（道路与铁道工程专业论文）互通式立体交叉安全设计.pdf

摘要 互通式立体交叉作为高等级公路的重要组成部分，已经扮演着越来越重要的角色。然而，由于 我国互通式立体交叉建设起步较晚，研究尚不充分，因此目前国内互通式立体交叉建设主要参考日 本、美国等发达国家的经验，并不完全符合我国的道路交通条件，对某些技术指标的规定不尽完善， 从而导致己建立交存在一些安全方面的隐患 基于以上背景，本文对国内已建互通式立体交叉进行调查研究，总结出它们在安全设计方面存 在的问题，分析其参考标准或规范方面存在的不足，总结出一套适合我国现状的互通式立体交叉安 全设计要点及技术指标，以期对今后的立交工程实践有一定的参考意义 首先，安全的互通式立体交叉应具备安全的型式。在满足交通转换要求的情况下，不同的互通 式立体交叉型式其安全性有所不同，具体体现在匝道形式的选择上。因此，无论匝道还是立体交叉 的选型均需考虑安全问题 其次，安全的互通式立体交叉设计必须具备安全的匝道设计匝道圆曲线最小半径取值、缓和 曲线单元取值、超高取值不当都可能造成安全隐患，应在保证安全的前提下进行设计。纵断面设计 不合理、线形单元组合设计不当也会带来安全问题，设计中需综合考虑 再次，安全的互通式立体交叉设计还包括安全的变速车道设计。变速车道形状、变速车道线形、 变速车道长度、分流点曲率半径及回旋线参数、楔形端等等都必须从安全的角度考虑进行设计 最后，出、入口安全设计是关系互通式立体交叉安全设计的一个重要组成部分，其设计需注意 一些基本的安全事项。集散车道、辅助车道作为解决出、入口安全问题的重要措施，应保证合理采 用与设计。 关键词：互通式立体交叉；匝道；变速车道；出、入口；安全设计 a b s t r a c t a sm i m p o r t a n tp 矾i nh i g h 一础r o a d ，i n t e r c h a n g eh a sp l a y e dai a n di i m p o r t a n tr o l ei n o u rc o u n t r y h o w e v e r ，a so u rf l t a l to fi n t e r c h a n g ee o n s l r u e t i o ni sl a t en n do u i s t u d yi sn a 邶w ，o i 盯 i n t e r e l a , m g ee o m t r u c f i o n s 蛳u s e dt or e f e rt ot h e 币a i a 蝣髂o fd e v e l o p e dc o u n t r i e ss u c h 勰j a p a na n d a l l l e l r i c a h o w e v e r ，t h e r ee x p e r i e n c e s 鼬n o tt o t a l l yf i tf o ro u rr o a d 缸a 伍cc o n d i t i o n s ，a n ds o i d t e e l m o l o g i e a li n d c x l ：sa n o tq u i t er i g h t ，w k i e hb r i n gs o m es a f e t yp r o b l e m si no m * e x i s t i n gi n t e r c h a n g b a s e do nt h ee x i s t i n gs i t u a t i o n t h ea r t i e l ei n v e s t i g a t e sa n di t s c a r c h e so u l d o m c s l i ce x i s t i n g i n t e r c h a n g e s ，s t m m a n r i z t h es a f e t yp r o b l e m so f t h e m a n a l y s e st h el i m i t a t i o n so f t h e $ t l i n d l l l d st l a c yr e f e r t o ，妯d a t l a s t 嗣h n n 谢z e s t h es a f e t y d e s i g n p o i n t s a n ds t a n d a r d s ，w h i c h w i l l b e a s a i d n e e i n o u r a t t e r t i m e d o n l i 斌i ci n t e r c b a m g ec o n s l n 埘o l l s f i r s t ，t h et y p eo f i n t e r e l a n n g es h o u l db es a f e v a r i o u st y p e so f i n t e r c h a n g e sd i f f e ri ns e c u r i t yw h e na l l m e e t i n gt h ed e m a n d so ft m 岱c ，a n dt h ev a r i e t yo fi n t e r c h a n g et y p ei sa c t u a l l yr e f l e c t e di nt h et y p eo f r a m p s s o ，e i t h e r 墙n 驴o ri n t e r c h a n g es h o u l d h a v eas a f e t yt y p e s e x o n d ，t h er a m pd e s i g no f i n t e r c h a n g es h o u l db es a f e l e a s tr a d i u so f c i m t d a rc i l m 、p a r a m e t e ro f t r a n s i t i o nc u i v c 、s u p e r e l e v a t i o nd e s i g n 、v e r t i c a la l i g n m e n td e s i g n 、c o m b i n a t o r i a la l i g n m e n t sd e s i g na n ds o 0 1 1s h o u l da l lc o n s i d e rs a f e t yp r o b l e m s ，a n ds h o u l db ed e s i g n e db a s e do ns e c u r i t y t h e n ，t h es p e e dc h a n g el a n ed e s i g no fi n t e r c h a n g es h o u l db es a f e s p e e dc h a n g el a n et y p e 、s p e e d c h a n g e l a n e l e n g t h 、r a d i u sa n d t r a n s i t i o n p a r a m e t e r o f d i v e r g i n g p o i n t ，t h ec u n e i f o r m p a r t o f i n t e r c h a n g e a n ds oo ns h o u l da l s ob ed e s i g n e do u to f s e c u r i t yc o n s i d e r a t i o n l a s t ，s a f e t ye x i ta n de n t r a n c ed e s i g ni sa l li i l 叩m 协mp a r ti ns a f e t yi n t e r c h a n g ed e s i g n s o m eb a s a l s a f e t yn o t i c e ss h o u l d b ec o n s i d e r e di ne x i ta n de l l i l r a n c ed e s i g n a n da sa l li n l p o r l a n ts o l u t i o nt oe x i ta n d e l l i l z a n c es a f e t yp r o b l e m s ，d i s t r i b u t i n gl a n ea n ds u p p l e m e n l a r yl a n es h o u l db ea d o p t e da n dd e s i g n e d r e a s o n a b l y k e yw o l d s ：i n t e r e h a n g e ；r 哪；s p e e dc h a n g eh n c ；e x i ta n de n l r a n c e ；s a f e t yd e s i g n l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所星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： 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。 研究生签名：l 虱至批 导师签名： 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 近年来，随着经济的快速发展，汽车保有量急剧增加，使得原有道路的通行能力已经不能满足 日益增长的交通需要。信号控制和平面处理等交通组织措施，已远不能从根本上解决交通拥挤存在 的种种问题。加上高等级公路、城市道路人量兴建，这一背景下，为了保证交通安全、提高行车速 度、提高交叉口通行及管理能力，立体交叉应运而生，并迅速成为解决交通拥挤问题的重要措施。 然而，随着道路交通的不断发展。道路交通事故也逐年增加。据统计，到2 0 0 5 年底，我国公路 通车总里程已达1 9 3 万k m ，居世界第三位，高速公路通车里程达4 1 万k m ，居世界第二位。然而， 仅2 0 0 5 年全国就发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡、4 6 9 9 1 1 人受伤，直接财产损失 1 8 8 亿元。据日本的交通资料表明，虽然立体交叉事故相比平面交叉大为降低，但仍占全部交通事 故的2 0 0 。可见，尽管设置立体交叉的目的是尽可能地提高交通安全性及各交通流的运行效率，但 立交范围内出现的任何关于驾驶员、车辆、道路、交通和环境条件等的突变仍存在交通隐患。虽然 有统计认为，事故的根本原冈是驾驶员的粗心、错误以及汽车的机械问题，但事实上，除部分事故 纯粹是由于驾驶员粗心驾驶等主观原因引起的以外，有相当一部分事故是人为操作不当与困难的行 驶条件共同引起的，而人为操作不当与困难的行驶条件则与道路的设计与养护有关。美国的交通事 故专家海特教授甲，在2 0 多年前就指出：“不管各方面意见如何，只是驾驶员一方面的错误，决不会 引起最严重后果的事故。事故的主要原冈往往是不安全的、危险的道路条件引起的”。因此，我们道 路工作者在进行道路立交设计时，要坚持安全第一的理念，将安全置于首位加以考虑。 互通式立体交叉范嗣内，由于相交道路上的各种车辆汇集在交义口后再转向其他道路，行驶状 态发生突变，匝道、主线车辆相互干扰，且车辆从主线驶入减速乍道、匝道，再经过加速车道，驶 入被交道路，整个过程中车辆行驶速度不断发生变化，特别是在变速车道，不仅要进行分、合流， 还要进行变速操作等，若设计不当，极易造成司机误操作，导致交通事故。沈大高速公路上立体交 叉区交通事故的调查资料表明，高速公路立体交叉附近的事故率是普通路段的3 倍以上。囡此，如 果立交型式选择不当，匝道、变速车道设计不合理，出、入口设计不恰当，不仅会对互通式立体交 叉区域行车安全造成很人威胁，对与其相连的整条快速道路的安全都将造成不利影响。 且随着社会的发展和道路日趋现代化，互通式立交的设计理念发生了根本性的变化。早期互通 式立交强调节省，现代互通式立交强调的则是“以人为本，安全至上”，不但要满足交通要求，更要 提供安全与舒适的运行条件。 因此，作为道路系统的重要组成部分，交通的咽喉，互通式立体交叉的安全设计研究，包括其 安全选型，匝道、变速车道、出、入口安全设计等等，对整个互通式立体交叉的安全起着举足轻重 的作用。对整个道路系统的交通安全亦起着不可忽视的作用。 1 2 论文的研究意义 互通式立交具有交通转换功能和空间多层结构形态两大特征在有限的区域空间内要完成各方 向的交通转换，加剧了其运行方向的复杂性；同时，受项目投资、现场条件及环境限制，互通式立 交的技术指标往往较低，而当几个低限指标组合不当时，所构成的线形带来运行条件更加复杂；设 计参考指标的不完善也给运行安全带来不利影响。此类因素导致互通式立交成为高等级公路交通事 故多发地点。 因此，互通式立交设计的重要目标之一就是交通安全，对设计者最大的挑战就在于要在投资和 环境条件限制内使互通式立交达到最高的安全水平。在以往的设计中，设计者往往局限于满足规范 要求，认为只要设计指标达到或超过了规范所规定的最小值也就满足了安全要求，这无疑是认识上 的一个误区。设计者忽略了行驶过程中驾驶人生理、心理方面的感受以及车辆的行驶动力特性等； 互通式立交是复杂运行的集中地，某些指标从单个来讲是安全的，但在某些场合组合在一起时就可 东南大学硕士学位论文 能不安全：如果所提供的运行条件与人和车的特征相违背，也可能不安全。此外，目前国内大多互 通式立体交叉设计所参考的公路路线设计规范( j t j 们1 - 9 4 ) 所规定的各种几何构造的设计参数 值主要参考日本、美国等发达国家的设计经验，并不完全符合我国的道路交通条件，对某些技术指 标的规定也不尽完善，因此仍有待商榷。 因此，本文的选题正是在这个基础上，研究目前国内已建互通式立体交叉设计及其参考规范方 面存在的不足，提出适合我国现状的互通式立体交又安全设计要点及技术指标，对今后的互通式立 体交叉工程设计实践有一定的借鉴意义 1 3 国内外研究现状 在国外，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。 德国战前战后也修建了大量、等级较高的立体交叉。另外，随着经济和交通的迅速发展，高速公路 的人量兴建，战后的日本也建造了许多功能较好、经济实用的互通式立体交叉，并为立交形式的多 样化设计提供了不少经验，在立交设计标准和设计规范方面作出了可鉴的成果。 然而，自汽车问世以来，道路交通事故就一直困扰着世界各国，全球每年因道路交通事故造成 的损失高达5 0 0 0 亿美元。因此，美国、日本、德国等发达国家对道路、立交安全设计方面的研究较 早，并基了：研究成果给出了相应的规定。如美国各州公路 作者协会( 从s h l o ) 出版的绿皮书公 路和道路几何设计原则，该绿皮传从2 0 世纪3 0 年代开始就进行了很多修订，最新版本为1 9 9 4 年 修订版本，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。 2 0 世纪8 0 年代以来，美国联邦公路局( f h w a ) 开展了多项道路交通安全方面的研究，并于1 9 9 2 年发布了一份报告书，提出了大量关于几何构造与交通安全间的定量研究成果，包括出入控制、线 形、横断面、互通式立交等等。此外，日本道路公团编写的互通式立体交叉几何设计设计要领 也详细讲述了互通式立体交叉从选型到平、纵、横及端部设计等的注意事项，设计指标亦部分考虑 一 了立交安全设计的原则。 就国内而言，我国的道路安全状况也是比较严重的社会问题，是世界上道路交通事故最多的国 家之一。据统计，2 0 0 1 年我国发生道路交通事故7 6 0 3 2 7 起，死亡1 0 6 3 6 7 人，伤5 4 6 4 8 5 人，直接 经济损失达3 0 9 亿元；2 0 0 2 年我国发生道路交通事故7 7 3 1 3 7 起，死亡1 0 9 3 8 1 人，伤5 2 6 0 4 7 人， 直接经济损失3 3 2 亿元；2 0 0 3 年我国发生道路交通事故6 6 7 5 0 7 起，死亡1 0 4 3 7 2 人，伤4 9 4 1 7 4 人， 。 直接经济损失达3 3 7 亿元，交通事故基本呈上升趋势”。从1 9 5 5 年我国修建第一座部分苜蓿叶立 交以来，由于互通式立体交叉设计不合理导致的交通事故比比皆是。以南京马群立交为例，该立交 由r 其南京至上海方向左转匝道因超高设计不合理，几乎每年都要发生好多起交通事故，带来严重 损失。 我国对交通安全与道路条件关系的研究比发达国家要晚。但随着交通事故的逐年上升，国内不 少学者也先后就道路条件对交通安全的影响进行了研究。如田鲁泉对路况与交通事故的关系进行了 研究；赵炳强对道路线形的安全性进行了分析；张志清对公路行车安全影响冈素进行了分析；任福 田、刘小明等对交通安全进行了较系统的研究；同济大学郭忠印教授及其课题组多年来也一直致力 于道路交通安全方面的研究；哈尔滨1 = 业大学的裴玉龙教授亦通过对沈人高速公路、辽宁省以及哈 尔滨市大量事故数据分析的基础上系统的研究了道路线形中平面、纵断面、横断面以及交叉口各项 参数的设置问题及其对安全的影响。 然而，立交r 【：程的安全问题对我们来说还是一个新课题，国内专门对立交安全设计的研究还很 少。虽然随着互通式立体交叉的大鼍建设，国内部分专家已经越来越注重立交建设的“以人为本”， 也提出了相应的安全设计理念，如交通部公路司2 0 0 5 年编著的新理念公路设计指南一书中提到 了很多互通式立体交叉设计的安全新理念。但由于我国立交建设较发达国家晚，目前国内已建互通 式立体交叉设计基本参考公路j = 程技术标准、公路路线设计规范( j t j0 1 1 9 4 ) 及城市道路 设计规范( c j j3 7 9 0 ) ，还几乎没有一本专门关于立交和匝道各项细部设计的设计标准。而公路 路线设计规范( ，r j0 1 1 - 9 4 ) 所规定的各种几何构造的设计参数及各等级道路的线形标准值，只不 过是保障了汽车在运动学和力学方面的最小安全性，即只规定了应该遵守的最小值，对下实际设计 中究竞取多大的指标合适，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。此外，公路路线设计规范( j t j0 1 i 9 4 ) 对丁互通式立体交义的设计标准也只是参 考日本、美国等发达国家的设计经验，并不完全符合我国的道路交通条件，对某些技术指标的规定 也因此不尽完善。如公路路线设计规范( j 1 f j0 1 1 9 4 ) 只对路线相邻两圆曲线半径比值作了一定 2 第一章绪论 规定，而对立交匝道相邻两圆曲线半径比值并未作具体规定，导致立交匝道设计常出现大半径圆曲 线接小半径圆曲线的危险设计。又如公路路线设计规范( 丌j0 l l 一9 4 ) 对减速车道跃度所作的规 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，对于不同匝道设计 车速的减速车道长度虑如何取值，并未作进一步说明。很多设计人员在减速车道设计中无论匝道设 计车速为多少，均概略地采用稍大于或等于标准值的数值作为减速车道的长度，导致部分减速车道 过长而部分减速车道跃度不够，对车辆减速、安全驶入匝道造成不利影响 因此。对国内互通式立体交叉的安全设计研究迫在眉睫 1 4 论文主要研究内容、技术路线及成果 针对我国互通式立体交叉设计建设现状，本文研究的主要内容包括： 1 、调壳典型事故多发豆通式立体交叉交通事故，分析其事故特点，如互通式立体交叉相对容易 发生交通事故的组成部分。 2 、调查交通事故多发互通式立体交叉的设计特点，分析其与交通事故特点之间的关系，得出目 前国内互通式立体交叉安全设计及设计规范方面存在的问题。 3 ，鉴于国内互通式立体交叉安全设计及设计规范方面的问题，提出基于安全的互通式立体交叉 设计要点及技术指标，包括：基丁二安全的互通式立体交叉选型设计、基于安全的互通式立体交叉匝 道设计、基r 安全的互通式立体交叉变速车道设计以及基于安全的互通式立体交叉出、入口设计 本研究采用以实际数据为基础，理论研究与实际应用相结合的技术路线。 1 、以实际数据为基础。通过收集国内典型互通式立体交叉交通事故数据及国、内外互通式立交 相关安全文献资料，采用l 门纳一演绎一门纳的研究方法，得出目前国内互通式立体交义事故特点。 2 、实际数据与理论研究相结合。通过收集上述典型互通式立体交叉设计资料，综合运婀道路e 程学、交通安全学、汽车动力学，物理学等众多学科的知识，得出目前国内互通式立体交叉交通安 全与其几何设计、参考设计规范之间的关系。 3 、理论研究与实际应用相结合。根据上述国内已建互通式立体交叉参考规范及安全设计方面存 在的问题，提出基于安全的互通式立体交叉设计要点及技术指标。 本论文最终将得到f 列主要的研究成果： 1 、提出目前国内已建互通式立体交叉安全设计方面及目前国内己建互通式立体交叉设计参考规 范方面存在的不足； 2 、提出基于安全的互通式立体交叉安全选型设计要点； 3 、提出基丁安全的互通式立体交叉匝道安全设计要点及技术指标； 4 、提出基于安全的互通式立体交叉变速车道安全设计要点及技术指标； 5 、提出基于安全的互通式立体交叉出、入口安全设计要点及技术指标 1 5 本章小结 l 、针对目前我国互通式立交设计的现状及其立体交叉地点事故多发、存在安全隐患的事实，开 展了本论文的研究工作。 2 、在追溯国内、外类似研究状况的前提下，提出了本论文具体的研究方向，即通过调查典型事 故多发互通式立体交叉交通事故，分析其事故特点，总结目前国内互通式立体交叉安全设计及设计 规范方面存在的问题，并提出基于安全的互通式立体交叉设计要点及技术指标。 3 、分析了课题研究的意义。即本研究是对直通式立交设计理论从一个新的角度和方法进行补充； 给互通式立交的安全设计提供科学的切实可行的依据，从而提高国内互通式立交的服务水平。并描 述了课题研究的内容和技术路线。归纳了课题研究获得的主要成果。 3 东南大学硕士学位论文 第二章互通式立体交叉安全选型 2 1 互通式立体交叉匝道安全性分析 互通式立体交叉是高等级公路，特别是高速公路和一级公路的重要组成部分，不少事故调查发 现，虽然公路与公路采用立体交叉比平交形式更为安全，但其事故率仍然较高。影响因素很多，其 中，立交型式本身的不安全性就是很重要的一个因素而立交型式的选择主要体现在匝道型式的选 择上。 美国的联邦公路局曾对立交的事故模型进行了大量的调查研究，在此之前也有不少研究者建立 了立交范围之内的事故统计模型。2 0 世纪6 0 年代联邦公路局的i s a r 项目建立了事故数据库，总结 出含有不设集散车道的环行匝道、左出左进匝道等的立交具有最高的事故率，菱形和定向型立交具 有最低的事故率等等。从目前国内互通式立体交叉运营现状看来，也事实如此。 对环行匝道而言，其设计指标往往较低，车辆从互通式立体交叉主线高速行驶下来往往不能适 应突变的线形指标，加上环行匝道往往难以布设符合车辆行驶要求的变速车道，特殊情况下视距不 良、交通拥堵等，极易造成严重的交通事故。 对左出左进匝道而言，因为我国采用的是右侧行驶规则，车辆行驶过程中采用左侧超车，对于 驶出、驶入车辆，如果采用左出左进的形式，车辆需要从最左侧乍道以较高车速驶离、驶入，不仅 影响左侧车道原有高速行驶车流的稳定性，不利于加、减速车道的布设，而且在高速车流中流出、 汇入具有很大的安全隐患。 对其他形式匝道而言，由于线形指标相对较高，安全性也相应较好。但特殊情况下遇到一些不 良线形组合时也容易成为事故多发点，如包含所谓的大趣i 接小圆的“急转弯”线形等等。 2 2 不同型式互通式立体交叉安全性分析 按照互通式立交各方向车行道的设计交通量、相交公路的计算行车速度、地形、地物等等情况， 互通式立体交义有以下几种基本型式，其区别主要在于左转匝道型式的变化，安全性分析如f 。 ( 1 ) 三路喇叭型立交 喇叭型立交是三路立体交叉的代表形式，无论在国内还是国外均较为普遍。该立交的左转由一 个环形匝道和一个半定向型匝道组成。其优点是在被交叉公路上可设置单一的收费站控制出人主线 车辆的收费工作。但环行匝道由于用地限制往往半径较小、指标较低，当交通量较大或车速较高时， 很容易失去控制冲出车道，危险性较大。此外，由于被交叉公路采用平交，总体安全性较低。 r 3 s ( 2 2 5 ) r lr 3 = ( 1 5 2 0 ) r i 一一丌 a 型喇叭立交b 型喇叭立交 图2 1 三路喇叭立交 喇叭型立交分为a 型和b 型两种( 如图2 - i ) 。a 喇叭将环行匝道作为流入( j z 线) 匝道使用。 环行匝道j h j 作慢速行驶的车辆流入主线，而、仁定向匝道用作主线快速流出的车辆，当流入交通颦不 大时，对保证交通安全是有利的。特别当匝道设计为上跨主线时，无论对丁车辆加、减速还是开阔 视野，判断进、出口都极为有利。b 喇叭将环行匝道作为流出( 主线) 匝道使用。当高速行驶的主 4 第二章互通式立体交叉安全选型 线车辆驶入环行匝道时，很容易由于半径较小失去控制而冲出车道外。因此，为行驶安全，我们需 限制车速、增大环行匝道半径。此外，当环行匝道上跨主线时，主线驾驶员视线很容易被桥台挡住， 看不清流出匝道出口。因此，b 型喇叭一般只限于主线在匝道上空跨越流出交通量不大时才采用 ( 2 ) 三路y 型立交 y 型立交亦为三路互通式立体交叉，一般情况下在喇叭立交设置地形上有困难或市街地等用地 受限制时才采用。其每个方向的车辆均行驶在直顺的专用的单向行车道上，当与其他方向的行车道 相交时，均进行立体交叉。这种型式的立交能提供所有方向车辆完全无阻、无交织的运行，可容纳 交通量也很大，因此，安全性较高。 特殊情况下，为降低立交的造价，减少交叉构造物，减少用地面积，常将其匝道相互交叉部采 用平面交叉，即所谓的平面y 型交叉。由于该立交型式存在平面交叉，所以安全性较一般的y 型立 交大为降低，一般只限于利用交通量少，且能充分保证安全的地方采用 7 1 。且从交叉部的通视上、 匝道加减速关系以及交义构造物：程费用上考虑，平面y 型交叉最好采用匝道从主线上空跨越的型 式。特殊情况匝道在主线下边通过时，要考虑从驶出匝道的上方能充分看清平面交叉部 ( 3 ) 四路菱形立交 菱形立交在四路交叉中，是互通式立体交叉的代表型式之一( 如图2 - 2 ) 。其形式简单，在主线 上一个行驶方向只有一个出口，且在跨线桥的近端，易为驾驶员识别。其平面线形良好。不存在喇 叭形环形匝道曲率半径小的情况，乍辆在匝道上行驶不必过多地盘旋，因此，对主线乍辆的安全行 驶极为有利。但由于匝道与被交公路连接处为平面交叉，左转弯交通与被交公路的直行交通均存在 冲突，大大降低了放交公路的通行能力1 7 i 。此外，被交公路上的左转弯车辆有错误地进人主线驶出 匝道而导致交通事的可能性。然而事实证明，当被交叉公路交通量不是特别大时，菱形立交在四路 交叉中具有最好的安全性。 图2 2 四路菱形立交 当然，我们可以通过对菱形立交的改造来增加其安全性。如增加被交路平交口处的车道数，提 高通行能力；在平交处设置信号管制交通；条件允许的情况下，采用分离型菱形立交等等。 分离型菱形立交即将车辆转弯分别设置在两条相近的被交公路上。这样被交公路上由原有的两 个左转弯交通的冲突、两个左转弯交通的交织运行减至仅两个左转弯交通的交织运行，大人提高了 安全性。当然，有条件的情况下，我们还可以将主线也做成分离的型式，即所有连接道路均为单向 通行，从交通安全上来讲更为优越。 ( 4 )四路苜蓿叶型立交 基本苜蓿叶型立交四个左转弯匝道均为环形( 如图2 3 ) ，其左、右转弯交通均在专用匝道上行 驶，与相交道路直行交通没有任何冲突点。但由于环行匝道半径小，左转弯均以反方向先右转弯绕 行，故通行能力有限，对车辆的安全行驶也较为不利。此外，相交道路每个行驶方向均有两个进口、 两个出口，出、入车辆均存在人量交织，大大影响了直行及转弯车辆的安全行驶。且下穿道路两个 方向的出口均在跨线桥下，加上存在大量的交织车辆。对驾驶员辨别出口位置极为不利事实证明， 苜蓿叶型立交事故率相对较高。 为了保证交通鼙较丈的相交道路直行车辆的高速行驶不受转弯车辆进出匝道的影响，改善和提 高苜蓿叶趔立交的交通容量及安全性，可在立交内主线两侧设置集散车道。将交织从主线移至低速 行驶的集散车道上。带集散道路的苜蓿叶立交不但消除了主线上的交织运行，而且减少了主线进出 口数，保证了直行车辆的快速运行，大大增加了立交的交通量及安全性。 5 东南大学硕士学位论文 么 入 飞 图2 - 3 四路苜蓿叶型立交 ( 5 )四路组合型立交 四路组合型立交即半苜蓿叶半定向型的立交( 如图2 - 4 ) 。该型式立交的左转匝道根据各个转向 的交通量，采用部分环行部分半定向型。由于采用了半定向型的左转匝道，使得部分左转行车条件 得到改善，也大大减少了主线某些方向的进、出口数量，减少了主线某些方向进、出车辆的交织运 行。然而，由于该型式的立交型式较为复杂，左转出口型式较不一致，驾驶员在出口处很难辨别行 驶方向，因此对车辆行驶的安全性很为不利，需保证结合完善的交通标志、标牌设施使用。 图2 4 四路组合型立交 ( 6 )四路定向型立交 定向型立交( 右出右进) 是用于高等级道路相互交叉连接最高级的互通式立体交叉。转弯车辆 在各个方向运行都有专用匝道，自由流畅，转向明确，无冲突点，无交织，因此，具有较高的安全 性 然而，主线采用双向分离式，左转弯匝道采用左出左进形式的全定向型立交却具有很大的安全 隐患，因为我国采用的是右侧行驶规则。所以除了在左转交通量很大的情况下，从安全角度考虑， 一般情况下不宜采用左出左进的匝道形式。 2 3 互通式立体交叉安全选型原则 从互通式立体交叉自身特点出发，互通式立体交叉安全型式选择应主要考虑以下因素： i 、设计应尽量简单、直捷，同一条道路上相邻立交形式尽量统一，方便驾驶人辨别行驶方向； 2 ，主线、匝道或匝道、匝道问尽量采用立体交叉，减少平面交叉； 3 、尽量少用左出左进口： 4 、尽量减少立交进、出口数，减少冲突、减少交织，有条件的情况下可采用集散车道； 5 、尽量采用有较高技术指标的匝道形式等等。 6 第二章互通式立体交叉安全选型 2 4 本章小结 本章主要对互通式立体交叉的安全选型进行了分析与研究。对匝道形式的安全性进行了分析， 对几种常见型式互通式立体交叉的特点及其各自的安全性进行了分析，并提出了互通式立体交叉安 全选型的基本原则 7 东南大学硕士学位论文 第三章互通式立体交叉匝道安全设计 3 1 运行速度控制线形设计 3 1 1 运行速度理论 设计速度是道路立交技术标准的控制要素，它决定了几乎所有道路立交的几何设计参数，直接 影响着公路的营运安全与效率。目前国际上有采用运行车速和设计车速( 计算行车速度) 两种不同 设计体系，其中欧洲、澳大利皿等许多国家采用运行车速体系，我国则采用设计车速体系1 9 j 。 设计车速是指在行车条件良好、道路设计特征均能起到控制作_ 【f j 的情况下，一条道路上能保持 的最高安全速度。作为道路立交路线设计的基础指标，设计车速用于规定线形的最低设计标准。设 计车速一经选定，几乎所有的要素如圆曲线半径、超高、纵坡等均依此而定。设计车速对一特定路 段而言是个同定值，而在实际驾驶行为中没有任何一个驾驶人白始至终去恪守这一固定车速，实 际行驶速度总是随道路线形、车辆动力性能及驾驶人特性等各种条件改变而变化。只要条件允许。 驾驶人总是倾向采用较高速度行驶。因此，仅与路段设计车速配合的线形指标不能满足道路使用者 安全行车要求。 3 1 2 匝道设计车速 匝道设计车速的确定，关系到立交的几何形状和各部分技术指标的采用。因此，合理地确定匝 道设计速度是充分发挥匝道功能，保证直通式立交安全设计的关键因素之一。 公路路线设计规范( j t j 0 1 1 9 4 ) 规定的匝道计算行乍速度( 表3 - 1 ) 1 2 ，主要是参照日本的 规定，匝道计算行车速度一般是主线计算行车速度的5 0 - - 7 0 0 , 4 ，环行匝道的计算行车速度则一般采 用3 0 - - 4 0 k m h ，并以不超过5 0 k m h 为宜。 表3 - i匝道计算行车速度( k m h ) 主线计算行车速度o d i 柏) 1 2 01 0 0 8 0 6 0 互通式立体 一级 8 0 5 07 d l o6 0 3 55 0 3 5 二级7 0 - 4 06 0 - - 3 55 0 3 04 0 3 0 交叉分级 三级 6 0 3 55 0 3 04 0 - 3 03 5 3 0 在互通式立交的型式被确定以后，匝道的设计速度也基本被确定了下来。但事实上，汽车在同 一座互通立交行驶时，不同匝道的行驶速度是大不相同的，即使在一条匝道上行驶，车速也在发生 不断的变化。所以采用单一的设计速度指标来控制某条匝道的设计是不合理的。适合特定设计速度 的匝道线形设计指标( 如平曲线半径、坡长、视距等) 往往不能满足实际行驶的要求，很可能导致 两种不良后果。一是高指标线形套用低指标速度，实际的运行速度与设计速度不一致，导致超高或 视距不足，造成安全隐患；二是受限线形套用高设计速度，如环行匝道设计速度采用6 0 k m h 或者更 高，导致绕行距离大、占地面积多、造价徒增等。 因此，实际设计中，设计人员需根据车辆实际行驶的要求正确选择匝道计算行车速度。通常情 况下，实际的最小运行速度取决于匝道最受限定的元素，一般为最小半径的平曲线，而这个最小运 行速度可以作为该匝道的设计车速。在设计速度选用时，可先根据主线设计速度和互通式立交类别 大体上确定一个取值范围，再根据匝道形式及可能达到的运行速度进行选择( 如图3 一1 ) 【9 】。这样选 择的结果是，同一座且通式立交的不同匝道，可能就有不同的设计速度。无论如何选择，还应注意 到匝道具有两端运行速度变化较人的特点，在线形设计时应予以充分考虑总结如- f ： 1 、右转弯匝道宜采用上限或中间值； 2 ，环形匝道宜采用下限值： 3 、定向连接匝道宜采_ 【f j 上限或接近上限值； 4 、接近收费站或一般公路的匝道末段，计算行车速度可酌情降低； 8 第三章互通式立体交叉匝道安全设计 5 ，驶出匝道分流端的计算行车速度不得小于主线计算行车速度的5 0 _ 6 0 ： 6 、驶入匝道与加速车道连接处的计算行车速度应保证车辆驶至加速车道末端的速度能达到主 线计算行车速度的7 0 0 e ； 7 、交通量丈的匝道设计车速应酌情提高 直接式匝道半定向匝道 环行匝道 匝道类型 标准型变化型标准型变化型标准型变化型 6 0 一8 05 0 - - 6 06 0 - 8 04 0 击o4 04 0 互通 i k i 卜 il瓜 l h i 卜 立交 立交 类型 枢纽l i i 1i r ii l 及其 4 0 - 4 04 0 - 6 04 0 - 6 03 0 - 4 03 0 - - 4 0 设计 kl 卜 、i h | | 车速 一般 h 互通 il i| 立交 ij il 图3 - 1 根据匝道具体型式确定设计速度取值范围 3 1 3 运行速度控制线形设计 立交匝道之所以是交通事故发生多的地方，其主要原因之一是匝道上的运行速度变化频繁。车 辆进入立交区，从主线驶入减速车道，再剑匝道正常路段，再驶入加速乍道最后驶入主线，其行驶 速度是在不断变化的。而公路路线设计规范( m0 1 1 - 9 4 ) 仅对分流点的行驶速度作了具体明确 的规定，“驶入匝道的分流点应具有较大的曲率半径，并使曲率变化适应行驶速度的变化州”，对合 流点、收费区附近以及某种具体形式匝道的设计车速并未作具体要求。因此，应从安全角度出发， 采取灵活的设计手法，根据可能的运行状况设计出与之相应的匝道线形，以及相适应的平、纵面指 标。如此不仅可以很好地控制立交规模。适应地形等控制条件。减少用地并节约造价，且能保证满足 行驶功能和安全。 出口匝道是需要重点关注的地方。设计者往往只将注意力放到减速车道设计长度是否满足规范 的规定值。但来自士线车辆的速度在到达出口端部的时候往往并末完全降低到匝道的设计速度，特 别当匝道设计速度与主线设计速度相差较大的时候，减速过程会延续到出口端部以后。因此对减速 过程的考虑应是从减速车道起点到受设计速度控制的匝道平曲线起点的全路段，且应以实际可能的 运行速度控制匝道线形。 收费站附近也是需要特别考虑的地方。收费站前后的车辆处于减速至停车或起步加速的运行状 态，因此其前后线形不必按照匝道设计速度进行控制，应根据其运行速度的变化情况设置平纵线形 和超高。当收费广场位于低处时，其前后路线纵坡最好能小于规范所规定的最大值。 此外，右转弯匝道也是设计中比较容易被忽视的部分。某些设计者可能会按照与左转弯匝道一 样的较小的设计速度进行控制设计，但对于苜蓿叶等立交形式，右转弯匝道一般比环行匝道等有更 好的平面线形，因而其运行速度较高在此情况下。应根据实际可能达到的运行速度调整线形设计 及超高、视距等等。 3 1 4 运行速度的一致性 平面线形设计中除了要考虑根据运行速度来控制外，还要考虑运行速度的一致性。有关研究表 明大量道路交通事故是由相邻路段较人的运行车速差导致，当相邻路段运行车速差超过某限值 时，路段存在运行安全隐患，而运行车速理论的核心就是通过改善相邻路段指标组合，降低容许运 行车速差，从而消除安全隐患。 有关研究显示，在道路上行驶。驾驶人是根据自己对车辆性能的了解，对前方道路线形和路况 等的直觉判断来调整车速，他们不清楚也不必清楚行驶路段的设计乍速。运行车速理论的核心止是 从这种实际行驶状态出发，针对不同车型，通过降低相邻路段的容许速度差，也即通过相邻路段所 9 东南大学硕士学位论文 能提供的不同容许速度的级差控制，达到线形协调、消除安全隐患的目的【，j 。 运行速度的一致性体现为相邻单元路段的运行速度差和运行速度阶梯要小于一定的临界值。瑞 士的设计控制原贝0 要求，两相邻路段小客车运行车速之差不应超过2 0 k m h ，当路段运行车速小于 7 0 k m h 时，差值不得大于l o k m h ；澳人利亚的设计控制原则要求，两相邻路段运行车速之差不宜超 过l o k m h ，并与驶入曲线速度有关，驶入速度越高，要求越严格( 若驶入速度为9 0 k m h ，运行车速 差需小于5 k i n h ) ：美国l e i s c h 提出的设计控制原则采用l o m i l e h ( 约合1 6 k m h ) 。综合上述情况， 我国建议相邻路段的运行速度差和运行速度梯度指标为：小客车运行速度差不超过2 0 k m h ，小客车 运行速度梯度不超过1 0 ( k m h ) l o o m ，大货车运行速度差不超过1 5 k m h ，大货车运行速度梯度要 求更严格，一般不超过6 ( k n v h ) l o o m l 9 3 2 匝道圆曲线单元安全设计 3 2 1 匝道圆曲线最小半径值 公路路线设计规范( y r j0 1 1 - 9 4 ) 规定：“匝道的圆曲线最小半径应根据匝道的计算行车速度， 选用大于表3 - 2 规定的匝道圆曲线半径一般值，只有当受到地形条件或其他特殊情况限制时，方可 采用低限值嘲。” 表3 - 2匝道圆曲线最小半径 匝道计算笮：车速度( 1 d 删吣 8 06 05 04 03 53 0 圆曲线最 一般值 2 8 01 5 01 0 0 6 0 4 03 0 小半径( m ) 极限值 2 3 01 2 08 04 53 52 5 在互通式立体交叉的设计中，平曲线半径直接影响着匝道的形式、用地、规模、造价、安全、 舒适性等。一些国家的统计表明，道路交通事故相对数与平曲线半径之间有明显的关系。其中，圆 曲线单元的最小- # 径值是影响平曲线、# 径的直接冈素。 以沪宁高速公路南京连接线中山门立交为例( 如图3 - 2 ) ，该立交由于原有小回转匝道半径较小， 加上纵坡较大，交通较为复杂，交通事故屡见不鲜。针对这种情况，该立交于今年进行了改造，调 整匝道平面线形，设置较大的平曲线半径，并在圆曲线处设置相应的超高及加宽，以减少交通事故， 适应较大的交通要求。 幽3 2 改造前中山i 】立交匝道 小半径圆曲线之所以成为行车不安全之地，是因为在这种曲线上，一来驾驶操作难度大，需要 驾驶员具备熟练的驾车技术和高度的注意力；二来存在与车速的平方成正比的离心力，超高设置不 当、雨雪天气排水不及时、路面湿滑甚至结冰等都可能造成严重的安全事故；三来很多车辆在匝道 上行驶时速度往往具备比设计车速更高的速度，特别是高速公路互通式立体交叉，车辆从减速车道 上下来，还不能完全从高速行驶的状态反应过来。 圆曲线最小半径值的计算戍保证车辆在曲线上行驶时，所产生的离心力和路面超高所产生的横 向力相抵的合力不超过路面和轮胎之间的摩擦力，并考虑乘车人员是否舒适而定。由汽车行驶理论 可知，汽车行驶的横向稳定性小于纵向稳定性。因此，平曲线半径最小值的计算根据汽车行驶的横 向稳定性求得”“。 1 、横向力系数 汽车在曲线上行驶时，横向稳定是需考虑的主要因素，横向稳定包括侧翻、侧滑以及乘客舒适 1 0 第三章互通式立体交叉匝道安全设计 程度等。横向力系数是可变的，其取值主要考虑以下三方面因素： 1 ) 汽车横向稳定 汽车横向不稳定现象主要是侧滑和侧翻。 侧滑的力学条件就是横向力大于横向摩阻力。当横向