山區峽谷復雜條件下高速樞紐互通方案研究

王志儒

摘要 文章結合萬盛至正安高速公路硯石臺樞紐初步設計方案，從功能定位、地形地質條件、干擾因素等角度進行分析，對互通方案進行了研究比選。同時，計算了交織段的通行能力，通過技術指標與交通量的適應性及服務水平評價等，以確保互通方案在功能性、可行性、經濟性等方面綜合最優，為今后類似工程積累相關經驗和參考依據。

關鍵詞 高速公路；樞紐互通；方案比選；交織；通行能力

中圖分類號 U491文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0023-03

0 引言

21世紀前半葉，我國山區高速公路取得了輝煌成就，貴州省甚至呈現出縣縣通高速的盛況。由于高速公路密度的增大，條件較好的公路走廊帶資源都已耗盡，以致目前待建工程的工程地質條件、受控因素都非常復雜，這一問題給設計階段帶來了極大考驗。山區高速溝壑縱橫，橋隧等構造物較多。結合互通形式，如何將互通的布設與橋隧構造物相配合，是研究的重點。該文結合萬正高速硯石臺樞紐互通設計實例，對硯石臺樞紐進行了綜合研究比選，同時對交織段的通行能力也進行了計算。

向同一方向行駛的若干車流，在一定距離內轉換車道，并不經其他交通管制措施，便形成交織區[1]。至今已有很多國家對交織區進行了研究，其中美國《道路通行能力手冊》[2]出版最早，也最具典型性。

20世紀80年代交通部聯合一些大專院校對通行能力開始了相關研究，同時，國內一些學者參考了美國《道路通行能力手冊》中的研究手段，并加以吸收總結，結合國內實際情況，對公路通行能力首次進行了較為系統的闡述，對立交交織區通行能力展開的相關研究而出版成冊，為我國公路規劃、設計和運營管理提供了參考。

1 工程概況

萬盛至正安高速公路硯石臺樞紐互通位于萬盛經開區北側，與南萬高速（萬盛－南川）交叉實現交通轉換。南萬高速設計時速為80 km/h，雙向四車道，路基寬度24.5 m。萬正高速設計速度100 km/h，路基寬度為33.5 m和26 m兩種，在樞紐互通內路基寬度從33.5 m漸變為26 m，由雙向六車道漸變為雙向四車道。

項目區處于四川盆地東緣與云貴高原交接地帶，地層、巖性、構造及地貌等均處于兩單元之間的過渡區，地形起伏大，最高點高程1 898 m，最低點高程約330 m，最大相對高差1 568 m，溝谷較發育，地表河流切割強烈，工程地質條件和水文地質條件整體較復雜。

根據交通量預測結果（遠景2040年，如圖1所示），萬盛往返南川（637 pcu/h）、南川往返萬盛（404 pcu/h）方向為主交通流方向，正安往返南川（183 pcu/h）、正安往返萬盛（324 pcu/h）方向為次交通流方向。

2 工程難點及設計方案

2.1 樞紐互通布設原則

形式緊湊，占地少。隨著土地政策的收緊，土地愈來愈成為限制方案因素之一。

對既有高速干擾小。施工過程中難免對已通車高速存在干擾，應盡量減少對原高速干擾。

盡量減少報廢工程。報廢工程一方面會導致工程投資增大，另一方面會對社會產生不良印象。

2.2 樞紐互通布設難點

（1）相交高速高差大。南萬高速萬盛至南川方向以3.9%的坡度和緩坡段間斷設置，一路爬坡，樞紐互通交叉點南萬高速NWK7+755.087（H=490.767 m）=萬正高速YK16+584.450（H=593.018 m），交叉點高差102.251 m。

（2）地形條件差，構造物多。南萬高速布設于孝子河東岸單面斜坡上，地形陡峻，構造物多，基本為橋隧相連。南萬高速在萬盛方向設有一座老房子隧道（l =123 m），在南川方向設有一座青山隧道（l =797.7 m），受兩高速高差及隧道口與互通出入口間距的影響，該樞紐互通設于兩隧道之間。萬正高速永勝特大橋（7×40+153+340+153+6×

40）m先后跨越三萬南鐵路、南桐礦業礦區鐵路和孝子河，再與南萬高速交叉，而后跨越萬南鐵路（停運），設置老房子隧道，樞紐互通布設考慮以特大橋邊跨和老房子隧道為控制因素，設置于永勝特大橋和老房子隧道之間。

（3）地質條件復雜，互通區下伏采空區。該處覆蓋層為黏土、粉砂質黏土、黏土夾碎石，厚0～3 m，基巖主要有侏羅系、三疊系和志留系地層組成，巖性為泥巖、石英砂巖、砂質泥巖、粉砂巖、白云巖、灰巖、生物灰巖、泥灰巖、頁巖、碳質頁巖夾煤層，巖性復雜[3]。場區分布硯石臺煤礦、水井灣煤礦和芭蕉灣煤礦（都在2013年關閉），煤層方向與南萬高速平行。

（4）地表水比較豐富，分布著孝子河。地下水主要為基巖裂隙水、基巖巖溶水和采空區地下水，巖溶輕度發育。

（5）干擾因素多。萬南鐵路位于南萬高速右側30～40 m，與高速并行，較南萬高速高3 m。目前已廢棄，但產權仍在，需考慮避讓。

2.3 方案設計

南萬高速左側兩個象限為深峽谷，受永勝特大橋控制，只能在南萬高速右側兩個象限布設匝道。南萬高速萬盛至南川方向一路爬坡，為減小接線高差，樞紐盡可能地靠近南川方向，同時受老房子隧道和青山隧道間距的影響，布設方案時，保證變速車道出入口與兩隧道口之間的凈距滿足要求。

2.3.1 方案一：T+單喇叭A形

該方案為變異T+A形喇叭的形式（如圖2所示），南萬高速半部分采用變異T形，萬正高速半部分采用A形喇叭，充分利用了有限的地形進行展線，該方案比較緊湊，但該方案主要問題為萬正－南萬高速方向出口匝道與永勝隧道之間的凈距不滿足立交細則的要求[4]，運營過程中存在較大的安全隱患。

2.3.2 方案二：雙T形

基于解決方案一所存在問題的思路出發，提出優化方案二，如圖3所示。萬正高速永勝特大橋邊跨主墩（K16+658）與永勝左幅洞口（K17+636）距離只有978 m，南萬高速－正安往返方向匝道采用先合后分的形式，即變異雙T形樞紐互通方案。該方案優化了變速車道與隧道之間的凈距問題，使得行車安全性得以提高。

3 方案比選

K線方案一和方案二相比指標相當，方案一與方案二相比匝道長度增長192.293 m，匝道橋梁增長576 m/座，建安費增加1 475萬元。方案一正安－南萬高速方向匝道不滿足公路立體交叉設計細則中互通出口與隧道出口凈距400 m的要求，在隧道內提前設置指示標牌，存在較大的安全隱患。所以將方案二作為推薦方案，方案一作為比較方案。方案比較表如表1所示。

4 通行能力分析

方案二的問題在于從南萬高速至萬盛方向和萬正方向至南萬高速車流存在交織，對主線服務水平有一定影響，從而在樞紐內部容易造成交通瓶頸路段，最終導致交通事故的發生，所以對方案二交織段通行能力進行研究。

（1）確定交織區交通運行參數：已知l =635.125 m，交織段內總車道數N=3，vFF=100 km/h

（2）計算交通流率：

交織段內總的交織流率：Qw=QBC+QAD=412 pcu/h

交織段內總的非交織流率：Qnw=QAC+QBD=3 432 pcu/h

總的交通流率：Q=Qw+Qnw=3 844 pcu/h

流量比：QR=Qw/Q=0.11

交織比：R=Qw2/Qw=0.38

（3）確定交織區構型：由于A→D和B→C的交通流都需要1次車道變換，該交織區構型為A型。

（4）確定交織區運行狀態：

①計算交織強度系數Ww和Wnw：A型交織區在非約束運行狀態下計算交織強度系數計算常數為：a=0.15，b=2.2，c=0.97，d=0.80，則交織強度系數如下：

計算非交織強度系數計算常數：a=0.003 5，b=4.0，c=1.3，d=0.75，所以，非交織強度系數如下：

②計算交織車輛運行速度vw和非交織車輛運行速度vnw：已知高速公路自由流速度vFF=100 km/h，根據以往的研究成果，最小車速一般取24 km/h，最大車速取設計速度加8 km/h。由此交織車輛平均車速：

79.3 km/h

非交織車輛平均車速：

94.76 km/h

③確定運行狀態：由于所分析的交織區為A型交織區，計算非約束運行所需的車道數Nw：

同時A型交織區所能提供的最大交織寬度Nwmax=1.4，而Nw=0.66

（5）計算交織區狀況評價指標：

①計算交織區速度：

94.67 km/h

②計算交織段車流密度：

13.53 pcu/km/車道

（6）確定服務水平：一級服務水平的臨界密度為7.0 pcu/km/車道，二級服務水平的臨界最大密度為18.0 pcu/km/車道，因此該交織區為二級服務水平。

（7）確定通行能力：由于該交織區為A型，3車道，自由流速度為100 km/h，流量比為0.11，QR為0.1時的通行能力為5 400 pcu/h/車道，QR為0.2時的通行能力為4 900 pcu/h/車道，按QR=0.18內插可得C=5 350 pcu/h。

結論：交織段服務水平為二級，通行能力滿足要求。

5 結論

由于山區峽谷高速復雜的地形地質條件，互通往往不能布置為標準的形式，所以互通的布設應在滿足功能的情況下，發散思維，不拘泥于固定的布置形式。

互通方案的布置不是一蹴而就的，而是一個不斷深入、不斷優化的過程，只有將各種受控因素相協調，各控制因素相平衡，才能選出安全、經濟、合理的方案。

高速公路中車流的交織需要一定的距離，如果交織距離過短，將導致交通流紊亂，當紊亂達到一定程度將會導致公路堵塞，甚至安全事故的發生。所以在設計階段，應對交織段進行通行能力計算，保證足夠的交織距離，使得交織段通行能力滿足要求。

參考文獻

[1]馮玉榮， 楊少偉， 楊宏志， 等. 高速公路交織區運行分析方法對比研究[J]. 公路交通科技， 2018（8）： 135-143.

[2]Transportation Research Board. Highway Capacity Manual 2010[M]. Washington D. C. ： Transportation Research Board， 2010.

[3]周榮貴， 鐘連德. 公路通行能力手冊[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2017.

[4]劉子劍. 公路立體交叉設計細則[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2014.