惠州市鵝嶺立交改造工程方案研究

徐瑤琳，姚江貝

（1.惠州市道路橋梁勘察設(shè)計(jì)院，廣東 惠州516000；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州510630）

0 引言

惠州市鵝嶺立交橋建成于1994年5月，位于惠州市鵝嶺公園西南角下、鵝嶺東西南北四路交匯口處，為一座三層全互通立交橋。鵝嶺立交是惠州市區(qū)內(nèi)首座規(guī)模成型的立交橋。其中，主線為高架橋，位于立交橋第三層，西起鵝嶺西路距離鱷湖路300 m 處，東至鵝嶺東路與麥地路交界處，全長(zhǎng)約1.5 km，為城市主干路，設(shè)計(jì)荷載為汽-20，雙向2車道，設(shè)計(jì)車速為40 km/h，設(shè)有非機(jī)動(dòng)車道，與下面兩層立交橋完全分離，現(xiàn)已實(shí)施潮汐車道管理，如圖1 所示。立交橋的中間層與最底層均為圓盤環(huán)島路口，可進(jìn)行左右轉(zhuǎn)、直行或掉頭，位于鵝嶺東西南北四條馬路的交匯處，底層為輔路。

圖1 鵝嶺立交現(xiàn)狀

現(xiàn)狀鵝嶺立交主要存在以下問題：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)不安全

根據(jù)廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督檢測(cè)總站出具的《惠州市鵝嶺立交檢測(cè)評(píng)估項(xiàng)目檢測(cè)報(bào)告》，鵝嶺立交橋結(jié)構(gòu)目前處于D 級(jí)（不合格狀態(tài)）。橋梁目前已實(shí)施部分補(bǔ)強(qiáng)措施，但由于橋位下方隧道施工，橋體傾斜沉降情況仍未穩(wěn)定，有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。

（2）立交橋底層利用率低

由于鵝嶺立交橋二層橋墩較多，后因橋梁結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，實(shí)施加固時(shí)又增加了墩柱，因此立交橋底層輔路利用率低，車輛需在橋墩之間穿行，通行能力較低。

（3）立交橋二層轉(zhuǎn)盤通行能力較低

鵝嶺立交位于惠州市老城區(qū)，交通繁忙現(xiàn)狀立交二層環(huán)形交叉內(nèi)徑僅為25 m，線型指標(biāo)偏低，交通流之間的交織、穿插存在困難，交叉口交通流變成紊亂交通流，在交通高峰時(shí)段經(jīng)常出現(xiàn)擁堵。

為科學(xué)設(shè)計(jì)鵝嶺立交的改造方案，本文針對(duì)不同的改造方案進(jìn)行了通行能力分析和服務(wù)水平評(píng)價(jià)。

1 改造方案

1.1 方案一：維持交通現(xiàn)狀（維修加固）

由于輕軌施工，造成二層環(huán)形立交橋出現(xiàn)大面積裂縫等病害。經(jīng)檢測(cè)，二層環(huán)形立交橋部分橋墩下沉脫空約4 mm，造成環(huán)形立交上部結(jié)構(gòu)開裂，裂縫寬達(dá)到0.3 mm，且裂縫還在進(jìn)一步發(fā)展，結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)。

若要使結(jié)構(gòu)恢復(fù)原設(shè)計(jì)受力使用狀態(tài)，首先對(duì)下沉的橋墩樁基進(jìn)行注漿加固，使樁基穩(wěn)定不再下沉。其次將支座頂升至原設(shè)計(jì)標(biāo)高，誤差不超過±3 mm。待裂縫閉合、穩(wěn)定后，對(duì)箱梁進(jìn)行封縫后，對(duì)粘貼鋼板加固處理。由于橋梁病害較多，且橋墩下沉一般加固技術(shù)很難徹底消除安全隱患，結(jié)構(gòu)安全可靠性較差。

1.1.1 現(xiàn)狀立交通行能力分析

（1）現(xiàn)狀環(huán)形立交層基本情況

a. 信號(hào)控制：無。

b. 中心環(huán)島半徑：25 m。

c. 各路口進(jìn)口車道：1 條。

d. 環(huán)形車道：2 條。

本案例交叉口通行能力計(jì)算采用環(huán)形交叉口間隙接受理論模型，鵝嶺立交為422 型環(huán)形交叉（相交道路4 個(gè)方向均為雙向2 車道），雖然現(xiàn)狀環(huán)形車道有2 條，但進(jìn)環(huán)車道僅為1 條，右轉(zhuǎn)車輛與進(jìn)環(huán)車輛使用同一條車道，右轉(zhuǎn)車道的使用受到進(jìn)環(huán)車輛的影響，同樣受限于環(huán)形車流密度，適合采用進(jìn)環(huán)車道為一條情況下的通行能力計(jì)算模型。

（2）交通流特征參數(shù)取值[1]

a. 臨界間隙tc：3.58 s（參考北京市環(huán)形交叉口調(diào)查研究數(shù)據(jù)）。

b. 最小時(shí)距tm：2.0 s（飽和車流平均值）。

c. 隨車時(shí)距tf：3.0 s（經(jīng)驗(yàn)值）。

d. 環(huán)道中自由流比例α 取0.8。

（3）基本通行能力

參考《通行能力手冊(cè)》，設(shè)進(jìn)環(huán)車輛的通行能力為Ce，則：

式中：q 為環(huán)道車流量，pcu/s；λ 為衰減參數(shù)，λ=

代入計(jì)算參數(shù)，可得進(jìn)環(huán)車輛的通行能力Ce約為1671 pcu/h。

（4）實(shí)際通行能力

實(shí)際通行能力C 為[2]：

式中：FSF為橫向干擾系數(shù)，取0.92（商業(yè)區(qū)）；FLT為左轉(zhuǎn)修正系數(shù)，為1.14-0.92×PLT，其中PLT為左轉(zhuǎn)率；FRT為右轉(zhuǎn)修正系數(shù)，為0.76+1.6×PRT，其中PRT為右轉(zhuǎn)率；FM為流量比修正系數(shù)，為0.88+0.11×PM，其中PM為大流量與小流量之比。

通過各個(gè)影響因素修正，計(jì)算可得現(xiàn)狀環(huán)形立交二層通行能力C 約為1472 pcu/h。

考慮地面層環(huán)形交叉約為1050 pcu/h，南北向?qū)Ｓ糜肄D(zhuǎn)車道通行能力約為326 pcu/h，東西向?qū)Ｓ糜肄D(zhuǎn)車道通行能力約為306 pcu/h，則地面層通行能力C'約為：1050 + 326×2 + 306×2 = 2314 pcu/h。

綜上所述，現(xiàn)狀環(huán)形立交底層與二層的通行能力為3786 pcu/h。

1.1.2 服務(wù)水平分析

（1）評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用交通量與通行能力的比值，即通常所說的V/C 進(jìn)行評(píng)價(jià)。服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 無信號(hào)控制環(huán)形交叉口服務(wù)水平

（2）評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)實(shí)測(cè)的鵝嶺立交近期高峰小時(shí)車流量數(shù)據(jù)進(jìn)行本案例的服務(wù)水平分析。

評(píng)價(jià)采用高峰車流量數(shù)據(jù)（見圖2、圖3），利用進(jìn)環(huán)車流量與通行能力的比值作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，獲得各進(jìn)口的飽和度與運(yùn)行服務(wù)水平（見表2）。

圖2 早高峰車流量

圖3 晚高峰車流量

因此，可認(rèn)為現(xiàn)狀環(huán)形交叉的服務(wù)水平為D 級(jí)，擁擠，接近不穩(wěn)定車流，有較大延誤，可忍受。

表2 環(huán)形交叉口現(xiàn)狀服務(wù)水平評(píng)估

由于地區(qū)開發(fā)已基本成熟，交通量趨于穩(wěn)定，考慮未來十年交通量增長(zhǎng)率為15%，在保持現(xiàn)狀立交形式不改變的情況下，遠(yuǎn)期環(huán)形交叉口服務(wù)水平，見表3。

表3 環(huán)形交叉口遠(yuǎn)期服務(wù)水平評(píng)估

計(jì)算得遠(yuǎn)期交叉口南進(jìn)口的V/C 將達(dá)到90%，服務(wù)水平為E 級(jí)。

1.2 方案二：拆除二層立交橋，改為地面十字型渠化信號(hào)控制平面交叉

1.2.1 十字型渠化信號(hào)控制平面交叉

本階段考慮將二層環(huán)形立交橋作拆除處理，僅利用底層空間設(shè)計(jì)一處十字型信號(hào)控制的渠化平面交叉，結(jié)合現(xiàn)狀東西方向的鵝嶺西路跨線橋使用。

本次平交渠化方案考慮充分增加各進(jìn)口道等候車道數(shù)量，減少排隊(duì)等候車輛，使通行能力最大限度提高，方案設(shè)計(jì)見圖4。本方案東進(jìn)口道、西進(jìn)口道均設(shè)置2 條渠化右轉(zhuǎn)車道、2 條直行和專用左轉(zhuǎn)車道，南進(jìn)口道、北進(jìn)口道設(shè)置3 條直行、2 條左轉(zhuǎn)和2條渠化右轉(zhuǎn)車道，造價(jià)費(fèi)用約1950 萬元。

圖4 改造方案二

1.2.2 通行能力分析

初始信號(hào)配時(shí)（暫按兩相位考慮）：信號(hào)周期Tc= 80 s，南北方向綠燈時(shí)間tg1=48 s，東西方向綠燈時(shí)間tg2=26 s，黃燈時(shí)間3 s。

初始計(jì)算條件：大型車與小型車比例為2∶8。

（1）進(jìn)口道設(shè)計(jì)通行能力計(jì)算

采用國(guó)內(nèi)普遍推薦的信號(hào)交叉口通行能力計(jì)算方法[3]，交叉口設(shè)計(jì)通行能力等于各進(jìn)道口設(shè)計(jì)通行能力之和，即：

式中：C交叉口為交叉口通行能力；Ci為交叉口各進(jìn)口的通行能力；i 為交叉口進(jìn)口編號(hào)；n 為交叉口進(jìn)口數(shù)，n 為4 或3。

式中：Cj為進(jìn)口各車道的通行能力；j 為車道編號(hào)；K為進(jìn)口車道數(shù)。

根據(jù)初步改造方案，交叉區(qū)域內(nèi)存在直行、直左、專用右轉(zhuǎn)和左轉(zhuǎn)車道。在初始信號(hào)配時(shí)方案的情況下，各車道通行能力計(jì)算如下：

a. 一條直行車道Cs

式中：t0為第一輛車啟動(dòng)，通過停車線的時(shí)間，采用2.3 s；ti為直行或右轉(zhuǎn)車輛通過停車線的平均時(shí)間，按車型比例取2.65 s；φ 為折減系數(shù)，可用0.9。

b. 一條直左車道Csl

式中：β'L為直左車道中左轉(zhuǎn)車所占比例。

c. 一條專用右轉(zhuǎn)車道CR

式中：CeLR為進(jìn)口通行能力，pcu/h；βL為左轉(zhuǎn)車占本進(jìn)口車輛比例；βR為右轉(zhuǎn)車占本進(jìn)口車輛比例。

式中：ΣCs為進(jìn)口直行車道總通行能力。

d. 一條專用左轉(zhuǎn)車道CL

根據(jù)本案例初步渠化方案計(jì)算可得交叉口各進(jìn)口的通行能力，見表4

表4 各進(jìn)口通行能力計(jì)算

（2）設(shè)計(jì)通行能力的折減

在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，對(duì)面到達(dá)的左轉(zhuǎn)車超過3～4 pcu 時(shí)，左轉(zhuǎn)車通過交叉口將影響本面直行車。因此，應(yīng)折減本面各直行車道的設(shè)計(jì)通行能力。

式中：Ce'為折減后本面進(jìn)口道的通行能力，pcu/h；Ce為本面進(jìn)口道的設(shè)計(jì)通行能力，pcu/h；ns為本面各種直行車道數(shù)； Cle為本面進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車的設(shè)計(jì)通過能力，pcu/h。

式中：Cle為不折減本面各種直行車道設(shè)計(jì)通行能力的對(duì)面左轉(zhuǎn)車數(shù)，pcu/h。當(dāng)交叉口小時(shí)為3n，大時(shí)為4n，n 為每小時(shí)信號(hào)周期數(shù)。

折減后各進(jìn)口通行能力，見表5。

表5 折減后各進(jìn)口通行能力

因此，本案例改造方案的交叉口通行能力為8723 pcu/h。

1.2.3 服務(wù)水平分析

（1）評(píng)價(jià)指標(biāo)

交叉口是交通延誤發(fā)生的主要場(chǎng)所，國(guó)內(nèi)外常用平均延誤時(shí)間作為評(píng)價(jià)信號(hào)交叉口的交通服務(wù)水平。信號(hào)交叉口服務(wù)水平一般可分為表6 所示的6個(gè)等級(jí)。

表6 信號(hào)化路口的服務(wù)水平

本案例交叉口考慮兩部分延誤：交通延誤D1和幾何延誤D2（此處不考慮上游交叉口對(duì)來車規(guī)律的影響）。

式中：D 為車道組i 中每輛車平均延誤，s/pcu；D1為交通延誤，交叉口內(nèi)各種交通流的相互影響引起的延誤，s/pcu； D2為幾何延誤，由車輛的轉(zhuǎn)向、加速和減速過程引起，s/pcu。

a. 交通延誤

假定交通流為穩(wěn)定的，車輛均勻到達(dá)并沒有初始排隊(duì)的情況下車輛經(jīng)歷的平均延誤。

式中：Xi為車道組i 的飽和度。

b. 幾何延誤

考慮各車道組處于非飽和狀態(tài)（0.5 ＜Xi＜0.95）：

式中：Qi為車道組i 的高峰小時(shí)流率，pcu/h；Qs為車道組i 的飽和流率，pcu/h。

（2）評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)結(jié)果，見表7。

由于交叉口位于老城區(qū)，已成規(guī)模街區(qū)，各路口車輛到達(dá)率均受到臨近交叉口通行能力限制。考慮未來十年交通量增長(zhǎng)率為15%，在采用本次平面交叉渠化方案的情況下，各進(jìn)口服務(wù)水平見表8。

遠(yuǎn)期東西進(jìn)口的車道組飽和度約為65.5%，每輛車延誤約為34.3 s，服務(wù)水平為C 級(jí)。

表8 方案二信號(hào)化路口的遠(yuǎn)期服務(wù)水平

2 投資估算分析

經(jīng)初步測(cè)算，對(duì)現(xiàn)狀環(huán)形立交進(jìn)行維修加固的費(fèi)用約1480 萬元。而方案二對(duì)現(xiàn)狀環(huán)形立交進(jìn)行拆除，改造成十字型信號(hào)控制平面交叉的費(fèi)用約1950 萬元。

3 方案比較

根據(jù)前文論述，通過對(duì)各個(gè)方案的通行能力、服務(wù)水平、結(jié)構(gòu)安全、造價(jià)和城市景觀等方面的分析，建議采用方案二，即渠化信號(hào)控制平面交叉方案，可在近期較大地提高道路通行能力和服務(wù)水平，同時(shí)滿足行人過街需求（見表9）。

表9 方案分析比較表

4 結(jié) 論

綜合上述分析，從結(jié)構(gòu)安全、城市景觀和通行能力等方面因素考慮，建議對(duì)現(xiàn)狀第二層環(huán)圈匝道橋進(jìn)行拆除，東西直行交通由第三層高架橋通行，地面交通組織方案采用方案二，同時(shí)考慮對(duì)地面渠化交叉口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理進(jìn)行信號(hào)配時(shí)，以進(jìn)一步提高交叉口的通行能力。