（道路与铁道工程专业论文）立体交叉选型及评价系统研究.pdf

东南大学硕士学位论文 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：趁日期：盟弓t jf 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沦文外，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：玉垡聋 导师签名：日期：2 o3 、j 第一章概述 第一章概述 随着国民经济的发展，我国高速公路迅猛发展，至2 0 0 4 年，超过4 万公里已建成或在建，伴随 着高等级道路建设的发展，我国公路交通建设中修建了大量的立体交叉。同时，为了缓解交通堵塞， 在不少城市的快速道路建设过程中修建了许多结构轻巧，线条流畅，设施完善的立体交叉，城市立 交的建设对缓解大城市的交通紧张起到了积极作用，尤其是修建了高架的快速及立交路避开了非机 动车和行人的干扰，效果更为显著，在国内掀起了一股修建高架路和立交的热潮。 然而，许多立交建成之初，虽然缓解了该交通枢纽点的上的交通阻塞，但运行一段时间后，很 快又成为交通瓶颈，车辆经常受阻，如上海修建的高架路，在运行一、二年后便出现频繁的交通阻 塞，尤以接坡点最为明显，出现地面的车辆上不去，高架上的车辆下不来的局面。而有些立交修建 后，其通行能力甚至不如平面信号交叉上通行能力，不得不被拆除，北京、天津等许多大城市近来 陆续炸掉了一些“问题”立交，以改善交通状况。这些问题的出现，原因有很多，但最根本的一个 原因是修建的立交与交通发展不相适应，许多城市修建立交存在一定的盲目性，仅将它视为城市交 通现代化的标志，形式上标新立异，为了所谓的p 气派”“城市现代化”，一昧追求“大手笔”、“大 立交”，甚至出现了某一个领导说了算的现象，而不从该区域路网的交通需求出发，详细分析该交叉 口交通流的特点，根据交通功能确定立交方案。因此，有必要对公路与城市中立交方案进行适当的 分析，这也使立交设计和研究工作更具有挑战性，如何使互通式立交设计的结构更轻巧，线条更流 畅，设施更完善；在立交选型研究中，如何使型式布局合理，与环境协调，符合区域交通及景观要 求等等，均是立交工程需进一步研究的问题。我们在这些方面的研究虽然已经取得了一些成绩，但 仍有不少缺陷。比如，立交型式与交通节点的交通流需求不符，在立交选型方案与评价中仍然停留 在定性讨论研究基础上。本文首先从立交的各种形式所对应的功能与作用分析入手，确定立交方案 选择中应考虑的交通条件，接着对影响立交方案的选择的关键性因素交通量的预测方法作深入分析， 找出适合立交交通量预测方法，并作立交通行能力分析，提出立交方案选型方法，最后通过成都市 十洪大道立交的实例进行评价分析，期望通过本文的分析与实践，能为今后我国立交的修建提供一 些帮助，使新建的立交既能解决个别路口的交通问题，又能解决整个道路系统的交通问题，也就是 说不仅满足当前的交通需要，而且能考虑可持续发展的需要。 1 1 国外立交研究概况 上世纪2 0 年代初，新建城市中构想采用多层空间交叉的高速快速交通系统就已在国外提出并建 成。追溯道路立体交叉的发展和演变，从构思到实现，从平面到空间，发端于城市道路，发展于高 速公路。1 9 2 5 年，德国最早开始修建公路立交，在此之后，立交发展最快，应用最广的是美国。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苜蓿叶形立交，这座立交不仅利用跨线桥将两条 主线从空间上分离开来，而且利用四条小环道巧妙地将两条主线连成一个整体，实现主线之间的车 流的转换，可谓巧夺天工，令人们对这一划时代的创造所赞叹。1 9 3 0 年，美国又在芝加哥建成了第 一座拱式立体交叉桥，到1 9 3 6 年己建成1 2 5 座立交，随后，为适应交通量日益增长的需要，美国在 洛杉矶建成第一座四层半定向式立体交叉，使立体交叉开始向多层定向型方向发展。1 9 3 1 1 9 3 5 年， 瑞典在斯德哥尔摩建成了著名的斯鲁先立体交叉，该立交采用了3 个小环道的部分苜蓿叶式立交解 决交通问题。1 9 3 6 年，加拿大在安大略省别尔里格城附近的公路上建成第一座三路喇叭式立体交叉， 该立交利用一座桥梁从空间分离主线，然后利用一条半匝道和一条小环道实现主线之间的左转，构 思巧妙，既节约工程造价，又实现高速转换功能。1 9 3 7 年在克列奇特港城附近的米德尔一鲁乌德公 路与1 0 号干线公路相交处修建了一座苜蓿叶式立体交叉，1 9 3 8 年又在阿尔里格顿城附近建成第一 座四路环形立体交叉。二次世界大战后，随着汽车保有量的急剧增加，人类活动时空观发生转变， 东南大学硕士学位论文 要求运输方式快速化，高速公路应运而生，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。 上世纪5 0 年代中期开始，美、英、法、德和日本等国开始大量修建高速公路，立体交叉向多层 化方向发展，进入6 0 年代，澳大利亚、西班牙、墨西哥、加拿大、捷克斯路伐克、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 步形成了不同的特色和风格。 随着各种形式立交的修建，国外发达国家立交的规划、设计理论也日趋成熟，对于立交设计中 的交通量预测，匝道通行能力分析等交通条件都作了大量的研究工作，并形成了相对完整的理论体 系。美l 垂l 运输研究院( t r b ) 编写的“h i 曲w a yc a p a c 时m a n u a l ”( h c m ) 相继出了三个版本，1 9 9 4 年又 推出了新的修订版，对立交匝道端部的通行能力分析方法作了大幅度的修正，成为国际上公认的一 本有关道路通行能力与服务水平分析的权威性手册。在新的立交设计和施工中提供了指导性意见。 现在，美国在立交分类选型方面的研究重点已经放在对匝道优先通行权上，然后再考虑定向匝 道的选用等技术问题。德国近来在立交设计方面更注重立交细部线形的设计，比如视线的诱导等， 而这往往与立交的选型是紧密相联的。 1 2 国内立交研究概况 我国修建立体交叉起步较晚。首先从解决城市道路交叉口的交通问题开始的。1 9 5 5 年，武汉在 滨江路上建成第一座部分苜蓿叶式立体交叉。1 9 5 6 年，北京开始在京密引水工程滨河路上修建三座 部分苜蓿叶式立体交叉。1 9 6 4 年，广州市在大北路建成第一座双层环形立体交叉，该立交在1 9 8 6 年又改建为三层环形立体交叉。 从上世纪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 形立交，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，机动车与非机动车在不同标高的平面上行驶。 进入8 0 年代后，随着我国改革开放政策的步步深入，经济的快速增长，全国各地纷纷修建高速 道路和环城高速道路。1 9 8 4 年1 2 月动工、1 9 8 8 年1 0 月建成通车的沪嘉高速公路。是我国大陆第一 条最早建成通车的高速公路。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，长3 7 5 k m ， 为我国大陆第一条最长的高速公路。到1 9 9 8 年，我国高速公路通车里程已达6 2 5 8 k m ，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，修建了许多全互通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 叉口的交通向题，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，天津市中环路全 长3 4 4 9 k m ，设置了8 座立体交叉，广州环市路全长7 3 k m ，设了3 座立体交叉。到1 9 9 8 年，北京 市共修建立体交叉1 6 5 座。在这一阶段，具有我国独特风格的立交主要有：北京市三元立体交叉， 沈太高速公路大石桥立体交叉、北京建成的我国第一座机动车与非机动车分行的三层苜蓿叶形立体 交叉建国门立体交叉，1 9 8 1 年广州建成的区庄立交，1 9 8 5 年天津市建成的被人们赞誉为“蝶落 中环”的中山门立交。如大连市萨大路立体交叉、鞍山市解放路立体交叉、北京市四元立体交叉， 以及上海延安中路立体交叉、延安西路立体交叉、浦东新区龙阳路立体交叉和罗山路立体交叉等。 又如南京，早年修建的中央门立交( 环形) 、2 0 0 1 年修建的新庄立交( 半定向) 、2 0 0 3 年修建的赛虹 桥立交( 半定向) 和2 0 0 4 年修建的双桥门立交( 全定向) 等。都是我国立体交叉高水平发展的典范。 我国立体交叉的规划与设计，尽管起步较晚。但发展速度是举世瞩目的。从整体来看，立体交 叉正在向形式简洁、功能齐全、线形平顺、流畅美观、施工方便方向发展。要求跨线构造物材料轻 巧、高强、便于拼接，建筑高度纤薄、跨越能力强。规划设计趋向合理，利用动态交互式c a d 技术 向自动化方向发展。线形设计向灵活、方便的曲线型设计方法转变。施工向快速简便、工业化制造 第一章概述 的方向发展。这些方向，将是我国立体交叉发展的趋势。 纵观我国立体交叉几十年的历程以及我们身边南京城市立交修建的历史，我们可以看到，立交 在我国经历了一个从低级向高级，从简易立交向大型立交，从形式单一向多元化发展的过程。立交 的规划与设计理论取得了相当多的研究成果，并积累了一定的实践经验。但是，目前立交的规划与 设计主要参考国外资料和技术标准，在立交设计中对匝道的通行能力评估尚未引起必要的重视，反 映最大通行能力的交通量观测资料也基本处于空白，所以我国有关匝道通行能力的一些量化指标也 还停留在理论阶段，而且我国目前用来评估匝道通行能力的方法主要是参考美国的h c m ，适合我国 目前机动车辆特点的分析方法指南还没有出版，立交交通量预测中的一些关键参数还有待改进。一 些城市在建设立交时缺乏对城市道路网络的整体研究，只是把所要考虑的交叉口分隔出来进行分析， 修建的立交难以充分发挥交通功能。可以说目前国内道路立交方案的交通选型及评价分析尚有待于 进一步研究，期望通过本文的分析，为立交方案的选择提供指导，减少立交方案选择的盲目性。 国内在有关单位和学者在立交选型及评价方面也开展了不少工作，如杨少伟老师在立交分类选 型方向作了比较细致的研究，如吴国雄、张飘等老师在立交模糊评价方向的作出的前瞻性研究。 1 3 本文的研究内容 综上分析，国内外立交研究进步还是比较快的，在立交分类选型过程中也摸索出了一些方法。 但对立交型式比选方面，立交型式的优缺点分析方面的研究还不是很完善。 本文将在比较分析立交分类型式的基础上，然后研究影响立交选型过程具有指导意义的立交交 通量预测分析模型，并进行立交通行能力的分析，然后进行选型条件的分析，最后建立立交模糊评 价系统，对我们设计的立交实例进行评价。 东南大学硕士学位论文 第二章互通式立交的分类 我国公路立交与城市道路立交的特征如下： 公路上的立体交叉和城市道路上的立体交叉，在其作用、主要组成部分和设计方法方面是基本 相同的。但由于受地形、地物、用地以及收费制等环境条件的影响，使得二者之间又有一些区别， 设计的主导思想各具特色。了解它们之间的不同特征，对于指导立体交叉的规划与设计具有非常重 要的意义。概括起来，公路立交和城市道路立交的不同特征表现在以下几方面： 1 公路上一般为收费立交。可供选择的形式较少；而城市道路上的立交一般不收费，可供选择 的形式较多。因此，城市道路立交形式多样，可充分发挥设计考的主观想象力，设计出新颖、美观 的立交形式。 2 公路立交一般不考虑行人和非机动车交通，立交形式简单，以二层式为主；而城市道路立交 须考虑行人和非机动车交通，立交形式复杂，以多层式为主。城市道路上最突出的问题是庞大的自 行车流和行人交通，如果要把机动车、非机动车和行人交通全部分离、互不干扰，城市道路立交的 层数更少应为三层以上，形式更为复杂。而高速公路一般为汽车快速、安全、直达运输服务，对少 量的行人和非机动车可由辅道和通道组织交通。因此，在城市道路立体交叉设计中，对非机动车和 行人交通必须予以特别重视，合理解决。 3 公路立交一般间距较大，相互之间干扰较小；而城市道路立交的间距较小，匝道不易布置， 相邻立交之间影响较大。在城市道路上，当有连续多个路口时，一般距离在6 0 0 8 0 0 m 之间。如果 都采用立体交叉，由于距离较近，会造成匝道布置不下，或导致指示标志无法设置；若主要路口设 置立体交叉，次要路口采用平面交叉，一旦平面交叉口发生交通堵塞，往往影响到立体交叉交通的 正常运行。同时，平面交叉口车辆的横穿，也会影响主线车辆的行驶速度，使主线通行能力下降。 有时为了降低工程造价，相邻立体交叉之间需要下降或抬高到地表面，造成行车上下起伏不平顺。 因此，在立体交叉的规划和设计时，应对一条道路上的立交全面分析。统一考虑，不应孤立地为解 决某一交叉口的交通问题而设置立体交叉。 4 公路立交的计算行车速度比城市道路立交的高，相应的线形指标高，占地面积也大。 5 城市道路立交用地限制较严，往往采用非标准型立交；而公路立交用地限制较松，多采用标 准型立交。 6 城市道路立交受地上、地下各种建筑物和管线影响大；而公路立交受这方面的影响一般较小。 通常，在城市道路的交叉口处地上建筑物( 尤其是永久性高大建筑物) 及各种杆柱较多，而在地下各 种管线纵横交错，也有部分人防工程，使得拆迁数量大、费用高，非建安费有时达5 0 以上，并增 加了立体交叉设计的难度。 7 城市道路立交比公路立交更多地重视美观问题。城市道路立交除满足交通功能以外，还应符 合市政建设景观方面的要求。在结构上要求简洁、轻巧、线条连续；在外观上要求新颖、漂亮、飘 逸等，并与周围环境协调统一。 8 城市道路立交设计须考虑施工时，在狭小的场地条件下，便于维持原有交通和进行快速施工； 而公路立交施工时场地多不受限制，交通组织也较方便，只须注意适当的工期即可。 9 城市道路立交比公路立交的排水系统更为复杂。城市道路立交多为地下管渠排水，并与城市 整体排水系统连接，有时需要设置泵站提升排水；而公路立交多采用地上明沟排水，相对比较简单。 1 0 城市道路立交比公路立交更为重视绿化。公路立交绿化一般注重对通过立交车辆的引导作 用。而城市道路立交则更注重于对立交的美化，使之成为城市的地标或景观之一。 第二章互通式立交的分类 2 1 基本立交型式 2 1 1 立交的形式与功能分析 立体交叉的形式很多，它们有各自的功能与作用，分别适用于不同的交通情况。按交通功能可 划分为分离式与互通式两类。由于分离式立交形式固定，结构简单，应用较少，故本文着重分析互 通式立交对应形式的功能与作用。到目前为止，世界上的互通式立交已数不胜数，但就基本型式而 言，包括菱型、喇叭型、苜蓿叶型、环型和定向型五种，其它型式都是由这五种基本型式变化和组 合而派生出来的。互通式立交按交叉道路的条数可分为三路交叉( “t ”字交叉) 和四路交叉( “十 字”交叉) 。 2 1 2 “t 字交叉 “t ”字型交叉最有代表性的互通式立交型式是喇叭型与定向型。 1 单喇叭型 如图2 1 所示，这种型式的立交使用于高等级公路与次要公路相交，有只需设一个立体交叉构 造物的优点。它由一条环型匝道，一条半定向型匝道和两条定向型匝道共三类匝道组成，其中环型 匝道为小交通量匝道，定向型匝道为大交通量匝道，半定向型匝道介于两者之间。在该种型式的互 通立交线型布设时应很好地调查交通的流向，根据各转向交通量的不同合理布置，该型式立交的匝 道设计速度不宜过大，一般不超过5 0 l ( n 沛，通常是4 0 k m h 。环型匝道宜作为流入匝道，若环型匝 道作为流出匝道时，为保证通视条件，主线宜上跨。日、美文献都提倡内环布置在交通量较少的匝 道上。国内有的学者认为，交叉线上跨主线时，不可采用b 型一左旋喇叭型，因为它不仅内环靠近 主线出口，而且出口在立交桥后不远，当高速车辆从桥下驶过后，出口及内环立即呈现在司机眼前， 容易促使司机突然急剧减速，引起心理紧张，加上桥下光线阴暗，视线易被桥墩台遮挡，于安全不 利。 单喇叭a 型单喇叭b 型 图2 1 单喇叭型 优点； 1 ) 对较繁重的转弯交通量提供了一个相当高速度的半定向运行。 2 ) 只须修建单一建筑物。 3 ) 没有交织。 4 ) 由于所有匝道运行都是自由流式，故通行能力高。 注意： 1 ) 主线转弯交通量大时宜用a 型。 2 ) 次线上跨时对整个转弯匝道系统能有清楚视野。 气 东南大学硕士学位论文 3 ) 次线下穿时宜斜穿或弯穿，小回转匝道作成卵形或水滴形。 4 ) 支线上跨( 下穿) 主线段线形要有足够过渡，避免行车事故。 2 定向型( y ) 型 分三桥两层和一桥三层两种立交型式，如图2 2 所示：其适用于高等级公路相交叉，优点是线 形标准高，通行能力大，服务水平高。但构造物多，占地面积大，工程造价高，行车道拉的太开， 为了不致使行车道拉开，工程上一般多采用如图2 3 所示的半定向型立交型式。 a 、左转匝道全为直连式的b 、左转匝道兼有直连式和半直连式的 图2 2 定向型( y ) 型 优点： 1 ) 能提供所有方向车辆完全、无阻的直接运行，适用于各个方向交通量都很大而又相互接 近的交通枢纽等情况； 2 ) 匝道修建里程和运行里程都较短，线路直捷，运行流畅，不会发生错路运行； 3 ) 主线外侧占用土地较少，最适用于主线外侧有障碍物的情况。 缺点： 1 ) 主线来往车道之间必须隔有充分距离才能满足匝道纵断面布置的要求； 2 ) 左转弯匝道由左边进入主线，当主线有两个以上车道时，左边车道为快速车道，进入较 难； 3 半定向型 如图2 3 所示，该立交型式为一桥三层，由两条定向型匝道和两条半定向型匝道组成，与上述 定向型相比较具有行车道不需拉开，占地省等优点。一般来说，对构成喇叭型环形匝道，在地形上 有困难或市区等用地受限制的地方，才采用这种型式。因为匝道纵坡往往较大，所以在能够有效利 用主线纵坡时较为适用。 图2 3 半定向型图2 4 环型 优点： 1 ) 对繁重的交通量能提供高速度的半定向运行； 2 ) 没有交织， 第二章互通式立交的分类 3 ) 所有运行为自由流式，通行能力高； 4 ) 主线外侧需占土地宽度较小，特别适宜于路线外侧有障碍物，如平行于路线的铁路、河 流、房屋等的情况； 5 ) 左转弯匝道由右侧进入主线，运行较易，主线不必分开。 缺点： 1 ) 要求一座二桥式三层的立交， 补偿( 变型须三座桥) ： 2 ) 主线路堤低，地下水位高时， 3 ) 匝道修建和运行长度较长。 4 环型 但下穿匝道的挖方可用于上跨匝道的填方，经济上可得到 下穿会有困难，这时应改成两层上跨桥； 如图2 4 所示，该立交型式为两桥两层，是用交织代替半定向型匝道的立体交叉来处理交通的 一种型式。适用于高等级公路与次要公路相交，与主线连接部匝道线型标准高，占地省，环型匝道 的交织段长度可根据交织交通量的大小进行适当调整。 “t ”字型交叉的互通立交由于出入的车辆被集中在一点，一般可只设一处收费站，这对于采 用收费管理的高等级公路极为方便。 优点： 1 ) 环道半径较大，左转车行车方向明确，行车条件较好， 2 ) 结构紧凑，占地较少， 3 ) 造型美观。 缺点： 1 ) 环道上有交织路段，对通行能力及行车速度影响较大 2 ) 需建两座构造物，造价较高； 3 ) 转弯车辆绕行距离长。 5 梨形 如图2 5 所示，它是设置了半定向型匝道来实现车辆左转的t 型立交，实际上是半定向型的一 种变型。 r 图2 5 梨型图2 6 菱型 优点：两条匝道互不相交，无交织路段，用地紧凑。 缺点：左转弯匝道转向角度大，绕行路线较长。 2 1 3 “十字型交叉 “十”字型交叉主要有菱型、苜蓿叶型( 全苜蓿叶型和半苜蓿叶型) 、环型、喇叭型( 双喇叭型和 单喇叭型) 和定向型。 1 菱型 如图2 6 所示，菱型立交是“十”字型立体交叉中的代表型式之一，交叉结构物一处，其型式 简单、清晰易辨，容易为司机识别。匝道出入主线线型标准高，占地省，构造物少，造价低。其主 东南大学硕士学位论文 要缺点是被交路有两处平面“十”字交叉，造成行车道错向出入，冲突点多，交通容量低，收费处 分散设在四个地方，管理费用增加。在型式处理上一般采用将被交路上下行拉开的方法，如图2 7 将原“十”字交叉点中的许多冲突点改为交织点，以增强通行能力，但结构物增加一处，占地面积 增大。该型式适用于被交路为次要公路的情况。 优点： 1 ) 在桥梁构造物之前高标准的单一驶出； 2 ) 过桥梁构造物之后高标准的单一驶入； 3 ) 节约土地费用、工程造价经济； 4 ) 当快速公路降居下面时，匝道坡度有助于驶出车辆减速和驶入车辆加速； 5 ) 单一的驶出状态简化了快速公路的标志 6 ) 在构造物上或下面无须变速车道； 7 ) 快速车道上无交织。 缺点： 1 ) 次要公路由于左转弯运行通行能力较低； 2 ) 在敞口的匝道终点处难于得到适度的能见度，特别在次要道路跨越快速公路； 3 ) 除非进行信号管理，次要道路上的许多冲突点增加了这种设计的事故潜在性； 4 ) 有可能错路运行； 5 ) 由快速公路出来的转弯车辆须在次要道路上停车，可能需要存储车道处理； 6 ) 容许互通立交将来扩展的可能性很小，但可用如下措施提高通行能力； ( a ) 对敞口的入口进行渠化， ( b ) 次要道路上设置信号( 三相) ，或 ( c ) 设置双车道左转弯。 图2 7 菱型 2 全苜蓿叶型 如图2 8 所示，该立交型式只有一个交叉结构物，且无任何交叉点：但占地多，左转车辆必须 利用环形匝道盘旋2 7 0 。，故左转匝道线型标准不能用的过高，当某一象限左转交通量大时常将其设 置成定向型或半定向型匝道而采用变形的苜蓿叶型。标准全苜蓿叶型两个内环匝道连接的加、减速 车道对接，车辆之间产生相互干扰的加减速变化并出现交织，极易发生交通事故或产生交通流混乱 而降低主线的通行能力，成为容量上的狭路。所以该问题在型式处理上一般采用集散车道的方法将 其出入口合并，消除转弯车辆交织对直行车辆的影响。 优点： 1 ) 在这种只有一个构造物的设计中所有左转弯冲突都被消除； 2 ) 无须交通信号； 3 ) 交通运行连续而自然； 4 ) 必要时可分期修建。 缺点： 1 ) 要求大的用地，小回转匝道半径不宜过小； 8 一 第二章互通式立交的分类 2 ) 在快速公路和次要路线上的交织可能严重限制通行能力； 3 ) 小回转匝道出口在构造物之后； 4 ) 快速公路上双重出口使标志复杂； 5 ) 下面构造物有附加交织车道增加造价； 6 ) 由快速公路速度到内部小回转匝道控制速度的减速长度不足； 7 ) 安全状况不良。 采用集散车道后： 优点： 1 ) 交织段从快速公路移至较低车速的集散道上； 2 ) 快速公路上的汇入和分离点由八个减至四个；， 3 ) 比基本苜蓿叶型能通过更大的交通量； 4 ) 快速公路上只有单一的出口和入口； 5 ) 转弯车辆运行自然。 缺点： 1 ) 视小回转匝道的大小可能较基本苜蓿叶型要求更多的用地； 2 ) 构造物由于跨度增大造价要高些； 3 ) 除非从快速公路出口到集散道的第一个出口之间具有充分的距离。妥当地布设指示驶行 方向信号是不可能的。 p y 、 。 小 厂 p v 苜蓿叶形立交a )增辟集散道的苜蓿叶形立交b ) 图2 8 全苜蓿叶型 3 半苜蓿叶型 如图2 9 所示，当被交路交通量和出入口交通量不大时常采用这种类型立交，其优点是占地较 省，匝道布设集中，分布在两个象限内，可以布置在不同的象限，适合于收费和管理。其缺点是在 被交路上有两处“t ”字型平交口，设计中常将此处交通渠化成分道转弯式以增大通行能力。 优点： 1 ) 由于驶出道口在构造物之前对快速公路上的高速行驶车辆有利； 2 ) 消除了交织； 3 ) 单一的驶出方式简化快速公路上的标志； 4 ) 可以作为图2 8 所示苜蓿叶型的第一阶段，因为易于将来扩建，但建筑物路径应当足够 的宽大，以适应外加的车道。 缺点： 1 ) 从次要道路上的自然的右转弯被左转弯取代； 2 ) 次要道路匝道终点处的冲突点限制了通行能力和安全， 3 ) 次要道路上左转运行须停车条件，可能需要左转弯辅助车道。 4 环型 其主要有两相交公路均有过境直行车道的三层环型立交，如图2 1 0 和主要公路有过境直行车道 的两层环型立交，如图2 - 1 1 两种型式，适用于被交公路为次要公路的情况。但两层环交中左、右转 弯车辆需经环道同相交公路的车流交织，因而通过能力有一定限度。三层环交避免过境车流与转弯 东南大学硕士学位论文 车流在环道中的交织，情况有所改善。这种立交的优点是占地少，但构造物多，适用于受地形限制 的山谷或占地限制的城市附近，以及两高等级公路相交时转弯交通量的比例不高的场合。 优点： 1 ) 转弯半径较大。 2 ) 行车方向容易辨认，不会引起错路运行。 3 ) 结构美观。 4 ) 占地较少。 5 ) 若采用其它环形( 如椭圆形) 匝道，可以改善某些方向的行车条件，对交通进行渠化。 缺点： 1 ) 环道上存在大量交织路段。 2 ) 车速和通行能力受限制。 3 ) 构造物较多，工程费用高。 、 、 刁 飞 厂 图2 9 半苜蓿叶型 图2 1 1 环型 5 双喇叭型 图2 1 0 环型 图2 1 2 双喇叭型 如图2 1 2 所示，为收费高等级公路上常用的全互通型式，交叉结构物三处，其优点是占地较省， 只设一处收费站，便于管理，缺点是匝道设计速度低，交通容量较小，结构物较多。 优缺点： 1 ) 适用于两条主要路线相交，或次要路线交通量相当大时： 2 ) 须建两个构造物； 3 ) 两条线路上车辆进出皆流畅。 6 单喇叭型 如图2 1 3 所示，为收费高等级公路上常用的半互通型式，交叉结构物两处，与双喇叭型相比其 优点是占地更省，缺点是在被交路上有一处t 型平交口。设计中常将此处交通渠化成分道转弯式以 增大通行能力，适用于被交路等级较低，转弯交通量较小的互通立交。 1 0 第二章互通式立交的分类 图2 1 3 单喇叭型图2 1 4 定向型 7 定向型 。 如图2 1 4 所示，用于连接高速公路的最高级的互通立交型式。定向型互通立交使用性能良好， 其线形指标高，所以，匝道的设计车速和能行能力都较大；由于车辆各行其道，互不干扰，车辆行 驶较安全，但该立交型式层次较多，桥梁较多，因而其造价也很高。定向型并不一定意味着所有的 匝道都是直接连接型式的。由于受相交道路技术指标和桥梁跨越能力所限，通常采用如图2 1 5 型式。 优点： 1 ) 各转弯方向车辆运行都有专用匝道，自由流畅，转向明确； 2 ) 单一的出口或入口，便于车辆运行和简化标志； 3 ) 无交织，无冲突点，行车安全； 4 ) 适应车速高，通行能力大。 缺点： 1 ) 层多桥长，造价高； 2 ) 占地面积大，在城区很难实现。 图2 1 5 定向型 “十”字型交叉形式中菱型、环型、全苜蓿叶型和半苜蓿叶型适用于不设收费站的互通立交， 如城市互通立交；双喇叭型和单喇叭型适用于设收费站的互通立交，如高速公路与一般公路的互通 立交；定向型适用于高速公路相交的互通立交。半苜蓿叶型在高速公路与一般公路的互通立中也有 应用。 2 2 非基本立交型式 2 2 1 三路交叉 1 主线交织型立体交叉 主线交织型立体交叉如图2 1 6 所示，它是主线中一个行车方向的车辆与左转弯车辆发生交织运 行的立体交叉。主线中一个方向车辆能保持直通，另一方向略有绕行。 1 1 一嚣麓鬻紫糊甄礅嫡 缺点? 图的和b ) 中仅需最磊凌跨线构造物，造价较低。 1 涡轮式立体交叉 叉。涡轮式立体交叉如图2 一1 7 所示，它是由四条半定向式左转匝道组成的种高级全互通式立体交 摊b 图2 - 1 7 涡轮式 优点： 虬 i ) 匝道平曲线半径较大，纵坡和缓， 图2 - 1 8 组合式 适应车速较高： 一1 2 第二章互通式立交的分类 2 ) 车辆进出主线安全顺畅； 3 ) 无交织，无冲突，通行能力较大； 4 ) 规模宏伟，造型美观。 缺点： 1 ) 左转弯车辆绕行距离较长，营运费用较大； 2 ) 需建二层式跨线构造物5 座，造价较高： 3 ) 占地面积大。 涡轮式立体交叉适用于高速道路和城市快速交通之间相互交叉的情况。 2 组合式立体交叉 上述四路立体交叉的左转匝道都是由一种形式组成的，并且从外形上多数具有主线铀向和4 5 角斜线对称的特性。而组合式立体交叉( 如图2 1 8 ，2 1 9 所示) 是根据交通量并结合地形、地物限制条 件深用二种或二种以上不同形式左转匝道组合而成的立体交叉，一般只具有一个轴向或斜线对称性。 由于组合式立体交叉是因交通量、地形或地物的制约而形成的，所以，其立交形式是多种多样的。 主线双向在立交范围不拉开距离的情况下，组合式立交多数是由小回转式左转匝道与半定向左转匝 道组合而成。 优点： 1 ) 主要交通流匝道平曲线半径较大，纵坡和缓，适应车速较高； 2 ) 照顾交通流大小； 3 ) 形式可因地制宜； 4 ) 规模宏伟，造型具有非对称美。 缺点： 1 ) 主要交通流左转弯车辆绕行距离较长，营运费用较大； 2 ) 占地面积大。 2 2 3 多路交叉 图2 1 9 组合式 1 采用直行分离加环道的方式 四路以上交叉时经常采用主线上跨或下穿，保证主要道路直通运行不受干扰，其余道路则经过 一个圆形环道进行直通或转弯运行，称为转盘或环道。环道使进入的车辆都绕中心的环岛作单方向 的转弯绕行，以相互交织运行的方式消除了所有的交叉冲突点，造形美观，工程简易，造价低廉。 如果环道位于地面水平上，中心的环岛还可绿化和装饰，以美化环境。环道最适宜在地形平坦开阔、 左转弯交通量较大、相交各肢道路上交通量大体相近的情况下采用。国外经验认为，环岛适宜于入 口交通量总和在小汽车3 0 0 0 辆小以下时采用，如有非机动车时这个交通量还须降低。这种形式有如 下特点： 1 ) 这种形式对具有四条或更多的肢道而速度相交通量又不太高的乡区交叉提供了一个相对简单 的解决方案。 东南大学硕二七学位论文 2 ) 要求大的用地。 3 ) 交织段限制了速度和通行能力。 4 ) 交通标志难于设置，除非内环直径足够大，能提供交织段适当的长度。 2 多路完全互通式立体交叉 多路完全互通式立体交叉形式复杂、多祥。有苜蓿叶式组合( 每个“十”字交叉设置一个，占 地非常大) ；为苜蓿叶式与y 形组合；苜蓿叶式与喇叭形组合等等。 对于多路相交的情况下，完全互通式立交的功能完善、规模宏大，但立交构造物多，占地面积 大，工程费用高，容易导致错路运行。此类立交可用于市郊地区或公路上不实行收费的高速道路之 间或高速通路与环城快速于道相交的情况。布设时，尽量做到结构紧凑，减少占地面积，必要时向 空间发展为宜；在立交形式布置上，结合具体地形、地物和交通量条件，可采用前述二路和四路立 交形式的有机组合。并进行适当调整；当主线上有连续多个进出口时，宜在主线一侧或两侧设置集 散车道，以减少对直行车辆的干扰。 3 多路部分互通式立体交叉 为某些转弯方向因交通量太小或交通组织需要而不设转弯匝道的情况下，可以减少或取消该方 向的匝道。 此类立交与多路完全互通式立交相比，构造物和占地面积减少，工程费用降低，但互通功能不 完善，有时次要道路上存在冲突点，影响行车速度和安全，易导致错路远行和行车茫然。 2 3 复合式立交 当两处互通式立体交叉相距很近而不能保证应有的立交间距时，可将它们复合成一个立交，亦 即在被复合的立交的直行车道旁设置分隔的集散道，将出入口串联起来，使主线一个行驶方向上只 保留一对出入口或减少某些出入口，如图2 2 0 中a ) 所示。对于出入交通量较大的复合立交( 如其 中一个为枢纽立交时) ，应采用匝道间的立体分离等措施来避免所有交织或高速公路间的主流匝道上 的交织，如图2 2 0 中b ) 所示。 酬僮 艿一 _ ：喝伊，r 厂、 ， 图2 2 0 复合式立交 一1 4 b ) 第三章立交交通量预测及通行能力的分析 第三章立交交通量预测及通行能力的分析 3 1 立交的交通量预测方法 设置互通式立交的必要条件，除相交道路的规划等级对通过路口行车速度、运行连续性的需求 外，最基本的原则是在规划年限内，其相交道路平面交叉口的预计交通流量将达到饱和程度，而且 采取路网分流及其它综合治理措施，包括信号灯的计算机优化控制也难于缓解规划期末高峰时段将 出现的车流拥塞。因此，当预测道路交叉口在中、远规划期的交通流量将达到或超过平交路口的饱 和通行能力值时，就有必要规划立交，并在路口范围内预留立交用地；并力争在路口流量达到饱和 通行能力的年限之内建成立交。这种建立在路口综合治理，优化组织各向车流基础上的饱和通行能 力极限值，可称这为设置立交的机动车临界流量值。它是定量化评估决策兴建互通式立交是否适时 和必要的可比性指标，也是各大中城市为了使有限建设投资用于能发挥最大社会经济效益的关键部 位而进行计划排序所急需的。综上所述，可知从理论与实践相结合上，合理确定临界流量的计算值 具有重要的经济技术意义。 城市平交路口组织交通的方式，虽有环形交叉、信号灯管制以及路口分流渠化信号灯控制等， 但实践经验证明，在这些方式中，只有路口分流渠化并优化绿信比( 绿灯信号时间占总时间的比值) 的平交路口方具有明显的通行容量优势。 交通量的发展预测在立交设计中占有十分重要的地位。预测技术是广泛应用于社会、经济和工 程技术等领域的一门综合性的方法论科学。其基本思想就是根据历史和现状预测未来。即在研究事 物发生、发展过程所呈现的规律性与分析现状条件、环境因素的制约和影响的基础上。推测事物未 来演变的状态和发展趋势。 预测具有科学性、近似性和局限性等特点。它遵循可知性、可能性、相似性、关联性、反馈性 和系统性原理。 交通预测是预测技术在交通领域的运用，是对规划期内的公路运输发展作出的科学估计。通过 对过去和现有交通运输网的组成和特性进行分析，进而推知未来区域交通运输网上流量构成和分布 特征。应当强调的是公路运输发展预测应以社会经济发展预测为基本依据。 3 1 1 立交交通量预测特性分析 立交是交通流的转换点，实现立体交通转换是它的基本功能。立交的交通量一般分为两大类： 一类是转换交通量，另一类是直行交通量。转换交通量的大小在很大程度上决定了立交的型式，所 以立交交通量预测的关键和难点是转换交通量的预测。由于立交的规划与设计不是孤立地进行，其 出入交通量由相交道路的交通量决定，因此立交交通量的预测基于相交道路路段交通量的预测，在 此基础上分配各方向的交通量，为立交的规划与设计提供可靠的理论依据和基础资料。 3 1 2 交通预测步骤 交通预测的一般步骤如下： 1 确定预测目标。预测是为决策服务，所以要根据决策所提出的要求去确定预测的目标。 2 选择预测影响因素。从大量因素中，鉴别、选择和确定与预测目标有关的影响因素。 1 5 东南大学硕士学位论文 3 搜集、整理资料。资料是进行预测的依据，应根据预测目标的具体要求，搜集进行预测时所 需要的社会经济发展、综合交通运输发展、公路网发展、国土规划等资料，做好预测前准各工作。 4 数学模型的选择与建立。通过分析预测对象内部因素的相互关系和外部环境的制约条件，选 择适当的预测途径和方法，使构造的模型能满足确切性、简洁性和适应性等要求。通常预测模型的 形式有统计型、连续型、递推型、时间序列模型、因果模型等。 5 数学模型的检验。由于模型是利用历史资料得出的，它们反映的是事物发展的历史规律，因 此，应根据搜集到的有关未来情况的资料，对得到的预测模型加以分析和研究，检验其是否能够应 用于对未来实际的预测。如利用回归技术得到的数学模型能否通过各种有关的检验，看模型是否反 映出事物发展的未来规律，事物发展的概率分布是否将发生较大变化等等。 6 进行预测。根据搜集到的有关资料和经过检验所确定的预测模型，就可计算或推测出预测对 象发展的未来结果。这种预测是在假设过去和现在的规律能够延续到未来条件下进行的。 7 分析和确定预测结果。由于模型是对客观实际现象的简化和抽象，在建模时，还会存在一些 难以考察或技术上的困难而被省略、被简化的复杂环节，使预测结果与实际结果难免会有较大偏差。 因此，每次得到预测结果之后，都应对其加以分析和评价，通常是根据常识和经验去检查、判断预 测结果是否合理。如不合理，重复上述步骤；如满足要求便可提交预测报告。 3 1 3 预测方法 1 专家法( 德尔菲法) 德尔菲法，其特点在于集中专家的经验与意见，确定各指标的权数，并在不断的反馈和修改中 得到比较满意的答案。 步骤： 1 ) 将待确定权数的n 个指标和有关资料，以及统一的确定权数的规则发给选定的m 位专家。 请他们独立地给出各指标的权数值。 2 ) 分别计算各指标权数的均值和标准差。 3 ) 将计算结果及补充资料返馈给各位专家，并请各位专家进行以下工作： 要求所给权数与均值偏差较大的专家说明原因； 要求所有专家在新资料信息的基础上重新确定权数。 4 ) 重复第2 、第3 步骤，直到与均值的离差小于或等于给定的标准后，计算各指标的均值作为 该指标的权数。 此外，为了使判断更加准确，令使用者对确定权数的把握性了解的更加充分，还可以运用“带 有信任度的德尔非法”。这种方法与普通德尔菲法的区别在于，计算每人指标权数的同时还要计算出 每个指标的信任度，为使用者提供更多的信息。该方法需在以上第4 步每位专家给出最后权数值的 同时，标出各自所给权数值的信任度，并求出平均信任度。这样，当一权数的信任度较高时，就可 以有较大的把握使用它。如果一权数的信任度较低，则只可暂时使用，在实践中再加以改善。 德尔菲法的优点在于： 1 ) 集思广益，集中各位专家的智慧。 2 ) 专家之间背靠背独立进行工作，互相不受影响。 3 ) 具有一个有条不紊的“集中一反馈一集中”的系统。 德尔菲法是一种注重实效、应用广泛的方法，实际上，许多方法在实施过程中也都要与德尔菲 法结合。 德尔菲法是采用问询调查，对所预测问题有关领域的专家分别提出问题，将回答意见综合、整 理、回归，匿名反馈各个专家，再次征求意见，然后加以综合，再反馈，如此反复，直到得出尽可 能可靠的一致意见，对未来做出预测。 一1 6 第三章立交交通量预测及通行能力的分析 德尔菲法具有匿名性和多次信息、反馈的特点，预测者可采用一套特有的综合、统计方法，给 出最后的预测结果。 统计处理的方法很多，常用四分位法。 2 回归分析法 回归分析法就是从被预测的社会经济变量和与它有关的解释变量之间的因果关系出发，通过建 立回归分析模型，预测过程未来的一种定量方法。 由于考虑自变量( 影响因素) 多少不同和对变量间影响关系认识差异，高速公路建设项目的社会 经济回归预测模型可分为如下四种： 回归预测模型 线性回归 非线性回归 一元线性回归模型 多元线性回归模型 一元非线性回归模型 多元非线性回归模型 1 ) 线性回归分析法 ( 1 ) 一元线性回归预测。该方法适用于因变量和自变量接近线性关系的问题，是回归分析法中最 基本和最简单的回归预测方法，也是了解、掌握其它回归预测法的基础。 设有一组历史调查数据共n 对伍j ，) ，j ，卢，2 ，”，若二者间对应变动规律大体呈直线形式： ) ，= 口+ k ，式中) ，为某一社会经济指标，x 为自变量，口、6 为回归系数，则口、6 可按最小二乘法原 理求得： 式中： i = 去喜x 。，歹= 去喜y 。 _ y j 一厩歹 6 = 兰一 x ；一厩2 # 1 口= 歹一6 i ( 3 1 ) 回归模型建立之后，与实际观测样本资料拟合精度如何，模型关系是否显著，能否用于社会经 济指标预测，都须对标定的模型进行数理统计检测后才能确定。 ( 2 ) 多元线性回归预测。该方法适用于一个因变量同多个自变量x ，托，z j ，z 。，线性相关的 问题，即对一个因素预测可转化成对其它多个因素的预测。 设有某社会经济指标例及有关的m 个影响因素巧仃= ，2 ，州的历年( 共研年) 历史调查数 据，那么多元线性回归模型： 在满足随机误差pj 的期望值，均方差为0 ，方差期望值为常数的前提下，根据最小二乘法原理， 运用矩阵解法可以标定回归系数。 多元线性回归模型的矩阵式为： 】，爿四+ u ( 3 3 ) 式中： 一1 7 23，l占p “ x 七 6 。胤 + 0 6 = y 东南大学硕士学位论文 】，= b = x = x 2 1 x 2 2 x 卅l x m 2 1 x 1 ”x 2 nx ” u = b 占1 l ： r y 为因变量列向量，即y 的，z 个数据；为自变量矩阵，即，z 个自变量与y 对应的胛组数据；b 为回归系数向量，而u 为随机误差向量。若泸d 时 则有p 珊 由于在x 矩阵中，一般，z 聊，为了求解b ，上式两边可同乘岩再解方程可得： b = 四为一( 3 4 ) 即： b = 6 0 6 1 6 2 ： = 伍r x ) _ 1 x 7 y ( 3 5 ) 多元线性回归模型标定之后，同样要经过数学检验后才能进行预测。多元线性回归的数学检验 方法与一元线性回归的要求一样。 2 ) 非线性回归分析法 社会经济发展许多时候并非如线性回归模型描述的那样线性增长，而是呈现非线性增长趋势。 在社会经济预测中有两种特殊的非线性曲线比较常用，即冈拍兹曲线和逻辑斯蒂曲线。这两种曲线 近乎s 形，发展初期增长速度较慢，一段时间后，增长速度逐渐加快，到接近于某一增长极限时， 增长速度又会放慢。 ( 1 ) 冈珀兹曲线预测模型 冈珀兹曲线是一种特殊的增长曲线，其方程为： v =