城市地下道路分岔段变速车道设计及隧道结构选型-中国期刊网

首页 > 《城镇建设》 > 2021年34期 > 城市地下道路分岔段变速车道设计及隧道结构选型

（整期优先）网络出版时间：2022-05-05

作者: 庞赞龙

建筑科学 >市政工程

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城市地下道路分岔段变速车道设计及隧道结构选型

庞赞龙

华蓝设计（集团）有限公司，广西南宁 530011

摘要：城市地下道路分岔段交通情况复杂、隧道开挖断面大、结构型式多、施工难度大，是地下道路建设的关键。文章总结出：城市地下道路分岔段变速车道形式的选择应考虑交通适应性、路线几何条件、隧道施工工法、建设条件等；减速车道长度计算宜采用美国AASHTO假定模型，加速车道长度计算要考虑合流段主线与匝道隔离段的长度；分岔段隧道应根据采用的施工工法、出入口类型、结构跨度情况进行结构选型。

关键词：城市地下道路；分岔段；变速车道；隧道结构选型

0 前言

为改善城市交通、拓展城市空间，国内外均开展了地下道路的研究和建设。近年来，地下道路建设逐渐往长距离、多点进出、网络化、系统化发展，在这种情况下地下道路必然出现平面交叉、立体交叉的情况。地下道路分岔段主要出现在地下道路多点进出的流出和汇入段及地下立交工程主线与匝道连接的分合流段。

与地面快速道路及立交相似，地下道路的分岔段需要设置必要的变速车道为流出、汇入交通提供空间过渡及速度过渡。分岔段的道路断面宽度处于变化的过程，且总宽度比一般路段大，隧道结构相应存在变化且跨度较大，分岔段隧道设计、施工成为地下道路建设的关键。因此，有必要对地下道路分岔段变速车道形式的选择、长度计算及隧道结构选型进行探讨。

1 变速车道形式选择

变速车道从形式上分为直接式和平行式。平行式变速车道增设一条与主线平行的附加车道，并通过过渡段与主线连接；直接式变速车道由主线按一定的角度斜向渐变加宽，构成一条连接主线与匝道的附加车道。一般情况下应根据交通的适应性、几何条件、建设条件来选择变速车道的形式；城市地下道路分合流段由于断面的变化会给施工带来困难，变速车道形式的选择还应考虑隧道的施工工法。

1.1基于交通适应性的变速车道选择

（1）车辆在进、出口段的交通特性

在出口段，司机有离开主线的意愿后，一般经过寻找、发现出口，采用发动机制动，采用制动器制动这些阶段。在出口起点到渐变段终点段车速仍然比较高。

在入口段，一般在加速段起点加速，待速度达到一定高度以后根据主线交通的情况、车辆间的间隙情况寻找机会汇入主线。

（2）直接式、平行式变速车道的优缺点及交通适应性。

直接式变速车道出口轮廓线不明显，行车不容易识别；城市道路主线及流入流出交通量较大时，容易拥堵，拥堵严重时可能出现分流车辆由于缓行或停车等候导致妨碍主线车辆通行的现象。在车辆进出主线时只须转动1次方向盘，操作简洁顺畅，车辆行驶轨迹平顺，对车辆来说出口段车速仍然较高，直接式变速车道平顺的行驶轨迹与较高的车速相适应。

平行式变速车道出口轮廓线明显，行车容易识别；由于设置了与主线平行的车道，流出交通量大时即使出现分流车辆由于缓行或停车等候的情况，对主线直行交通的干扰较少。在车辆进出主线时须2次改变行车方向，行车轨迹呈S形，操作复杂，对车辆来说出口段车速仍然较高，S形的行驶轨迹若操作不及时容易引起交通事故；车辆在加速车道上将车速提高到汇入速度时，须寻找主线直行交通流中的可插入间隙并伺机汇入主线，当主线车流量较大，流入车辆难以汇入时甚至出现减速的情况，从这个意义上说，加速车道的作用与其说是为了加速，不如说时为了车辆合流的需要，因此，在入口段变速车道与主线平行设置，为车辆汇入主线提供了更多的机会和更多的时间去寻找汇入主线的间隙，更有利于车辆的合流。

从交通适应性对变速车道形式的选择

①单车道匝道

从与交通的适应性出发，直接式出口与交通特性更匹配，平行式入口与交通特性更匹配。但是，许多工程实践表明，直接式变速车道因其行驶轨迹平顺，操作简便，车辆仅通过较小的角度调整，可直接驶入主线交通流中的车辆间隙，当主线直行、汇入交通量较小时，为提供舒适的行车轨迹，也可在加速车道处采用；平行式变速车道起点轮廓线明显，容易识别，有利于避免直行车辆误入减速车道的现象，故主线直行交通流量大时，也可采用平行式减速车道。

可见，单车道减速车道宜采用直接式，当主线直行交通流量大时也可采用平行式；单车道加速车道宜采用平行式，当主线直行方向交通量较小时，也可采用直接式。

②双车道匝道

双车道减速车道与单车道减速车道一样，宜采用直接式。当加速车道为双车道时，加速车道外侧车道上的车辆需要先汇入内侧车道再汇入主线，面临两次合流方可汇入主线；而直接式加速车道可使内、外侧车道上的车辆均通过一次合流就可汇入主线，故双车道加速车道宜采用直接式。当主线直行方向交通量较大，尤其是汇入交通量也较大时，双车道入口也可采用平行式，以利于车辆有更多机会汇入主线。

1.2基于路线几何条件的变速车道选择

分合流段一般设置在主线为直线段或大半径曲线段，但在实际运用中由于条件的限制，主线圆曲线半径可能较小。当主线为左转弯并接近圆曲线最小半径的一般值且减速车道位于曲线外侧时，直接式减速车道近似于主线的切线，比主线更为顺直，容易造成减速车道是主线的误判，导致车辆进入错误的路线，此种状况下减速车道应为平行式，应缩短渐变段同时将缩短的渐变段补在平行段上

^[1]。

当出口匝道为环形匝道时，匝道的设计速度往往较低且行车视线相对较差，这时需要车辆在减速车道及时将车速降到匝道的设计速度。而如前所述，直接式减速车道流出路径顺畅，从主线分流的车辆运行速度较高，可能导致车辆到达分流鼻端的车速仍然较高，因此减速车道接环形匝道时不宜采用直接式。

当出口、入口匝道为与主线平行的匝道时，为使过渡平顺，在地面道路的减速车道、加速车道宜采用平行式。但在地下道路中，采用平行式出入口可能导致地下道路分岔部隧道结构跨度过大或连拱隧道段过长，此时也可采用直接式。

1.3基于地下道路隧道施工工法的变速车道选择

分岔段道路横断面存在变化，隧道跨度也相应变化，将给隧道施工带来困难，因此，地下道路的加减速车道设置还应考虑施工工法，常见的施工工法有暗挖法和明挖法。

（1）暗挖法

在采用暗挖施工工法的情况下，当采用直接式出入口时，加减速车道由主线斜向渐变加宽而成，分岔段的断面是一个连续变化的过程，在施工操作中不得不将分岔部的隧道断面划分为3~4个断面进行施工，而暗挖法下的隧道一般为拱形结构，结构断面的频繁变化给隧道的暗挖施工造成了很大的困难；当采用平行式出入口时，加减速车道为与主线平行的附加车道，虽然在渐变段也是通过渐变与主线相接，但是长度不长，可以考虑与平行度段作为1个隧道断面形式，在施工操作中在主线到分、合流鼻段断面宽度只进行了1~2次的变化，降低了施工的难度。

明挖法

明挖工法的隧道结构型式一般有拱形明洞结构和箱型框架结构，拱形明洞断面型式与暗挖隧道断面一致。拱形明洞虽为明挖施工，但是考虑便于施工及受力合理性，须将分岔部的隧道断面划分为多个断面，设置成多阶梯规则的明洞结构，施工极为不便，且造成地下空间浪费。可见，采用拱形明洞时，对直接式或平行式入口的适应性与暗挖法一致。箱型框架结构侧墙可以随渐变要求进行布置，可节约地下空间资源、施工方便可一次成型，无论采用直接式还是平行式均保持良好的适应性。

1.4基于建设条件的变速车道选择

许多城市地下有地铁、综合管廊、各种管线工程，除此以外部分城市还对地下空间进一步开发利用，建设下沉广场、地下商业街等物业。地下道路分岔部在空间受限的情况下，可灵活采用变速车道的形式。

综上所述，无论何种变速车道的形式，只要采取合理的措施，均能满足交通的需求。

2变速车道长度

2.1减速车道长度

（1）减速车道车辆运行状态

车辆在减速车道的运行状态代表性的假定主要有日本的假定和美国AASHTO（美国各州公路与运输工作者协会）的假定。日本的假定认为车辆以主线平均速度通过减速车道的前端，在渐变段转移车道并用发动机减速，进入减速车道后采用制动器减速，到达减速车道终点时车速达到匝道的平均速度。美国AASHTO的假定认为车辆按主线的平均速度在渐变段转移车道但不减速，在进入减速车道后先采用发动机减速后采用制动器减速，到达减速车道终点时车速达到匝道的平均速度^[2]。

车辆在流出口甚至在进入变速车道一段距离内仍然无法摆脱高速驾驶的惯性，因此往往未进行减速，到减速车道起点后才依次进行2次减速。因此减速段的行驶特性与美国假定相符，与直接式减速车道的特点相适应，减速车道长度宜采用直接式的计算模型。当减速车道采用平行式时，车辆在渐变段转移车道的同时进行了减速，虽与日本假定较符合，但为简化计算及从偏安全的角度出发可采用美国假定，即在渐变段不减速。

（2）减速车道长度计算

我国的《城市地下道路工程设计规范》（CJJ 221-2015）、及《城市道路交叉口设计规程》（CJJ 152-2010）是根据变速车道的车道数及主线设计速度来确定减速车道的长度，而有关分离鼻端通过速度、匝道设计车速对减速车道长度的影响并未明确指出。而减速车道的主要功能是为车辆由主线转移到匝道提供空间和长度过渡。因此，主线、匝道的平均运行速度，尤其是分流鼻处的通过速度是计算减速车道长度的重要影响因素，不宜忽略。

直接式减速车道长度计算时采用美国假定，车辆以初始速度V₀进入渐变段但不减速，长度为L₀，在到达减速车道后先利用发动机进行减速t秒，速度由V₀减至V₁，减速长度为L₁；然后利用制动器减速，速度由V₁减至分流鼻处匝道平均运行速度V₂，减速长度为L₂。即渐变段长度为L₀，减速段长度L_减= L₁₊L₂。

L_减=L₁+L₂=V₀t- a₁t²+ (V₁²-V₂²)

（t为减速时间，取3s^[3]；a₁为发动机减速度、a₂为制动器减速度）

2.2加速车道长度

车辆在加速车道上的运行过程，包含了加速过程和寻找可汇入间隙的过程。此外，地下道路的主线、匝道两侧都存在侧墙,很难在汇流鼻端保证三角通视区,为避免由于不通视造成车辆汇入时发生交通事故,通常需要设置一定的隔离段,以保证匝道车辆能够有足够时间观察主线车流状况。因此，加速车道长度一般为加速长度L

₁+等待汇入长度L₂（寻找汇入间隙期间的行驶长度）,同时还要考虑主线与匝道间的隔离长度L₃,即加速车道长度为L_加=Max(L₁,L₃)+L₂。

（1）加速长度

加速需要的长度是车辆由合流鼻处匝道的平均运行速度加速到合流需要速度的长度，可按下式计算：

L₁= (V₁²-V₂²)

（V₁为合流须达到的速度，V₂为流鼻处匝道的平均运行速度，a为平均加速度）

（2）等待合流段

等待合流段长度是指车辆达到最低合流车速起到车辆找到可插入间隙止车辆所需行驶的距离，可按下式计算：

L₂=V₁t

（V₁为合流须达到的速度，t为等待时间,通常为3~4s^[4]）。

(3)视距隔离段长度

视距隔离段长度不应小于主线的停车视距^[2]。

2.3过渡段长度计算

平行式渐变段长度可按车辆转移一个车道所需最短距离考虑,也可按车辆S形行驶的轨迹来计算，两种计算方法都跟车辆在渐变段平均行驶速度有关。平行式减速渐变段车辆平均行驶速度相对容易确定，但是车辆在加速段加速到汇入速度后须视主线的情况选择适宜的时机汇入主线，此时车辆可能尚未到达渐变段的前端，此外车辆在等待汇入期间可能会适当减速，因此加速渐变段无法准确确定车辆平均速度，目前国内现行设计规范均采用减速渐变段的长度。对于直接式渐变段长度，渐变段的长度为起点至偏移够一个车道宽度的距离，在确定流出角后，渐变段的长度计算比较简单。

2.4双车道变速车道长度及变速车道的修正

目前对双车道变速车道长度的理论研究较少，国内现行相关规范取单车道变速车道长度的1.2~1.5倍。此外下坡段减速车道和上坡段减速车道的长度应按现行的规范进行修正^[2]。

3地下道路分岔段结构选型

地下道路分岔段应根据采用的施工工法、出入口类型、结构跨度情况进行结构选型。

3.1暗挖法分岔隧道平面与结构形式

采用暗挖法时，地下道路分岔段应按直接式和平行式出入口采取不同隧道过渡方案。

当采用平行式出入口时,匝道隧道与主线隧道在分岔部分离缓慢，一般可采用加宽隧道+分岔大跨隧道+连拱隧道+小净距隧道的结构过渡方案。