（道路与铁道工程专业论文）山区高速公路互通立交设计要点研究.pdf

摘要 摘要 互通立交是高速公路转换交通流的纽带，互通立交设计的好坏直接关系到道路使用者的安全根 据交通部提出的“六个树立、六个坚持”的指导思想，聚焦山区高速公路互通式立交与平原微丘区的不同 点，通过对山区互通立交的实例分析和参与设计，本文就山区互通立交总体方案设计和局部设计要点进 行研究，总结山区互通立交设计经验，以期为山区高速公路互通立交设计人员提供参考。 本文首先结合山区高速公路互通立交具体实例，根据满足立交使用功能，保障行车安全、减少对 环境影响、降低工程造价的设计理念，分析了山区互通立交在位置选择和方案选择等方面的灵活性提 出目前山区互通立交主要存在的问题。 然后，运用汽车行驶纵向动力学理论，考虑山区高速公路纵坡较大的特点。以公路上行驶的典型 汽车为例推导出坡道上变速车道的长度值及坡道上变速车道长度的修正系数。并与公路路线设计规范 j t gd 2 0 - 2 0 0 6 中相关参数作比较，得出上坡加速、上坡减速、下坡加速、下坡减速四种行车特征的变 速车道修正系数。 最后，本文分析了山区互通立交产生视距问题的发生点，提出应从车辆实际运行速度角度出发， 考虑主线和匝道纵坡情况，分流点采用识别视距，匝道范围采用停车视距，危险路段运用货车停车视距， 推导出运行速度下对应于各纵坡度的视距值，并提出保障视距的方法和改善措施。 关键词：互通式立交；山区高速公路：加速车道；减速车道；行车视距：变速车道 a b s t r a c t a so n ep a r to fe x p r e s s w a y , i n t e r c h a n g ei su s e dt oc o n v e r tt r a f f i cs t r e a mi ta l s od i r e c t l yr e l a t e st ot h e s a f e l yo fd r i v e r s a c c o r d i n gt ot h en e wd e s i g nc o n c e p tb i m l g l l tf o r w a r db yt h em i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o m a n df o c u so nt h ed i f f a z n c e sb e t w e e nm o n t a n ea n dp l a i n se x p r e s s w a yi n t e r c h a n g e s , t h eo v e r a l ls c h e m ed e s i g n o fi n t e r c h a n g ea n dp a r t so f m el 【e yp o i n t s a r es t u d i e di nt h i sp a p e rt h r o u g ha n a l y s 吨e x a m p l e sa n d p a r t i c i p a i n gi nd e s i g n i n gb ym y s e l f i tc a l lh e l pd e v i s e r ss u m m i n g 叩d e s i g n i n ge x p e r i e n w h i c hi su s e d 笛 r e f e r e n c e f i r s t l y , c o m i b i n e dw i t hi d i o g r a p h i ce x a m p l e sa n d n e wd e s i g nc o n c e p ti n c l u d i n gs a t i s f y i n gu $ a g ef u n c t i o n , e n s u r i n gd r i v i n gs a 鲰c u t i n gd o w n t ot h ee n v i r o n m e n t a le f f e c t , r e d u c i n gc o m t m c t i o nc o s t s , t h i sp a p e ra n a l y s e s t h ef l e x i b i l i t , i nt h el o c a t i o nc h o i c ea n ds c h e m ec h o i c ee t c s ot h a ta u t h o rb r i n gf o r w a r dm a i np r o b l e m sa t p r e s e n t s e e n n d h , t a k i n gt h et y p i c a jv e h i c l ea sr e s e a r c ho b j e c t i o n s ，b a s e do nh i g h e rg r a d eo f m o n t a n ee x p r e s s w a y , t h i sp a p 盯d e s c r i b e sc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fs h i f tl a n el e n g t h sa n dt h eg r a d ec o e f f i c i e n t , m i l i z e dt h et h e o g i e so f v e h i c l ed y n a m i c s t h ec o r e l a t i o nb e t w e e ns l o p eg r a d i e n ta n ds h i f tc h a n g el e n s t hi sd e n v e d ，t o g e t h e rw i t h c a m e c t i o nf a c t o r sf o rd i f f e r e n tg r a d e sa n ds h i f tl a n e ，c o m p a r e dw i t ht h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o nf o rh i g h w a y r o u t e ( j t g0 2 0 - 2 0 0 6 ) t h e n , t h ep r o b l e m so nt h es i g h td i s t a n c eo fi n t e r c h a n g e si sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h es i g h td i s t a n c e so f v a r i e dg r a d e s 玳c a l c u l a t e d ，b a s e d0 1 1a c t u a lo p e r a t i o ns p e e d d i v e r g e ss h o u l da d o p td i s t i n g u i s h i n gs i g 址 d i s t a n c e ，r a n g es c o p es h o u l da d o p ts t o ps i g h td i s t a n c ea n ds o m ed a n g e r o u ss e c t i o n sa d o p tt r u c ks t o ps i g h t d i s t a n f i n a l l y ，t h em e t h o d so f e n s u r i n gs i g h td i s t a n c ea n di m p r o v i n g h 1 e a s u l sh a v eb e e np u tf o r w a r d k e y w o r d l s ：i n t e r c h a n g e ；m o n t a n ee x p r e s s w a y ；a c c e l e r a t i o nl a n e ；d e c e l e r a t i o nl a n e ；s i g h td i s t a n c e ； s p e e d - c h a n g e l a n e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：挫日期：三! ! 竺乒 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 第一章绪论 通过介绍高速公路的发展引出了山区高速公路的发展概况，山区互通立交是山区高速公路设计的 难点之一，迫切需要广大设计人员就山区特有的地理地形地质情况总结设计经验灵活设计根据国内 外高速公路疆互通立交的研究状况，提出了本论文研究的重要内容 1 1 研究背景 当前我国正处于道路建设的黄金时期，国家实施了积极的财政政策，把大规模启动基础建设项目 作为支撑经济发展、推动社会进步、保障国家安全、服务可持续发展等行之有效的措施。这无疑给公 路建设带来了前所未有的发展机遇，加之交通增长对公路建设的强烈需求，并且高速公路在运输能力、 速度和安全性方面具有突出优势，对实现国土均衡开发、建立统一的市场经济体系、提高现代物流效 率和公众生活质量等具有重要作用。修建高速公路必然成为公路建设的主旋律。 根据交通部1 9 9 2 年的“五纵七横”国道主干线系统的规划，我国高速公路网布局方案可以归纳为 岬9 1 8 ”网，即7 条北京放射线、9 条纵向路线和1 8 条横向路线组成。总规模约8 5 万公里。总体上贯 彻了“东部加密、西部成网、中部连通”的布局思路，建成后可以在全国范围内形成“首都连接省会、省 会彼此相通、连接主要地市、覆盖重要县市”的高速公路网络。 1 高速公路实施设想 在规划的8 5 万公里国家高速公路网中，目前已建成2 5 万公里、在建1 6 万公里、待建4 4 万公 里，分别占总里程的2 9 、1 9 0 6 和5 2 。要实现国家高速公路网规划，需投资约2 2 万亿元，其中东 部地区4 3 0 0 亿元、中部地区5 7 0 0 亿元、西部地区1 2 0 0 0 亿元。 到“十五”末，国家高速公路网建成3 5 万公里，占总里程的4 0 以上；到2 0 0 7 年本届政府任期内， 建成4 2 万公里，占总里程的4 0 0 0 ，全面完成“五纵七横”国道主干线系统中的高速公路；到2 0 1 0 年， 建成5 5 5 万公里，占总里程的6 0 6 5 。 到2 0 1 0 年，国家高速公路网总体上实现“东网、中联、西通”的目标。东部地区基本形成高速公路 网，长江三角洲、珠江三角洲、环渤海地区形成较完善的城际高速公路网络；中部地区对外连接通道 全面建成，地区内部中心城市间实现高速沟通；西部地区东西互动、通江达海 2 高速公路发展回顾 1 9 8 81 9 8 9 1 9 9 0 1 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 41 9 9 5 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 2 图1 - 1 全国历年高速公路里程 1 9 8 8 年上海至嘉定高速公路建成通车，结束了我国大陆没有高速公路的历史：1 9 9 0 年，被誉为“神 州第一路”的沈大高速公路全线建成通车，标志着我国高速公路发展进入了一个新的时代；1 9 9 3 年京 津塘高速公路的建成，使我国拥有了第一条利用世界银行贷款建设的、跨省市的高速公路。为了集中 力量、突出重点、加快我国高速公路的发展，1 9 9 2 年，交通部制定了“五纵七横”国道主干线规划并付 3 姗 啪 | | 舢 耋| o 翔 2 2 l 1 第一章绪论 诸实施，从而为我国高速公路持续、快速、健康发展奠定了基础。 从1 9 9 8 年至今，高速公路建设进入了快速发展时期，年均通车里程超过4 0 0 0 公里，年均完成投资 1 4 0 0 亿元，这个速度是其它任何国家都几乎是不可想象的。从起步到高速公路通车i 万公里，我们用 了1 2 年时间，从1 万公里到突破2 万公里，我国只用了3 年时问。仅仅1 5 年，中国高速公路的发展 走过了许多发达国家一般需要3 0 4 0 年才能走完的路，创造了世界瞩目的中国速度。表卜l 为全国历 年高速公路里程( 公里) 3 高速公路现状评价 高速公路总量不足，覆盖范围需要继续扩大。美国以州际公路为主体的高速公路网已经连通了所 有5 万人口以上的城市；德国所有5 万人口以上以及9 0 e 不足5 万人口的城市都通了高速公路，全国 各地能在2 0 3 0 分钟内达到高速公路；日本高速公路已经连通所有1 0 万人以上的城市；而目前我国 高速公路仅覆盖了省会城市和城镇人口超过5 0 万的大城市，在城镇人口超过2 0 万的中等城市中，只 有6 0 有高速公路。 高速公路尚未形成高速公路网络，难以发挥规模效益。国i q ：5 b 的相关研究表明，高速公路只有形 成布局合理的网络，持续运输距离达到8 0 0 公里左右才能显示它的独特优势，发挥其运输效益。我国 目前建成通车的3 万多公里的高速公路分布在全国三十个省市区，在相邻省市区之间普遍存在高速公 路的“断头路”。 与远景需求相比存在很大差距。预计到2 0 2 0 年，我国人口将达到1 4 5 亿，城镇人口超过7 4 亿， 城市化率超过5 0 e ，人均g d p 将达到3 0 0 0 美元左右。到本世纪中叶，我国人口将达到峰值的1 6 亿， 城市化率达到7 0 e ，人均g d p 将突破l 万美元，步入高收入国家行列。相关研究表明，要适应未来 2 0 年全面建设小康社会和本世纪中叶基本实现现代化的需要，我国高速公路网的总规模大体应在1 0 b 1 2 万公里。所以，在新世纪新阶段，包括高速公路在内的公路交通需要在国家规划的统一指导下，以 支撑国民经济发展为基点，保持相当的建设步伐，以促进国民经济顺利实现新的历史性跨越。 目前，高速公路建设已全面进入山区，且呈现出规模建设的趋势，截至2 0 0 4 年底，全国高速公路 通车里程己达3 4 万公里，其中约l ，4 的里程为山区高速公路。交通部提出的“十三纵十五横”国家重点 公路建设规划中，其建设里程约7 1 万k m ，西部地区占了1 2 的比重。而两部地区山地面积分布较大， 自然条件较差，生态环境脆弱。因此山区高速公路的建设需要广大建设者们在总结前人经验的基础上 认真思考。 面对山区独特复杂的自然条件，建设者和设计者在建设方针和设计指导思想上的准备显然不够充 分，仍然采用平原区安全、快速、经济的设计思想，强调较高的技术标准，使得路基填挖商度增大， 出现大量的高填深挖路段，不仅严重破坏区域的自然环境，影响公路景观，而且诱发了大量的地质灾 害，直接影响道路的正常运营。所以，山区复杂的自然环境对高速公路设计提出了更高的要求，设计 中技术标准的掌握、路线方案的选择、技术指标的运用、工程方案的拟定均与山区独特的自然环境， 尤其是与生态环境息息相关。 而互通式立交是高等级公路和交通繁重的城市道路不可缺少的组成部分，它能够提高交叉口通行 能力和效率，消除拥挤和阻塞；改善交叉口交通安全、消除事故；并提高车辆的行驶速度；同时能够 带动地区与地区、城市与城市之间的经济发展，它决定了整个道路系统的通行能力和服务水平。由于 我国对于山区互通立交缺乏深入研究和经验积累，没有详尽的理论基础和有针对性地规范指导，在山 区互通立交的规划、设计、建设和管理方面出现了一些不够符合国情之处，存在较多的遗憾。 一般来讲，互通式立交设计是高等级公路设计中的一个难点，而在地形复杂的山区就更为突出 其特点一是地形复杂。布设互通立交的场地条件常常受到严格限制；二是工程地质条件比较复杂，主 线和互通立交区常常发现不良工程地质病害等或存在冈施工引发工程病害的潜在因素；三是自然气候 条件较为恶劣，由于相对海拔较高，在南方可能会多雨多雾，在北方和高海拔山区常伴有冰冻积雪， 而流出车辆会因各项技术指标的迅速降低造成对行车安全不利；四是除县城以上的城市外，一般交通 量都较小，往往会囡强调功能、地位、作用和经济因素等，严重忽视安全性；五是主线线位调整余地 小，平纵面指标较低，特别是主线的纵断面指标往往较低，给互通立交设计带来困难。因此，结合以 上特点，有必要对山区互通立交几何设计的某些方面做一定深度的研究，以期为完善山区互通立交设 4 第一章绪论 计提供相关参考，从减少工程建设中的缺憾所产生的社会效益、经济效益来看，这些研究也是有价值 的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究概况 2 0 世纪2 0 年代初，国外开始提出新建城市采用多层、空间交叉的高效快速交通系统的构想。追 溯道路立体交叉的发展和演变，从构想到实现，从平面到空间，发端于城市道路，发展于高速公路。 互通式立体交叉最早于1 9 2 5 年出现于德国，此后立交发展最快、应用最广的是美国。1 9 2 8 年，美国 修建了第一座公路互通式立交，该立交为全苜蓿叶式，平均昼夜交通量达6 2 5 0 0 辆，高峰小时交通量 达6 0 7 4 辆( 图1 2 ) 。1 9 3 6 年，美国建成一座四层半定向型互通式立交，使立体交叉开始向多层定向 型方向发展( 图1 - 3 ) 。加拿大于1 9 3 6 年建成第一座喇叭型立交，1 9 3 8 年又建成第一座四肢环形立交 ( 图l - 4 ) 。 图l - 4 喇叭型立交和四肢环形立交 2 0 世纪5 0 年代中期开始，欧美发达国家及日本等国开始大量修建高速公路，立体交叉向多层 化发展。如：美国国土辽国，立交形式众多；日本国土狭窄，近7 0 的是喇叭型立交；荚国则以环 形立交为主。国外立体交叉正向着多层定向式方向发展。 国外有关互通立交设计的理论研究主要书籍如下： 互通式立体交叉几何设计设计要领( 日本道路公团，1 9 9 1 ) 详细讲述了互通式立体交叉从选型 到平、纵、横设计以及立交端部设计等的注意事项，给我国乃至其他国家的立体交叉设计提供了一定 的参考依据。 公路与城市道路几何设计政策( ap o l i c yo ng e o m e t r i cd e s i g no fh i g h w a y sa n ds t r e e t s ，美国 a a s h t o ，俗称绿皮书) 2 0 世纪3 0 年代开始就进行了很多修订，最新为2 0 0 4 年版本，不仅为设计人 员提供了很多指导方针，也给设计人员提供了一个灵活设计的参照范围。 5 第一章绪论 公路设计灵活性( f l e x i b i l i t yi nh i g h w a yd e s i g n ，美国联邦公路管理局，1 9 9 6 ) 突出介绍了许 多成功的_ 程实例，这些实例不仅满足绿皮书的设计要求，保证了安全性和出行需求，而且通过灵活 设计很好的保护了环境和文化资源。 t h ed e s i g no f m a j o ri n t e r c h a n g e s ) 介绍了互通立交的设计方法及 评估办法，并结合实例进行说明，其中比较详细介绍了匝道主线分合流时的设计注意点，对互通立交 设计有较大的帮助。 国外高速公路立交设计过程中越来越注重立交设计人性化，综合考虑立交工程中的安全性、环境 适应性和经济效益。交通部在我国高速公路快速发展的第二个阶段提出“六个坚持”也是在充分吸收我 国在前一阶段高速公路大规模建设过程中暴露出来的问题和国外先进的经验提出来的。互通立交作为 全封闭高速公路的进出口，高速行驶的车辆在立交范围里进行减速，加速，车流在立交范围里出现交 替，故其安全设计中是一个非常重要的因素；高速公路互通立交一般设置在城镇附近，立交工程必须 与周边地区的自然、社会和历史文化环境相一致。也必将是我国立交理论研究和具体工程设计中的重 点 劁1 5 图i 6 图1 5 为5 0 年代建于美国巴尔的摩( b a l f i m o f e ) 的一座枢纽立交，其造型可谓独具匠心，有效的 减少了桥梁和节省了造价。但在实际运行中，其事故隐患被大量的显现出来，迫使政府对该立交进行 了改造。图l - 6 的苜蓿叶立交，两个内环匝道的交织段过短，视距较短，能见范围不够，行车很不安 全 图l 一7 6 第一章绪论 图1 8 现代互通式立交强调“以人为本”，设计中注重以安全为中心的多因素考虑，互通式立交的技术特 征越来越趋于形式的单一性，运行的一致性和造型的规则性等。不但要满足交通需求，还要提供安全 与舒适的运行条件，追求与自然环境和社会环境的和谐一致。图l - 7 、1 - 8 互通立交为国外高速公路立 交工程中与环境景观结合较好的实例 1 2 2 国内研究概况 我国互通式立交的规划与设计，起步于2 0 世纪7 0 年代，为了解决城市道路交叉口的交通问题。 这一时期以北京市的立交建设最为突出( 图1 - 9 ) ：发展于8 0 年代( 图l 1 0 、l 1 1 ) ，兴盛于9 0 年代( 图 1 - 1 2 ) ，全国各地掀起兴建高速公路的热潮，同时，城市化进程进一步扩大。截止2 0 0 5 年底，在近3 0 年里我国高速公路里程从零的突破到4 1 万公里，跃居世界第二，发展速度举世瞩目。从整体看，我 国互通式立交正在向形式简洁、功能齐全、线型流畅美观、施工方便的方向发展。 圈1 9 北京三元屯交 图1 1 0 北京四店桥立交，望和桥立交 7 第一章绪论 图i - 1 1 北京天宁寺立交，天津中山门立交 图l 一1 2 重庆杨公桥立交 我国高速公路起步较晚。尚未形成符合我国国情的一套完整的互通理论设计体系，大部分互通立交 基本参照日本互通的有关要领进行设计，并不完全符合我国道路交通条件，对某些技术指标的规定不尽 完善。为此，国内各专家学者不懈努力，借鉴大量国外研究经验和资料，也取得了一些研究成果： 表l - l 国内互通立交理论研究成果 时间 单位作者研究内容 宣道光、刘 对互通式公路立体交叉加( 减) 速车道、楔形端部的构造 1 9 9 6 辽宁省交通勘测设计院 运化设计及超高过渡的设置方法等设计要点提出了改进意见 对互通式立体交叉匝道终点设计所必须注意的几个主要 1 9 9 6 辽宁省交通勘测设计院 曲向进问题进行了论述，并对日本、美国在互通式立体交叉设 计中采用的相应规范值进行了分析 以汽车行驶特性为基础，讨论了道路纵坡对变速车道长 1 9 9 7 西安公路交通大学 杨少伟 度的影响，给出了平坡时加、减速度的计算方法，推导 出坡道上变速长度修正系数的计算公式 分析总结喇叭型互通式立体交叉内环匝道的设计特点， 1 9 9 8云南省公路规划勘察设计院吴华金 推导出内环匝道导线线路的计算公式 道路立交工程) 介绍了立交工程形式，规划与设计、 1 9 9 9人民交通出舨社王伯惠立交中桥梁的问题，以及匝道线形五种基本组合的计算 公式和六座重大立交工程设计方案研讨和优化的实例。 吴国雄、李 互通式立体交叉设计范例一书主要叙述立交规划设 2 1人民交通出版社计的主要内容、基本原理、方法和步骤并结合专业软件 方 演示立交的平纵横及三维模型设计 8 第一章绪论 针对已建成山区高速公路互通式立交出现的问题提出 2 0 0 i 福建省交通规划设计院 刘秋江 了对山区高速公路互通式立交设计优化的看法和建议 新理念公路在互通立交一章中我国立交领域专家刘子剑提出立交工 2 0 0 5交通部公路司 设计指南 程设计应以安全为核心，保护环境，满足功能 降低造价公 在互通立交设计一章中刘子剑主要阐述，山区互通立交 2 0 0 5 交通部公路司 路设计指南的方案设计、线形设计及绿化工程 注：刘子剑有关立交工程方面的理论研究在我国现行的公路路线设计规范和公路工程技术标准中都有很好的体现。 对于山区高速公路的研究起步更是甚晚，但也积累了几十年的西部公路建设经验和教训，并取得了 一系列的研究成果。其中对山区互通立交的研究更是风毛麟角，现重庆交通大学的孙家驷教授在我国山 区高速公路立交工程的发展历史上做出了突出的贡献，是我国山区高速公路立交工程设计中的权威。他 主持设计了我国西部第一条高速公路成渝高速上的第一座枢纽立交二郎立交( 图1 1 3 ) ，发表的互通立 交线形质量评价，互通立交美学，半苜蓿叶半定向型组合立交运用与分析等一系列有关立交理论研究的 论文，为我国山区立交工程的发展奠定了基础。对山区互通式立交一些具体问题作了定性分析并提出了 合理见解的还有中交第一公路勘察设计研究院院长霍明主编的山区高速公路勘察设计指南一书此 外，福建省交通规划设计院刘秋江于2 0 0 4 年针对已建成山区高速公路互通式立交出现的一些阀题，提出 了对山区高速公路互通式立交设计优化的看法和建议。 幽1 1 3 - 二郎直交( 成渝岛速) 目前我国立体交叉设计基本参考公路工程技术标准j t gb 0 1 - 2 0 0 3 ( 以下简称公路标准) 、公 路路线设计规范y r gd 2 0 - 2 0 0 6 ( 以下简称路线规范) 和城市道路设计规范c j j3 7 9 0 。而现行 规范从保障汽车在运动学和力学方面的最小安全性角度出发，规定了相应设计参数的一般值和最小值， 对于实际设计中究竟取多大的指标合适，完全由设计人员根据自己的主观经验，综合实际地形、地物、 经济性等因素做出选择。如对于同向的大圆( r d 与小圆( 尼) 用回旋线( ) 连接的卵型曲线，若按 胄，2sas 岛的要求，当小圆指标较小时，出现缓和曲线长度偏短，不利于行车舒适和超高过渡； 对于反向曲线用两个回旋线( d l ，a 2 ) 径向衔接的s 型曲线，由于互通立交匝道的大圆与小圆差别往往 较大，规范中规定“m 两参数宣等、不等时比值应小于1 5 ，这时大圆一侧的缓和曲线长度往往偏短。 而一般路线线形却要求彳“彳? 不等对其比值小于2 ，在这一点上匝道的线形要求比主线还高是不合理的； 又如规范对变速车道长度所作的规定数值，是参考日本的分析计算结果并结合其他国外设计经验而规定 的标准值，若概略地采用稍大于或等于标准值的数值，会导致部分变速速车道过短或过长，这对于山区 复杂的线形特点必然会埋下安全隐患，也会增加不必要的工程造价。 山区高速公路互通立交设计主要考虑的是：相交道路的等级、设计交通量、地形地质条件、工程造 价、收费管理体制等因素。与城市立交相比，匝道设计指标更高，更注重安全设计，如图l 1 4 ，l - 1 5 9 第一章绪论 因此。有必要对山区互通立交技术指标的采用及其设计要点做进一步研究，以期为完善山区互通立交设 计提供相关参考；减少t = 程建设中由于缺憾所产生的社会效益和经济效益。 1 3 研究的主要内容 图1 1 4酉阳q 通式立交、雅江互通式立交 图1 1 5 溪口互通式立交，新店互通式立交 基于本文主要倾向于互通立交工程应用方面，笔者主要从以下三个方面展开： 1 首先就山区互通立交各方案进行了研究，分析了不同连接线、工程地质条件、横断面形式等因 素对互通立交方案的影响，提出了互通立交在足使用功能的前提下，保障行车安全，减少对环境的影响， 尽量降低工程造价的理念，并总结出目前山区互通立交常存在的一些问题。 2 根据山区互通立交主线及匝道纵坡情况，以山区有代表性的行驶车型为研究对象，利用汽车行 驶纵向动力学理论推导坡道上车辆加、减速度的计算方法和公式，进而算出坡道上加减车道长度，给出 加减速上下坡时变速车道的修正系数。 3 从车辆运行速度、路线线形视觉连续的角度出发，结合山区互通立交匝道纵坡较大的特点，推 导出运行速度对应于不同纵坡的小客车停车视距和货车停车视距；并提出保证视距的方法和改善视距不 足的措施 1 0 第二章山区高速公路的互通式立交的特点 第二章山区高速公路互通式立交的特点 本章扼要介绍了山区高速公路互通式立交的设计理念及特色，通过对西部开发省际公路通道重庆至 长沙公路洪安至酉阳段的高速公路互通立交、沪蓉国道主干线支线重庆忠县至垫江的高速公路互通立交 和国道3 1 8 线邛崃至名山高速公路互通立交实例的研究，尝试着分析了山区高速公路互通式立交在立交 位置选择，方案比选等方面的灵活性，提出了目前山区高速公路互通立交主要存在的问题。 2 1 山区高速公路互通立交的设计理念 理念是灵魂，理念直接引领着管理、设计和施工，它是一个项目成功的关键。没有好的理念，不可 能做出一个好的设计产品。设计是理念的细化，它直接绘制出指导施工的蓝图。寓创作于设计，寓理念 于细节是施工得以成功的核心 早期的互通立交强调“节省”，造价低是当时设计者追求的主要目标。现代互通式立交强调的是“以 人为本”，体现在设计中则是对包括安全、环境、功能、占地和造价等多因素的综合考虑和更为灵活的 设计方法。根据2 0 0 4 年9 月全国公路勘察设计工作会议系统提出的“六个坚持、六个树立”的新理念， 体现在互通立交设计中安全是核心，环境是制约因素，功能是联系安全和环境的纽带，用地和造价等可 视为环境因素的一部分。 山区高速公路互通式立交总的指导思想如下： 1 保证行车安全 保证行车安全是贯穿在整个山区高速公路的互通式立交设计过程中必须坚持的第一位设计原则，因 此必须考虑以下因素： ( 1 ) 考虑汽车在互通立交区的行驶特点，既行驶速度在不断变化的特点，使车辆在各部位的行驶中 都处于有利与行车安全的状态。 ( 2 ) 考虑车辆的行驶速度，驾驶特征，根据主线，匝道的平面、纵面等技术指标，分析推断可能的 运行速度，从而判断指标选用是否合适，过渡是否自然、均匀、平缓。 ( 3 ) 考虑汽车，特别是重车、货车的减速、制动性能，分析重车的方向性，在匝道布设和平纵面指 标的运用中。使其尽量在减速段上坡，加速段下坡。 ( 4 ) 在交叉方式的选择上，主线( 或匝道、被交路) 是上跨还是下穿，利于行车安全是一个重要的 因素。 ( 5 ) 保持足够的视距是保证行车安全的基本要求，视距检查应以小汽车为标准车型，并考虑运行速 度进行检验 ( 6 ) 坚持标准，规范的严肃性，不能随意的降低技术指标。 2 满足使用功能 3 重视环境保护 避免大填大挖对周边环境和景观造成较大的破坏，避免对原有地貌的破坏可能造成的水土流失。引 发地质灾害等。 4 重视景观，绿化，美化设计 在景观设计过程中，应使互通立交的布设能与周围的地形、地貌相结合，坡面修饰，绿化等能与周 围的地貌、植被相协调，与周围的自然景观浑然一体，这才是经得起时间考验的最美设计 5 突出互通立交方案的比选，工程方案的比选工作 ( 1 ) 方案比选应在不同的互通立交选型、布设方案、不同位置、不同交叉方式等方面进行比较。 第二章山区高速公路的互通式电交的特点 ( 2 ) 工程方案的比选主要是高填方与修桥、边坡防护、路基、路面工程等的技术经济比较。 ( 3 ) 处理好坚持技术标准与工程造价、环境保护等的关系，安全始终应放在第一位。 6 做好各类调查、研究工作，掌握好互通立交的标准、规模 应对立交区的现状、规划、地质、病害、地下文物、矿藏等进行深入调查，征求方方面面的意见 7 坚持动态设计思想 每个勘测设计阶段，随着调查工作的深入，各方面认识深度和广度的提高，方案及设计的调整和优 化在所难免一个好的设计不可能两次就确定下来，只有反复论证，才能较好的完成设计。 2 2 山区高速公路互通式立交的特色 与平原微丘地区相比，山区高速公路互通式立交有其鲜明的特点： 1 地形比较复杂，布设互通立交的场地条件往往受到严格的限制。 2 工程地质条件比较复杂，主线和互通立交区常常发育有不良工程地质病害等或存在因施工引发 工程病害的潜在因素。 3 自然气候条件较为恶劣，由于相对海拔较高，在南方可能多雨多雾。在北方和高海拔地区常伴 有冰冻积雪，而流出车辆会因各项技术指标的迅速降低而对行车安全不利。 4 除县城以上的城市外，一般交通量都比较小，往往会因为强调功能、地位、作用和经济因素等， 而严重忽视安全性。 5 主线线位调整余地小，平纵面指标较低，特别是主线的纵面指标往往较低，给互通立交的设计 带来困难。 6 互通立交和环境之间的相互影响。 2 2 1 互通立交的位置选择 在山区，具有适合设置立交的良好地形并且与城镇、工矿企业，旅游景点等地区结合较好的路段一 般来说很少，故互通立交的位置比较受限，但特别应考虑以下一些因素： 1 当主线与被交路交叉时，交叉处可能因地形、地物限制不能或难以布设互通立交，因此需移位 选择布置场地。 2 当主线在山区中独自穿行较长距离( 如2 0 k m 以上) 后，与其它道路相交或接近地汇入同一狭 窄的走廊带内，其互通立交的理想最佳位置应是相交或第一次接近点，但也应考虑交通量的方向性和布 设的地形场地条件，尽量选择技术经济合理的位置设置互通。 3 当主线与被交道路( 或地方道路) 在同一河谷、沟谷内平行布线时，所需设置的互通的位置， 应根据地形、河流、地物、村镇、连接道路等场地条件，选择不同的位置进行比较。 4 根据城镇布局、交通源、交通方向的特点，当受地形严格限制或根据需要，一个全互通立交集 中布置于一处困难时，可将其拆分为不同位置的两个不完全方向互通立交。另外，也可在县级城市的两 端，充分利用被交路的交通集散功能，选择设置两处不完全方向互通或将邻近交通源的一处按全互通设 置，另一处按半互通设置。 5 当两个位置明确的互通立交其间距过大，为弥补间距过远而拟增设一处互通时，该立交的位置 可以考虑多场址多形式进行比较。 6 当路线附近区域、近旁，甚至路线上有著名的自然、人文，历史、工程等景点，可能成为人们 观光、休息、欣赏的目的地时，应考虑设置互通立交或入口、停车区等。 当路线附近有著名旅游、度假区的规划时，即使近期交通需求不旺，一期不宜实施互通立交，也应 列为预留互通立交 7 互通立交作为路线上的重要控制点，在主线布线时，要充分考虑互通立交的布设特点，为设置 1 2 第一二章山区高速公路的互通式立交的特点 互通立交创造有利条件。 2 2 2 互通立交方案的灵活性 对于互通式立交设计而言，平面线形设计是“骨”，路基桥涵设计是“肉”，平面线形设计的好坏盘接影 响到互通式立交整体工程量的大小，山区互通式立交设计尤为如此。按立交标准形式常规布线的喇叭型 或半直连式t 型主线范围通常需要l k m 左右，山区山峦起伏，在满足立交功能要求的前提下，往往互 通立交平面布设范围不仅要受到主线纵方向地形限制，还要受到连接道路与主线过近的横向区域限制， 工程地质条件、地形条件和横断面形式的影响。在进行山区互通式立交设计时就需要打破互通式立交常 规平面布线的固有模式，建立平纵横三维设计观念，不拘泥标准立交形式。充分利用地形空间进行 匝道灵活布线，从而“压缩”互通区平面布设范围，降低工程造价。笔者将结合实习中接触的具体工程实 例就互通立交的位置及形式讨论一下山区与平原微丘区的不同之处 2 2 2 1 互通立交方案应满足其功能要求 对于一般出入口互通，其功能就是起到连通的作用，因此，在保证行车安全的前提下，满足此功能 即可，不应片面追求高指标，造成工程量不适当的增大，以及对自然环境的破坏。 图2 - 2 溪口互通立交调整前后的位置及形式 图2 1 互通立交为西部开发省际公路通道重 庆至长沙公路洪安至酉阳段中的溪口互通式立 交，由于近期交通量较小，初步设计按预留考虑， 形式为图2 - 3 的b 型喇叭型互通立交。但由于溪 口前一立交玉屏互通立交与溪口后一立交酉阳 南互通立交间距相差近3 4 k m ，应考虑给误行车 辆提供调头功能，故在施工图设计中调整为简易 菱型互通方案，同时接合u 型转弯设施一并考 虑，并预留连接线以便日后改建为互通式立交 这种由于近期、远期交通量均低，但考虑地 图2 - 1 溪口互通立交效果图 方长远的经济发展，先期先预留的互通立交，应尽可能采用规模小、造价低的方案。特别是当该立交是 为弥补前后立交间距过大而设置时可考虑采用简易菱型互通芳案，这样后期只需对原有匝道布设略加调 整，增加一条连接线和匝道收费站即可改建为互通立交。 图2 - 3 方案仅按常规思路进行设计，未针对其交通量小的特点，对立交功能定位不准确，导致设置 位置不合适、方案不合理，桥梁工程规模太大。图2 - 4 调整后的方案，具有较明显的优势：先期实施 的u 型转弯功能显著，弥补了前后立交间距过大的缺陷； 匝道桥梁工程数量明显减少，比调整前方 案桥梁长度减少4 1 0 m ，工程造价节约1 0 0 0 多万；减速车道渐变段起点距隧道出口约! 5 k m ，比原方 案增长l k m 多，行车安全性能够得到保障。 第二章山区高速公路的互通式立交的特点 图2 - 3 溪口互通立交初步设计时的位置及形式 图2 - 4 溪口互通立交施工图设计时的位置及形式 图2 - 5 、2 - 6 互通立交为国道3 1 8 线邛蛛至名山高速公路段中的新店互 通立交的两个方案，该立交位于邛名 高速公路的设计终点( 与成雅高速相 交处) 。主要用于邛名高速与现有的成 雅高速间交通流的相互转化，该立交 主要交通流向是雅安至邛崃方向，设 圈2 - 6 新店互通立交比较方案 1 4 图2 - 5 新店互通立交推荐方案 计采用y 型立交形式( 图2 5 ) ，后考虑到该 互通西、北方向的交通量约为东、北方向交 通量的二十倍，通过对相关路网构成、节点 分布的研究，调整交通量大的匝道横断面， 最终确定采用a 型喇叭方案( 图2 4 ) 。该方 案比原先y 型立交方案相比，匝道桥梁长度 减少2 5 6 m ，工程造价节约8 4 4 万元 第二章山区高速公路的互通式立交的特点 2 2 2 2 不同的连接线对互通立交方案的影响 图2 - 7 互通立交为两部开发省际公路通道 重庆至长沙公路洪安至酉阳段中的雅江互通式 立交，该立交主线与被交路( 3 1 9 国道) 相对高 差较大( 大于3 0 米) ，且位于两隧道中间。 图2 - 8 方案立交中心距离前一隧道较近，仅 4 0 0 米，为避免匝道加速车道终点伸进隧道洞 内，同时减少桥梁工程数量，变右转匝道为左转 匝道，改定向匝道为半定向匝道布置。不足之处 在于减速车道渐变段起点距隧道出口距离较近， 不利于行车安全。 圈2 - 7 雅江且通立交效果图 图2 - 8 雅江且通证交初步设计方案 图2 - 9 雅江互通立交旌工图设计方案 1 5 第二章山区高速公路的互通式立交的特点 该立交经过对沿线地形地质的反复考察及多方案比较后确定b 型单喇叭方案图2 - 9 ( 主线下穿) 。 该方案结合连接线平交口位置的调整优化，适当降低主线设计标高( 降低约3 m ) ，采用主线下穿的方式， 以减少立交区域，特别是三角区的土石方数量。调整后匝道减速车道起点距离隧道出口4 3 0 m ，缓解了 行车安全性问题。与图2 - 8 方案相比，具有以下优点：匝道布置符合交通量预测，主交通流向行便捷； 土石方工程量省；连接线平交口处，被交路线形指标相对较好；隧道出口行车安全性相对较好； 图2 8 方案连接线段地质条件差，挖方边坡坡率只能放缓( 1 ：1 2 5 ) ，导致立交弃方量太大( 达5 0 万 方) ，弃方十分困难。为缓解土石方问题，图2 - 9 方案调整连接线平面线型，采用回头曲线盘山绕行， 调整后连接线设计标准满足山区二级路标准。整个立交弃方减少至2 1 万方。 2 2 2 3t 程地质条件对互通立交方案的影响 图2 1 0 互通立交为沪蓉国道主干线支线分水 岭( 鄂渝界) 至忠县高速公路第b 5 合同段中的沙子 互通立交，沙子立交紧临吕家梁隧道和沙子1 号 桥，应地方政府建议，考虑沙子镇及周边地区的 发展，将该立交设在沙子镇街道公路出口。其布 设位置受地形的局限较大 该立交与龙河平行，相距约5 0 1 0 0 m ，左岸 为宽窄不对称的“u ”字型峡谷地形，谷宽2 3 7 8 m ，地面高程1 0 1 8 1 4 1 0 7 1 2 8 m ，相对高差 5 3 1 4 m ；主要控制物为被交道路及立交南侧的陡 岩；建设场地上部覆盖层为第四系堆积层、残坡 图2 - 沙子立交滑坡现场 积、冲洪积层，下覆基岩为侏罗系下统珍珠冲组砂质泥岩、泥质砂岩、泥岩、砂岩，在公路施工开挖过 程中曾出现斜坡变形开裂，并产生不同规模的堆积层滑坡，因施工时降雨滑坡变形加剧如图2 - l l ，故 沙子立交受地质条件影响显著。 图2 - 1 0 沙子互通立交方案 综合考虑该立交所处地形的特殊性及预侧交通量，沙子立交最终采用环型立交，如图2 1 0 ，环型 转盘采用椭圆形式以增长交织段长度，利于行车安全，这是全国第一个在高速公路上设平交的例子。在 设计过程中主要有以下难点：地形很复杂，南侧山体的覆盖层达3 5 m 厚，地质条件较差，开挖山体 易滑坡，难以设挡墙，边坡处治困难，故匝道不宜深入山体中；连接线匝道的起点是沙子镇的市政街 道，受各建筑物限制的较多。这样灵活的立交形式既避免了深挖山体，又降低了工程造价，并能带动地 方发展，实现了山区立交的功能。 2 2 2 4 地形条件对立交方案的影响 图2 1 2 互通立交为沪蓉国道主干线支线重庆忠县至垫江的高速公路中的太平枢纽互通立交。该立 交的主要功能是实现渝万高速公路及忠垫高速公路交通的快速转换，主要交通流向为重庆至湖北利川方 向，其次为万县至湖北利川方向。立交区域内地形高差最大为1 8 m ，渝万路西侧1 1 0 m 左右有一条河流 1 6 第二章山区高速公路的互通式立交的特点 ( 清水河。河床宽度达2 4 m ) 穿越立交区，对 立交匝道的布置及立交桥梁规模带来较明显 的影响，清水河是影响本立交方案的最重要的 控制物。 图2 - 1 3 方案为初步设计推荐方案，其不