平曲線路段匝道收費(fèi)廣場(chǎng)設(shè)計(jì)新方法

劉利民， 汪海芳

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430056)

目前，高速公路與非高速公路銜接的互通式立體交叉一般會(huì)設(shè)置匝道收費(fèi)站。匝道的線形設(shè)計(jì)在較大程度上影響收費(fèi)站的通行能力和服務(wù)水平。在一些情況下，若未處理好收費(fèi)廣場(chǎng)前后匝道線形和漸變段，有可能存在較大的安全隱患。因此，匝道收費(fèi)站的平縱面線形設(shè)計(jì)需要引起足夠重視。

匝道收費(fèi)站位置的選擇綜合考慮路段線形、地形、地質(zhì)、通視條件和運(yùn)行速度過(guò)渡條件等因素，常常難以設(shè)置在直線上，只能設(shè)置在平曲線上。而公路設(shè)計(jì)規(guī)范要求收費(fèi)廣場(chǎng)路段設(shè)計(jì)基線宜采用由收費(fèi)廣場(chǎng)長(zhǎng)度確定的弦線，此時(shí)，收費(fèi)廣場(chǎng)基線與匝道設(shè)計(jì)中心線不同，這樣給設(shè)計(jì)、施工以及行車均帶來(lái)較大不便。該文結(jié)合收費(fèi)廣場(chǎng)車輛運(yùn)行速度較低的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)分析、研究，提出一種全新的設(shè)計(jì)方法，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，方便施工，提高行車舒適度。

1 規(guī)范相關(guān)要求

(1) JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]

文獻(xiàn)[1]第13.2.1條規(guī)定：“2匝道收費(fèi)站廣場(chǎng)：平曲線半徑不得小于200 m……”。

(2) JTG/T D21—2014《公路立體交叉設(shè)計(jì)細(xì)則》[2]

文獻(xiàn)[2]第8.6.3條規(guī)定：“當(dāng)匝道收費(fèi)廣場(chǎng)設(shè)置在平曲線路段時(shí)，圓曲線半徑不應(yīng)小于200 m，收費(fèi)廣場(chǎng)應(yīng)按矩形設(shè)計(jì)，廣場(chǎng)路段設(shè)計(jì)基線宜采用由收費(fèi)廣場(chǎng)長(zhǎng)度確定的弦線”。

文獻(xiàn)[2]第9.4.7條規(guī)定：“匝道收費(fèi)廣場(chǎng)……當(dāng)路面加寬采用線性過(guò)渡時(shí)，兩端應(yīng)插入曲線，且其切線長(zhǎng)不應(yīng)小于10 m；當(dāng)采用拋物線過(guò)渡時(shí)，加寬過(guò)渡段上任一點(diǎn)的路面加寬值可按式(9.4.6-1)或式(9.4.6-2)計(jì)算”(圖1)。

圖1 匝道收費(fèi)廣場(chǎng)兩端路面加寬過(guò)渡示意圖

從規(guī)范要求可看出：收費(fèi)廣場(chǎng)采用線性漸變時(shí)，需要設(shè)置圓曲線進(jìn)行過(guò)渡，這與《日本高速公路設(shè)計(jì)要領(lǐng)》的要求完全一致；而采用三次拋物線漸變時(shí)，并未要求設(shè)置圓曲線進(jìn)行過(guò)渡。

2 常規(guī)設(shè)計(jì)方法

在進(jìn)行收費(fèi)廣場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定收費(fèi)站中心樁號(hào)，即收費(fèi)站的位置，然后結(jié)合收費(fèi)廣場(chǎng)長(zhǎng)度，人工繪制出收費(fèi)廣場(chǎng)的平面布置圖，確定收費(fèi)廣場(chǎng)的起終點(diǎn)樁號(hào)。對(duì)于橫斷面設(shè)計(jì)，一般有兩種方法：① 直接按匝道中心線，逐樁量取每個(gè)橫斷面寬度，錄入到匝道加寬數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)。收費(fèi)廣場(chǎng)的橫坡以匝道中心線為基準(zhǔn)設(shè)置，而非收費(fèi)廣場(chǎng)基線，整個(gè)設(shè)計(jì)銜接平順。僅收費(fèi)廣場(chǎng)邊線以匝道中心線進(jìn)行偏置線計(jì)算，非直線線形，公路平面總體設(shè)計(jì)圖和連接部中需要手工替換；② 單獨(dú)對(duì)收費(fèi)廣場(chǎng)基線進(jìn)行定線，定義其平縱面，然后進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)。該方式保證了收費(fèi)廣場(chǎng)橫坡的準(zhǔn)確，但設(shè)計(jì)過(guò)程較為麻煩，廢棄了匝道的平縱面，僅在起終點(diǎn)保持高程順接，在收費(fèi)廣場(chǎng)兩端縱坡坡度和橫坡存在突變。

平曲線路段按規(guī)范要求設(shè)計(jì)的收費(fèi)廣場(chǎng)，無(wú)論采用哪種方法設(shè)計(jì)，均難以用路線設(shè)計(jì)軟件直接自動(dòng)處理，手工設(shè)計(jì)工作量較多；在施工中，也增加了復(fù)雜度。在該設(shè)計(jì)方式下，采用線性漸變時(shí)，收費(fèi)廣場(chǎng)的過(guò)渡段兩端接點(diǎn)均存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)；采用拋物線漸變時(shí)，收費(fèi)廣場(chǎng)過(guò)渡段與收費(fèi)廣場(chǎng)銜接處存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)(圖2)?！度毡靖咚俟吩O(shè)計(jì)要領(lǐng)》中強(qiáng)調(diào)“過(guò)渡段對(duì)美觀也有很大的影響，所以必須注意”。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，插入圓曲線以使過(guò)渡段平滑的做法，增加了設(shè)計(jì)與施工的復(fù)雜度，較為少見(jiàn)，往往被忽略。

圖2 平曲線路段收費(fèi)廣場(chǎng)設(shè)置平面圖

200～1 000 m平曲線半徑的弓高及偏角見(jiàn)表1。

表1 200～1 000 m平曲線半徑的弓高及偏角

從表1可見(jiàn)：半徑越小，收費(fèi)廣場(chǎng)基線與平曲線之間的弓高就越大，基線與匝道平曲線相接點(diǎn)的偏角就越大，行車軌跡就越不平滑，這將嚴(yán)重影響收費(fèi)站的通行能力和服務(wù)水平。從圖2中可看出：曲線內(nèi)側(cè)的漸變區(qū)域明顯偏寬，有富余；而曲線外側(cè)的漸變區(qū)域明顯偏窄，車輛進(jìn)出收費(fèi)廣場(chǎng)受限。收費(fèi)島島頭和島尾與路線相接十分不順暢，尤其對(duì)于長(zhǎng)車而言，往往會(huì)產(chǎn)生汽車駛出收費(fèi)島后匯流時(shí)有轉(zhuǎn)不過(guò)彎的感覺(jué)，半徑越小越明顯，從而影響收費(fèi)站的通行能力和服務(wù)水平。

總之，從收費(fèi)廣場(chǎng)設(shè)計(jì)和施工的便利性、過(guò)渡區(qū)域的合理性(曲線外側(cè)寬度不足，曲線內(nèi)側(cè)寬度富余，半徑越小越明顯)、過(guò)渡段路面與收費(fèi)廣場(chǎng)路面銜接的順暢度、過(guò)渡段端點(diǎn)銜接的美觀性和車輛行駛軌跡的平滑度等諸多方面來(lái)說(shuō)，規(guī)范推薦的平曲線上收費(fèi)廣場(chǎng)基線設(shè)計(jì)方法不是一種最佳的設(shè)計(jì)方法。

3 新設(shè)計(jì)方法

通過(guò)對(duì)收費(fèi)廣場(chǎng)的車輛實(shí)際運(yùn)行速度分析，認(rèn)為車輛在進(jìn)入收費(fèi)廣場(chǎng)的速度較低，目前折線相接可以滿足基本要求，但設(shè)計(jì)與施工并不便利。通過(guò)研究，將收費(fèi)廣場(chǎng)基線通過(guò)圓曲線與兩端線形相接，按設(shè)計(jì)速度20 km/h設(shè)計(jì)，圓曲線長(zhǎng)度至少滿足3 s行程(20 m)，這樣無(wú)論是設(shè)計(jì)、還是施工、行車將更方便。若收費(fèi)廣場(chǎng)部分處于回旋線上，可在遠(yuǎn)離收費(fèi)廣場(chǎng)的一端設(shè)置回旋線，而靠近收費(fèi)廣場(chǎng)的一端不設(shè)回旋線，使得線形更為合理。

一般而言，收費(fèi)廣場(chǎng)的位置需要考慮地形、地質(zhì)和匝道平縱面指標(biāo)等諸多因素，且經(jīng)常由于各種原因可能進(jìn)行位置改移。在測(cè)量階段，匝道按照正常的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行平縱面設(shè)計(jì)和測(cè)量，并綜合考慮初擬收費(fèi)廣場(chǎng)位置。在收費(fèi)廣場(chǎng)的準(zhǔn)確位置確定之后，將匝道平面線形按前述方法進(jìn)行優(yōu)化，增設(shè)短鏈，然后紙上移線確定收費(fèi)廣場(chǎng)影響范圍的中樁和橫斷面地面線數(shù)據(jù)。當(dāng)然，在改線之后，重新進(jìn)行中樁和橫斷面測(cè)量最好。

對(duì)于過(guò)渡段的漸變方式，由于拋物線過(guò)渡具有線形連續(xù)、與車輛運(yùn)行軌跡符合度較好等優(yōu)點(diǎn)，收費(fèi)廣場(chǎng)漸變方式建議始終采用拋物線漸變，過(guò)渡段兩端銜接平滑。雖然拋物線過(guò)渡方式計(jì)算稍顯復(fù)雜，但現(xiàn)在設(shè)計(jì)均采用軟件，無(wú)需手工計(jì)算；施工過(guò)程中，采用手機(jī)APP計(jì)算也方便，計(jì)算公式復(fù)雜對(duì)實(shí)際使用影響小。

若收費(fèi)廣場(chǎng)位置改移，則恢復(fù)原有平縱方案，在新收費(fèi)廣場(chǎng)位置重復(fù)上述工作即可。

4 方法對(duì)比

和直接設(shè)置收費(fèi)站基線相比，在基線兩端插入圓曲線后，基線將內(nèi)移。現(xiàn)將圓曲線半徑為200～1 000 m的內(nèi)移值對(duì)比如表2所示。

表2 200～1 000 m平曲線新老辦法內(nèi)移值對(duì)比

實(shí)際上，當(dāng)收費(fèi)廣場(chǎng)過(guò)渡段采用線性漸變并且采用圓曲線過(guò)渡時(shí)，為保持收費(fèi)廣場(chǎng)長(zhǎng)度不變，收費(fèi)廣場(chǎng)的基線需要延長(zhǎng)，如切線長(zhǎng)采用10 m，那么基線需要延長(zhǎng)10 m左右，同樣會(huì)引起收費(fèi)廣場(chǎng)的基線內(nèi)移，只是內(nèi)移值變化小。

在匝道平曲線半徑為300 m(三入五出)時(shí)，規(guī)范要求的方法與收費(fèi)廣場(chǎng)基線兩端設(shè)置圓曲線的方法的對(duì)比如圖3所示。

圖3 平曲線路段收費(fèi)廣場(chǎng)設(shè)置平面圖新老方法對(duì)比

從圖3可看出：雖然收費(fèi)廣場(chǎng)內(nèi)移了1.75 m，但過(guò)渡段位置并未發(fā)生同樣的變化，甚至外側(cè)外移、內(nèi)側(cè)內(nèi)移，由此可見(jiàn)，原有收費(fèi)廣場(chǎng)的過(guò)渡段區(qū)域外側(cè)明顯不足，內(nèi)側(cè)明顯富余，過(guò)渡段設(shè)置十分不合理。

總之，收費(fèi)廣場(chǎng)基線兩端設(shè)置圓曲線的方式對(duì)收費(fèi)站的位置影響較小，但取得的效果十分明顯。收費(fèi)廣場(chǎng)及收費(fèi)廣場(chǎng)過(guò)渡段的設(shè)計(jì)與其他正常路段完全一致，無(wú)需特殊處理，所有路線CAD軟件均能自動(dòng)設(shè)計(jì)，平面線形順直，縱斷面線形流暢，過(guò)渡段與兩端銜接平滑，無(wú)需插入圓曲線進(jìn)行過(guò)渡，大幅度簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)與施工，車輛駛?cè)牒婉偝鍪召M(fèi)廣場(chǎng)的行車軌跡也更為平滑，路容更美觀，可提高收費(fèi)站的服務(wù)水平和通行能力，有效降低車輛排隊(duì)擁堵現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于匝道收費(fèi)廣場(chǎng)規(guī)定存在的問(wèn)題，采用在收費(fèi)廣場(chǎng)基線兩端增設(shè)圓曲線的新方法，結(jié)合公路勘察設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，能夠滿足收費(fèi)站線形和過(guò)渡段漸變的需要。相對(duì)于規(guī)范規(guī)定的方法，降低了收費(fèi)站廣場(chǎng)設(shè)計(jì)的工作量，也方便了施工，過(guò)渡區(qū)域更能滿足行車需要，行車軌跡更為平滑，是一種具有很大推廣價(jià)值的方法。