摘 要：首先从行车、交通危险点、配时相位等方面分析了双交叉菱形立交的特点及适用性，随后探讨了反向曲线、平面交叉口视距、平面交叉角、交织区长度等平面线形指标的确定方法，最后依托某双交叉菱形立交项目，利用PTV-VISSIM仿真计算模型，计算出其在不同交通量下的运行状况，对比了双交叉菱形立交不同位置延误、平均排队长度和停车次数变化规律。
关键词：双交叉菱形立交;适用性;平面线形;工程案例;交通仿真;
作者简介：马学谦（1992—），男，工程师，从事路桥设计工作。;
0 引言
菱形立交作为消除不同方向车辆冲突、缓解拥堵的重要设施，在道路工程中得到了广泛应用。传统的菱形立交由于设计理念和施工技术不足，随着通车运营时间的增加，交通流特性已与现状严重不符，总体通行能力大幅度降低，易导致交叉口拥堵[1]。为解决上述问题，国内外很多工程技术人员和学者着手研究车流连续性好、交通冲突点和危险点少、配置简单的双交叉菱形立交，但是目前尚未形成统一的理论和标准来指导双交叉菱形立交的设计与施工。因此，研究双交叉菱形立交的平面线形关键参数及交通运行状况具有十分重要的工程意义。
1 双交叉菱形立交特点及适用性分析
1.1 双交叉菱形立交特点
双交叉菱形立交车流连续性好，占地面积较小，属于典型的立B类立交。为便于理解双交叉菱形立交的运营规律，本文从以下三个方面对其特点进行分析。
1.1.1 行车对比
双交叉菱形立交内部存在2个由信号灯控制的平面交叉口，其与传统菱形立交行车方式差异主要体现在两个方面[2]：一方面，车流在被交叉道路上行驶时，需在2个信号灯间驶入对向车道，如图1所示；另一方面，对于掉头车辆，能借助被交路的左转匝道不经交织完成，进一步保证了行车安全。
1.1.2 交通危险点
研究双交叉菱形立交的交通危险点数量及分布情况有利于制定经济合理的交通组织方式。双交叉菱形立交的交通危险点主要包括冲突点、合流点、分流点等形式，交通危险点数量多少会影响道路运营效率和行车安全性，其中直行车辆及左转车辆相互交叉的冲突点影响最大。双交叉菱形立交在设计期间减少交通危险点的常用措施有渠化交通、禁止左转向等。
图1 双交叉菱形立交车辆流向 下载原图
由相关统计资料可知，双交叉菱形立交的冲突点、合流点、分流点分别有2个、8个、8个，且这2个交叉冲突点理论上不会同时出现。
1.1.3 配时相位
传统的菱形立交中，为解决被交路平面交叉口上直行车辆和左转车辆的冲突，一般设置“三相位信号灯”，交通控制内容更加复杂。而双交叉菱形立交的左转车辆进出主线时，只需要设置两相位信号灯控制[3]。
1.2 双交叉菱形立交适用性分析
从道路等级、设计速度、设计通行能力三个方面分析了双交叉菱形立交的适用性。
1.2.1 道路等级
由上文可知，双交叉菱形立交属于典型的立B类立交。当快速路与主干路交叉、主干路与主干路交叉，高等级公路与主干路交叉等，规范通常推荐此种立交形式，具体应用范围见表1。
1.2.2 设计速度
路段设计速度：双交叉菱形立交所在路段的设计速度确定应综合考虑道路等级、功能、沿线地形、地貌等因素。为避免立交内部出现长度较大的加减速车道，降低立交的占地面积和征拆规模，不应将最高设计速度（高等级公路）搭配最高设计速度（低等级公路）。
表1 双交叉菱形立交应用范围 下载原图
立交内部设计速度：为确保行车安全和舒适度，主线速度宜与相应等级道路保持一致，匝道速度通常为相应等级道路速度的50%，平交口设计速度按照组成交叉口的各条道路设计速度平均值的50%。
1.2.3 设计通行能力
双交叉菱形立交通行能力是指立交范围内各个直行车道、转向匝道的通行能力总和，规范中对于双交叉菱形立交通行能力的计算仍没有成熟的理论。可按式（1）计算双交叉菱形立交内任意一条车道的通行能力Np(pcu/h):
式（1）中：ti为连续车流的车头时距（s/pcu);l0为车头最小间距（m);v为行车速度（km/h）。
2 平面线形关键指标分析
2.1 平面线形指标设计原则
双交叉菱形立交平面是指主线及各匝道在水平方向的投影，主要由直线、圆曲线、缓和曲线组成，会直接影响行车安全性。在确定双交叉菱形立交平面线形指标时应尽可能地坚持以下原则[4]：第一，平面线形尽量顺应沿线原有地形地貌、与周围自然景观相协调；第二，平面线形应满足车辆行驶转弯的受力要求，确保驾驶员在视觉及心理上的舒适度；第三，平面线形技术指标应做好直线和曲线的过渡衔接，保证平曲线有足够长度，避免连续急弯线形；第四，平面线形指标应保证土石方填挖平衡，减少征地拆迁规模及工程建设费用。
2.2 平面线形关键指标确定
2.2.1 反向曲线
为使道路直线与圆曲线平顺过渡，应设计缓和曲线，规范中推荐采用的缓和曲线为线形美观、形状与车辆行驶轨迹相似的回旋线。回旋线的计算公式如式（2)[5]:
式（2）中：A为回旋线参数；R为曲线半径（m);L为任意一点到曲线原点的距离（m）。
双交叉菱形立交的平面交叉口位置在较短距离内路线有连续翻转，需要设置以回旋线相连接的反向曲线，即S形曲线。S形曲线的两回旋线曲线半径之比宜为1～3，参数A1与A2宜保持一致。如果双交叉菱形立交的布线条件有限制，A1与A2的比值不大于2。
2.2.2 平面交叉口视距
双交叉菱形立交的平交口视距应确保司机能看清楚前方一定范围内的路面、对向车辆、障碍物等，确保车辆能及时避让。视距（停车视距、超车视距、会车视距等）是双交叉菱形立交平面线形的基础性技术指标，本文主要研究停车视距。相关研究成果表明，停车视距Ss与道路设计速度密切相关，包括反应距离、制动距离、安全距离，具体计算公式如式（3):
式（3）中：v为设计速度（km/h);t为驾驶员反应时间（s);βs为安全系数；i为道路纵坡（%）；μs为路面摩擦因子，与路面类型有关；Sa为安全距离，可取5m。
当道路纵坡为0时，安全系数取1.2，可计算出设计速度为40km/h、60km/h、80km/h、100km/h时的停车视距37.3m、67.5m、107.3m、156.4m。计算结果对上坡车辆偏安全，对下坡车辆偏危险，因此，《互通式立交标准化设计原则》中对停车视距的取值比计算值大。
双交叉菱形立交的平面交叉口交通流复杂，应确保视距三角形内通视，不得出现影响驾驶员视线的障碍设施。所谓视距三角形是指以最不利冲突点为起点，各向后退一个停车视距为视点，两视点与冲突点连线所组成的区域如图2所示。
图2 交叉口视距三角形 下载原图
2.2.3 平面交叉角
根据交叉角度的不同，立交平面交叉类型主要有十字形或X形[6]。对公路工程，双交叉菱形立交的平面交叉交角宜为直角，路线斜交时，交叉角度不宜小于45°；对城市道路工程，交角不宜小于70°，条件受限时才可取45°。
双交叉菱形立交平交口角度确定应综合考虑以下因素：（1）避免驶入错误车道。在双交叉菱形立交中，交叉角越小，司机驶入错误车道发生交通事故的可能性越大；（2）周边环境的限制。比如受到交叉线两侧既有项目的限制，交叉口的反向曲线难以设计较大的交叉角；（3）驾驶员的心理感受。通常情况下，较大的平面交叉角需搭配转角大的反向曲线，否则驾驶员在行车期间容易出现不适感；（4）交叉口内的行车时间和行车视距。如果平交口交角较小，会增大车辆在交叉口中的行驶长度和行驶的时间，且行车视距差，会大幅提高安全事故的出现概率。
2.2.4 交织区状况
国内规范对双交叉菱形立交的交织区设计尚无明确的规定，参考美国交通研究委员会编写的《道路通行能力手册》（HCM2010），从交织长度、交织宽度两个方面来评价立交的交织区状况。
交织区长度会直接影响立交内部各路段的通行能力。当交织区长度较小，车辆无法在有限的时间内结束交织；反之，当交织区长度超过某一临界值，车辆行驶则不再受交织影响。上述临界值即为双交叉菱形立交交织区的最大交织长度Lmax，计算公式为式（4):
式（4）中：VR为交织流量比；Nwl为连续车道数。
交织区宽度可以交织区内连续车道数来评价的。需要注意，该连续车道数不包括延伸到交织区的加减速车道，包括连续辅助车道。
3 双交叉菱形立交仿真模拟
采用交通仿真软件PTV-VISSIM建立双交叉菱形立交模型，研究了不同交通量下的立交运行状况。为提高计算速度和准确性，建立仿真模型前做了以下简化：①不考虑相邻路网对交通量的影响；②不考虑非机动车和行人过街；③主要研究被交路，不考虑主线及匝道断面。
3.1 交通量计算
仿真模拟所采用的交通量为某双交叉菱形立交小时高峰交通量（已换算为当量交通量）。为便于描述车流量对双交叉菱形立交运行的影响，保持各方向车流占比不变，只增加总交通量，并将总交通量分别提高至设计交通量的1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.4倍，见表2。
表2 某双交叉菱形立交交通量模拟 下载原图
3.2 评价指标确定
拟选择服务水平来评价双交叉菱形立交在不同交通量下的仿真结果。道路服务水平的概念最早在美国出版的《道路通行能力手册》提出，我国的《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）将道路服务水平定义为司机感受交通流运行状况的质量指标。同时，国内外学者和工程技术人员对道路服务水平的评价指标并未达成共识，用来评价道路服务水平的常用指标有饱和度、延误、车道占用率、排队长度、平均停车次数等。考虑到交通仿真PTV-VISSIM采集数据的方便性和高效性，拟采用延误、平均排队长度、平均停车次数三个指标来评价不同交通量下双交叉菱形立交模型的运行情况，具体评价标准可参考表3。
表3 立交服务水平评价标准 下载原图
3.3 仿真结果分析
VISSIM软件的仿真结果表明：随着双交叉菱形立交交通量增大，延误值呈增加趋势，其中测点1和测点4处的延误值提高幅度较大，如测点4基准交通量仅增加10%，延误提高了70%；测点1基准交通量增加40%，延误增加了3.9倍。同时，由于测点2和测点3位于立交内部，其延误值变化幅度不大。
随着道路交通总量增加，双交叉菱形立交各个位置的平均排队长度和平均停车次数变化规律并不是固定不变的。立交的内部交织区平均排队长度和平均停车次数增加速率缓慢，最后趋于某个临界值，但是平交口处测点的平均排队长度和平均停车次数会大幅提高，无明显的收敛趋势。
4 结语
本文分析了双交叉菱形立交的特点、适用性及反向曲线、平面交叉口视距、交叉角、交织区长度等线形指标，并通过交通仿真软件PTV-VISSIM建立某双交叉菱形立交模型，探讨了各个交通量下立交运行状况，主要得到以下结论：（1）双交叉菱形立交车流连续性好，交通危险点数量少，且只需要设置两相位信号灯控制；（2）双交叉菱形立交需设置以回旋线相连接的反向曲，并确保视距三角形内通视性良好；（3）双交叉菱形立交的平面交叉类型主要有十字形或X形，交角宜为直角，条件受限制时交叉角度也不宜小于45°；（4）随着双交叉菱形立交交通量越大，延误值、平均排队长度和平均停车次数变均呈增加趋势，但各个部位的变化规律并不是固定的。