唐曹高速公路互通式立交设计与优化

§5-2互通式立交选型的基本因素立交选型所涉及的基本要素总结「框图5-1所示:图5-1合理选型的区本要素Fig5-1Thebasicfactorofreasonabletypes5-2-1交通条件一、立体交叉的设计流量与通行能力相交道路的交通流量和交叉口的通行能力是立交选型考虑的主要因素。1、设计交通量设计交通量是指拟建道路送达远景设计年限时能达到的年平均日交通量（辆/日），它是道路几何线形、道路横断面、路面结构和交通安全设施设计时最基本的数据。我国现行《公路路线设计规范》JTGD20-2006.规定，高速公路的远景设计年限为20年。立体交叉的型式、匝道的车道数以及其他几何构造，均应根据相交道路的设计交通量而确定。一般考虑一下因素：<1)相交道路的直行交通量：(2)左、右转弯车辆的交通接：(3)机动车中各种车型的比例等。2、设计通行能力(1)设计通行能力的概念道路通行能力是指某一路段最大所能承受的交通量，也称为道路容玷。设计通行能力是指道路交通的运行状态保持在某一设计的服务水平时，单位时间内道路上某一路段可以通过的最大车辆数。立交设计通行能力指在:受到匝道与高速公路的连接点、匝道车行道和匝道与相交道路连接点几何形状及收费站口数目的影响条件，在:保持立交匝道上交通运行在C级服务水平下，立交范围内所仃件车道、匝道上车辆通行能力之和。立交总通行能力计算值是根据立交通行能力组合计算模型而得。计算模型共分三种情况即：①苜蓿叶型立交的通行能力N=(//,-2)/Vf(1+(n2-2)44+4式中：/V—立交总的设计通行能力(/*〃/，)：，匕门、/V心一立交处两条相交道路各自—条直行车道的设计通行能力("〃/")：\、n?一立交处两条相交道路各自进入立交的直行车道数(木表中数据去2车道和3车道)：N、.一立交匝道一条车道最大设计通行能力(“〃/，)。②环形立交的通行能力：N=(//,-2)/Vf(1+式中：/V“一环道设计通行能力(“〃/，)。其他符号意义上同上。③喇叭型立交通行能力N=(n-m,)/Vf(+N沌式中：n一直行车道数:n>-C面进口车道数：其他符号意义同前。④定向型立交通行能力取进口车道通行能力之和。⑤菱形立交通行能力：tG——每周期内的绿灯时间(s):to——第一辆乍在变为绿灯后启动并通过停止线时间(s),一般取2.3s；t,——直行车辆连续通过停车线的间隔时间(s),一般取2.5s：A——直行车道数：N|nB/■进口道的通行能力（/〃N|nB/右转车占进口车辆百分比例）。（2）匝道行不道通行能力匝道的通行能力取决于匝道木身的和出、入口处的通行能力，以三者之中最小者作为采用值。通常出、入口处的通行能力与匝道本身通行能力相比甚小，故匝道的通行能力主要受出、入口处通行能力的控制，并受主要道路通行能力、车道数、设计交通量等影响。根据日本资料，单车道匝道的设计通行能力规定为：计算行乍速度＜50kMh,1200辆/时（小轿车）:特殊情况N50kMh,1500辆/时（小轿车）。但，根据大型车混入率情况，可考虑减低设计通行能力：双军道匝道时,只有在流入或流出的端部，车辆能以两列流入或流出主要道路时，才可以采用上述值的两倍。在高速公路上修建互通式立体交叉，首先要考虑的应是立交处的通行能力，立交型式不同，其对疏导立交的交通量大小的能力也不同。由上述可知，在立交处，匝道车行道通行能力在立交选型中应重点考虑。我国《规范》中对互通式立交通行能力没有作具体的说明。木研究对高速公路互通式立体交叉的匝道通行能力进行了重点研究，针对我国重型不牺较多的特点，以不同的立交型式分别计算出了一条匝道的最大通行能力。在建立模型时,以-•条匝道通行能力作为主要目标，以匝道计算行军速度为最佳函数，即求匝道通行能力最大值，求匝道计算行军速度最佳值及匝道转弯半径最合理，确定数学模型。由跟驰理论可得到一条匝道车行道的理论通行能力公式为：3600r3600r匕+"+£+£。式中：V——设计速度（米/秒）：t——司机反应时间（秒）。K-Kc-制动系数，r=—=~2g（＜p+/土Z）L——车身长（米）：L。——安全距离（米，一般取5〜10米。欲求H最大值，令g=OaV则与匕"后妥=仲+勺”]±」时，得到一条匝道的最大通行能力值：%3600得到一条匝道的最大通行能力值：%3600相应的匝道最合理转弯半径为：R合理=火,训=—~~『2J—士？’㈤ 127伉土a式中：<——后面的汽车制动效率系数：K\——前面的汽乍别动效率系数：K「K\=0,6〜0.7，一般取0.67<p——轮胎与路面的粘若系数：一・般取值0.5〜0.7：Z——路面纵向摩擦系数：Z——路面横向摩擦系数：e——匝道的超高率（%）：/——匝道曲线段最大横坡。二、立交的服务水平互通式立交服务水平是立交选型的又一重要因素。服务水平是描述交通流之间的运行条件及其对汽车驾驶和旅客感觉的一・种质量测定标准-其反映要素是速度、行驶时间、驾驶自由度、交通间断、舒适以及安全等。考察高速公路上互通立体交叉的服务水平应重点放在高速公路合流区和分流区检式点处。表5-1给出了合流交通量Qm、分流交通量Qd、高速公路交通量Q和服务水平标准：友5T（美闰）匝道与主线连接处检脸点服务水平标准Tabic5-1(America)Thes:rvicclevelstandanclofIhecheckingpointbetweenranipandmasterstroke合流交通量以（辆/h）分流交通量2,Wh）以下设计速度（km/h）的主线单向交通量/（辆/小时）110(km/h)90(km/h)80(km/h)4乍道6车道8他4车道6他8车道4他6他8WW600<1400近21002800ddddddd<1000近1050220033004100W200030034000ddd近1150近1500310046506200280042035600260039005200<1750<1800370055007100310051033200320048006100注：衣中流外指小汽车流血d也卜速度限制.达不到服务水平.资料来源：《交通匚程手册》由表5-1可见,立♦服分水平主要与合流、一流.处的椅杳点交诵量有关,交通量小,服务水平离,对立交各指标要求也高。反之，对立交各指标要求也低。因此，不同的服务水平等级对互通式立交选型也会有一定的影响。三、互通式立交匝道的计算行军速度匝道的计算行车速度主要是根据立交的等级、轮*交通量的大小以及用地和建设费用条件选定。立交匝道计算行车速度的确定，关系到匝道的几何形状及各组成部分的尺寸，以及视距、超高等因素，也影响到立交的通行能力，相应提高匝道的计算行车速度是很重要的。我国《规范》中，互通式立交匝道

的计算行车速度是仅根据立交等级所确定的，立交等级是根据相交道路的等级而确定的，并未考虑轧卷交通量的影响，这是部全面的。日木的匝道计算行车速度确定程序也是如此。《日木高速公路设计要领几何设:计》中规定，公路与通式立体交叉按连接道路的等级分为高速公路之间的M交(System工rrterchange)和高速公路叮•般公路”.通式立.交(Service工rrterchange高速公路之间的互通式立交，是按连接的那条公路的计算行军速度及立交通车使用10年后的设计交通量进行等级划分。所谓连接的那条路，是指与•已知车使用的路线相连接的新规划的那条道路而言。如下衣5-2、表5-3所示。装5-2日本高速公路之间互通式立交的等级划分Table5-2ThegradepartitionofinterchangeamongJapanhighway出入交通量Q(peu/h)120主线设计速度<Wh>100 80 6050Q220,000II IIIIIII20,000冷210.000III IIIIIIIIQ<10,000IIII IIIIIIIII装5-3日本高速公路之间立交匝道计算行车速度Table5-3ThedesignspeedofinterchangerampamongJapanhighway立交等级设计速度<u/h>I级80.60n级60.50工i工级40一般互通式立体交叉，根据高速公路主线计算行车速度和”.通式立交通车开始10年后的出入交通量进行等级划分如表5»4、表25所示：装5-4日本高速公路与一般公路相交的互通式立体交叉的等级划分Table5-4ThegradepartitionofinterchangebetweenJapanhighwayandnormalroad出入交通量Q(peu/h)主线的计算行车速度<U/h>120100806050Q210.000IIIIIIII10,000>Q25.000IIIIIIIIIIQ<5,000IIIIIIIIIIIII权5-5日本高速公路与一般公路相交的互通式立交匝道计算行车速度Tabic5-5ThedesignspeedofinterchangerampbetweenJapanhighwayandnormalroad十九纳尔高速公跖般公路(km/h)(km/h)80605040工级4040353530n级353535303030iii级30303030在a日木高速公路设计要领》中规定：对于三级路一般互通式立交，允许匝道相互平面交叉，采用如平面Y型等简易型的互通式立交。其判断条件原则上概括为以下两条：①由于降低规格而节省的工程费用，应该超过因服务水平降低导致增加交通运营费用的损失：②功能降低不能使交通的基木安全受到威胁。这两点最终是根据交通量大小来判断。如果交通量小，则由于服务水平降低的损失也小，而在平面交叉上的交通接触等危险也小。根据《日木高速公路设计纲领》中规定,立交等级为I、II级的互通式立体交叉其对应型式为定向形或半定向形，ni级对应型式为苜揩叶型或半苜揩叶型。由于目前国内外对互通式立交匝道的计算行车速度尚无确切的计算方法，各国所取匝道计算行车速度均是以主要道路计算行车速度为基准，乘以小于1.0的系数作为匝道计算行车速度。我国《规范》规定高速公路与通式立体交叉匝道计算行车速度取用主要道路计算行车速度的50〜70%,如表4-7所示：日木规定匝道计算行车速度取为主要道路计算行车速度的50〜S0%,如衣4-7所示：日木规定匝道行车速度取为主要道路计算行车速度的50〜80%。实际上，匝道计算行车速度比主要道潞上的计算行军速度的确定要红杂的多，因为立交匝道形式更杂，不同的立交型式，匝道线形不尽相同，同时，匝道坡度及匝道上的局部位置（如楔形端附近等处）对计算行布速度均E影响。换旬话说，匝道计算行车速度是随着线形、坡度及匝道上的部为变化而变化的。所以笼统的取用主要道路上的计算行车速度作为匝道计算行车速度的基准不尽科学。木研究认为，根据立交的等级和主要道路的计算行军速度来确定匝道的计算行军速度不尽合理。由于匝道的功能是连接相交两条道路，为两条道路之间的交通提供沛换服务，其计算行车速度也应充分考虑两条相交道路的计算行车速度而定。但具体的数值有待进一步研究确定。四、立交位置的确定道路立体交叉的位置确定，在道路网的规划原则下，应根据具体交通条件及技术经济条件，保证主要道路的功能而设置。因此在确定具体位置时，需考虑对主要道路交通量的分散和吸引的功能、保证交通运行的必要条件、立体交叉的间隔等因素。立体交叉的位置选择，除考虑立交点的交通性质与交通量分配外，还应考虑立交位置的地形、地物条件，立交周南道路的衔接，及立体交叉的主要道路等条件。由此可见，立交位置的确定也是影响立交选型的主要因素。32・2自然条件公路立体交叉选型设计中，自然条件是第二个必须考虑的方面。它包含三个因素：地理状况、地貌现状和地质资料。对于占地面枳很大的互通式立交，由于地形条件不同其工程费用也有较大的差别，因此应尽可能避开陡峻地形和软弱地基地带，也应尽量远离铁路、河流。地质状况有时对立交的型式也会产生很大影响，如立交的构造物的位置、构造物的层数以及由于地质情况的好坏而节省或增加的投资对总投资的影响，从而影响到立交型式的选择。52-3社会环境条件和社会效益社会环境条件包括土地规划，土地利用现状，现有永久性建筑设施及重点文化保护区等方面。土地规划和利用现状涉及到土地的征用及合理利用，这将影响到立体交叉的位置、占地规模和型式。在立交范围内若存在永久性建筑设施和重点文化保护区，会在很大程度上制约立交的型式选择。社会效益是由于互通式立交的修建对当地社会、经济和道路使用者提供的利益问题。采用合理的立交型式，⑴使立交的改建或修建对当地社会和经济产生正面有利影响：方便道路使用者的实现交通转向，不影响当地居民的方便出行：因此在考虑立体交叉的位置、型式选择和投资规模等时候，就应该注意到它对当地社会效益的影响。目前世界上儿卜力.公里的高速公路中有约25%是用征收通行费偿还贷款的方法建成的，许多国家都取得了这方面的成功经验，我国实行贷款道路收费制度已有十几年，这一制度的实施对我国公路尤其是高等级公路建设的迅速发展起到了极大的推动作用。5・2・4交通安全性方面的要求道路安全条件是影响交通安全的重要因素之一。所谓道路安全条件主要是指道路系统保证交通安全的技术条件，这种安全保证的技术条件，通过信息、被驾驶员迅速正确的感知，形成驾驶员的安全感。影响互通式立交交通安全条件包括：匝道半径：半径愈小，事故率愈高。其原因主要是离心力大造成侧向滑移或转弯困难驶入逆行甚至引起翻车：坡道：坡道对交通安全的影响很大，坡度越大，事故率越高：行驶速度：车辆行驶速度愈高，对道路几何条件及安全设施的要求也越高：交通量的大小：随着交通量增加，车辆间的车头间距也逐渐减少，如果发生紧急情况，过小的车头间距不能满足停车视距，尤其在高速公路上易形成尾撞事故：综上所述，互通式立体交叉的型式选择需要全面地考察交通、经济、社会效益和自然条件等因素。既要综合考虑各种制约条件，又要系统分析制约条件之间的相互.联系从而选择比较合理的一种或几种立体交叉型式。§5-3唐曹高速公路互通式立交方案选择的依据立交方案选择的目的主要是为交叉口提供一个行车便利、高速安全、满足交通需要、既能与环境协调一致又能发挥最大投资效益的立交形式。花方案选择时应考虑到各方面因素，才能做到方案最优。5-3-1全线协调一条高速公路中一般都有多处立体交叉，为了便于驾驶员掌握立交上的行军路线，安全迅速的通过立交，在自然条件相近的情况下，宜尽量采用统一的立交形式。唐曹高速公路全线设置了莲花泊枢纽、杨家泊互通、中立村枢纽、南堡互通、老爷庙互通共5处互通立交，其中两个枢纽为混合型.其它三个为单喇叭。5-3-2交通需求立交的直接服务对象是交通咕向流量，因此，确定立交形式与规模的主要依据应是林向交通需求。这就需要进行0D调修，通过对调农资料的整理分析，确定交叉口每一个方向上的交通量，由此确定立交的形式、规模及布置方案。5・3・3地形、地物影响立交形式的选择与俏置方案应结合交叉口的地形、地物综合考虑，尽量减少拆迁数量，注意保护环境及与周围景观的协调5-34经济效益互通式立交桥工程量集中、投资大，因此在方案选择时要进行充分的调性与论证，进行多方案的投资效益分析，选出优良方案，使之发挥最大的经济效益。总之，方案的选择除应考虑上述因素外，还应考虑路网布局、交叉口在路网中的地位和作用、设计个速、交通组成等因素，按路网结点位置定位，或在此定位基础上根据地形来考虑移动的经济性。§5-4唐曹高速公路互通式立交方案选择的步骤互通式立交方案的优劣对路线的服务水平及投资效益都有较大的影响。根据以往的情况，互通式立交方案的选择在可行性研究阶段所做的工作不多，缺乏总体设计与深入细致的分析、论证，到初步设计阶段往往引起规模、标准和设计方案的重大变更，或者是到了初步设计阶段才开始对立交方案进行分析论证，造成工作量大、时间紧，不能为施工图设计提供优化的设计方案，在施工图设计阶段还得修改设计方案，影响设计质量与进度。通过对过去经验的总结，互通式立交方案的选择与评价应与可行性研究同步完成,只有这样才能有充足的时间对方案进行优化设计。5・44选型定位该阶段工作应在预可行性研究阶段完成。主要依据“先定位后选型，选型定位相结合”的原则，根据路线的性质、在路网中的地位和作用、路线的服务水平、收费方式、交通容量及地形条件等因素，对全线的立交形式进行整体设计、统一规划。5・4・2方案设计这一下阶段的工作可在工程可行性研究阶段完成。在0D调查与工程可行性研究外业的基础上，付先进行交通分析，确定每个路口交通量分布状况，绘出交叉口的交通流量图。根据交通流量图及不同立交形式的通行能力，结合交叉口的具体情况进行方案设计。5・事3方案评价这项工作也可在工程可行性研究阶段进行。对立交方案的评价主要分三个方：（1）交通安全评价：主要对立交匝道的线性组合及各项线性指标进行分析，找出不同方案中对行车的最不利影响因素，互相对比评定。（2）社会经济评价：对不同方案进行成木效益分析，看其能否使投资发挥出最大的经济效益和社会效益。（3》环境影响评价：西先要求不破坏、污染和影响周围生态环境（包括噪音污染）。立交的造型是否优美，与周围景观是否协调，是次要内容。特别是立交的功能及经济效果，同时，此时评价对方案的选择尤为重要。§5-5唐曹高速公路申立村互通式立交方案设计的优化5-5-1方案设计情况中立村枢纽互通位于唐海县西南部沙河分洪区内，为唐曹高速公路、沿海高速公路提供交通流沛换服务。抠组互通位于沿海高速公路分洪桥西侧300米，交角为856度，采用主线上跨被交路的混合型互通型式。图5-2所示为中立村枢纽互通立交交通搔预测年限流损流向值。从整体来看，立体交叉向形式简单，功能齐全，线形平畋，构造物少，施工方便,造价低廉等：就构造物而言，材料要求轻质、高强、便于连接：施匚向快速简便，工业此制造等方面发展：设计理论已从允许应力法过渡到极限状态法：并向可匏度设计法发展。由于计算机的发展，结构的造型优选、方案比较等都更为简捷，受力分析也由简化的平面问题过渡到较为精确的空间立体计算，为立体交叉设计开辟了新的途径。立体交叉的发展是随着高速道路的迅速兴起并逐步发展的。高速道跖的洪起标志柠我国经济建设持续、稳定、快速发展的成就。立体交叉的产生则标志着人们对道路交叉认识上的飞跃。即道路交叉决不是道路偶然和父形成的简易道口，而是处理和组织交通运行手段的必然产物。国外化岛速道路隹设的初期，提出的立交形式是多种多样的，但大多是自发的和凭经验的，还没有形成设计理论。直到上世纪50年代中期，多层次立交设计理论逐步建立和发展，但至今仍然落后于高速道路线形设计理论，尤其是立体交叉的规划尚处于经验阶段，未形成科学的、实用的规划理论。我国立体交叉发展进程中需要在下列方面进一步研究和总结：•由于我国开始大量修建高速道路时间较晚，高速道路及其组成部分立体交叉的规划与设计.目前尚处于大量实践、经验枳累和理论研究阶段，迫切需要在立体交叉的规划原理和设计方法方面有所突破。.由于汽车在立体交叉的匝道上处于变速行驶状态，即车速是由高到低再到高的变化过程，匝道的平面线形必须适应这种变速行驶要求，