通流量以及场地条件等权衡确定。
一般情况下,凡符合下列条件之一者应设置互通式立体交叉：
（1） 高速公路之间及其同一级公路相交处。
（2） 高速公路、一级公路同通往县级以上城市、重要的政治或经济中心的主要公路相交处。
（3） 高速公路、一级公路同通往重要工矿区、港口、机场、车站和游览胜地等主要公路相交处。
（4） 两条具有干线功能的一级公路相交时。
（5） 由于地形或场地条件等原因设置互通式立交的综合效益大于设置平面交叉时。
确定相交公路应设互通式立体交叉后，要进一步根据项目功能、被交公路现状、地形、项目所在地城镇规划、收费制式等，综合确定互通立交具体位置，即高速公路结点位置。
3 互通式立体交叉型式
设置互通式立体交叉的目的是为了减少交叉路口的车流相互干扰，提高通行能力，保证交通安全与快速通行。但互通式立交车流行驶多向性，要消除直行车流与左转弯车流的冲突，关键是选择好左转弯匝道，把交通流部署在空间分层行驶，消除冲突。在某种意义上说，互通式立交的型式，主要取决于转换交通量的大小及左转弯匝道的选择，左转弯匝道型式不同，互通式立交的型式也跟着变化，其交通功能、服务水平、景观、占地、投资、经济效益也相应起变化。因此选择互通式立交型式时，首先要充分考虑匝道的功能，满足转换交通量主流方向的要求，不应片面追求匝道的高指标，匝道平面技术指标越高，匝道里程越长，占地面积将成倍增加，所以只要匝道满足功能需要，互通立交的型式就具有较高的服务水平。
常用的互通式立体交叉型式有喇叭形、苜蓿叶形、部分苜蓿叶形、直连式和半直连式等基本型式。
由于目前多数互通式立交是为高速公路与较低的等级公路相交而设置的，被交公路交通量不很大，且大部分高速公路都是利用银行贷款建设，以收取过路费还本付息，为了少设收费站和便于管理，互通立交的型式受到了限制。当高速公路与较低等级公路相交时，通常都以喇叭形和半苜蓿叶形为主要类型，高速公路与高速公路相交一般都采用设计速度较高的能使转弯车流保持良好自由流的直连式或半直连式互通式立体交叉。
3.1 喇叭形与半苜蓿叶形互通式立交
喇叭形互通式立交有单喇叭形互通式立交和双喇叭形互通式立交两种。高速公路与转换交通量较小的二级公路或更低等级公路相交时，宜采用在被交公路上设置平面交叉的旁置式单喇叭形互通式立交或半苜蓿叶形互通式立交。高速公路同一级公路或转换交通量大的二级公路相交，且设置收费站时，宜采用双喇叭形互通式立交，漳诏高速公路常山互通、诏安东互通、诏安南互通都采用该型式，如图1所示。
图1 双喇叭形立交
3.1.1 单喇叭形互通式立交
单喇叭形互通式立交又按主要公路的左转弯出口在跨线桥之前和之后而分为A型和B型两种，如图2（a）及（b）所示。
图2 单喇叭形立交
A型以外环作为流出匝道，线形指标较高，利于行车。以内环匝道作为流入匝道，行驶速度由低变高，车辆进入高速公路较为安全，但内环匝道半径较小，速度较低，影响车辆进入主线车道，需增长加速车道。B型以内环匝道为流出匝道，因内环半径小，对从主线车道高速驶出的车辆存有隐患。但外环线形好，视线开阔，有利流入车辆加速进入高速公路。因此选择A型或B型应根据交通流量和流向及地形地物等具体情况选定。通常交通流量大的应使用外环匝道，路程短捷流畅，交通流量小的应用内环匝道。若流出流入交通量相当，宜采用A型。在特殊条件下，也可灵活布设为变异喇叭形。
3.1.2 半苜蓿叶形互通式立交
半苜蓿叶形互通式立交按匝道布置方向可分为三类，即主要公路出口在跨线桥之前的A型，如图3（a）所示。是以外环匝道为流出匝道，视线开阔，行驶条件良好，车速较快，但不利于被交公路上平交口的车辆运行。
出口在跨线桥之后的B型，如图3（b）所示。以内环匝道为流出匝道，主线流出车辆视线受影响，对行车不利，但内环匝道车速较慢，对被交公路上平交口的车辆运行有利。
以主要公路为对称轴布置两相邻匝道的A—B型，如图3（c）所示。其车辆在次要公路上转弯时，右转和左转车辆在两个平交口易产生交织，车辆运行较混乱。福州市湾边特大桥连接线六十份洲互通就是采用该型式。
综上分析，A型对行车安全较为有利，不过也应根据场地条件及其它因素比较确定。
图3 半苜蓿叶形立交
3.2 直连式和半直连式互通式立交
3.2.1 直连式互通式立交
直连式互通式立交就是左转弯匝道均从左方分流后左转而从左汇流的直连式匝道组成的互通式立交，使左转弯车辆在直接定向型匝道上由一个方向的车道左侧驶出，以较好的线形和较短捷的路线直接进入另一方向的连接车道而完成左转运行，如图4所示。由于车辆直接左转弯，方向明确，结构紧凑，路线短捷，利于行车，通行能力大，但跨线桥较多，把两层跨线桥分设在三处，造价较高，适用于两条高速公路相交、交通量大的枢纽互通式立交，京福高速公路南平南互通就是采用该型式。
图4 直连式立交
3.2.2 半直连式互通式立交&&
半直连式互通式立交是设置半直接定向型匝道来实现车辆左转弯的，即车辆先从右方分流略作右转弯后左转并从右方汇流的半直连式匝道组成的互通式立交，如图5所示。行车条件较好，通行能力较大，但跨线桥较多，造价较高，适用于两条高速公路相交，交通量相对较小的枢纽互通式立交，京福高速公路青口互通就是采用这种型式。
图5 半直连式立交
4 几何设计
互通式立交范围内的主线是立交的组成部分，也是高速公路本身，它受到匝道、跨线构造物的影响，车辆进出产生合流、分流、交织等状况，比一般路段复杂。从行车方向易辨别性及快速、安全、舒适的原则考虑，互通式立交范围内主线的线形有更高的要求，平、纵面指标应高于高速公路正常路段的标准，尤其是在主线分、合流部位应有良好的视距，较大的平曲线半径（要尽量把互通式立交布置在直线段内），较平缓的纵坡，采用较大的竖曲线半径，尽量避免较大的横坡，尤其是应避免在长陡坡底部设置互通式立交。2006年新发布的《公路路线设计规范》对互通式立交范围内主线线形指标的规定明显高于正常路段的指标，这将对互通式立交内车流快速、安全、舒适运行起着重要的保障作用。
4.2 匝道设计速度
匝道的作用是使车辆快速、便捷地由一个方向转向另一个方向，匝道的功能主要体现在匝道的通行能力上，合理确定匝道设计速度是保证匝道功能的关键因素。匝道的设计速度应根据互通立交的型式和主线的设计车速、交通量、车辆组成、地形及匝道车速变化条件而定，新“路规”已对匝道设计速度作了规定。匝道的设计速度是确定匝道几何形态的基本控制因素，协调各几何要素的指标，方能保证一定速度下的行车安全。
在匝道上行驶的车辆与在主线上行车不同，汽车在匝道上行驶过程中存在着变速，匝道设计速度实际上是匝道线形受限制路段所能保证的最大安全值，其余路段上应以与匝道中必然存在的变速行驶相适应的速度作为设计控制值。接近自由流出、入口附近的匝道部分应有较高的设计速度，接近收费站或平面交叉的匝道端部，设计速度可酌情降低。因此匝道几何设计不能像主线上某一段落之间以一个固定的设计速度来确定匝道各部位的几何要素，在设计时要根据匝道的不同部位的实际行驶速度来决定其几何要素。
4.3 匝道平面线形
上面谈到匝道设计要根据不同部位的行驶速度来决定其几何要素，因此匝道平面线形设计中，在主线出入口至匝道平面线形紧迫路段之间，平面线形应与交通量和变化着的行驶速度相适应，在出入口过渡段内速度较高，应采用较高的线形指标。在紧迫路段其线形指标也应保证其最大的安全速度，不能以满足规范规定的一般指标范围为满足，更要慎重使用极限指标。在收费站附近，行车速度较慢，可采用较低指标。车辆驶出速度比流入速度高，驶出匝道线形应比驶入的好，所以喇叭形互通式立交常用A型把外环匝道作为出口匝道，内环匝道作为入口匝道，只要驶入高速公路的车辆不高于出口流量，这样做就是合理的。
内环匝道是互通式立交匝道中技术指标最低的匝道，如最小平曲线半径，最大纵坡，最大超高等都出现在内环匝道上。因此对B型内环匝道主曲线采用两个半径不同的圆弧组成复曲线，两端配置足够参数的缓和曲线，则可改善出口匝道的行车条件。
喇叭形互通立交的匝道跨线桥不宜正交，并避免反弯的线形，这虽使跨线桥造价高一些，但对行车是有利的。
4.4 匝道纵面线形
匝道的最大纵坡“路规”已有明确规定，匝道纵坡还应尽量平缓，避免多次不必要的反坡，最大纵坡应留有余地，最小纵坡应满足纵向排水要求，匝道同主线相连接部位，其纵面线形应连续，避免突变。出口匝道宜为上坡匝道，入口匝道宜为下坡匝道，因此将次要公路或匝道桥上跨高速公路对行车十分有利，使驶离高速公路的车辆因上坡而减速，驶入高速公路的车辆因下坡而借势加速，缩短加速车道长度，且车流进入主线前就能看清主线车流，顺利与主线车流汇合，提高合流的安全性。上坡加速或下坡减速的匝道应采用较缓的纵坡，避免采用最大纵坡。车辆下坡急弯驶离匝道的线形是很危险的，务必避免。在喇叭形互通式立交的匝道上跨主线时，跨线桥前后反向纵坡以不超过3%为宜，同时应设置有半径足够大的竖曲线以缓和纵向变化，扩大视野。
4.5 匝道平、纵面线形组合设计
匝道平纵面线形组合设计应尽可能采用公路路线的线形组合设计，变坡点不应与反向平曲线的拐点重合，尤其是跨线桥不可设在反向曲线的拐点处。直线段内不宜插入短的竖曲线，特别是设计速度较大的直连式、半直连式匝道纵面设计更须注意。如出口处的凸形竖曲线接下坡匝道时应加大竖曲线半径，加长竖曲线长度，以增长视距。在入口处如上坡接凸形竖曲线，应使匝道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，安全驶入。
4.6 变速车道
变速车道是专门为车辆进出高速公路而设置的车道，供流入车辆使用的为加速车道，供驶出车辆使用的为减速车道。
加速车道的作用是使从匝道进入高速公路的车辆行至汇流鼻端后继续加速达到与主线上车辆相同的速度并寻找时机汇入主线车道。减速车道的作用是使驶出高速公路的车辆在分流点至进入匝道前的这一段变速车道长度内，把车速从容地降低到匝道的设计速度而安全进入匝道运行。
变速车道为单车道时，加速车道宜采用平行式，减速车道宜采用直接式。当变速车道为双车道时，加、减速车道均应采用直接式，以利车辆进出。
变速车道及渐变段最小长度和渐变率，新“路规”已作了明确规定，尽管变速车道比旧“路规”的规定增长了，但仍应使邻接变速车道的匝道部分具有较高的线形指标。对于下坡路段的减速车道和上坡路段的加速车道的长度，尚须按纵坡的大小采用修正系数予以修正。
高速公路一般路段上设计速度越低，运行速度常常超过设计速度，而互通立交范围内主线线形往往高于一般路段，更有超速的可能，减速需要更长的路程。载重车辆或大客车速度较低，车身长，加速不灵敏，要加速到与主线上车辆相同速度也须增长加速车道的长度。因此当主线设计速度小于或等于100km/h，匝道线形指标又不高时，宜采用高一个设计速度档次的变速车道长度。当主线、匝道的预测交通量接近通行能力，或载重车和大客车比例较高时，宜增长变速车道长度。
影响互通式立交设计的因素很多，要保证在满足行车安全性和交通功能性的前提下，使互通式立交型式经济适用，造型美观，总体布局紧凑，结构简单明了，匝道布设合理，行车方向明确，缩短绕行距离和转换时间，具有宽松从容流畅的行车环境，又减少占地，拆迁，降低工程造价，必须根据工程项目所在地的自然、地理地质条件、交通流量流向等特点，把握好设计理念，设计原则和总体布局。工程设计方案应进行技术经济论证比选，科学确定技术标准，合理取用匝道设计速度，准确运用技术指标，注重主体线形设计。同时要以自然、朴实为导向，强化景观设计，使互通式立交建设与自然景观完美结合，以提高其在公路网中的社会效益和经济效益。
[1] 公路路线设计规范（JTG D20-2006）
[2] 日本高速公路设计要领.陕西旅游出版社
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