（道路与铁道工程专业论文）桥头立交功能及景观的研究.pdf

摘要 改革开放以来，我国的社会主义建设取得了令世人瞩目的成绩，我国的交通 基础建设用二十年左右的时间走完了发达国家四十年走过的路程。随着一座座雄 伟的大桥拔地而起，越来越多的桥头立交桥也呈现在人们的眼前。 所谓桥头立交，是指在跨江大桥的桥头附近，大桥与岸边的道路立体交叉， 通过匝道把大桥引道与相交道路联系起来，立交布设受桥梁及河岸限制或影响。 目前国内外的研究工作者将桥头立交作为一种特殊立交研究较少，桥头立交区位 独特，构成复杂，环境特殊，已形成一个具有特殊功能的大型交通建筑物，成为 不少跨江、跨河桥梁的重要组成部分。因此，本文在总结成功经验的基础上对桥 头立交的特征、功能、安全性评价等方面进行了深入的研究。 桥头立交区位独特，构成复杂，环境特殊，其特征有：平面布局的局限性； 竖向设计的制约性；匝道布设的灵活性；综合设计的复杂性。 桥头立交既是道路、桥梁的一个组成部分，又是一个庞大的江岸建筑物，在 使用上应具有多功能性，其主要功能有：转向功能；展线功能；景观功能；服务 功能。 关键字：桥头立交特征功能景观分析研究 a b s t r a c t s i n c er e f o r ma n do p e n i n gu p ，c h i n a ss o c i a l i s tc o n s t r u c t i o nh a sa c h i e v e dr e s u l t s t h a th a v ea t t r a c t e dw o r l d w i d ea t t e n t i o n ，c h i n a st r a n s p o r ti n f r a s t r u c t u r eb y2 0y e a r so r s oe q u i v a l e n tt h a to ft h ed e v e l o p e dc o u n t r i e sb y4 0y e a r s w i t hn e wm a g n i f i c e n ti n t b r i d g e ss p r o u t e d ，m o r ea n dm o r ei n t e r c h a n g e sa tb r i d g eh e a dh a v eb e e ns h o w n i n p e o p l e se y e s t h es o - c a l l e di n t e r c h a n g e sa tb r i d g eh e a di st h a tt h eb r i d g ec r o s s i n gt h er i v e r b r i d g ei nt h ev i c i n i t yo ft h eb r i d g ea n dt h ee d g eo f t h er o a di n t e r c h a n g e ，t h r o u g ht h e r a m pb r i d g ea p p r o a c hr o a di n t e r s e c t i o na n dr o a dl i n k s ，b r i d g e sa n di n t e r c h a n g e e m p l a c e db yt h er i p a r i a nr e s t r i c t i o n so ri n f l u e n c e r e s e a r c ho nw o r k e r sa th o m ea n d a b r o a dw i l li n t e r c h a n g eb r i d g eo v e r p a s s ，a sas p e c i a ls t u d yl e s s ，i n t e r c h a n g e sa t b r i d g eh e a di su n i q u el o c a t i o n ，ac o m p l e x ，s p e c i a lc i r c u m s t a n c e s ，a n dh a sf o r m e di ti s af u n c t i o no fam a j o rt r a n s p o r tb u i l d i n g s ，al o to fc r o s s i n gt h er i v e r , c r o s s i n ga n i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h eb r i d g e s o ，i ns u m m i n gu ps u c c e s s f u le x p e r i e n c eo ft h i s o nt h eb a s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb r i d g ei n t e r c h a n g e ，f u n c t i o n s ，s u c ha ss a f e t y e v a l u a t i o nc a r r i e do u ti n d e p t hs t u d i e s t h el o c a t i o no fi n t e r c h a n g e sa tb r i d g eh e a di su n i q u e ，ac o m p l e x ，s p e c i a l c i r c u m s t a n c e s ，i t sf e a t u r e s ：p l a n el a y o u to ft h el i m i t a t i o n s o fv e r t i c a l d e s i g n c o n s t r a i n t s ；r a m pl a i df l e x i b i l i t y , c o m p r e h e n s i v ed e s i g nc o m p l e x i t y i n t e r c h a n g e sa tb r i d g eh e a di sp a r to fr o a d s ，b r i d g e s ，a n da l s oi sah u g eb a n k b u i l d i n g s ，s oi t i sm u l t i f u n c t i o n a l ，i t sm a i nf u n c t i o n sa te ：t of u n c t i o n ；e x t e n d e d f u n c t i o n s ；l a n d s c a p ef u n c t i o n ；s e r v i c e s k e y w o r d s ：i n t e r c h a n g e sa tb r i d g eh e a d ；c h a r a c t e r i s t i c s ；f u n c t i o n ； l a n d s c a p e ：a n a l y s i s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：焉辰生 日期：2o og 年3 月 3f 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：禹辰生 指导教师签名：扣蓉扔 日期：2 口。痔 3 月3f 日日期：力呓年月厶 日 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 改革开放以来，我国的社会主义建设取得了令世人瞩目的成绩，我国的公路 建设用二十年左右的时间走完了发达国家四十年走过的路程。一座座雄伟壮观的 新桥不断地飞架在祖国的大江南北。由于设计水平和架桥技术的提高，现在的大 桥，跨度更大，桥跨更高。而现在的车流量也更大了，路网也更密了，雄伟壮观 的大桥在桥头与岸边的道路交叉就需要建设者们修建出功能强大的桥头立交桥 来满足交通的需求。 广大的土木工程设计师们借鉴普通的立交桥，已经摸索着设计了一些桥头立 交桥，并且积累了很多关于设计桥头立交的成功经验。在平原地区，地形对于修 建桥头立交的限制可以忽略不计，主要考虑克服桥与相交道路的高差及桥头地段 原有建筑的限制。然而在山岭地区，复杂多变的地形则是修建桥头立交主要的限 制性因素之一，重庆在这方面就是很有代表性。重庆的地貌结构复杂，山区中喀 斯特地貌分布较广，形成石林、漏斗、溶洞、暗河、天坑、地缝等景观，全市以 山地为主，中低山、高中丘分布最广，低丘、平坝及台地较少，在这种情况下修 建桥头立交就需要设计者们考虑好如何顺应自然利用地形，以减少工程量，节省 投资，并保护好自然环境。重庆在桥头立交的建设方面取得了很多骄人的成绩和 宝贵的成功经验，本文将对此进行分析与总结。 目前，国内外的研究工作者将桥头立交作为一种特殊立交研究得较少，桥头 立交区位独特，构成复杂，环境特殊，形成了一个具有特殊功能的大型交通建筑 物，成为不少跨江、跨河桥梁的重要组成部分。因此，很有必要在总结经验的基 础上对桥头立交进行深入的研究。 1 2 研究的目的和意义 目前，国内外的研究工作者将桥头立交作为一种特殊立交研究得较少。随着 交通的发展，人们对桥头立交的需求量越来越多，对桥头立交的要求也越来越高， 广大的土木工程设计师们借鉴普通的立交桥，已经摸索着设计了一些桥头立交 桥，并且积累了很多关于桥头立交设计的成功经验，所以很有必要对这些宝贵的 经验进行归纳总结，为以后的桥头立交的修建提供参考和借鉴。 绝大多数的桥头立交桥坐落于城市，主要是因为城市的空间拥挤、道路密集、 第一章绪论 2 交通量巨大，这就要求城市里跨江大桥的桥头要拥有功能性很强的立交桥来完成 沟通桥头各道路与主桥的任务，在有限的区域空间内要完成各个方向的交通转 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，桥 头立交的技术指标往往较低，而当几个低限指标组合不当时，所构成的线形可能 造成运行条件更为复杂。这些复杂的因素导致桥头立交成为交通事故的多发地， 因此，在掌握桥头立交特征与功能的基础上非常有必要对桥头立交的安全性进行 研究，以指导将来修建出更多更安全的桥头立交。 桥头立交是城市景观设置可塑性最强的部位，也是城市景观结构中重要的组 成部分之一。由于立交构造的庞大，对区域景观影响很大，特别是在城市中这一 影响尤为突出。因此，桥头立交景观设计已成为了立交规划设计的重要课题。在 国内一些城市，甚至还用大型立交来显示其市政建设的成就，作为城市的重要窗 口和标志，形成现代城市的重要景观设施。因此，对桥头立交的景观问题进行研 究对将来进一步提升其美学的功能具有深远的意义。 1 3 国内外研究现状 随着我国交通建设步伐的不断加快，交通建设的设计理念在不断提升，质量 要求在不断提高；2 0 世纪5 0 , - - , 6 0 年代公路设计仅满足通车需要，而随着我国道 路交通事故率的逐年上升，道路安全问题日益引起重视。安全是公路设计的首要 原则，交通部组织的公路勘察设计典型示范工程活动中，提出了“安全、环保、 舒适、和谐 的设计理念，始终将安全原则放在第一位。 线形设计是公路设计核心，它最终决定了公路的空间位置以及公路在驾驶员 视觉中的反映。速度是公路设计时确定其几何线形的最关键参数，它控制着公路 几何设计的主要参数，直接影响到公路设施的营运安全。国际上一般采用两种不 同的设计车速：一种是澳大利亚等大多数国家采用的运行车速，另一种是包括我 国在内的少数国家采用的计算行车速度。运行车速是指在特定路段上车辆的实际 行驶速度；计算行车速度是指在行车条件良好，公路设计特征均起控制作用的情 况下，所能保持的最高安全速度。两者的区别在于：运行车速是车辆的实际行驶 速度，计算行车速度为用来确定公路设计参数的一个规定车速。运行速度在设计 和评价线形的优点越来越显著，我国开始要求用运行速度平价立交桥的线形安全 了。 运行速度可采用实测或估算两种方式获得，对于现有公路采用实测的方法在 现场实际测量运行速度的大小，但对于拟建公路却无法量测，目前国内外常用的 第一章绪论 3 方法是建立运行速度预测模型，从而估算出运行速度的数值： 基于平面和横断面的运行速度预测模型 平面与车速的关系以及横断面与车速的关系，目前我国还处于研究阶段。结 合国内的实际情况，引入德国的研究方法，建立平面的曲度、横断面的路面宽度 与行驶速度的关系，直接查图即可得到行驶速度。横断面对车速的影响，主要是 行车道宽度对驾驶员心理方面的影响，行车道越窄，车速越低，其规律如图1 1 所示。 曲度是指路线累计偏角，用公式表示为k ：_ e l 口, l l 式中：k 为曲度( 度公里) ； a ；为任一时刻曲线的偏角( 度) l 为路线长度( 公里) 。 曲度k ( 度公里) 图1 1曲度、路面宽度与行驶速度图 基于竖曲线的运行速度预测模型 1 9 9 7 年，f a m b r o 博士曾对4 2 个竖曲线车速数据进行了分析，建立了竖曲线的 车速模型。方程如下：k 行= 7 2 7 4 + 0 4 7 v 计算。该模型可以较准确的预测路肩宽度 小于1 8 m 时车辆的运行车速，但也存在着不足。 近期，d a n i e lr j e s s e n 等学者收集了某公路上7 0 个竖曲线的车速数据。研 究发现公路里程、竖曲线坡度、道路两侧护栏、平曲线半径、桥梁与涵洞、交叉 口、交通控制与管理、车道宽、路面、交通流和计算行车速度等因素均对运行车 第一章绪论 4 速产生潜在影响。为了简化模型，将对车速影响较大的竖曲线坡度、交通量纳入 模型，从而重新诠释了竖曲线运行车速的特征，方程如下： v 畸= 7 3 9 + 0 4 0 0 v 计算0 12 4 9 0 0 014 3 t , , , 式中：g - 竖曲线坡度( ) ： t 4 平均日交通量。 近年来，受厄尔尼诺现象的影响，全球的气候经常出现异常，灾害性天气显 著增加，我们在进行交通建设时要考虑到应对突发性灾害天气的影响，使交通建 筑与设施能够经受灾害性天气的考验，以保证最大限度的交通安全。道路天气问 题以及在各种天气下的行车安全问题在上世纪8 0 年代初期首先引起了欧洲各国 的重视。1 9 8 4 年在荷兰举行的国际道路天气会议上，来自1 3 个国家的专家们就 已经明确提出了开展道路气象技术研究的紧迫性和国际合作的必要性。1 9 8 5 年2 月，第一个国际性交通气象组织欧洲交通气象委员会在哥本哈根建立， 1 9 9 2 年更名为国际交通气象委员会。 目前，国外发达国家都在陆续建立不同形式的公路气象服务系统，如道路 气象信息系统，一些国家的交通机构把道路气象信息系统与他们自己的智能交通 系统进行整合，通过获取更多的气象信息来提高自己的交通管理水平。我国在公 路气象方面的研究起步较晚，与国际先进水平差距很大，至今尚未加入国际交 通气象委员会。为了促进我国在公路气象相关方面的技术研究，2 0 0 3 年我国组 织召开了“国际公路气象与气候研讨会 ，对灾害性天气监测、预警和预报等问 题进行了探讨。 我国近几年也开展了一些交通气象方面的研究，在天气与气候对于交通的 影响分析方面积累了一些经验。张清、黄朝迎综合研究了我国交通运输气候灾害 的特点、类型、分布及其影响，列举了各种气候灾害对公路、铁路、水运、民航 交通的影响，从宏观角度提出了气候对交通运输产生直接影响和间接影响的两 种途径：直接影响表现为气候异常变化可直接损坏交通设施和调度指挥系统， 导致交通中断或瘫痪，更为重要的是气候异常变化对路面、路基的影响；间接影 响表现为气候变化通过影响矿物燃料使用、农产品重新分布、旅游及区域发展等， 影响经济活动、人口流动，最终使交通系统改变。针对暴雨洪水灾害对公路交通 的影响，黄朝迎、张清分析了暴雨洪水对公路交通的影响特点及类型，建立了公 路路基水毁成度与受涝、成灾面积的统计模型。蒋燕分析了气象环境对高速公路 运行所造成的影响，并针对上海的气候特征和高速公路的实际情况，讨论了减 少高速公路气象灾害事故的应对措施。李盾等研究了武汉地区雾的天气特征，利 第一章绪论 用武汉的交通运输量及交通事故的资料，估算了雾对武汉地区交通安全所造成 的损失。孟燕军等对北京地区高速公路能见度天气特征进行了分析。张振维等进 行了沈大高速公路沿线气象因子特征研究。周石斫等分析了公路雪冰的基本特征， 根据日本冰雪灾害防治的实践经验，提出了公路雪冰灾害防治对策。刘健等详细 论证了公路雪崩危险度评价的特征、操作性评价程序和方法。邱红斌对宜黄高速 公路通信网雷击灾害进行了防雷对策研究。赵梓城对高速公路监控机房雷击损害 风险进行评估，探讨了防御雷击的对策。我国西部地区天气条件恶劣，风沙等灾 害性天气对于交通影响较大，因此一些文献对于高速公路的大风、沙尘暴等灾害 性天气也进行了很多研究。 随着生活水平的不断提高，人民群众对周围环境的景观要求也越来越高。道 路立交是高速行驶的车流顺畅、安全地通过交叉路口的重要设施，与人民生活和 经济发展有着密切的关系，往往会成为一个城市的景点，是人的审美客体，而 且规模巨大、使用长久、位置醒目、难于建设，并且具有开放性，可看作是人类 社会文明发展的标志。早在1 9 0 7 年，美国开始组织道路工程师和园林建筑师协 作设计道路景观，主要是在现场勘察中考虑道路线形与地貌的配合，保护和利用 沿线景物；德国自从2 0 世纪3 0 年代开始修筑高速公路以来，十分注重研究道路 与周围景观的协调问题，并且在公路工程的实践中逐渐形成系统的道路线形理 论；美国在道路工程实践中，提出公路美学理论。1 9 4 1 年，英国工程师协会通 过了一项正式决议：“美学处理，必须是土木工程师的职责范围 ；1 9 6 5 年，美 国通过了道路美化条例；日本在1 9 7 6 年制定了公路绿化技术规范，并且 随着栽植技术的发展和先进设备的研制，在1 9 8 8 年又对该规范进行了修订；原 苏联在1 9 7 5 年制定了公路建筑和景观设计规范等。目前，在道路景观学研 究领域，日本十分注重研究开发道路高新绿化技术。日本制定了公路绿化技术 五年计划，其中包括了特殊空间绿化技术、植被恢复技术、公路边坡绿 化技术、景观仿真技术；在群体绿化方面，制定了园林式绿化技术开发计划， 包括了立体绿化技术、生态环境空间形成技术、林木疾病的科学诊断技术、 循环剪枝技术等绿化新技术。现在许多研究成果己在推广应用之中。 欧美等国家在道路规划设计当中，往往集中主要力量去研究开发和保护自然 资源的审美主题，以期给道路使用者提供一个赏心悦目的经历。他们主要的做法 是将道路融合到周围环境，充分利用自然环境的景观，力求将公路建设的视觉冲 击对周围环境的影响降到最低；加强对自然资源的保护，加强环境生态保护；利 用周围景观资源为道路使用者提供有兴趣的视点。美国对高速公路景观环境详细 设计主要体现在下面几个方面：( 1 ) 高速公路美学设计；( 2 ) 防噪音设计；( 3 ) 第一章绪论 6 防水污染设计；( 4 ) 施工期间污染控制设计；( 5 ) 恢复被破坏的天然生态的风景 资源。总之，世界上许多国家，在公路工程技术标准、设计和施工规范中，都有 关于公路景观设计、绿化和美化方面的技术规定，他们的公路绿化美化技术已经 相当成熟。 我国在改革开放初期，就十分重视由道路工程所引起的环境和生态问题。 1 9 8 3 年，我国交通部制定颁布了公路标准化美化标准，要求道路畅通、整洁、 绿化、美化，道路景物交叉协调，构成流畅、安全、舒适、优美的道路环境。在 我国己建成通车的2 万多公里高速公路中，在公路景观美化方面曾做了一些尝 试，积累了宝贵的经验。道路绿化技术方面，1 9 9 8 年引进了液压喷播技术，在 南京长江二桥高速公路、宁马高速公路及沪宁高速公路的边坡植被改造试验中获 得了成功。 互通式立交的景观设计不是孤立地对某一景观元素进行设计，要根据互通式 立交的区域性空间特征，综合考虑立交功能、安全要求、立交与周围环境的协调 等因素，通过互通式立交造型、桥梁造型和土方工程，形成连续、自然的视觉空 间；通过美化绿化，增强人文景观与自然景观的和谐统一。既营造出与天然环境 相融合的自然景观，又提高互通式立交的安全效能。 1 4 本文的主要研究内容 改革开放以来，我国的交通基础建设飞速发展，一座又一座雄伟壮观的新桥 不断地飞架在祖国的大江南北。由于设计水平和架桥技术的提高，现在我们可以 修建出桥跨更高的大桥。而现在的路网更密了，车流量也更大了，大桥在桥头与 岸边的道路交叉就需要建设者们修建功能强大的桥头立交桥来满足交通的需求。 目前，国内外的研究工作者将桥头立交作为一种特殊立交研究得较少，但是广大 的土木工程设计师们借鉴普通的立交桥，已经摸索着设计了一些桥头立交桥，并 且积累了很多关于桥头立交的成功经验。笔者将参考已经建成的桥头立交对桥头 立交的特点和功能进行分析。 随着我国道路交通事故率的逐年上升，道路安全问题日益引起重视。安全是 公路设计的首要原则，交通部组织的公路勘察设计典型示范工程活动中，提出了 “安全、环保、舒适、和谐 的设计理念，始终将安全原则放在第一位。本文也 将对桥头立交的安全问题进行探讨。 随着生活水平的不断提高，人们对周围环境的景观要求也越来越高。道路立 交是高速行驶的车流顺畅、安全地通过交叉路口的重要设施，与人民生活和经济 发展有着密切的关系，往往会成为一个城市的景点，而且规模巨大、使用长久、 位置醒目、难于建设，并具有开放性，可看作是人类社会文明发展的标志。本文 第一章绪论 7 将对桥头立交的景观进行分析与探讨。 重庆是西南地区和长江上游最大的工业城市，是西部地区唯一具有水陆空三 位一体交通条件的枢纽城市。重庆直辖十年以来，桥梁建设飞速发展，在桥头立 交的建设方面获得了很多宝贵的成功经验，本文将对这些经验进行分析与总结。 1 5 研究方法及实施方案 图1 2 论文框架 通过阅读大量的参考文献，掌握该项目当前的研究现状和存在的技术问题。 对桥头立交设计资料进行收集，总结设计中的问题。实地考察重庆的桥头立交， 总结该地区桥头立交的成功经验与不足。收集国外同类问题的技术对策及经验。 结合课题山区特殊条件下立交形式的研究作为参考。在综合、分析的基础上， 总结出桥头立交功能和景观的规律，论文的框架如图1 2 所示。 第二章桥头立交的定义及特殊性分析 2 1定义 第二章桥头立交的定义及特殊性分析 所谓桥头立交，是指在跨江大桥的桥头附近，大桥引道与岸边的道路立体交 叉，通过匝道把大桥引道与相交道路联系起来，匝道及桥跨布设受主桥及河岸限 制或影响的互通式立体交叉。 2 2 桥头立交的主要特点 2 2 1 平面布设的局限性 桥头立交绝大多数修建在城市里，与一般立交的布设相比，桥头立交由于受 桥头接线、桥面标高、河岸坡度、地形、地质以及桥头地段已有建筑等因素的限 制和影响，在平面布置上具有很大的局限性。这些约束条件主要体现在建设用地 较小、地形坡度较大、工程量大、水文、地质复杂等方面。特别是在岸坡较陡且 建设用地很有限的桥头，就要求在立交布设时应充分利用有限的用地范围，结合 地形条件，合理选择立交类型，灵活机动地布置立交匝道。 图2 1重庆长江大桥北桥头石板坡立交 例如，图2 1 是笔者在重庆长江大桥北桥头面对石板坡立交拍摄的照片，离 第二章桥头立交的定义及特殊性分析 9 桥头不远处就是山地，在图中还可看到山脚处的隧道出口。从图中可见，驶出主 桥的车辆通过隧道出口前的半直接式匝道桥实现左转弯。石板坡立交的岸坡陡峻， 用地狭窄( 仅为长约3 0 0m 、宽8 0 - - 1 0 0m 的狭长地带) ，南面受长江河岸限制，北 端受黄石隧道洞口的影响。该立交采用东西主线分离，左转以较迂回的半定向型 匝道为主利用分离主线的分隔地带布设匝道，结构紧凑，布线灵活，协调环境，用 地较省，取得了较好的效果。 2 2 2 竖向设计的制约性 在平原地区，由于通航净空的要求，一般主桥较高，但是与主桥相交的岸边道 路由于仅受洪水控制，一般位置比较低，这使得在平原地区桥梁与相交道路之间 往往存在着较大的高差，有时高差可达2 0 - - - 3 0 米。 在山岭地区，由于主桥两岸的地形复杂，使得这个地区的桥头有时主桥比相 交道路高，有时主桥比相交道路低，而主桥与相交道路的高差较小的情况也不多 见。 大桥在桥头与相交道路所存在的的高差，往往构成了桥头立交竖向设计的主 要制约条件，巨大的高差使立交匝道桥跨增多，路线绕行增长，立交工程造价增 加。因此，如何布设展线匝道，使主桥在桥头与相交道路合理衔接，取得协调一 致的效果，是桥头立交竖向设计的重要任务。 2 2 3 匝道布设的灵活性 桥头立交布设不仅要满足转向、跨越、展线、连接及综合服务的多功能要求， 而且要适应桥头路线、主桥、岸坡、地面建筑等复杂多变的条件，要求匝道在平 面及竖向布设必须因地制宜，机动灵活，特别是河流占去了桥头立交布设的两个 象限，可供桥头立交布设的只有岸坡的两个象限，这就要求匝道布设应更加灵活、 有效地利用有限的场地进行布设，体现灵活性的特征。 2 2 4 综合设计的复杂性 由于绝大多数桥头立交坐落于城市里，再加上桥头立交要具有多功能性，这 就决定了桥头立交设计的复杂性。主桥与立交匝道桥接头处的设计，匝道小半径 曲线桥的设计，多层匝道墩位的布设，立交总体布设与主桥的协调，桥头广场、 桥头建筑、桥头设施的设计都成为桥头立交设计的难点。如图2 2 ，是上海南浦 大桥桥头立交，采用螺旋展线，从地面到桥面共布设四层匝道，平面、竖向设计 第二章桥头立交的定义及特殊性分析 1 0 以及墩位布设都很困难，加之绿化、停车场、公用及休闲设施的布设，使立交设 计难度加大，具有综合设计的复杂性，成为桥头立交的典型示例。 图2 2 上海南浦大桥 2 3 桥头立交安全性分析 2 3 1 桥头立交容易存在交通事故黑点 交通事故的分布既有时间性，又有空间性。交通事故的空间性分布又有分散 性和密集性两种。其中，交通事故密集分布的路段或交叉口通常称为交通事故多 发段或交通事故多发点，并统称为交通事故黑点。这类地点的交通事故发生率高， 经常给交通运输带来的损失巨大。 桥头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 间内要完成各个方向的交通转换，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，桥头立交的技术指标往往较低，而当几个低限指标组 合不当时，所构成的线形可能造成运行条件更为复杂。这些复杂的因素导致桥头 立交成为交通事故的多发地，因此桥头立交很容易存在交通事故黑点。 图2 3 是重庆嘉陵江黄花园大桥，该桥与重庆长江大桥之间只隔了一条隧 道，即黄花园大桥南桥头的黄花园立交与重庆长江大桥北桥头的石板坡立交之间 由石黄隧道紧紧联系起来。由于受到地形的限制，石黄隧道与南北两个桥头立交 都很近，已经融合在两个桥头立交的体系之中。这种组合形式极具山城特色，但 也很容易出现交通事故黑点，因此这个地段的设计和运营管理都采取了很多措施 第二章桥头立交的定义及特殊性分析 来避免黑点的出现，图2 4 是笔者在黄花园大桥面向黄花园立交拍摄的照片，从 照片中可以看到紧接黄花园立交的隧道出、入口坡面采用灰暗的色调，这主要是 为进隧道的司机考虑的，入口坡面的灰暗色调与隧道里面的黑暗差别小，有利于 司机在白天进隧道之前能够及时做好由明到暗的准备。图2 5 是笔者在黄花园 图2 3 重庆黄花园大桥图2 4 黄花园大桥南桥头 蠢! i | | 。i _ ，_ k 譬。篓 。，一0 叠墨。_ | 讧 每0 - * ：l i ，p - 一 o i 厶 ，。 i 每 矿一 j _ 藏 匏簧臻嘲 警船氏1 薹j 堋 一叶r 1 1 _ r影 图2 5 黄花园大桥南桥头隧道入口 立交旁边拍摄的隧道入口的照片，该照片与图2 4 的拍摄间隔在半小时之内，从 两图可见，大桥上的车辆非常密集，而隧道入口处的车辆较少，这是因为有一部 分车辆在桥头立交处通过匝道驶向了其他地方。从图2 5 中还可以看到在隧道入 口前有一个公共汽车站，在车站的附近还有匝道的出口，这是比较危险的，这样 设置车站也确实是为了方便群众乘车，也算是没有办法的办法，这个车站也应该 蒸 图 第二章桥头立交的定义及特殊性分析 1 2 引起交管部门的高度重视。 2 3 2 桥头立交容易出现的安全误区 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，设计者忽略了运行过程中驾驶人生理、心理方面的感受以及车辆的行驶动力 特性等。桥头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。具体体现在桥头立交设计中的主要安全误区有： 流出点不明确 在凸形竖曲线项部设置出口最容易产生流出点不明确的问题。由于视距不 良，当驾驶人接近出口时，不能提早看见出口部分的构造及匝道走向，如果减速 车道同时又是平行式时，则更不能自如、有效地利用减速车道长度和有效控制方 向，从而导致交通事故； 流入点不明确 首先是匝道的流入点不明确，其次是桥头立交的合流点不明确。由于几何设 计或标线设置等方面的原因，导致合流点路段过短或合流点不明确，致使驾驶人 迷茫而使运行效率下降。特别对于双车道加速车道，如果连接部设置不当或标线 划分使车道不明，在外侧车道上最容易产生此种情况； 不自然的分、合流形式 左侧分合流不符合驾驶人的驾驶习惯且能见范围小，导致不自然的交通运 行，这也是左侧分合流具有较高事故率的原因； 速度急剧变化 许多流出匝道的几何线形变化急剧，造成运行速度突变，超出了驾驶人所期 待和所能接受的程度； 能见范围不够 许多设计不能提供足够的能见范围，导致驾驶人不能正确判断线形变化和交 通状况并进行相应操作。如前方上坡的拱顶后有复杂的线形变化，驾驶人在分流 前看不清出口，在合流前难以清楚地看到正在合流的交通状况等。一个典型的例 子是，当完全苜蓿叶互通立交出入交通量较大时，在凸形竖曲线交织段附近难以 及时发现出口； 令人困惑的几何线形 有很多平面交叉和匝道连接部，从图纸上看渠化水平是较高的，但从车里看 去，驾驶人对方向和线形的变化却是迷惘的； 第二章桥头立交的定义及特殊性分析 多个连续的出口 连续的多个出口，导致信息繁杂，驾驶人判别困难，从而极易出现误行现象； 超出驾驶人能力的“负荷 有些流入匝道需要驾驶人通过从侧面车窗看出去，以寻找主线车流中的可插 车间隙。一方面要力图看清主线交通状况，另一方面又要驾车通过复合曲线、超 高和三角区段等，然后再流入到主线路上。这些超负荷的任务，使驾驶人很难在 短时间内有效地完成。 2 3 3 用运行速度评价桥头立交匝道的安全性 随着社会的发展和道路交通日趋现代化，桥头立交的设计理念发生了根本性 的变化。早期的桥头立交强调一节省 ，造价低是当时设计者追求的主要目标。 现代桥头立交强调的则是“以人为本 ，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。体现在设计中则是对 包括安全、环境、功能、用地和成本等多因素的综合考虑和更为灵活的设计手法。 桥头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 间内要完成各个方向的交通转换，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，桥头立交的技术指标往往较低，而当几个低限指标组 合不当时，所构成的线形可能造成运行条件更为复杂。这些复杂的因素导致桥头 立交成为交通事故的多发地。因此，桥头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限制内使桥头立交达到最高的安全 水平。 桥头立交的匝道是交通事故发生较多的地方，且流出匝道事故率远大于流入 匝道的事故率。其主要原因之一是匝道上的运行速度变化频繁，而线形与之不相 适应。因此，匝道线形的设计仅仅满足规范所规定的指标要求还远远不够，应从 安全出发，采取灵活的设计手法，根据可能的运行状况设计出与之相适应的匝道 线形。在桥头立交的形式被确定以后，匝道的设计速度也基本被确定了下来，但 车辆在出、入口等路段，运行速度需在有限的距离内完成较大的变化，因此匝道 的线形设计应根据实际运行速度进行评价。 2 3 4 运行速度的定义 运行速度是指当交通处于自由流状态，且天气良好时，在路段特征点上测定 的第8 5 个百分位上的车速。 汽车在路段上行驶时的车速各异，不同的驾驶员驾驶相同的汽车运行时车速 第二章桥头立交的定义及特殊性分析 1 4 也不同，即使相同的驾驶员驾驶相同的汽车也会因驾驶员的心理状况、汽车的状 况、道路的状况而车速不同，另外货车和小客车的运行速度也是不同的。国外通 过大量的实况速度调查，选用v 黼来表示路段上的汽车实际运行速度。v 8 5 指的是在 某路段上8 5 分位车速。最1 j 8 5 的车辆所能达到的最高车速。而忽略了某一些小 客车所能达到的高速和某一些大货车所行驶的低速。 2 3 5 用运行速度评价桥头立交匝道安全性的缘由 公路条件主要是由公路线形决定的，线形设计是公路设计核心，它最终决定 了公路的空间位置以及公路在驾驶员视觉中的反映。速度是公路设计时确定其几 何线形的最关键参数，它控制着公路几何设计的主要参数，直接影响到公路设施 的营运安全。国际上一般采用两种不同的设计车速：一种是澳大利亚等大多数国 家采用的运行车速，另一种是包括我国在内的少数国家采用的计算行车速度。运 行车速是指在特定路段上车辆的实际行驶速度；计算行车速度是指在行车条件良 好，公路设计特征均起控制作用的情况下，所能保持的最高安全速度。两者的区 别在于：运行车速是车辆的实际行驶速度，计算行车速度是用来确定公路设计参 数的一个规定车速。 按照1 9 9 4 版公路路线设计规范，一条公路的计算行车速度确定后，其相 应的圆曲线半径、车道宽度、超高、加宽、纵坡、视距、竖曲线半径等设计要素 的最低指标便确定了。只要设计所采用的最小几何指标大于所选定的计算行车速 度所对应的最小几何指标，则认为该设计是符合规范要求的。近几十年来国内外 实践及研究表明：单项独立的指标符合规范要求的公路几何线形，不能有效地保 证汽车行驶的安全性。汽车在公路上行驶时，驾驶者一般是依据道路的行车条件 ( 线形几何条件、路面条件、气候条件、环境条件及交通流密度) 及车辆本身的性 能来确定自己的车速的。只要条件允许，驾驶者总是倾向于采用较高的速度行驶。 其结果是驾驶者很少按照计算行车速度行车，而是根据公路几何条件的不同采用 不同的行车速度行驶。当在指标较高的路段上以远大于计算行车速度的行驶速度 ( 感觉安全舒适的速度) 行驶后，当遇到较小指标的曲线时，驾驶者未必能够意 识到行驶速度过高或当感觉速度过高时已来不及减速或减速不够时，其结果便可 能会发生交通事故。因此，采用计算行车速度作为控制线形指标设计的道路，虽 然是满足规范要求的设计，但未必是安全的设计。运行车速设计方法就是从实际 的行驶状态出发，在设计过程中以推算的路段实际可能的行车速度来确定各项线 形设计指标。运行车速线形设计方法是国际上较为通用的一种公路路线设计方 法，在我国这种设计理念和方法正逐渐被认识和重视，但是相关的研究仍然较少。 在新的公路工程技术标准( j t g b 0 1 - - 2 0 0 3 ) 中已将运行车速的概念引人，交通 第二章桥头立交的定义及特殊性分析 部正拟编制运行速度指南，在条件成熟后正式纳入标准。公路交通的安全问 题已越来越受到人们的重视，公路设计同样要体现“以人为本”的理念。 行车速度是一个随机变量。不同的车辆在行驶过程中可能采用不同的行车速 度。研究表明，在公路路段上汽车的行车速度一般呈正态分布。通常用自由交通 流状态下各类小汽车在车速累计分布曲线上第8 5 位百分点的车辆行驶速度作为 运行速度v 8 。经过调查，驾驶者在一个路段上的自由车速通常约以0 1 4 的变化 系数分布，在百分比上限内，车速随着频率的积累而均匀提高，直至8 5 左右。 因此，以运行速度v 舫来控制设计是考虑到绝大部分小汽车的实际运行速度，保 证了交通流中大部分汽车的安全。 因此，对于桥头立交匝道，我们可以通过评价其设计速度与运行速度协调性 来作为评价其安全性的一个重要的指标。设计速度与运行速度协调性评价是对同 一路段的设计速度与运行速度的差值进行评价。同一路段是指设计速度、平纵面 技术指标及横断面相同的路段。 2 3 6 桥头立交匝道运行速度的获取 运行速度可采用实测或估算两种方式获得，对于现有桥头立交采用实测的方 法在现场实际测量运行速度的大小，但对于拟建的桥头立交却无法量测，目前国 内外常用的方法是建立运行速度预测模型，从而估算出运行速度的数值。下面介 绍一种较流行的估算方法。 桥头立交上的运行速度特征点一般包括：直线起、终点，平曲线起、终点及 曲中点，竖曲线变坡点以及流入、流出点等。运行速度的计算首先需要对整条路 线进行分段。根据曲线半径和纵坡坡度的大小可分为直线段、纵坡段、小半径曲 线段和弯坡组合段等若干个分析单元，每个单元的起、终点为预测运行速度先行 特征点。在任选一个方向进行第一次的运行速度噱；测算时，首先要推算与设计 路段衔接的相邻路段速度，作为本路段的初始运行速度，然后根据所划分的路 段类型，按直线段、纵坡段、小半径曲线段和弯坡组合段等分别进行运行速度 的测算。 初始运行速度的估算 对于桥头立交的匝道，可采用其设计速度作为初始速度。对于其它的路段 设计速度( k m h ) 6 08 01 0 01 2 0 小客车8 09 51 1 0 1 2 0 初始运行速度 大型货车 5 56 57 57 5 第二章桥头立交的定义及特殊性分析 1 6 可以根据表2 1 l d i 算各种设计速度对应的小客车和大型货车的运行速度，作为预 测路段的初始运行速度。 直线段的运行速度 对于直线或平曲线半径大于1 0 0 0 m ，且纵坡坡度小于3 的路段，可划为这种 类型。在直线段上，小客车和大货车在这种路上都有一个期望行驶速度，当初始 运行速度v o d , 于期望运行速度时就变为加速过程，直到达到稳定的期望车速后匀 速行驶。车辆经过加速而达到的期望速度( 也是该段运行速度) v l 的计算式为： m = 4 v o 。+ 2 a o l 式中：m 一车辆在直线段终点的运行速度( m s ) ； 一初始运行速度( m s ) ； 一车辆的加速度( m s 2 ) ； 一直线段的长度( m ) 。 其中，车辆在直线段上的期望运行速度v ，对于小客车取1 2 0 k m h ，对 大货车取7 5 l ( i i l h 。推荐加速度值a 。，对于小客车为0 1 5 - - 0 5 0 m s 2 ，对于大 货车为0 2 0 - - , 0 2 5 m s 2 ，一般取中间值即可。 小半径曲线段的运行速度 对于平曲线半径小于1 0 0 0 m 且纵坡坡度小于3 的路段可划为这种类型。此 时，需分别对曲线中部和曲线出口处的运行速度进行预测。根据曲线入口速度 、当前路段的曲线半径咒洲和前接曲线的半径尼诎，预测曲线中部的速度 批；然后根据曲线中部速度妣、当前路段的曲线半径k 和后续路段的曲 线半径尺砌，预测曲线出e l 处的运行速度。 表2 2 小半径平曲线上的速度预测模型 曲线连接形式平曲线模型 小客车 础= - 2 4 2 1 2 + 0 8 3 4 v i , + 5 7 2 9 1 n r 。 入口直线一曲线 大货车 妣= 一9 4 3 2 + 0 9 6 3 v j , + 1 5 2 2 1 n k 小客车 施妇= 1 2 7 7 + o 9 2 4 v , + 6 1 9 1 n 曩一一5 9 5 9 1 n 墨姒 入口曲线一曲线 大货车 妣= - 2 4 4 7 2 + 0 9 9 0 v j ：+ 3 6 2 9 1 nr 。 小客车 v o w , = 一11 9 4 6 + 0 9 0 9 触 出口曲线一曲线 大货车 = 5 2 1 7 + 0 9 2 6 舭 小客车 v 伽f = 一11 2 9 9 + 0 9 3 6 ，幽眺一2 0 6 0 1 1 n 咒。+ 5 2 0 3 1 n 冬加埘 出口曲线一曲线 大货车 v o w , = 5 8 9 9 + 0 9 2 5 龇一1 0 0 5 1 n 兄删+ o 3 2 9 1 n f 纵坡路段 第二章桥头立交的定义及特殊性分析 1 7 对于直线或平曲线半径大于1 0 0 0 m ，且纵坡坡度大于等于3 、坡长大于3 0 0 m 的路段，可划为这种类型。车辆在路段上的运行速度计算方法为： 对于小客车：当纵坡坡度i 【3 ，4 】，= 一5 l 1 0 0 0 ；当f 4 ， ，= - 8 l 1 0 0 0 ；当f 一3 ，= + l o l 5 0 0 ，直至达到期望速度略后保 持匀速。 对于大货车：当f 3 ，根据坡度和坡长查图2 6 得运行速度折减量；当 f 【一4 ，- 3 】，= + l o l 5 0 0 ，直至达到期望速度唯后保持匀速；当f 一4 ，= + 1 5l 5 0 0 ，直至达到期望速度吩后保持匀速。 燃 鞯 表2 3 弯坡组合线形下的运行速度预测模型 曲线连接形式平曲线模型 小客车 诫妇= 一3 1 6 6 9 + 0 5 7 4 v i , + 11 7 1 4 1