高速公路互通立交线型控制方法探讨

[摘要]高速公路的互通立交,是高速公路线型控制的难点,本文结合工程实际情况,就如何控制互通立交部分的线型使其满足设计意图,进行全面分析阐述。

[关键词]高速公路 互通立交 线型控制

随着我国高速公路建设的迅猛发展,对公路质量提出了越来越高的要求,建设目标向着优质、美观、舒适方面发展。一条高标准的公路在线型上要求顺适美观与自然和谐,在视觉景观上给人以美的享受。这就对公路建设者提出了更高的要求,下面就我在几条高速公路建设中如何处理高速公路互通立交部分的线型,与大家一起进行探讨。

一、互通立交的地位

作为连接高等级公路与低等级公路纽带的互通立交,是整条高速公路的一个缩影,是出入高速公路的门户,是沿线城镇的景观标志,互通立交部分的施工往往是整个工程的关键部分,它的施工质量与外观形象能充分体现一个施工单位的水平。高速公路互通立交部分与公路主线相比,在线型上是最复杂的部分,受构造物之间空间关系条件的限制,一般采用小半径曲线,其质量与形象关系到整条高速公路。

二、互通立交的形式

互通立交的布置形式多样性,与被交道路的等级高低以及交叉路口的多少存在直接关系。通常用于三岔路口、四岔路口的交叉形式一般有:(1)三岔路口:喇叭型、部分苜蓿叶型、T型、双Y型;(2)四岔路口:全苜蓿叶型、部分苜蓿叶型、菱型、不定向型、全定向型;(3)另外还有多于四个路口相交的复杂路口,这种形式往往是上述交叉形式的组合。

广西柳州―桂林高速公路11标段永福互通立交、江西九江―景德镇高速公路九标段中馆互通立交以及阿荣旗至深圳河南周口段扶沟至项城高速公路№:1标段崔桥互通立交均采用单喇叭的形式布置。这种形式的互通立交在应用中最广泛,分布于主要道路沿线,为出入两侧地区或重要服务对象的进出交通而设,属服务性互通立交。

三、施工中存在的问题

一般情况下,设计文件中所提供的基础数据非常有限,不能满足施工要求。九江至景德镇高速公路第九标段,根据设计文件所提供的数据来分析。

B―B匝道由半径为R1=49.548和R2=5988.75的两段园曲线,以及中间的缓和曲线组成,缓和曲线的半径由R2过渡到R1,半径并非由R=∞逐渐过渡到R1,省略了缓和曲线起始部分即半径由R=∞到R2之间的曲线。施工中若直接按表2提供的数据施工放样,因点之间的距离较远,小半径曲线曲率大,是无法有效控制B―B匝道的线型达到设计要求,设计平顺的曲线施工后将变成一段段折线,与设计线型存在一定的偏差di。如中馆互通立交B―B匝道半径为R1=49.548的园曲线部分,按设计资料放样BK0+057.00和相邻点BK0+070.00,曲线长度13米,两点连线中点与曲线中点距离42.6cm ,此时d’数值远远超出施工规范和图纸要求;即使半径为R2=5988.75的园曲线部分,按设计资料放样BK0+143.58和相邻点BK0+160.00,曲线长度16.42米,两点连线中点与曲线中点距离5.6mm 。d值的大小与放样点之间的距离及曲线半径的大小有关,d"对于路基施工是满足的,但对于互通立交部分的匝道桥已不能满足规范要求,对于桥梁中线偏位规范要求非常严格,规定≤5mm。

为了施工后的线型与设计线型相符合,必须缩短放样点的间距,使di缩短到足够小的数值,这时用放样点之间的连线(折线)来代替曲线才能满足设计要求。对于R1=49.548的圆曲线部分,满足精度要求的放样点之间的间距:j=πR/90×COS-1((R-0.005)/R)=1.407m,施工时放样点之间的间距取1.0米。

四、处理问题的步骤

在实际应用中,首先须将卵形曲线起始部分即半径由R=∞到R2之间的曲线添加到缓和曲线上,使缓和曲线补充完整,再利用公式⑴计算缓和曲线上的各点在X―C(ZH)―Y坐标系中的坐标。

公式⑴X=L-L5÷[40(RLS)2]+L9÷[3456(RLS)4]

Y=L3÷[6(RLS)] - L7÷[336(RLS)3]+L11÷[42240(RLS)5]

式中:L――缓和曲线上所求点到坐标原点之间的曲线长度;

R――缓和曲线终点的半径,即相连的园曲线半径R1;

Ls――缓和曲线长度;

了解了正常缓和曲线与卵形缓和曲线在线型模型上的区别以及处理这种线型的思路,下面再简单介绍将卵形曲线补充完整的具体步骤:

由公式 A2/R1―A2/R2=L ⑵

得 A2=L R1 R2/( R2―R1)⑶

由公式 A2= LSR ⑷

(即公式:C= LSR,R为缓和曲线终点相连的园曲线半径)

得 LS= A2 /R ⑸

求得Ls――完整缓和曲线长度

由 β=180L2/(2πR LS)= 90L2/(πA2) (角度) ⑹

得 βO=90Ls2/(πA2)βO ――HY1点的切线角⑺

利用公式①求出坐标(X1,Y1)

L’=Y1/tanβO⑻

点K到点HY1之间的距离: I=Y1/sinβO ⑼

中卵形曲线FM(即HY1-YH2)在X’―C(ZH)―Y’中的坐标是:

X’=L-L5÷[40(RLS)2]+L9÷[3456(RLS)4]⑽

Y’=L3÷[6(RLS)] - L7÷[336(RLS)3]+L11÷[42240(RLS)5]⑾

两个坐标系中的卵形曲线与园曲线是按切线重合原理密切连接的完整线型, FK是缓和曲线和园曲线在F点的共切线,F点是共切点。

在设计文件中均提供点F(HY1)在大地坐标系中的坐标和切线方位角,如在中馆互通立交B―B匝道HY1的坐标X=3254135.484、Y=453794.026和切线方位角239053’46.9”。根据F点在X―O―Y中的坐标(XF,YF)、在X’―C(ZH)―Y’中的坐标(X’F,Y’F)、β、L’以及I(点K到点F之间的距离)求出求出C(ZH)点在X―O―Y中的坐标(Xc,Yc)和X轴的方位角,a是X轴与X’的夹角,这样已将卵形曲线YH2―HY1补充完整并与设计文件提供的坐标系统建立联系。另外根据曲线的特点,也可利用所给缓和曲线上任意点的坐标和切线方位角以及该点所对应的X―O―Y坐标系统内的坐标和切线角,推导出缓和曲线的要素,将缓和曲线补充完整。

借助C(ZH)点在X―O―Y坐标系中的坐标(Xc,Yc)以及X轴与X’的夹角a,按坐标平移、旋转原理,把卵形曲线YH2―HY1在X’―C(ZH)―Y’中的坐标(X’i,Y’i)转化为X―O―Y坐标系中的坐标,即

X i = Xc+X’ i×COSa-Y’ i×SIN a ⑿

Yi= Yc +X’ i×SINa+Y’ i×COS a⒀

式⑿和式⒀中,当i=F时,此时的C点在X―O―Y坐标系中的坐标(Xc,Yc)是:

Xc = X F-(X’ F×COSa-Y’F×SIN a)⒁

Yc = YF -(X’F×SINa+Y’F×COS a) ⒂

式中X’F、Y’F是F点在X―C(ZH)―Y坐标系中的坐标,XF、YF是F点在X―O―Y坐标系中的坐标,在设计文件中提供。Xc 、Yc是实现切线重合的重要保证,是卵形曲线数学模型的重要参数。

五、总结

对于高速公路互通立交区施工,首先要掌握其线型特点,对卵形曲线要有一个全面地认识;其次是利用上述方法将其补充完整,将卵形曲线转化为一般的缓和曲线;最后根据施工图设计要求确定放样点之间的间距,利用一般缓和曲线的处理方法,计算曲线上细部点的施工放样数据,保证施工线型美观顺适满足设计要求。针对上述计算过程较复杂,在实际生产中应充分利用计算机的优势,编制程序计算会取得理想的效果。

参考文献:

[1]公路路线设计规范 JTJ011-94

[2]张廷楷 司徒妙龄《高速公路线形设计》

[3]高建华 , 王玮 主编《公路线形设计》