（交通运输规划与管理专业论文）互通式立体交叉选型研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 伴随我国社会经济的高速发展，交通需求在数量上急剧增加，对质量要 求也不断提高，造成我国公路网、城市道路网交通压力不断提高，交通问题 日益严重作为道路交通枢纽( 交叉口) 的一种高级形式，立体交叉是路网 节点提供高效转换功能的交通设施，必将发挥越来越大的作用。 立体交叉根据划分方式的不同有多种类型，并有其特定的交通服务功能 与特点相对于平面交叉，立体交叉具有所需建设周期较长、资金较高、交 通绕行距离较长等特点，针对相交道路特征、交通流特征、节点类型等因素 选择合适的立体交叉形式至关重要 本文在分析了国内外立体交叉的发展历史、存在闯题的基础上，对立交 类型进行了合理的分类，并对各种立交类型的特点进行了详细的分析和比较； 结合立交规划设计全过程，明确了立交选型的原则、因素、目的、内容和流 程；对立交方案评价建立了完整的评价指标体系，给出了各项具体指标的量 化方法，并据此构建了方案评价的模糊层次评价方法；最后依据西安吕小寨 立体交叉选型进行了实证分析，验证了方案评价方法的其科学性及实用性。 关键词：立体交叉；型式选择；层次分析法；模糊综合评判；方案比选 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h e s o c i a le c o n o m yp r o m o t e st h ei n c r e a s eo ft r a f f i c d e m a n d t h ep r e s s u r eo ft h eh i g h w a ya n dc i t yr o a dn e t w o r kh a sb e c o m eh i g h e r a n dh j 【g h e r t h ei n t e r c h a n g e ，t h et r a f f i ci n f r a s t r u c t u r et h a tp r o v i d e sh i g h e f f i d e m t r a n s f o r m a t i o n , w i l lp l a yae v e nb i gr o l ei nt h ef u t u r e i n t e r c h a n g e sh a v ev a r i o u st y p e s , f u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r e d w i t hi n t e r s e c t i o n s ，t h e yh a v el o n g e rb u i l d i n gc y c l et i m e ，h i g hf u n d i n g ，a n dl o n g e r d i s t a n c ef o rd r i v e rt o p a s s i t i s i m p o r t a n tt o s e l e c tt h er i g h tf o r mo ft h e i n t e r c h a n g ea c c o r d i n gt ot h er o a dp r o p e r t i e s ，t r a f f i cf l o wf e a t u r e ，n o d e s ，e t c t h ep a p e ra n a l y z e st h eh i s t o r yo ft h ei n t e r c h a n g ei nc h i n aa n da b r o a d o n t h eb a s i so fs o m ep r o b l e m si ni t s d e v e i n p m e n t t h ep a p e rm a k e sr e a s o n a b l e c l a s s i f i c a t i o no ft h ei n t e r c h a n g e sa sw e l la st h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h es e l e c t i o n o ft h et y p e sa n df o r m so ft h ej u n c t i o n s a l o n gw i t ht h ep r o c e s so ft h ei n t e r c h a n g e p r o g r a ma n dd e s i g n ，i ts t u d i e st h ej u n c t i o nt y p es e l e c t i o nw i t hi t sp r i n c i p l e s ， f a c t o r s ，p u r p o s e ，c o n t e n t sa n dp r o c e d u r e s ，p r o v i d e st h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m a n di t sq u a n t i f i c a t i o nm e t h o d f i n a l l y , m b i n e dw i t ha n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) a n df u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o n 。t h ep a p e re s t a b l i s h e saf u z z y - 脚 s y n t h e t i ce v a l u a t i o nm e t h o df o ri n t e r c h a n g es c h e m ee v a l u a t i o na n dg i v e sa n e x a m p l et oe x a m i n et h es c i e n t i f i c i t ya n du t i l i t yo ft h em e t h o d k e y w o r d s ：i n t e r c h a n g e lt y p es e l e c t i o n ：a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ；f u z z y s y n t h e t i ce v a l u a t i o n ；s c h e m ec o m p a r i s o na n ds e l e c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 立体交叉是伴随着社会经济增长和汽车工业发展而产生的一种道路交通 设施由于社会经济的增长，促进了汽车工业的快速发展，使道路交通运输 量增加很快，产生了交通设施与车辆这一交通服务业两大主体的供需失衡 基于此，现有道路上的一些平面交叉口就成为行车的咽喉与瓶颈地段，交通 拥挤不堪，不断发生堵塞现象，造成车辆通行能力小，车速低、油耗大。交 通事故率高等一系列问题，实际上平面交叉已越来越不能适应交通量增长的 要求为此，将平面交叉变为立体交叉，使城市道路交叉向立体化方向发展 将成为解决现有交通问题的有效手段之一 立体交叉( 简称立交) 系指道路与道路、道路与铁路相互交叉时，利用跨 线桥或地道使两条路线在不同的水平面上通过的交叉形式 高速公路和城市快速路( 统称为高速道路) 是交通运输现代化的主要标 志之一，立体交又是高速道路必不可少的组成部分，随着我国高速道路的迅 速发展。必然要修建大量立体交叉，实现道路之间空间交叉和行车方向的转 换。 1 1 立体交叉发展概况 1 1 1 国外概况 上世纪2 0 年代，新建城市中构想采用多层次、空间交叉的高效快速交通 系统就在国外提出并建设追溯道路立体交叉的发展和演变，从构想到现实， 从平面到空间，发端于城市道路，发展于高速公路 美国2 0 世纪2 0 年代就开始建设立体交叉1 9 2 8 年美国在新泽西州的两 条道路交叉处修建了第一座公路立体交叉如图1 - 1 所示该立体交叉为全 苜蓿叶式，平均每昼夜通过的交通量达6 2 5 0 0 辆，高峰小时交通量达6 0 7 4 辆。1 9 3 0 年又在芝加哥建成第一座拱式立体交叉桥，到1 9 3 6 年已经建成一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 座四层半定向式立体交叉，如图1 2 所示，使立体交叉开始向多层定向型方 向发展该立交一、三层分别为两对左转道，第二、四层为直行车道，最上 层高出地面1 4 4 m ，最下层低于地面6 6 m 正线计算行车速度为9 6 k m h ，每 昼夜通过的交通量达7 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 辆，耗资约2 8 0 万美元【1 1 图1 - 1 第一座公路立体交叉 图1 2 四层半定向形立体交叉 第二次世界大战前，德国最早开始修建高速公路1 9 2 9 年一1 9 3 2 年修建 的从波鸿到科隆间带立交的四车道公路被认为是德国第一条高速公路。1 9 3 3 年1 月希特勒上台，立即着手大规模修建高速公路，且战争后继续修建，其 标准和质量之高是举世闻名的 由于高速公路是不收费的，因此，从1 9 3 5 年修建了大量苜蓿叶式或部分 苜蓿叶式立体交叉这种立交只需修建一座跨线构造物，匝道可以用土方来 填，不仅降低了造价，而且还适宜分期修建，使部分苜蓿叶式立交改建为苜 蓿叶式立交例如德国a 6 高速公路上有二十多座立体交叉，几乎全是苜蓿 叶式，其中几座如图1 3 所示【1 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 a ) c ) b ) d ) d ) c ) 圈1 - 3 德国a 6 高速公路部分立体交叉 上图中，a ) 、b ) 、c ) 、d ) 四座立交包括远期修建部分，均设有集车道， 而且远期都为全苜蓿叶式立交；c ) 和f ) 都为近期一次建成的部分苜蓿叶式 立交，具体说明如下： a ) 为已经建成的全苜蓿叶式立交； b ) 为近期建跨线构造物，远期建成全苜蓿叶式； c ) 为近期三肢立交，远期为四肢苜蓿叶式； d ) 近部分苜蓿叶式，远期发展为全苜蓿叶式立交。 图1 - 4 是德国温斯堡立体交叉。为a 6 和a 8 高速公路相交处的部分苜蓿 令令 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 叶加定向匝道式立交，设有集散车道，整个立交线行十分畅通，布置紧凑 图1 4 德国温斯堡立体交叉 加拿大于1 9 3 1 年在安大略省别尔里格顿城附近的公路上建成第一座三 肢喇叭式立体交叉，如图1 5 所示1 9 3 7 年在克列奇特港城附近的米德尔 鲁乌德公路与1 0 号干线公路相交处修建了一座全苜蓿叶式立体交叉1 9 3 8 年又在阿尔里格顿附近建成第一座四肢环行立体交叉，如图1 - 6 所示，上跨 为一条铁路【1 】 图1 5 三路喇式立体交叉圈1 - 6 四路环行立体交叉 第二次世界大战后，随着汽车保有量的急剧增加，以及人类活动时空观 的转变，要求运输方式快速化，使高速公路应运而生。由于传统的平面交叉 已不能适应高速公路交通特性的要求，代之而起的是空间立体交叉的交通分 配模式嗍2 0 世纪5 0 年代中期开始，美、英、法、联邦德国和日本等国开 始大量修建高速公路，立体交叉向多层次方向发展。 进入2 0 世纪6 0 年代，澳大利亚、西班牙、墨西哥、加拿大、捷克斯洛 伐克、南斯拉夫以及一些发展中国家也加入了大量修建立体交叉的行列到 目前，各国陆续修建了大量的立体交叉，并逐步地形成了不同的特色和风格 比如，美国国土辽阔，立交型式众多；日本国土狭窄，近7 0 的型式是喇叭 型或组合喇叭型立交；英国则以环型立交为主，特别是小环岛立交国外立 体交叉正向着多层定向式方向发展【_ n 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 1 2 国内概况 我国修建立体交叉起步较晚，首先是从解决城市道路交叉口的交通问题 开始1 9 6 4 年，广州市在大北路修建成第一座双层环型立体交叉，该立交于 1 9 8 6 年又改建为三层环型立体交叉 从2 0 世纪7 0 年代初开始，北京市在二环路上先后修建了十几座立体交 叉例如，西直门三层环型立交，下层为二环路直行机动车道，中层供行人 与非机动车行驶，上层供相交道路直行车辆及所有转弯车辆行驶另外，二 环路上的建国门立交和复兴门立交均为全苜蓿叶式，其中，建国门为三层长 条全苜蓿叶式立交，机动车和非机动车在不同标高的平面上行驶【 进入2 0 世纪年代后，随着我们改革开放政策的不断深入，经济的快 速增加，全国各地纷纷修建高速公路1 9 8 4 年6 月动工，1 9 9 0 年8 月建成通 车的沈大高速公路，全长3 7 5 k m ，为我国大陆第一条的高速公路 截止1 9 9 9 年底，我国高速公路通车里程已达1 1 6 0 5 f i 【a n ，在这些公路上修 建了大量立体交叉另外，北京、天津、广州、沈阳、南京、上海、西安等 城市，为了改善城市交通，修建了许多全立交或部分立交的环城高速公路： 为了改善一些交通量大、阻塞严重交叉口交通问题，也都修建了立体交叉 例如，沈大高速公路设有2 5 座立体交叉；天津路中环路全长3 4 4 9 k m ，设置 了1 2 座立体交叉；广州环市路全长7 3 k i n ，设了三座立体交叉；到1 9 9 8 年， 北京共修建立体交叉1 6 5 座 在这一阶段，具有我国独特风格的立体交叉主要有： ( 1 ) 北京市三元立体交叉 如图1 7 所示，该立交位于北京市东北三环路与机场路和京顺路交汇处， 后两条相距1 6 0 m 的平行路，三环路为城市快速路，机场路为专用快速路， 京顺路为一级公路为解决交通问题，将两个立交合并在一起进行设计，其 中三环路与京顺路交叉处为长条全苜蓿叶式立交，与机场路交叉处为部分苜 蓿叶式立交该立交工程与1 9 8 3 年1 2 月1 日破土动工，1 9 8 4 年9 月1 5 日 建成通车，占地3 5 0 0 0 0 肼，设计交通量为1 2 0 0 0 辆h ，为北京市当时规模 最大，雄伟壮观的立交【9 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ：丰= 克门 、 图1 7 北京三元立体交叉采用方案【l l ( 2 ) 沈大高速公路大石桥立体交叉 如图1 8 所示，沈阳大连高速公路在k 1 5 6 + 2 0 5 4 处与营i d - - 大石 桥铁路相交，又在k 1 5 6 + 2 5 5 5 处与营1 3 - - 大石桥一级公路相交，铁路部 门希望除主线跨越铁路以外，匝道避免与铁路干扰据此，经多方案反复比 较，沈大线上设喇叭形立交，营大线上设y 形立交，在这种客观条件下，此 方案是合理的 8 奢 声；2 2 弓 ，纩 一 沙尹。 b 匠：if - , 二 bx 图5 4 直线形隶属函数 模型一和模型二是对具有定量指标的量化方法，对于定性指标的量化方 法可采用模型三表示的隶属函数 ( 3 ) 模型三 “g ) 一云 式中，x 为第一步量化后的某一模糊取值，其值在1 - 9 之间 ( 5 4 ) 0 d 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 3 页 5 4 2 各评价指标的量化 l 、技术指标的量化 ( 1 ) 占地面积 占地面积是影响立交方案的重要因素之一，有时一个立交方案的采用与 否往往取决于占地面积的大小通常占地面积在立交方案设计时已经给出， 可直接引用若需要计算占地面积时，可采用求积仪或坐标法计算，其中坐 标法计算占地面积的公式为： f m 圭善而k 一) ( 5 - 5 ) 式中，k ，) ，。) 为立交方案控制点f 的坐标，其中y 。- 儿，y t 一以。从理论上 讲，占地面积越小越好，但最低不会小于路面面积因此，可以建立如下隶 属函数： “g ) - 垒 ( 5 6 ) 工 式中：扛卜表示x 的隶属函数； 该立交方案的路面面积( m z ) ； 】【一该立交方案的占地面积( m 2 ) 匝道长度 匝道长度可以反映一座立体交叉的绕行程度。通常右转匝道、直接式或 半直接式左转匝道绕行距离较短，环圈式左转匝道右转约2 7 0 。的角度，绕 行距离最长，匝道长度隶属函数可用下式表示： 罗4 q “0 ) 一年一 ( 5 7 ) x t , q , 面 式中：砧仁) 表示x 的隶属函数，下周； r r 一立交的匝道数： q 。第i 条匝道的交通置( p c u h ) l r 一第i 条匝道的长度( m ) ； d - 第i 条匝道起、终点间直线距离( m ) ，对环圈式匝道d j e o ，； h i 第i 条匝道起、终点问高差( m ) ： i 广匝道的最大容许纵坡度( ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 4 页 ( 3 ) 路面面积 路面包括正线路面和匝道路面由于正线和匝道采用的路面结构不同， 因此，应把正线和匝道路面面积按当量路面厚度进行换算，其计算公式为： 匝道路面的当量厚度 n + 妻k 捂 ( 5 - 8 ) 式中：h r 广一匝道路面第l 层厚度( c m ) ； e r 。匝道路面第l 层材料的模量值( m p a ) ； h 。广一匝道路面第i 层厚度( c m ) ； e r i 一匝道路面第i 层材料的模量值( m p a ) 正线路面转换成匝道路面的当量厚度： 以- 薹k 捂 ( 5 9 ) 式中；h f l 正线路面第k 层厚度( c m ) ； e 。广正线路面第k 层材料的模值( m p a ) 换算成当量路面厚度的路面总面积： f - 4 4 + 以= 子 ( 5 - 1 0 ) n 式中：a 。、a 。一分别为正线和匝道路面面积( m 2 ) 关于路面面积的隶属函数为： “0 ) a 一- - 0 4 x 了- 0 一6 a , 5 - 1 1 ) 一 式中：以。- m x “l ，4 2 ，以 、4 - - m i n “l ，4 2 ，以 ； 饥。，4 ：，4 为n 各立交方案的当量路面面积集合 ( 4 ) 桥梁长度 一般认为桥梁数量越少，长度越短越好设n 各立交方案按车道计算的 桥梁长度集合，厶2 ，工k ，则关于桥梁长度隶属函数为： “& ) l z - 0 4 x - 0 6 l ( 5 1 2 ) 一 工l 曲 。 式中：。- m 强也l ，厶2 ，k 、工m m i n l l ，厶2 ，k ( 5 ) 路基土石方数量 对于一座立交方案，希望在满足控制标高的前提下土石方数量最省在 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 5 页 定量计算时，应将石方工程数量换算为土方工程数量，换算系数视当地情况 而定，一般为2 - 3 设n 个立交方案的工程数量集合为钯。，q 1 2 ，( k ，则关 于土石方工程数量的隶属函数为： 口& ) 。堡d 丝二些垒盘( 5 1 3 ) 。 一 q 一一q 。 式中：q 。m 缸垃。，q ：，q o 、q 。一m m i q , 。，q i ：，q o ( 6 ) 平曲线半径 平曲线半径选择的基本条件是满足技术标准的要求设平曲线半径小于 规定的极限最小半径时其隶属度为o ，等于时为0 3 ，大于某一规定值时为1 ， 则建立如下隶属函数： 球g ) 0 工r q 三苎 0 3 + 0 7 e 2 一r 。z 曩。( 5 1 4 ) 1 z ，k 式中：x 一立交方案中最小平曲线半径( m ) ； r f 一某一规定的大半径值( m ) ，比如取不设超高的平蓝线半径； o 常数，仃- 伍。一r ) 3 ； l l - ，- _ 一极限最小平曲线半径( m ) 仍竖曲线半径 荆k 掣未k 5 ， 式中：x 一立交方案中最小竖曲线半径( m ) ； r 。= 3 r m ； o 常数，口- 2 r _ 3 ； 3 广一极限最小竖曲线半径( m ) 由于凸型竖曲线和凹型竖曲线的最小半径不同，应分别计算它们的隶属 度，然后取平均值作为竖曲线半径的隶属度。 ( 8 ) 纵坡度及坡长 纵坡度及坡长是反映技术指标的一个重要指标。一般情况下，纵坡愈缓 愈好。但不宜小于最小纵坡度的要求。坡长应大于最短坡长并小于最大坡长 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 6 页 的限制立交方案在设计时应满足最小纵坡和最短坡长的要求 纵坡度的隶属函数为： h g ) - 0 工一1 0 4 x - r 0 6 r 1 2 + 1 1 一工一1 2 一j 2 1 i 一1 2 z 1 2 ( 5 1 6 ) 0 4 x + 0 6 2 - i l ，i t x il j 2 一l 。 0 x i t 式中：i l 纵坡度的最大值( ) o 1 2 一纵坡度的一般值( ) ，建议采用理想的最大纵坡值 坡长的隶属函数为： “0 ) - 舻一j 老 ( 5 - 1 7 ) 式中：l 纵坡度的坡长( m ) ； i i 一最大坡长限制值( m ) 综合上述两部分隶属函数，得纵坡度及坡长隶属函数为： “掣( 5 - 1 8 ) ( 9 ) 拆迁数量 拆迁数量度于人口稠密地区和建筑物较多地区修建立交尤为重要。拆迁 数量常以拆迁建筑物的面积表示，其隶属函数表示为； ，上 - 0 3 + 0 7 e 驴t(5-19) 式中：x 一立交方案拆迁面积( 矿) ； o 常数，盯一d 。3 ； d 。【_ 一n 个立交方案拆迁数量中的最大者 建筑高度 建筑高度在一定程度上反映了立交的层数。互通式立体交叉至少有一座 二层式跨线构造物，四层式立交结构复杂，施工难度增大因此，应选择建 筑高度较低的立交方案为宜。建筑高度隶属函数为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 7 页 l 1 z h _ 口g ) - 粒日_ 薯x c 胃。 ( 5 之。) 1 0 x h 。 式中：h 。i t _ 选定的最小建筑高度( m ) 。一般可取5 5 m ； h i - 一选定的最大建筑高度c m ) ，可取2 0