魏 景

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063)

随着交通行业的不断发展，为了满足日益增长的交通需求，地下交通应运而生。目前，国内陆续建成并投入运营的地下全互通(或半互通)立交有南京青奥轴线地下立交工程、厦门万石山立交等，以及近年来大量修建的城市水底隧道两端交通疏解，地下立交必将成为研究的关键点和建设难点。

我国地下立交的研究尚处于发展阶段，蓝万炼等[1]从节约型城市建设的角度，考虑城市交通的可持续发展，从技术、经济、环境等多方面因素论证了地下道路建设的可行性。郭成刚等[2]对地下立交隧道设计及施工方法进行研究优化，表明目前技术层面上可以实现地下立交的建设要求。但关于地下立交的理论研究和相关标准、规范尚不完善。

中铁第四勘察设计院结合大量的水下隧道工程实践，开展了“城市地下互通立交路线设计关键技术”研究[3]，课题首次提出了城市地下道路和立交通行能力计算和服务水平评价方法，建立了地下立交路线设计技术指标体系并提出各项指标取值方法及建议值。

本文结合研究成果，针对地下立交的关键特点，从保证视距安全角度，对地下立交平、纵线形指标进行研究。

1 地下立交环境特点

从道路环境方面，地下立交与地面立交最大的区别在于空间封闭、照明强度低、噪声大、通风不畅、视距不良等方面对交通的影响。

互通式立交工程往往存在匝道多、层数多、线形复杂、上下坡、急弯、分流、合流多等特点，而地下道路空间封闭、无自然光照的环境，视野差，地下立交区域交通条件复杂，道路的安全视距难以保证，容易诱发交通事故。车辆在进入立交范围前的行驶中就需要驾驶员观察信息、判断方向，从而导致驾驶员注意力分散，如果对立交不熟悉、信息不完善或立交的设置不合理，驾驶员就无法迅速作出判断。

地下道路环境由于其封闭性，导致环境噪音增大，也会对驾驶员的思维和反应能力造成一定的影响。Hirata基于隧道内驾驶模拟实验发现，由于封闭道路环境下能见度低，驾驶员容易产生压抑、烦躁，甚至恐惧等心理负荷，从而导致操作失误，影响安全驾驶[4]。

因此，在进行地下立交线形设计时，有必要针对地下道路环境特点及驾驶员行为特征，结合现行相关规范，对具体指标的选取进行深入分析。

2 地下立交视距标准

视距是道路设计中一个重要技术指标，行车视距是否充分，直接影响了行车安全与运行速度。CJJ 37-2012 《城市道路工程设计规范》[5]对城市道路地面路段停车视距进行了规定，从定义来看，停车视距由反应距离、制动距离及安全距离组成，与驾驶员反应时间、路面摩擦系数等因素相关，其计算方法见式(1)

(1)

式中：ST为停车视距；v为设计速度，km/h；μs为纵向摩擦系数，取0.4，按路面潮湿状态计算；t为反应时间，取均值1.3 s左右；βs为安全系数，取1.2；Sz为制动停止后安全距离，CJJ 221-2015 《城市地下道路工程设计规范》[6]沿用了上述标准。

地下道路中，制动距离和安全距离和地面道路保持一致，但是地下道路由于光线较暗、烟雾质量浓度大、能见度降低、驾驶员容易疲劳等因素，导致驾驶员的反应时间变长。日本相关研究通过数据统计分析表明，驾驶员反应时长的增加会导致交通事故发生次数增多，两者间呈正比例关系。

Fisher和Hall研究了驾驶员反应时间和路面平均亮度的关系，研究表明，驾驶员反应时间与平均亮度有很强的相关性，并且呈规律性变化，亮度越高，驾驶员反应时间越短，当亮度达到10 cd/m2以上之后，反应时间趋于稳定。美国AASHTO经多年研究，得出反应时间与行车状态、车辆行驶速度有关。车速过高、驾驶员精神紧张、时间稍长即为疲劳状态、其应变能力就会降低。正常情况下，地面道路汽车以40 km/h的速度行驶，驾驶员反应时间为0.5 s，而当汽车以120 km/h的速度行驶时，驾驶员的精神会比较紧张，反应时间会增加到1 s。文献[7]研究表明，在地下道路中，驾驶员驾驶环境相对较差，但注意力比较集中，同时考虑运行状态和速度的影响，建议地下道路反应时间在行驶速度小于等于40 km/h时取1.3 s；行驶速度大于40 km/h时，每增加10 km/h，反应时间增加0.05 s。

此外，地下道路尤其是地下立交匝道内，烟雾浓度较大，影响可视度。有研究表明[8]，地下道路中，驾驶员由于周边环境单一，容易产生驾驶疲劳，大脑反应延迟时间达到0.5 s以上。

综上所述，为了安全起见，考虑到地下道路烟雾浓度大、照明不良、能见度降低、驾驶员疲劳驾驶等情况，驾驶员的反应时间比地面道路增加0.5 s，取1.8 s；此外考虑到驾驶员的反应时间会随行驶速度的增加而降低，当行驶速度超过40 km/h后，速度每增加10 km/h，反应时间增加0.05 s。据此计算出的考虑反应延迟的城市地下立交停车视距见表1。

表1 考虑反应延迟的城市地下立交停车视距

在地下立交范围内，由于地下道路环境的影响，运行条件相比于地面立交更加复杂，并且由于侧墙和顶板的遮挡，造成驾驶员视距不良，地下立交需要比路段有更大的视距，建议有条件路段平纵指标尽量按1.5倍停车视距控制；对于互通范围主线指标，CJJ 221-2015 《城市地下道路工程设计规范》规定分流鼻前的识别视距不宜小于2倍的主线停车视距，条件受限时不应小于1.5倍的主线停车视距，汇流鼻前的识别视距不应小于1.5倍的主线停车视距。

3 平纵线形指标

3.1 平曲线指标

在地下道路环境中，驾驶员的视线受到侧面墙壁的阻碍，视距受到道路圆曲线半径和侧向净宽的影响，其几何关系见图1。

图1 停车视距与半径、净宽的几何关系

假定保证视距的横向宽度为Y，从A点最远只能看到B点，A点和B点的连线与匝道圆曲线相切，此时弧长AB恰好满足停车视距ST的要求，则保证停车视距的曲线半径可以用式(2)计算[9]。

(2)

由图1可知，左侧、右侧保证视距宽度的计算公式分别为式(3)、式(4)。

(3)

(4)

式中：WL、WR分别为左侧、右侧车道宽度，m；LL、LR分别为左侧和右侧的侧向宽度，m；J为检修道宽度，m。

考虑地下道路环境特点、交通特性、工程条件等，推荐地下立交匝道单车道断面宽7 m(净宽)，左侧横净距为2.75 m，右侧横净距为4.25 m；双车道断面宽9 m(净宽)，左侧横净距2.75 m，右侧横净距6.25 m。

在地下立交匝道中，驾驶员看不到匝道的全貌，为了让驾驶员能够对行驶前方一定距离内的匝道线形做出预判，匝道线形应该提供更好的视距条件，因此本文选取1倍和1.5倍视距条件下对应半径与CJJ 193-2012《城市道路路线设计规范》中规定最小半径进行对照分析，最不利条件(左偏，Y=2.75 m)计算结果见图2。

图2 满足匝道停车视距要求的平曲线半径

由图2可知，匝道设计速度、视距标准对平曲线半径敏感度很高，速度越高，视距半径的增速越大。左偏且设计速度较高时平曲线最小半径规范值无法满足视距要求，1.5倍视距时视距半径远大于规范限值。

此外，本文对地下立交匝道视距加宽与侧向净宽的关系进行了分析，半径值取设计速度对应2%超高的规范值，结构宽度考虑平曲线加宽，见图3、图4。由图3、图4可见，地下立交匝道平面指标应尽可能取高值。受工程条件及互通选型限制无法满足时，单车道匝道可通过限速、移划标线等方式改善视距；双车道匝道在交通量不大时尽量在外侧车道行车，内侧车道作为紧急停车带和视距加宽，交通量较大时需考虑优化互通选型，提高线形指标。

图3 单车道匝道视距净宽与侧向净宽的关系

图4 双车道匝道视距净宽与侧向净宽的关系

立交范围主线平曲线半径主要考虑识别视距，考虑内侧最不利的情形，侧向净宽Y取3 m，由式(2)～式(4)可得出立交区主线满足识别视距要求的平曲线半径，见图5。

图5 立交区主线识别视距对应平曲线半径

实际设计中会存在更复杂的情形，如匝道连续弯道组合路段、主线变速车道段等，为此，笔者用lisp语言编写了绘制视距包络线和轮廓线的小程序，可用于地下立交各种平面线形下的视距净区检验。

3.2 竖曲线指标

3.2.1凸形竖曲线最小半径

根据CJJ 37-2012 《城市道路工程设计规范》，在影响凸形竖曲线最小半径的因素中，以满足视距要求为主要控制因素，最小半径计算方法见式(5)。

(5)

式中：ST为停车视距；h1为驾驶员目高，取1.2 m；h2为障碍物高，取0.1 m。因此，在一般路段，凸形竖曲线指标按规范值选取基本可满足视距要求，在主线分、汇流鼻段附近，需满足识别视距要求。按式(5)，不同视距要求对应凸形竖曲线半径见图6。

图6 满足视距的凸形竖曲线半径

由图6可见，满足识别视距的竖曲线半径远远高于规范限值，地下立交受工程条件限制，有时难以满足，经分析发现物高对视距半径较为敏感，见图7，可通过辅助交通安全设施，提高视点高度。

图7 物高与凸形竖曲线视距半径的关系

3.2.2凹型竖曲线最小半径

对于凹型竖曲线，由于地下道路顶部会遮挡行车视线，因此需进行视距检验。保证视距需要的地下道路最小净高h的计算方法[10]见式(6)。

(6)

式中：h为保证视距所需净高，m；R为地下立交匝道凹形竖曲线半径，m；ST为停车视距，m；h1、h2为驾驶员目高和障碍物高，m。根据《城市地下道路工程设计规范》，对于凹形竖曲线，h1=1.9 m，h2=0.1 m。

考虑到凹型竖曲线大多位于下坡底部，ST为确保安全，取1.5倍路段停车视距。根据式(6)计算出的不同设计速度半径规范值所对应的能够满足视距的最小净高汇总见表2。表2中“极限值所需净高I”表示当凹型竖曲线半径采用极限值时，能够满足1.5倍路段停车视距I的最小净空高度；同理“一般值所需净高II”表示当凹型竖曲线半径采用一般值时，能够满足1.5倍路段停车视距II的道路最小净高。

表2 地下立交凹形竖曲线最小净高

根据表2中的计算结果，满足匝道设计速度相应视距要求所需净高均小于小客车专用道的净高极限值3.2 m，因此，不会因为地下道路顶板的遮挡而出现视距不良。

4 对地下立交平、纵面设计的建议

地下道路由于空间封闭，侧墙和顶部对驾驶员行车视线影响较大，现有地面互通立交相关规范指标难以直接移植到地下，且速度是影响视距的关键因素，速度越高，所需视距越大，对应平纵线形指标越高；设计时应根据设计速度、结构形式等因素确定满足视距要求的平纵线形指标。设计完成后，应结合运行速度对视距进行检验，不满足的应采取限速等综合措施，确保行车安全。

主线视距不足时建议采取以下措施。

1) 完善出口预告标设置，通过反复设置提醒，告知驾驶员出口信息。

2) 指路标、地面分流标志标线等配合使用，必要时可采用不同颜色路面区别显示，增强识别出口位置。

3) 利用侧墙强化分岔口标志标线，提高分流点视点高度。

4) 增加分、合流段照明亮度。

5) 适当延长变速车道长度。

匝道视距不足时建议采取以下措施。

1) 利用多级措施控制匝道车速，包括线形逐级过渡，限速、诱导标志，监控，减速标线等。

2) 增加转向标志标线与诱导设施，使驾驶员提前预知前方线形变化情况。

3) 加强平纵横组合效应分析，规避不利线形组合。

此外，地下立交与地面立交在设计理念上有很大的不同，具体设计时应结合交通功能、建设条件、结构与工法创新立交选型方案，如采用地下与地面相结合等方式，尽量提高主流方向线形指标，解决主要问题。

5 结语

针对地下立交的特点，基于视距对地下立交平、纵线形指标进行研究，主要结论如下。

1) 针对地下道路环境特点，结合反应延迟对停车视距进行修正，并尽可能提供更大的视距条件。

2) 基于视距、侧向净宽影响，以及匝道设计速度对平曲线半径敏感度，分别给出平、竖曲线半径建议值。

3) 对不满足视距路段，建议提高主流方向线形指标，结合运行速度对视距进行检验，确保行车安全。