菱形立交

菱形立交是由兩條道路十字交叉，主要道路以分離形式穿越次要道路，在以相交道路為軸線的四個象限內，從主要道路兩側斜向引出單向進出匝道至次要道路平面交叉口，總體布置成菱形結構。

傳統菱形立交的特點是僅主線上需建結構工程，不需要為轉向車流修建專用轉向匝道，所有轉向車流需在次要道路平面交叉口內通過，因而能保證主線交通的通暢，並且造價低，佔地面積小，一般在道路紅線內即能滿足，是一種十分常見的立交型式，廣泛應用於城市快速路、高速公路與一般道路相交交叉口。但是如果交通組織不當，其局限性也非常明顯，概括來說主要是短間距交叉口的有限空間與交叉口大量轉向需求的矛盾，將其細化包括以下方面：

（1）受主線土建結構影響，地面交叉口形成兩個短距交叉口，交叉口內部及地面道路橋下空間有限，交通組織形式受限，道路斷面需同時滿足機動車、非機動車、行人的交通需求，且必須保證安全、有序性。

（2）交叉口交通流除直行交通外，轉向車流需求大，為避免衝突最少要設置三個信號相位，且需根據各流向流量大小進行信號相位搭接。

（3）次要道路與上下匝道在地面形成的兩個短距離交叉口，必須信號協調控制。

（4）由於短間距交叉口存在、主線上下匝道存在收費點，要考慮交叉口內的蓄車空間，避免排隊溢出。

針對上述存在的問題，本文提出了菱形立交兩種不同的交通組織方案，並採用微觀模擬評價的方法對各自的優缺點進行對比分析，總結得出各自不同的適用範圍，為菱形立交的優化設計提供參考。

交通組織設計的目的是使車輛在整個研究區域的路網上運行有序，從而最大限度的節約道路資源，並使車輛的總體運行時間最短，實現研究區域內交通的良性運行。理想的交通組織涉及了城市規劃設計、交通工程設計和交通管理三個方面，針對典型菱形立交及其周邊路網的道路結構，在不進行大規模土建改造的情況下，根據實際情況可實施常規方案和掉頭方案兩種交通組織方案。

1.1常規方案

在地面次要道路上形成兩個短間距交叉口，上下高速公路匝道的左轉車流在交叉口內完成轉向，其中利用橋下空間設置左轉上高速公路的車輛排隊等候區。右轉車流均通過專用車道併入匝道及地面道路。這種交通組織方案的優點為所有車輛在交叉口內完成轉向，無繞行，但是由於兩個交叉口間距很短，橋下排隊空間有限，易造成排隊溢出，阻塞交叉口，並且為了避免產生衝突點，需設置至少三個信號相位，信號控制複雜。

1.2掉頭方案

該方案將下匝道左轉車流轉向取消，以右轉匯入地面道路至相鄰交叉口掉頭后直行通過菱形立交節點。其它車流交通組織方案與常規方案保持一致。

這種交通組織方案的優點為簡化了交叉口內流線，僅需兩相位信號控制，可減少直行及左轉上高速公路車輛的延誤時間。但是高速公路下匝道左轉車流需繞行，延誤時間增大，且匯入地面道路及掉頭時會對幹道及相鄰交叉口造成干擾，增大路段、相鄰交叉口的延誤時間。

這兩種交通組織方案有著各自的優缺點，且根據現場條件的不同有著不同的適用範圍，因此下面通過實際案例的交通模擬評價來確定這兩種交通組織方式的關鍵影響因素。

上海市滬寧高速-嘉松公路立交為高速公路與城郊公路的菱形立交，該立交在高速公路兩側分別布置了兩個上下匝道，與地面公路相接，形成兩個短間距交叉口，間距約為90m。地面道路主線為雙向兩車道，橋下空間被跨越主線橋墩分隔為三部分，中間寬約16.5m，兩側各寬10m。菱形立交與上下兩相鄰交叉口距離為450m。交通組成中大、中型貨車比例達到50%，交通流向中地面上高速的轉向流量較大。

2.1時空一體化設計

時空一體化是通過梳理空間資源和時間資源的基本組成，建立二者之間的互為影響關係，最大限度地實現平面交叉口時空資源的充分利用和優化配置。其核心工作是安全、高效地分配不同交通主體的時空通道。在初步確定交叉口的交通組織方式后，首先應收集翔實的道路、交叉口基本資料，包括路網結構、紅線寬度、交通流量流向等，綜合考慮道路渠化、信號控制方案，以進行交叉口時空一體化設計。

為了充分利用橋下空間資源，主通道內設置五條車道，在橋中間位置進行短間距的車道變換，增大左轉車輛蓄車空間，兩側輔道布置一根直行機動車道及非機動車道、人行道。地面道路進口道在交叉口進行拓寬處理，採用偏移中央分隔線、調整安全島的方式設置四根進口車道，並在車道上設置文字標誌，引導車輛早變道，避免在橋下短車道變道產生擁堵。高速上下匝道左轉均設置為兩根車道，提高其通行能力，讓綠燈於地面道路，且增大了上匝道蓄車空間，避免因排隊收費時的溢出，干擾交叉口。交叉口內設置導向標線，引導車輛通行，非機動車、行人通過隔離帶與機動車相分離，提高交通安全性。掉頭方案則將下匝道左轉車道去除，其餘設計保持不變。定時信號協調控制下，依據交叉口內的機動車衝突流向確定為三個信號相位，行人、非機動車與同向機動車同步通行。在掉頭方案下，信號控制僅包括相位二、相位三。

對交叉口各進口道流向信號燈進行編號，根據各方向流量不同，進行信號相位搭接，在滿足慢行交通過街要求的基礎上進行信號配時設計，針對不同的交通組織應考慮下列因素：

（1）各流向的交通量大小，決定了兩近距交叉口的信號相位是否對稱，因此在相位相序安排上，考慮相位的搭接。如上述相位一到相位三即為最佳相位順序，橋下直行綠燈與地面進口道綠燈要同時啟動，延遲變紅燈，以方便進入橋下的車輛能順利通過交叉口。

（2）由於高速公路下匝道到達車輛的離散性，對於下匝道小流量進口道應滿足通行最小綠燈時間10s。

（3）充分考慮行人、非機動車，滿足其過街通行需求，從而確定各個相位燈組的綠間隔。如在掉頭方案里，左轉上高速匝道綠燈是否小於行人過街時間需求。

（4）信號周期的影響因素包括橋下直行車輛清空時間、左轉車輛蓄車空間蓄滿時間、行人過街最小綠燈時間等。

依據公式計算，並考慮上述限制因素，確定常規方案及掉頭方案最優信號周期均為90s，黃燈時間3s，綠間隔依據每個進口道的不同而不同。可得常規方案信號方案。

2.2交通模擬評價及結論

根據上述的交通渠化設計方案及信號配時方案，利用微觀交通模擬軟體VISSIM建立這兩種交通組織方式的交通模擬模型進行模擬評價分析，並採用交叉口的延誤時間和停車次數為評價指標，其中對於掉頭方案下匝道的左轉車流通過交叉口的延誤包括掉頭所需的行程時間。模擬結果表明在現狀的交通流量條件下，常規方案的延誤與掉頭方案基本相當，但停車次數比掉頭方案要大，兩方案各有優劣。以交叉口實際資料為基礎，對影響兩種交通組織方案交叉口運行的關鍵條件如交叉口間距、流量比例、飽和度分別進行調整，分情況進行模擬分析，以確定兩種交通組織方案的不同適用性。

（1）現狀流量，對比常規方案、間距450m掉頭方案及間距250m掉頭方案。模擬結果表明當相鄰交叉口間距由450m縮短至250m后，掉頭方案的交叉口延誤會稍微減少，但停車次數相當，當道路存在橫跨行人過街設施時，可適當調簡訊號周期，使掉頭方案延誤更低，因此若相鄰交叉口間距較小時，掉頭方案優於常規方案。

（2）交叉口流量增大1.5倍，保持進口道流量比例不變，對比常規方案、間距450m掉頭方案及間距250m掉頭方案的評價結果。

模擬結果表明當交叉口流量增大，飽和度增加的情況，常規方案的交叉口延誤均小於長短間距的掉頭方案，但停車次數仍偏高，而且此時短間距較長間距也未有明顯差距。因此當交叉口流量較大時，不論相鄰交叉口間距的長短，常規方案是最優選擇。

（3）保持交叉口流量不變，調小地面直行、地面上高速流量，調高高速下地面流量，使上高速流量與下高速流量相當。向車流比例時，常規方案的交叉口延誤減少，而掉頭方案交叉口延誤增大，且常規方案的交叉口延誤與掉頭方案的差距增大，而停車次數則基本相當。因此轉向車流比例較高時，常規方案較優。

通過上面的案例模擬評價，對於菱形立交的兩種典型交通組織方案得出以下結論。

（1）在低飽和、短間距、轉向比例低的菱形立交交叉口，常規方案與掉頭方案相比較，交叉口基本相當，但停車次數略高；當飽和度增大，相鄰交叉口間距增長，轉向車流量增大時，常規方案的延誤要小於掉頭方案，且上述因素增加越多，差距越明顯。這主要是因為掉頭方案中高速下匝道左轉車流需經相鄰交叉口繞行，是在犧牲該流向的情況下，保證菱形立交地面交叉口的通暢運行。

（2）由於掉頭方案信號控制中少了一個信號相位，因此掉頭方案的停車次數一般會略小於常規方案，另也應注意到掉頭方案由於掉頭車流的存在，會對道路幹道和相鄰交叉口造成干擾，將交通壓力轉移。

因此，基於均等延誤和社會公平性出發，對於單點菱形立交在一般情況下仍採用常規交通組織方案，但在城郊高速下匝道左轉車流較少，且與上下相鄰交叉口較近，組成短距交叉口時，或道路施工、道路條件受限時，可採用掉頭組織方案做優化設計，從而提高菱形立交整體的服務水平。