立交橋匝道放樣方案設(shè)計(jì)

馬義超，米鴻燕，鐘 凱

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立交橋匝道放樣方案設(shè)計(jì)

馬義超，米鴻燕，鐘 凱

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

本文通過對立交橋測量方案設(shè)計(jì)的研究，并以互通式立交橋?yàn)槔贸鲈诹⒔还こ淌┕r(shí)，測量人員需要做的工作以及對各項(xiàng)測量工作的安排。最后，通過對立交匝道中邊樁坐標(biāo)計(jì)算軟件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，并對測量放樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算與檢核。

互通式立交橋；坐標(biāo)計(jì)算；放樣數(shù)據(jù)；檢核

0 引言

立體交叉主要由跨線構(gòu)造物、正線、匝道、出入口、變速車道與集散車道等幾部分組成[1]。（1）跨線構(gòu)造物。主要指從主體結(jié)構(gòu)上方或下方穿過的構(gòu)造物。（2）正線。立體交叉的主體結(jié)構(gòu)，交通量較大，包括主線和次線。（3）匝道。是主線車輛實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的重要結(jié)構(gòu)組成。（4）出入口。供車輛由正線進(jìn)入或駛出。（5）變速車道?？煞譃榧铀佘嚨篮蜏p速車道，在正線出入口附近設(shè)置。（6）集散車道。與正線平行但分離開來的車道。除以上主要組成部分之外，立體交叉還包括立交范圍內(nèi)的綠化地帶、管線設(shè)施以及照明通信設(shè)施[2]。

1 立交原理與分析

1.1 立體交叉的設(shè)置條件

立體交叉作為一項(xiàng)大型工程，其設(shè)置條件也需經(jīng)過多方面的考慮，不僅要從交通方面，還要對經(jīng)濟(jì)條件以及可持續(xù)發(fā)展性做相應(yīng)的考慮[3]。如我國一些城市或高速路口修建立體交叉時(shí)，沒有從長遠(yuǎn)方向考慮，建成之后非但沒有改善交通，還造成了更為嚴(yán)重的交通擁堵，所以立體交叉的設(shè)置條件也十分重要[4-5]。立體交叉設(shè)置的條件需考慮以下方面，如圖1所示。

1.2 匝道施工測量

在進(jìn)行匝道施工前，應(yīng)先核對匝道與正線以及匝道與匝道交接位置的數(shù)據(jù)，包括各點(diǎn)的里程、平面坐標(biāo)、高程以及橫縱斷面數(shù)據(jù)，若檢核發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)沖突，應(yīng)上報(bào)項(xiàng)目工程部。

施工測量時(shí)，首先測設(shè)出道路中線以及邊線，以供路基施工，在中心線樁上需標(biāo)出設(shè)計(jì)高程與基層的松鋪厚度[6]。路基施工完成以后，進(jìn)行道路基層的測量放樣，每隔五米測設(shè)一個(gè)點(diǎn)位，要求有平面坐標(biāo)與高程，并將樁定設(shè)在路線外五十公分處，考慮其松浦系數(shù)，壓實(shí)之后應(yīng)及時(shí)復(fù)核樁位高程，為后續(xù)施工工序提供依據(jù)?；鶎邮┕ね瓿梢院?，需要放出路緣石內(nèi)線位置，待路緣石施工完成后，在路緣石側(cè)面需測設(shè)路面高程控制點(diǎn)，便于后續(xù)路面施工的控制測量[7]。每道工序都需要認(rèn)真檢核，檢核無誤之后，向監(jiān)理工程師報(bào)檢復(fù)核通過以后，才能開始下一道工序[8-9]。

圖1 立體交叉設(shè)置的條件

2 研究區(qū)域概況

本工程為永藍(lán)高速公路主線與嘉寧公路的交叉處，位于寧遠(yuǎn)縣禾亭鎮(zhèn)和上宜圩交接處，主線設(shè)計(jì)范圍：K94+310~K96+130，標(biāo)段全長1.82 km。立交為單喇叭式立體交叉，設(shè)匝道收費(fèi)站一座，二進(jìn)二出。立交構(gòu)造物包括：主線跨線橋1座，5條匝道，總長度5440.107 m。E匝道全長1879.343 m。

3 線元法匝道數(shù)據(jù)計(jì)算

3.1 線元類型的判斷

由線元法定義可知線元的三種類型有直線、圓曲線和緩和曲線，一般根據(jù)輸入已知參數(shù)起終點(diǎn)的曲率半徑的不同，進(jìn)行線元類型的判斷[10]。

設(shè)線元起點(diǎn)曲率半徑為Rs，終點(diǎn)曲率半徑為Re，有[11]：

（1）直線：起點(diǎn)曲率半徑等于終點(diǎn)曲率半徑，且為無窮大，即Rs=Re=∞；

（2）圓曲線：起點(diǎn)曲率半徑等于終點(diǎn)曲率半徑，但不為無窮大，即Rs=Re≠∞；

（3）緩和曲線：起點(diǎn)曲率半徑不等于終點(diǎn)曲率半徑，即Rs≠Re。

3.2 直線坐標(biāo)正算

直線坐標(biāo)正算時(shí)需要已知線元起點(diǎn)樁號(hào)s、起點(diǎn)中樁坐標(biāo)（s，s）、起點(diǎn)的走向方位角s以及直線長度。

設(shè)直線上任意點(diǎn)位的樁號(hào)為Z，則j點(diǎn)至起點(diǎn)的線長L為

任意點(diǎn)j的中樁坐標(biāo)為

3.3 圓曲線坐標(biāo)正算

圓曲線坐標(biāo)正算時(shí)需要已知線元起點(diǎn)樁號(hào)Z、起點(diǎn)中樁坐標(biāo)（X，Y）、起點(diǎn)的走向方位角α、圓曲線半徑、曲線長度以及偏向[12]。

設(shè)圓曲線上任意點(diǎn)位的樁號(hào)為Z，則點(diǎn)至起點(diǎn)的弧線長度l為

弦長sj的弦切角與弦長為

弦長的方位角與點(diǎn)的走向方位角為

其中正負(fù)號(hào)的選取為：路線右偏取“+”，路線左偏取“-”后面公式如不注明，正負(fù)號(hào)選取方法相同。

任意點(diǎn)的中樁坐標(biāo)為

3.4 緩和曲線坐標(biāo)正算

緩和曲線坐標(biāo)正算時(shí)需已知線元起點(diǎn)樁號(hào)Z、起點(diǎn)中樁坐標(biāo)（X，Y）、起點(diǎn)走向方位角α、起點(diǎn)曲率半徑R、終點(diǎn)曲率半徑R、緩和曲線長度以及偏向[13]。

緩和曲線根據(jù)線元起終點(diǎn)半徑的大小可分為：正向緩和曲線（R>R）和反向緩和曲線（R<R）。正向緩和曲線又分為：正向完整緩和曲線（R<R=￥）和正向非完整緩和曲線（R<R≠￥）；同理，反向緩和曲線可分為：反向完整緩和曲線（R<R=￥）和反向非完整緩和曲線（R<R≠￥）。因?yàn)橥暾徍颓€是非完整緩和曲線的特例，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，可直接用非完整緩和曲線計(jì)算公式線進(jìn)行計(jì)算[14]。

（1）正向非完整緩和曲線坐標(biāo)正算

設(shè)正向非完整緩和曲線原點(diǎn)￠到緩和曲線起點(diǎn)的曲線長為l，則原點(diǎn)￠至終點(diǎn)的曲線長度為

緩和曲線參數(shù)為的計(jì)算公式為

設(shè)緩和曲線上任意點(diǎn)的樁號(hào)為Z，有

將l、l代入

得到起點(diǎn)的切線支距坐標(biāo)（x￠，y￠）和點(diǎn)的切線支距坐標(biāo)（x￠，y￠）。弦長的長度以及在切線支距坐標(biāo)下的方位角為

點(diǎn)的偏角和點(diǎn)的偏角為

弦長在點(diǎn)的弦切角為

弦長的方位角與的走向方位角為

任意點(diǎn)j的中樁坐標(biāo)為

（2）反向非完整緩和曲線坐標(biāo)正算

設(shè)反向非完整緩和曲線原點(diǎn)￠到緩和曲線終點(diǎn)的曲線長為l，則原點(diǎn)￠至起點(diǎn)的曲線長度為[15]

緩和曲線參數(shù)為，的計(jì)算公式為

設(shè)緩和曲線上任意點(diǎn)的樁號(hào)為Z，有

將l、l代入

得到起點(diǎn)s的切線支距坐標(biāo)（x￠，y￠）和點(diǎn)的切線支距坐標(biāo)（x￠，y￠）。弦長的長度以及在切線支距坐標(biāo)下的方位角為

點(diǎn)的偏角和點(diǎn)的偏角為

弦長在點(diǎn)的弦切角為

弦長的方位角以及點(diǎn)的走向方位角為

任意點(diǎn)的中樁坐標(biāo)為

3.5 匝道主點(diǎn)樁號(hào)與坐標(biāo)計(jì)算

在計(jì)算出了匝道任意點(diǎn)的中樁坐標(biāo)（X，Y）后，還需要根據(jù)路線寬度計(jì)算左右邊樁的坐標(biāo)。設(shè)點(diǎn)中樁距左邊樁距離為，距右邊樁距離為，點(diǎn)走向方位角為α，則α-90°為點(diǎn)到點(diǎn)左邊樁的方位角，αj+90°為點(diǎn)到點(diǎn)右邊樁的方位角[16]，故左邊樁坐標(biāo)計(jì)算公式為

右邊樁計(jì)算公式為

這里通過對寧遠(yuǎn)東互通式立交橋A匝道上點(diǎn)位的測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算，如表1所示。

表1 E匝道邊樁點(diǎn)坐標(biāo)

Tab.1 E-ramp edge pile point coordinates

4 匝道主坐標(biāo)計(jì)算反算

4.1 直線坐標(biāo)反算

直線坐標(biāo)反算時(shí)，需要已知起點(diǎn)的樁號(hào)Z，坐標(biāo)（X，Y）以及走向方位角α。

設(shè)點(diǎn)為直線附近任意邊樁點(diǎn)，坐標(biāo)為（X，Y），點(diǎn)對應(yīng)中樁點(diǎn)為，直線的點(diǎn)斜式方程為

將起點(diǎn)的中樁坐標(biāo)代入得

因?yàn)橹本€⊥，所以有

合并式（29）和式（30）得

整理后得點(diǎn)坐標(biāo)為

點(diǎn)樁號(hào)與走向方位角為

4.2 圓曲線坐標(biāo)反算

圓曲線坐標(biāo)反算需已知起點(diǎn)的樁號(hào)Z，坐標(biāo)（X，Y），走向方位角α，曲線半徑以及線路偏向。

設(shè)（X，Y）為圓曲線附近任意邊樁點(diǎn)位，圓曲線圓心點(diǎn)的方位角為

圓心點(diǎn)的坐標(biāo)為

由、兩點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出直線的距離和方位角為

則點(diǎn)距中樁點(diǎn)的距離為

由圓心坐標(biāo)反算垂足點(diǎn)的中樁坐標(biāo)為

起點(diǎn)到點(diǎn)的的弦長與弦切角為

故p點(diǎn)的樁號(hào)和走向方位角為

4.3 緩和曲線坐標(biāo)反算

緩和曲線坐標(biāo)反算需已知起點(diǎn)的樁號(hào)Z，坐標(biāo)（，），走向方位角α，終點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y），起點(diǎn)曲率半徑R，終點(diǎn)曲率半徑R，緩和曲線長度L以及線路偏向。

以=2 min（R，R），即起終點(diǎn)半徑最小值的二倍為半徑作圓弧，該圓弧稱為緩和曲線的擬合圓弧。

（1）擬合圓弧圓心坐標(biāo)計(jì)算

設(shè)弦長的中點(diǎn)為，擬合圓弧圓心為，有

弦長的弦長以及方位角為

直線的距離以及方位角為

則擬合圓弧圓心的坐標(biāo)為

擬合圓弧弦長在起點(diǎn)的弦切角以及擬合圓弧長為

緩和曲線長與擬合圓弧長之差為

（2）垂足點(diǎn)初始樁號(hào)及其改正數(shù)的計(jì)算

設(shè)點(diǎn)為緩和曲線附近任意邊樁點(diǎn)，坐標(biāo)為（X，Y），直線的長度及其方位角為

邊樁點(diǎn)在擬合圓弧上垂足￠點(diǎn)的坐標(biāo)為

在擬合圓弧上，弦長￠的弦切角及￠擬合圓弧長度為

則緩和曲線垂足點(diǎn)樁號(hào)的初始值為

式中0為緩和曲線起點(diǎn)至初始樁號(hào)垂足點(diǎn)0的線長，稱為初始線長。對初始樁號(hào)經(jīng)坐標(biāo)正算可計(jì)算初始樁號(hào)垂足點(diǎn)的坐標(biāo)（0，0），走向方位角0。

直線0的長度及方位角為

邊距0以0走向方位角α為零方向的走向歸零方向?yàn)?/p>

走向歸零方向的標(biāo)準(zhǔn)值，左邊樁應(yīng)為270°，右邊樁應(yīng)為90°，故偏角改正數(shù)為

當(dāng)>0時(shí)，垂足點(diǎn)初始線長0的改正數(shù)>0，當(dāng)<0時(shí)，改正數(shù)<0。

緩和曲線初始線長改正數(shù)為

（3）改正后垂足點(diǎn)樁號(hào)及垂線方程殘差值的計(jì)算

改正后垂足點(diǎn)樁號(hào)為

再由Z經(jīng)坐標(biāo)正算計(jì)算出垂足點(diǎn)中樁坐標(biāo)（X，Y）以及走向方位角α。將其代入垂線方程殘差計(jì)算公式

得垂線方程殘差值(l)，如果|(l)|<0.001 m，則計(jì)算結(jié)束，否則再計(jì)算一次。

這里通過對寧遠(yuǎn)東互通式立交橋A匝道上點(diǎn)位的測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)反算。（表2）

表2 A匝道邊樁點(diǎn)坐標(biāo)反算表

Tab.2 A Inverse coordinates of ramps and piles

5 程序設(shè)計(jì)界面及使用說明

本程序是采用C#軟件對線元法進(jìn)行編制的，可以實(shí)現(xiàn)匝道坐標(biāo)正反算及邊樁坐標(biāo)的計(jì)算，同時(shí)可以導(dǎo)入輸入數(shù)據(jù)以及對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行保存，如圖2所示。

在坐標(biāo)正算時(shí)，首先根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)輸入起點(diǎn)樁號(hào)、走向方位角、起點(diǎn)中樁坐標(biāo)以及需要計(jì)算的線元個(gè)數(shù)。然后根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，依次輸入每個(gè)線元的起點(diǎn)曲率半徑，終點(diǎn)曲率半徑、線元長度與偏向，當(dāng)線元起終點(diǎn)曲率半徑為無窮大時(shí)，在對應(yīng)半徑欄輸入0；當(dāng)線元左偏時(shí)，在對應(yīng)偏向欄輸入-1；線元右偏時(shí)，在對應(yīng)偏向欄輸入1；線元為直線，在對應(yīng)偏向欄輸入0。所有線元輸入完成并檢查無誤后，點(diǎn)擊計(jì)算，便可計(jì)算出各個(gè)線元的終點(diǎn)樁號(hào)、坐標(biāo)與走向方位角。

當(dāng)需要計(jì)算線路任意樁號(hào)中樁及邊樁坐標(biāo)時(shí)，在“加樁坐標(biāo)計(jì)算”欄輸入需要計(jì)算的樁號(hào)、左右邊樁距中樁的距離，點(diǎn)擊計(jì)算，便可計(jì)算出相應(yīng)中樁的坐標(biāo)、走向方位角，左右邊樁的坐標(biāo)。

圖2 匝道坐標(biāo)計(jì)算程序界面圖

當(dāng)知道某線元段內(nèi)一個(gè)邊樁點(diǎn)的坐標(biāo)，欲反算求其中樁的樁號(hào)、坐標(biāo)以及距中樁的距離，可在“坐標(biāo)反算”欄內(nèi)計(jì)算。先輸入該點(diǎn)所在的線元號(hào)和坐標(biāo)，點(diǎn)擊計(jì)算，便可計(jì)算出所需要的結(jié)果。

6 結(jié)束語

本文是從互通式立交橋組成與條件的方向展開研究，確定了對各匝道中邊樁點(diǎn)位放樣數(shù)據(jù)，并且通過C#語言編寫匝道坐標(biāo)計(jì)算程序，并對各匝道中邊樁點(diǎn)位放樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算與檢核，驗(yàn)證了程序計(jì)算的可靠性。從而為橋梁匝道的計(jì)算提供了方便，提高了工程的效率。

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Design of Lofting Plan for Overpass Ramp

MA Yi-chao, MI Hong-yan, ZHONG Kai

(Faculty of land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

This paper studies the design of the overpass measurement scheme, and to the Far East Nanjing interchange as an example in the overpass project construction, measurement personnel need to do the work and the arrangements for the measurement work. Finally, through the design and application of the coordinate calculation software for the middle and side piles of the ramp, the relevant calculation and inspection of the measured lofting data are carried out.

Interchange bridge; Coordinate calculation; Lofting data; Check the core

TP7

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.049

米鴻燕(1963-)，男，昆明理工大學(xué)，副教授，主要研究方向：水下地形測量與變形檢測；馬義超(1993-)，男，昆明理工大學(xué)，研究生，主要研究方向：變形監(jiān)測；鐘凱(1995-)，男，昆明理工大學(xué)，研究生，主要研究方向：3s集成與應(yīng)用。

馬義超，米鴻燕，鐘凱. 立交橋匝道放樣方案設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2018，39（12）：215-221