高速公路復(fù)合式互通優(yōu)化設(shè)計

王景山

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計院，河南鄭州 450001)

隨著我國高速公路網(wǎng)的逐步加密，相鄰互通式立交近距離連接的情況日益增多，出現(xiàn)了許多兩互通立交間出入口間距不足的問題[1-3]。常見的解決方案是將其設(shè)計成復(fù)合式互通立交，將兩個互通近距離連接或組成整體[4-7]。根據(jù)相鄰間距的大小，入口和出口匝道之間的關(guān)系有輔助車道相連、集散車道相連和匝道立體交叉3種方式。

已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，羅成海以日照南復(fù)合式樞紐互通立交的設(shè)置為例，對復(fù)合式互通立交的布置、交織段長度及通行能力進(jìn)行研究，通過多方案的分析比較，以端部、變速車道的精細(xì)設(shè)計為重點完善設(shè)計方案，提出了復(fù)合式互通立交設(shè)計的要點、布設(shè)方法和注意事項，以達(dá)到復(fù)合式互通立交功能與經(jīng)濟(jì)的完美結(jié)合[8]。張文以虎門二橋工程東涌騮東樞紐立交設(shè)計為例，以集散車道連接分置及路網(wǎng)分流兩種思路出發(fā)，均得到了較好的立交布置方案。全互通復(fù)合立交方案功能齊全，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，適應(yīng)收費公路要求，滿足規(guī)劃要求[9]。

當(dāng)兩相鄰互通間距過小，交織長度不足，導(dǎo)致輔助車道和集散車道設(shè)置困難時，可采用匝道相連、匝道立交的方式來消除交織交通量或交織區(qū)的影響[16-17]。然而，以匝道相連的復(fù)合式互通，容易在短距離內(nèi)出現(xiàn)大量的出入口合并、分離，匝道設(shè)計較為復(fù)雜，國內(nèi)采用該種方式復(fù)合的互通式立交較少，可借鑒和相關(guān)經(jīng)驗也非常之少。本項目雖然進(jìn)入到施工圖設(shè)計階段，但是鑒于匝道復(fù)合的互通立交設(shè)計較為復(fù)雜，作者做了大量的方案比選工作。通過細(xì)致的比選分析，盡可能地采用通行效率高、總投資低、對環(huán)境自然保護(hù)區(qū)干擾小的方案。

1 互通方案設(shè)計背景

宜敘高速于2016年6月30日建成通車，擬設(shè)樞紐互通位于現(xiàn)狀宜敘高速龍頭互通(單喇叭)和雙河互通(單喇叭)之間，其中心間距為4.34 km，且擬建樞紐互通距離西側(cè)龍頭互通較近(最小凈距990 m)。原設(shè)計為“樞紐+落地互通”方案，兩個互通采用輔助車道的形式來組成復(fù)合互通，按照該方案，主線實施時對本樞紐互通的輔助車道和出入口進(jìn)行了預(yù)留。

宜賓至威信高速公路(以下簡稱宜威高速)位于川、滇兩省結(jié)合部的宜賓市高縣、長寧縣、和珙縣境內(nèi)，全長106.4 km，建設(shè)里程85.86 km，投資131.8億元(如圖1所示)。該線是《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2014—2030年)》中18條聯(lián)絡(luò)線之一，也是四川省規(guī)劃新增的10條省際出川通道之一，加快其建設(shè)，對于完善四川和云南兩省高速公路網(wǎng)絡(luò)、強化四川與滇中及東盟的聯(lián)系、充分發(fā)揮宜賓港作用、支撐項目區(qū)煤炭能源基地建設(shè)、帶動革命老區(qū)及川滇偏遠(yuǎn)貧困地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[10-12]。

圖1 宜威高速路線走向

龍頭樞紐互通位于宜威高速公路主線起點宜賓市長寧縣龍頭鎮(zhèn)，可實現(xiàn)與宜敘高速的交通轉(zhuǎn)換。主線和被交道設(shè)計速度均為80 km/h，均為雙向四車道，路基寬度分別25.5 m 和24.5 m。

初設(shè)修編時，依據(jù)新版規(guī)范，一般互通與樞紐互通組成復(fù)合型互通時不推薦輔助車道形式進(jìn)行連接。本互通交通量大、有雙車道出入匝道時，應(yīng)選擇交織分離車道，將在集散車道上的主要交織車流分離，形成兩處互通式立體交叉間無交織運行。結(jié)合蜀南竹海保護(hù)區(qū)生態(tài)紅線的影響，初設(shè)修編推薦方案為匝道相連的迂回復(fù)合式互通[13-15]，如圖2所示。

圖2 初設(shè)龍頭樞紐互通方案與宜敘高速互通關(guān)系

在施工圖階段，結(jié)合上階段設(shè)計成果，按照專家咨詢報告提出的優(yōu)化意見，深入研究該互通方案，結(jié)合本階段測設(shè)成果，按照匝道相連的復(fù)合互通形式共擬定5個新的方案。

2 互通方案研究

2.1 交通量預(yù)測及定性分析

互通交通量預(yù)測如圖3所示。擬建樞紐互通宜賓—威信方向設(shè)計小時交通量為1 352 pcu，威信—興文方向設(shè)計小時交通量為370 pcu，宜賓方向為主要交通流方向?，F(xiàn)狀互通遠(yuǎn)景交通量宜賓—龍頭方向設(shè)計小時交通量為88 pcu，興文—龍頭方向設(shè)計小時交通量為50 pcu，宜賓方向為主要交通流方向。

圖3 遠(yuǎn)景交通量預(yù)測(單位:pcu)

2.2 地形、地質(zhì)及地物概況

互通區(qū)為侵蝕構(gòu)造低中山及巖溶地貌，海拔高程為300～390 m。

互通區(qū)地形較陡，表層為2～3 m厚的角礫土、含塊石角礫土；基巖為灰?guī)r夾砂頁巖，巖層傾向坡外，巖體風(fēng)化強烈。

既有宜敘高速存在順層邊坡及由地震導(dǎo)致的滑坡。

2.3 場地現(xiàn)狀及主要控制因素

目前，宜敘高速的接地互通已經(jīng)建成，與本項目連接的樞紐互通實施時，按照B型單喇叭立交方案預(yù)留了輔助車道及出入口，如圖4所示。

圖4 場地現(xiàn)狀

主要控制因素如下。

(1)宜敘高速預(yù)留出口及輔助車道

宜敘高速實施時，按照B型單喇叭樞紐互通預(yù)留輔助車道及4個出入口。

宜敘高速上的接地互通與樞紐互通之間設(shè)置有輔助車道，其中北側(cè)輔助車道長990 m，南側(cè)輔助車道長1 610 m。

(2)宜敘高速現(xiàn)狀橋梁

互通區(qū)域內(nèi)宜敘高速共設(shè)置3座橋梁，見表1。

表1 宜敘高速既有橋梁一覽

(3)順層邊坡

在宜敘高速南側(cè)預(yù)留出口匝道附近存在順層邊坡，受2019年6月17日6級地震的影響，該處順層邊坡已演變?yōu)榛?。?zāi)后，高速公路運維部門已對該段滑坡采取了支擋措施。

(4)蜀南竹海保護(hù)區(qū)

四川蜀南竹海自然保護(hù)區(qū)位于四川省宜賓市長寧縣境內(nèi)，面積3萬hm2，現(xiàn)為省級自然保護(hù)區(qū)，主要保護(hù)對象為竹類生態(tài)系統(tǒng)，其試驗區(qū)紅線邊緣距離項目較近。

3 方案優(yōu)化及比選

3.1 優(yōu)化思路

在初設(shè)階段，確定采用匝道立交相連的無交織復(fù)合式互通方式；在施工圖階段，結(jié)合上階段設(shè)計、審查成果，按照專家咨詢報告提出的優(yōu)化意見，主要從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化[18-19]。

(1)交通功能

減少主要交通流向繞行、減少宜敘高速主線上的連續(xù)分流、合流。

(2)建設(shè)條件

避免進(jìn)入蜀南竹海保護(hù)區(qū)生態(tài)紅線；減小對順層邊坡的影響；合理利用預(yù)留出入口、輔助車道及既有橋孔，減少廢棄工程；減少項目實施階段對既有宜敘高速的影響。

(3)平縱指標(biāo)

根據(jù)交通量預(yù)測確定匝道斷面，在滿足交通功能的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高主要交通流方向的指標(biāo)，確保整個互通指標(biāo)的一致、均衡、連續(xù)。

(4)工程規(guī)模

在滿足交通功能的前提下，選擇合理的位置及立交方案，靈活運用匝道指標(biāo)，綜合平衡功能、用地、造價等因素，降低橋梁工程規(guī)模，減小橋梁設(shè)計及施工難度[20-21]。

3.2 方案分析

結(jié)合定測階段測設(shè)成果，按照匝道相連的復(fù)合互通形式擬定5個新的方案。

(1)初設(shè)推薦方案

初設(shè)推薦方案通過增加匝道長度連接前一個互通的出入口，在匝道上完成分、合流，避免主線交織，在繞避蜀南竹海保護(hù)區(qū)的同時盡量利用原預(yù)留的出入口，如圖5所示。

圖5 初設(shè)推薦方案平面

迂回匝道最小半徑為100 m，最大縱坡為4%。本方案可利用原有威信—宜賓方向、威信—興文方向、興文—威信方向共3個出入口。但本方案工程量較大，各匝道梁橋工程居多，迂回匝道右側(cè)高邊坡為順層邊坡，土石方工程、防護(hù)工程量較大。

(2)方案一

由交通量預(yù)測可知，威信—宜賓、宜賓—威信為主要交通流向，而威信—宜賓方向的匝道平面指標(biāo)較低。同時，迂回匝道右側(cè)高邊坡為順層邊坡，且挖方較大，土石方工程、防護(hù)工程量較大。

方案一如圖6所示，其主要調(diào)整點有：一是根據(jù)實測宜敘預(yù)留的橋孔，增大主流方向的最小半徑至一般值(150 m)；二是細(xì)化匝道設(shè)計，減少順層邊坡段的挖方數(shù)量及防護(hù)數(shù)量(減少8%)。

圖6 方案一平面

該方案利用3個既有出入口，在宜敘主線南側(cè)存在連續(xù)入口，對互通安全行車不利。該方案較初設(shè)方案變化較小，工程量較初設(shè)方案略有減少。

(3)方案二

由于宜敘高速南側(cè)存在的連續(xù)入口對互通安全行車不利。鑒于此，從提高既有出入口的利用率、合并連續(xù)入口提高行車安全性兩方面出發(fā)，在方案一的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。

方案二如圖7所示：合并南側(cè)兩個連續(xù)入口至南側(cè)預(yù)留入口；將4個預(yù)留出入口全部進(jìn)行利用，降低了廢棄工程量；由于合并入口，南側(cè)入口匝道增長，工程量較方案一增加。

圖7 方案二平面

(4)方案三

上述3個方案均存在兩個主流向及多個次要流向繞行過多的問題。此外，繞行匝道多在順層邊坡處密集分布，造成挖方較多、防護(hù)量較大。因此，應(yīng)減少繞行匝道可以減少對順層邊坡的影響。

方案三如圖8所示，利用有利地形，將原迂回匝道和龍頭—威信兩個匝道就近接至宜威高速，兩匝道沿珙晏路一側(cè)的山坡上布線。

圖8 方案三平面

該方案迂回匝道最小半徑由原來的100 m增大至150 m，其興文—威信匝道可利用有利地形，橋梁長度較方案二減少170 m，順層邊坡挖方和防護(hù)量也大為減少。

(5)方案四

方案三取直了部分匝道，減少了兩個方向的交通流的繞行距離，但是兩個主要交通流向(宜賓—威信、威信—宜賓)依然繞行較多，而且整個復(fù)合互通外觀較為松散。

方案四如圖9所示，將整個互通的重心向現(xiàn)狀龍頭互通方向挪動，使得兩個主要流向順暢，整個復(fù)合互通更加緊湊且整體繞行較少；另外，還可以遠(yuǎn)離蜀南竹海保護(hù)區(qū)，避免實施階段對保護(hù)區(qū)造成影響。

圖9 方案四平面

方案四的互通為3層，威信—宜賓方向匝道在最上層，興文—威信方向匝道居中，宜敘主線在最下層。整個互通層次較高，橋梁規(guī)模較大，匝道長度較長，工程規(guī)模增加較多；此外，該方案挪離原來預(yù)留位置，對預(yù)留出入口的利用率較低，僅能利用宜敘高速東側(cè)的一對預(yù)留出入口。

(6)方案五

方案四的互通中心挪動后，主要流向的繞行減少，互通結(jié)構(gòu)緊湊流暢，遠(yuǎn)離蜀南竹海保護(hù)區(qū)的紅線。但是，互通整體層次較高，橋梁規(guī)模較大。根據(jù)本階段測設(shè)資料，小埂上大橋在跨越既有珙晏路處錯孔布置，珙晏路西側(cè)橋跨處仍有一定空隙可供雙車道匝通過。

方案五如圖10所示，將興文—威信方向的匝道由最上層調(diào)整至最下層，從既有小埂上大橋橋孔下通過，從而降低整體高度，壓縮互通橋梁規(guī)模。經(jīng)優(yōu)化調(diào)整，互通規(guī)模得以降低，對順層邊坡的影響也進(jìn)一步減少。

圖10 方案五平面

3.3 方案比選

上述5個方案主要工程規(guī)模對比見表2。

表2 互通立交方案比較

(1)交通功能

方案四和方案五主要交通流向繞行最少，方案一和方案二相同繞行較多，方案三適中，五個方案中只有方案一存在連續(xù)合流，其余均在匝道上合流。從交通功能來看，方案三較優(yōu)，方案四和方案五最優(yōu)。

(2)建設(shè)條件

①五個方案均未進(jìn)入蜀南竹海保護(hù)區(qū)生態(tài)紅線，其中方案一、方案二、方案三需設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)，避免侵入紅線，但是支擋結(jié)構(gòu)實施較為困難；方案四、方案五距離紅線較遠(yuǎn)，不需要設(shè)置防護(hù)措施。

②五個方案中，對順層邊坡的影響依次遞減，即方案一最大，方案五最小。

③五個方案中，方案二、方案三全部利用4個出入口，方案四、方案五利用2個出入口，方案一利用3個出入口。實施階段，方案五對既有宜敘高速的影響最小。

綜合各種建設(shè)條件來看，方案四較優(yōu)，方案五最優(yōu)。

(3)平縱指標(biāo)

方案一、方案二存在迂回匝道，整體匝道平縱指標(biāo)較低，方案三提高了部分匝道平面指標(biāo)，但是主流方向平縱指標(biāo)相對較低。方案四、方案五的平面指標(biāo)流暢順適、指標(biāo)較為均衡，但方案四上跨層次較高，縱斷指標(biāo)較低。從平縱指標(biāo)來看，方案五最優(yōu)。

(4)工程規(guī)模

由表2可知，方案五的工程規(guī)模明顯較小。

(5)比選結(jié)論

從交通功能、建設(shè)條件、平縱指標(biāo)、工程規(guī)模4個方面的綜合比較表明，方案五最優(yōu)。

4 結(jié)束語

通過匝道連接的復(fù)合式互通立交設(shè)計具有多樣性和復(fù)雜性，各階段有不同的優(yōu)化任務(wù)，不能因為已進(jìn)入施工圖階段就不深入進(jìn)行方案研究，應(yīng)重視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的適度和協(xié)調(diào)，以發(fā)揮該項目的最佳社會經(jīng)濟(jì)效益；應(yīng)因地制宜地利用已建工程，選擇恰當(dāng)?shù)牧⒔恍问?，減少廢棄，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的最優(yōu)。