自由流半苜蓿叶立交线形设计探索

陆子文,程建川

（1.东南大学交通学院，江苏南京 210096;2.江苏省现代道路交通安全设计与评价联合培养研究生示范基地，江苏南京 210005）

0 引言

近几年，随着高速公路建设事业的不断发展，互通立交的建设条件也越发复杂，不仅间距越来越小，立交型式越来越多样，而且匝道线形设计所受的制约条件也越来越多，互通立交已成为高速公路的事故多发区。国内立交设计大部分采用的常规型式如全苜蓿叶立交、部分苜蓿叶立交、菱形立交和环形立交等越来越不满足交通安全和通行能力的要求。国外已经越来越多地把眼光投向非常规立交的研究，加拿大学者Antonio Loro提出了一种新型的立交——自由流半苜蓿叶立交[1]。它能消除立交结构中的交织影响，达到提高通行能力与交通安全的目的。

本文采用国内先进的立交设计软件对自由流半苜蓿叶立交进行设计，针对设计中存在的几何线形指标运用和线性组合设计等问题进行探讨，并简单地对比完全苜蓿叶立交，研究新型立交的线形可行性以及结构优越性。

1 研究背景

交织指的是两个或更多交通流沿公路相当长路段运行的总方向相同，且在没有交通控制设施的情况下，相交而过的运行。在我国，常用的互通式立体交叉型式多数都存在着交织运行，如完全苜蓿叶立交、环形立交和部分苜蓿叶立交，图1中的斜线阴影部分即为交织区[2]。

图1 完全苜蓿叶立交和环形立交上的交织

立体交叉中采用交织的优点是可以省去桥梁，简化立交结构，从而降低造价，但交织型式会带来匝道通行能力、立交道路交通安全等方面的影响。如果能考虑在尽量降低造价的基础上消除交织，从长远角度，看立交的应用性能则会得到提高。基于这种理念，国外学者正致力于非常规立交的研究，通过对现有立交的一些改建来消除交织，减小路权，提高通行能力[3]。国内学者近些年也正在做出这样的尝试：深圳大学的张谦、王京元就提出一种消除交织的环形立交概念设计[4]。在提出概念设计的同时我们应更进一步对其在国内的适用性问题进行研究，本文就基于这样的理念选择了自由流半苜蓿叶立交这种新型立交进行了线形设计的探索。

2 新型立交的介绍

自由流半苜蓿叶立交可以称为无交织的对向部分苜蓿叶立交，图2是这种立交的基本结构示意图。基于消除相交主线上的交织，提高立交通行能力的目的，对现有完全苜蓿叶立交进行改进：将两对角象限内的环形匝道去除，改成两座跨线桥。

图2 自由流半苜蓿叶立交结构示意图

自由流半苜蓿叶立交的特点有：（1）立交结构内不存在交织区；（2）只存在右转出入口；（3）有两个环形匝道；（4）至少需要两座桥。

前面两个特点毫无疑问提高了立交的通行能力和交通安全，减去两个环形匝道有利于新型立交更好地适用于斜交道路，但由于桥梁至少需要两座，所以造价经济方面会有所耗费。

3 我国立交线形设计指标

从图2可以看出，线形布设可能存在两个问题：一是两座桥在跨线部分的缓和曲线长度可能不够；二是由于桥梁的上跨支线下穿主线，主线的纵断面的高差可能会很大，使拉坡存在了困难。因此，列出我国《公路路线设计规范》（JTG-D20-2006）（以下简称《规范》）对平纵线形指标的限制。

从表1～表3中可知，当匝道设计速度为40 km/h，我国《规范》允许的最小缓和曲线长度不能低于35m；竖曲线最大纵坡出口上坡段不能高于5%，下坡段不能高于4%；入口上坡段不能高于4%，下坡段不能高于5%；当主线设计速度为100 km/h时，最大纵坡不得超过2%。

表1 匝道中的平曲线参数

表2 匝道中的竖曲线参数

表3 互通式立交范围内主线纵坡指标

4 新型立交设计的实现过程

某公路立交原采用完全苜蓿叶结构（见图3），伴随着道路建设的发展和车辆保有率的提高，现有完全苜蓿叶形式存在以下几个缺点：

图3 完全苜蓿叶立交

（1）四条环形匝道极大限制了该立交结构上车辆的运行速度，进而限制了立交的通行能力；

（2）四条环形匝道占用大量土地面积；

（3）完全苜蓿叶结构是两条相交线上存在多处交织，既影响通行能力又影响了交通安全。

主交通流为南北方向，应尽量提高车辆运行速度和通行能力，并且考虑到交通安全性设计方案最好避免交织并减少环形匝道数量。根据这些要求，改建方案采用自由流半苜蓿叶立交设计（见图4）。主线采用双向双车道，设计速度为100 km/h，匝道采用单车道设计，设计速度为40 km/h。加速车道采用平行式，减速车道采用直接式。匝道的超高及过渡设计，出入口的端部设计都依据公路路线设计规范。

设计中匝道平曲线线形指标比较苛刻，如表4所列，匝道平曲线设计参数中最小缓和曲线段长度为38.92 m，最小圆曲线半径为70 m，符合我国《规范》的要求。南北向主线的纵曲线拉坡较为不易，最大纵坡为1.51%，也符合《规范》（见表5）。

图4 自由流半苜蓿叶立交

表4 匝道平曲线参数表

表5 主线纵曲线参数

图5是三维动画模式渲染出的效果图。

图5 自由流半苜蓿叶立交三维效果图

由于改建方案仅处于设计可行性研究阶段，并没有实施，只能给出现有立交与改建方案的简单对比（见表 6）。

表6 现有立交与改建方案对比表

5 结论

（1）自由流半苜蓿叶立交根据我国《规范》是可以实现的，具体线形设计时注意控制曲率变化频繁的匝道的最小缓和曲线长度和跨线桥的最大纵坡。这种立交型式丰富了立交设计选型，并在特定情况下做到因地制宜。

（2）尽管从线形设计角度明确了自由流半苜蓿叶型立交的可行性，但今后尚需结合新建或改建项目的交通量及交通事故等资料，通过交通仿真等手段进一步研究该新型立交的线形一致性等安全性能。

[1]Antonio Loro.Weaving-free interchange with few bridges and exterior exits and entrances only[P].English:CA2736686A1.2012-05-13 May.

[2]李卫青.互通立交形式综述[J].桥梁建设，2007（增刊 1）：4-6，14.

[3]Jae Pil Moon,Comparing Operation and Safety Between A New Nano Interchange and Conventional System Interchange[D].North Carolina:North Carolina State University,2007.

[4]张谦,王京元.一种无交织的环形立交的概念设计[J].公路交通科技，2012,29(6):122-126,143.

[5]JTG-D20-2006,公路路线设计规范[S].

[6]席红岩.互通立交设计中应重视的问题[J].工程与建设，2009,23(2):214-216.