山西省祁離高速公路城趙樞紐互通立交選型分析

張 強

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概述

擬建山西省祁縣至離石高速公路起點位于晉中市祁縣城趙鎮北，接榆祁高速公路（S60）及京昆高速公路（G5），路線經晉中市祁縣、呂梁市文水縣、交城縣、離石區，與呂梁環城高速公路在離石區信義鎮相連接，主線設計速度80 km/h，路基寬度25.5 m，按四車道高速公路標準建設。城趙樞紐位于祁縣城趙鎮修善村西北，順接榆祁高速公路，并與京昆高速大運段形成十字交叉，城趙樞紐原為B型單喇叭式互通立交實現大運高速與榆祁高速交通轉換，現階段改建該B型單喇叭城趙樞紐實現京昆、榆祁、祁離3條高速之間的交通轉換。

2 樞紐互通式立交的選型布設原則

a）樞紐互通立交的設置應符合公路網現有及遠景規劃的要求，保證高速公路交通流的暢通。在樞紐立體交叉的設置上，不僅要考慮被交叉高速公路平縱指標，還要考慮樞紐本身的形式和規模，更主要的是要考慮該樞紐與整個公路網上立體交叉系統的協調性與一致性，以便提高整個公路網交通、物流轉換的效率。

b）樞紐互通立體交叉的型式選擇應與相交高速公路的功能性質、使用任務和遠景交通量相適應；應結合互通的定位與項目所在地的自然條件、地形、地物、地質條件和環境條件相適應。

c）樞紐互通立交型式選擇要全面考慮近遠期結合，既要考慮近期交通轉換、物流等的要求，減少造價，又要考慮遠期交通發展改擴建提高使用性能及服務水平的可能。

d）樞紐互通立交型式的選擇和匝道布置要全面安排，分清主次。涉及到改擴建的樞紐互通立交，還要結合公路網中互通等交通節點的分布，在考慮保證原互通安全通暢的前提下，盡量利用原互通工程的匝道等，節省造價，提高工程的經濟合理性。

3 樞紐互通式立交的設置理由及功能

a）城趙樞紐互通立交位于祁縣城趙鎮修善村西北，順接榆祁高速公路，并與京昆高速大運段形成十字交叉，實現大運高速與榆祁高速交通轉換。

b）根據祁離高速公路工程可行性研究報告城趙樞紐互通立交近期及遠期預測年度總交通量結果，城趙樞紐互通立交交通出行量較大，在此設置樞紐互通立交，符合交通發展的需求。

c）隨著榆次龍白至祁縣城趙（榆祁）高速于2012年的建成通車，建設從離石經榆祁高速去往北京、山東方向的快速通道對于推動太原城市化進程、優化區域路網作用顯著，本樞紐互通立交作為兩條高速公路的交匯點，加快其建設勢在必行。

d）原承擔京昆高速大運段與榆祁高速公路交通轉換的城趙樞紐為B型單喇叭，現規劃建設的祁離高速公路將與榆祁高速公路順接與京昆高速形成十字交叉，宜將B型單喇叭改建為十字樞紐；另外，現B型單喇叭城趙樞紐建成通車以來因主線設計速度與互通內環設計速度差值超過了20 km/h，在運營上存在一定壓力，這次對該樞紐的改建有助于提高交通轉換效率。

4 設置樞紐互通式立交的制約因素

設計提出了4個方案，基于在原榆祁高速城趙樞紐B型單喇叭處進行完全拆除新建、利用部分匝道進行改建、另外選址布設互通進行交通轉換3個研究方向。在方案研究過程中有以下制約因素需要考慮。

a）設置樞紐處，受大運高速公路、榆祁高速公路、原榆祁高速城趙樞紐互通立交、思賢村、苗家堡村、修善村及原東村的限制，樞紐互通及主線布設空間有限是方案布設的制約因素之一。

b）祁縣地處晉中平原，項目區均為優質基本農田，樞紐互通的占地規模大是方案布設的制約因素之一。

c）樞紐所在區域為思賢村、苗家堡村、修善村及原東村四村中心處，且有果業廠、酒廠等地方企業，地方道路密集，樞紐互通的布設對原狀道路的阻斷以及帶來的社會影響是方案布設的制約因素之一。

d）樞紐所在區域昌源河道、東二支干渠、天然氣管道、通訊管線、電力線、國防光纜線較為密集，是方案布設的制約因素之一。

e）樞紐互通位于太原-晉中都市圈，毗鄰山西省政治經濟文化中心，政治經濟文化活躍，承擔大運高速公路與榆祁高速公路交通轉換任務的城趙樞紐交通大，方案實施期間是方案布設的制約因素之一。

圖1 原榆祁高速城趙樞紐

圖2 工程選址處概況

5 轉向交通量分析

公路的交通量是隨著社會經濟的發展而變化，其遠景設計年限交通量應包括正常增長的交通量以及誘增交通量。設計交通量應根據交通工程學原理，進行切實的調查、統計，通過科學的分析、預測，建立相關的數學模型，求得設計年限內年平均日交通量（AADT）作為設計依據。設計過程中采用設計小時交通量對匝道的通行能力及橫斷面采用的車道數等進行驗算。為設計使用方便，本樞紐互通交通組成以及每條匝道各方向的年平均日交通量均用交通量分布圖反映[1]。根據祁縣至離石公路工可報告，得到榆社樞紐互通立交2038年預測末年平均日交通量：

太原→榆次3 987 pcu/d；太原→離石3 827 pcu/d；榆次→太原3 734 pcu/d；離石→太原4 087 pcu/d；運城→榆次5 245 pcu/d；運城→離石4 771 pcu/d；榆次→運城5 532 pcu/d；離石→運城4 835 pcu/d。

圖3 匝道交通量計算圖[單位：pcu/d(pcu/h)]

匝道設計小時交通量按（1）式計算：

式中：DDHV為單向設計小時交通量，veh/h；AADT為預測年度的年平均日交通量，veh/d；D為方向不均勻系數（0.5～0.6，一般取0.55）；K為第30個高峰小時交通量與AADT的比值（0.1～0.12）。

經計算得到設計年限末匝道單向設計小時交通量最大為664 pcu/h（榆次至運城方向）。

圖4 匝道各方向的年平均日交通量分布圖

6 樞紐互通式立交方案布置及方案比選論證

城趙樞紐互通立交位于祁縣城趙鎮修善村西北，順接榆祁高速公路，并與京昆高速大運段形成十字交叉，其交叉角度為90°。樞紐所在主線祁離高速公路設計速度為80 km/h，路基寬度26 m，四車道高速公路；大運高速公路設計速度為120 km/h，路基寬度28.5 m，六車道高速公路；榆祁高速公路設計速度為100 km/h，路基寬度33.5 m，六車道高速公路。

本項目通過十字交叉樞紐直接接通榆祁高速公路、京昆高速，避免了榆祁高速公路、本項目雙線交通流抵達城趙樞紐后，交通流匯集至京昆高速公路城趙至交城段，從而形成嚴重的交通瓶頸路段，進而引發路網振蕩。采用十字交叉方式，從大的路網結構上，形成并行的雙線通道，對于平衡區域交通需求具有重要意義。因此，建議城趙樞紐按全互通形式設計改造。所以在初步設計階段擬定了4個方案，城趙樞紐方案對比表見表1，各方案分述如下。

表1 城趙樞紐方案對比表

6.1 方案一（完全新建為對頂苜蓿葉型式樞紐）

結合地形條件及交通量預測結果，匝道單向設計小時交通量最大為664 pcu/h，轉向交通量較大，方案一擬拆除既有的榆祁高速公路城趙樞紐互通立交，采用對頂苜蓿葉型樞紐。對離石至太原、榆次至運城方向的采用半定向匝道設計；對太原至離石、離石至運城、運城至榆次、榆次至太原方向采用定向匝道設計；對太原至榆次、運城至離石方向采用環形匝道設計。為減少相鄰環形匝道出入口交織問題，對太原至榆次、運城至離石兩條匝道方向采用提前分離式環形匝道。

考慮到運城至榆次定向匝道，運城至榆次半定向匝道設計速度為60 km/h，且匝道長度大于500 m，考慮超車需要，所以擬定其采用雙車道出口的單向雙車道匝道，路基寬采用10.5 m；太原至榆次方向環形匝道、運城至離石方向環形匝道設計速度為40 km/h，榆次至太原定向匝道設計速度為60 km/h，路基寬度采用9 m；其余匝道設計速度為60 km/h，均采用單車道出入口的雙車道匝道，路基寬采用10.5 m。方案一共設橋梁13座，橋梁總長度為3 038.798 m，占地652畝，造價2.2億元。

方案一綜合考慮互通式立交各方向匝道的交通量分布情況，主流方向的匝道采用了較高的線形指標，總體布局合理，各項指標均衡。合流、分流處具有良好的線形及通視條件，各匝道平縱橫指標協調，保證了車輛行駛的順適流暢，主線一橋跨越五線，視線開闊，極大地照顧了駕駛員的生理以及心理，有利于安全行車，實現了人、車、環境、社會的有機結合。方案一整體造型對稱美觀，布局緊湊合理、占地少、造價低，故本階段擬取方案一為城趙樞紐互通立交推薦方案。

圖5 城趙樞紐方案一

6.2 方案二（完全新建為變異苜蓿葉型式樞紐）

方案二擬拆除原榆祁高速公路B型單喇叭城趙樞紐完全新建為變異苜蓿葉型式樞紐實現大運、祁離、榆祁3條高速的連通。對榆次至運城、運城至離石方向采用半定向匝道設計；對太原至離石、離石至運城、運城至榆次、榆次至太原方向采用定向匝道設計；對太原至榆次、離石至太原方向采用環形匝道設計。

圖6 城趙樞紐方案二

太原至榆次方向、離石至太原采用環形匝道設計，設計速度為40 km/h，路基寬度為9 m。其余匝道設計速度均為60 km/h。其中，榆次至運城、運城至榆次方向兩個匝道采用雙車道出入口雙車道設計，其余匝道采用單車道出入口的雙車道設計，路基寬均為10.5 m。方案一共設橋梁12座，橋梁總長度為2 761.262 m，占地698畝，造價2.3億元。

方案二同方案一具有總體布局緊湊合理，各項指標均衡的優點，且方案二與交通流更相適應，所設環形匝道半徑稍高（R=70 m，方案一R=65 m），但兩環形匝道存在平面交織段，需設置附加車道，根據交通量計算，附加車道設置長度較長，交織點多，另外主線縱斷面線位較高，環形匝道與主線速度差較大，對行車安全不利，較方案一占地要大，造價略高。

6.3 方案三（部分利用原榆祁高速公路B型單喇叭城趙樞紐改建為混合型式樞紐）

方案三擬拆部分利用原榆祁高速公路B型單喇叭城趙樞紐改建為混合型式樞紐實現大運、祁離、榆祁3條高速的連通。祁離高速與榆祁高速主線采用分離式路基實現連通。對離石至太原、運城至離石方向采用半定向匝道設計；對太原至離石、離石至運城、運城至榆次、榆次至太原方向采用定向匝道設計；對太原至榆次、榆次至運城方向利用原榆祁高速城趙樞紐的部分匝道進行設計。

榆次至運城方向以及太原至榆次方向利用原互通匝道。其中太原至榆次方向為環形匝道，設計速度為40 km/h，路基寬度為9 m。

圖7 城趙樞紐方案三

原A匝道（榆祁高速直連雙向匝道）為雙向三車道，路基寬度為22.25 m。原榆次至運城方向匝道設計速度為60 km/h，為單向雙車道入口的雙車道匝道，路基寬度為13 m，其余新建匝道設計速度均為60 km/h。其中，新建運城至榆次方向匝道采用雙車道出入口雙車道匝道設計，其余匝道均采用單車道出入口雙車道匝道設計，路基寬為10.5 m。方案三共設橋梁13座，橋梁總長度為5 714.684 m，占地836畝，造價3.0億元。

基于原榆祁高速城趙樞紐建成通車投入使用不久，直接拆除新建造成的社會負面影響大，且互通承擔太原、榆次、祁縣兩市一縣的交通轉換任務，阻斷該樞紐的交通轉換后會對兩市一縣的其他道路造成一定的交通壓力，我們提出了利用原有互通的部分匝道進行改建、分步實施保證原交通通暢的方案三，其優點在于能夠利用部分匝道，在施工過程中，能夠利用原互通進行保通，缺點是利用的3條匝道未能解決長直線接小半徑環形匝道的問題，且主線需分幅建設，新建橋梁數量多、長度長、規模大、占地大、造價高。

6.4 方案四（完全利用原榆祁高速公路B型單喇叭、另選址新建一處單喇叭互通與原榆祁高速城趙樞紐復合）

圖8 城趙樞紐方案四

方案四擬全利用原榆祁高速公路B型單喇叭、另選址新建一處單喇叭互通與原榆祁高速城趙樞紐復合實現大運、祁離、榆祁3條高速的連通。

方案四是基于方案一、方案二拆除原榆祁高速城趙樞紐帶來的社會負面影響大、保通方案難實施和方案三占地大、造價高等缺點而提出來的。方案四具有工程規模小、占地少、造價低、簡潔明快、實施容易等優點。但此方案的設計主觀放棄了對直行主要交通量的照顧、多個方向行車需要多次確認容易錯行、標志牌設置易混淆、節點提前預告難度大、交通轉換效率較低。因此僅作為定性比較方案。

綜上所述，根據預測交通量結果，結合樞紐互通的功能、實際地形條件等，綜合考慮4個方案的優缺點，最終確定方案一（拆除原榆祁高速公路B型單喇叭城趙樞紐完全新建為對頂苜蓿葉型式樞紐）為推薦方案。

7 結語

高速公路樞紐立體交叉規劃布局選型合理與否，對交叉通行能力的提高、交通轉換效率的增加、交通的安全、行駛時間的節省和高速公路功能的發揮都有很大影響。它不僅關系到高速公路所在地區的整體規劃，還關系到高速公路的整體使用效果和高速公路的經濟價值。因此，在規劃和布設高速公路立體交叉時，應從全局出發，充分考慮整個公路網系統的功能和要求，綜合交通條件、自然條件及社會狀況，經全面分析論證后確定[2]。在方案的設計中要全面考慮、通盤布局、協調均衡、詳致計算、細致校核，爭取把每座互通式立交設計成為滿足功能、適應地形、線形流暢、行駛安全的精品工程。