互通式立交匝道與主線開口處設計淺析

張 穎 郭立臣

1 概述

互通式立交的匝道與主線開口處是指立交匝道與主線的分岔端,也稱楔形端。楔形端的設計是互通立交設計的一個極重要的關鍵點,楔形端的設計直接關系到行車的安全性與舒適性。目前,對楔形端的設計有多種不同的方法,本文主要對比較常用的四種方法進行分析,四種方法適用情況不同,各有利弊。

2 匝道與主線連接處斷面設計方法

2.1 第一種方法

楔形端斷面設計的第一種方法是匝道的橫坡取值與主線橫坡相同,縱坡取值采用分流點或合流點對應主線樁號切線縱坡,不考慮出入口角及路面橫坡的影響,近似地用楔形端處主線縱坡值作為匝道的起始縱坡。這樣可使問題簡單化,再加上設計者對簡化后縱坡變化的判斷,就能使匝道縱面得到控制,并不致在詳細設計時縱坡出入過大。這種方法計算簡單、復核方便,但誤差稍大,一般用于初步設計階段。

2.2 第二種方法

第二種方法是設路面為一個平面,通過主線割線縱坡和橫坡及分流鼻前5 m～10 m匝道上一點的駛出、駛入角度α來確定匝道的縱坡、橫坡。

取分合流鼻點處匝道樁號對應的主線設計中心線 A,及 A點前5 m～10 m處一點B,如圖1所示。

對匝道縱坡進行計算,則匝道縱坡為:

取分、合流點對應的主線中線點為 C,取從分、合流點對應的匝道中線點引出垂直于主線中線點為D,如圖2所示。

對匝道橫坡進行計算,則匝道橫坡為:

第二種方法中,B點的取值較有隨意性。不同的設計人所取B點不會相同,但其誤差均在可允許的范圍內。

2.3 第三種方法

第三種方法為楔形端分合流鼻點處的微分取值法。

這種方法是用主線縱坡、路面橫坡及出入口角度來求相接處的匝道縱坡,公式推導如下:

設相接處斷面為AP,該處的主線縱坡為 IM,路面橫坡為IC,求匝道縱坡 IS。

在AP斷面處,取一主線長為ΔX的微分體,其匝道長度為ΔL,斷面寬度增量為ΔY,平面圖如圖3a)所示。而這里高程所研究的范圍在 AA′B′C內,設 A,A′,B′,B,C各點的設計高程分別為HA,HA′,HB′,HB,HC,其相應的高程立面如圖3b)所示。

則 IS=(HC-HA)/ΔL,而 ΔL=ΔX/cosθ HC=HB-ICΔY 。

則 IS=[(HB-HA)/ΔX]-ICΔY/ΔXcosθ。

當ΔX→0時,有:

則有:

當主線路中至外側的路面橫坡IC為正坡時(外高中低),式(3)則為:

第三種方法匝道橫坡計算與第二種方法一致。

2.4 第四種方法

第四種方法為脊線法。在主線外側行車道邊線與匝道內側行車道邊線交點至分合流鼻點之間設置一條合理的脊線,匝道的縱斷面和橫斷面設計自匝道起點開始便不依附主線。匝道起點的縱坡為該點相對應的主線切線縱坡。匝道橫坡則根據自身需要設定,這種做法施工中路面會存在一條脊線,影響路面整體平整度,但是匝道的線形卻更適合行車。

3 楔形端縱橫坡取值實例計算

圖4為天津市塘沽區西中環北延京津互通式立交,D匝道與西中環北延主線分流點。

采取第一種方法時,匝道橫坡 i橫=1.5%;匝道縱坡 i縱=-1.46%;

采用第二種方法時,主線橫坡i橫=1.5%;A,B兩點主線割線縱坡 i縱AB=-1.391%;C,D 兩點主線割線縱坡 i縱CD=-1.447%。

代入式(1),可得匝道縱坡 i縱為:

代入式(2),可得匝道橫坡 i橫為:

按第三種方法取值匝道橫坡IC與第二種方法一樣,匝道縱坡IS計算方法為:主線橫坡 IC=1.5%;主線縱坡IM=-1.46%。其中,θ=11.56°,代入式(3):

按第四種方法設置脊線匝道橫坡 i橫=3%;匝道縱坡 i縱=0.73%。

4 結語

1)本文對互通式立交楔形端設計的4種方法進行了理論推導和實例分析,從本文分析可以看出,第一種方法縱橫坡的取值比較簡單,適合于初步設計階段,精確性不如其他三種方法,一般不能用于施工圖設計。

2)第二種和第三種方法是目前設計中經常使用的設計方法,作者建議在有條件的情況下,應采用本文所述第三種方法進行楔形端縱橫坡設計。

3)第四種方法借鑒了反坡的脊線設計法,這種方法設計的匝道行車的舒適性大大增強。鑒于匝道行車速度比較低,縱橫坡變化的不連續不會對司乘人造成不適,目前的楔形端設計一般情況下沒有考慮脊線設計,視覺的不平整性也使得這種方法并沒有得到大規模的應用。

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