大高差空間受限跨通航水系城市多岔交叉方案研究

李景, 李洋, 陳天幸

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司, 湖北 武漢 430051)

在中國平原河網(wǎng)地區(qū),很多城市臨河而建,沿河兩側(cè)一般建有河堤或臨河道路等,通過跨河橋梁和兩側(cè)臨河道路連接城市路網(wǎng)。由于建設(shè)背景不同,部分跨河橋梁未考慮通航需求。隨著內(nèi)河航運的發(fā)展,部分未通航水系規(guī)劃了通航航道或?qū)νê剿岛降赖燃夁M(jìn)行了提升,原有跨河橋梁已無法滿足通航凈空要求,需改建抬高,造成原有平面交叉關(guān)系出現(xiàn)較大高差,需統(tǒng)籌考慮交通組織方案。而相關(guān)研究鮮有報道。針對上述問題,本文以某城市跨通航水系項目為例,通過分析交叉岔數(shù)與交通組織的關(guān)系及橋型結(jié)構(gòu)對交叉方案的影響提出多岔交叉方案設(shè)計思路,為類似項目提供參考。

1 水系通航對交叉關(guān)系的影響

在河流上通航需要滿足通航凈空要求。根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[1],天然和渠化河流水上過河建筑物通航凈空為設(shè)計最高通航水位加通航凈高Hm。航道等級和代表船舶、船隊不同,Hm取值不同,Ⅳ級航道為8 m,Ⅲ級航道為10 m,Ⅱ級航道為10 m或18 m。

根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[2],堤頂高程應(yīng)按設(shè)計洪水位或設(shè)計高潮位加堤頂超高確定。堤頂超高為設(shè)計波浪爬高、設(shè)計風(fēng)雍水面高度和安全加高值之和。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗,取1級、2級堤防的堤頂超高值不小于2.0 m進(jìn)行粗略計算,Ⅳ級及以上航道堤頂高程與通航凈空之間的高差不小于6 m。對于跨通航水系的礙航改建城市道路,須在受限的城市空間里解決與臨河道路(或城市道路)由平交的零高差變?yōu)闈M足通航凈空要求的大高差問題。

2 交叉岔數(shù)與交通組織的關(guān)系

對于平面交叉,交叉岔數(shù)(也稱交叉路數(shù))越多,交通沖突點越多,交通組織越困難。當(dāng)交叉中某一岔或某幾岔由于某些原因造成交叉出現(xiàn)高差時,交叉變得更復(fù)雜,難以合理進(jìn)行交通組織,通常需要采用新的思路解決渠化問題。

根據(jù)文獻(xiàn)[3],在無交通管制的交叉口,交通沖突點數(shù)量q沖突點可用式(1)計算。

(1)

式中:n為交叉岔數(shù)。

交叉岔數(shù)超過四岔稱為多岔交叉。對于立體交叉,若采用完全互通方案,需要的交通流線數(shù)量N與交叉岔數(shù)n的關(guān)系見式(2)[4]。若采用不完全互通方案,即部分交通流方向未被連通,缺省部分交通流線,通過地面層平交或周邊路網(wǎng)實現(xiàn)缺省交通流線的交通組織。交叉岔數(shù)與交通沖突點及交通流線數(shù)量的關(guān)系見圖1[3]。

圖1 交叉岔數(shù)與交通沖突點及交通流線的關(guān)系

N=n(n-1)

(2)

分別計算三岔、四岔、五岔、六岔交叉時交通沖突點和交通流線數(shù)量,結(jié)果見表1。由表1可知:交叉岔數(shù)超過四岔時,平面交叉交通沖突點和完全互通的交通流線數(shù)量急劇增加。而城區(qū)空間受限,用地資源寶貴,完全互通方案一般情況下不采用,應(yīng)研究不完全互通方案,將主流向采用立交匝道的方式實現(xiàn)空間分離,次流向采用平交或路網(wǎng)繞行的方式進(jìn)行交通轉(zhuǎn)換。

表1 交叉岔數(shù)與交通沖突點及交通流線數(shù)量的關(guān)系

本文研究對象為交叉道路的一岔進(jìn)行抬升,形成空間上的分離,其他岔數(shù)須進(jìn)行連通,交通沖突點計算可減少一岔。如圖2所示(以四岔交叉口為例),交通流線數(shù)量計算可不考慮平交的各岔之間的連通,計算結(jié)果見表2。

表2 抬升一岔后交叉岔數(shù)與交通沖突點及交通流線數(shù)量的關(guān)系

圖2 四岔交叉口抬升一岔后交叉岔數(shù)與交通沖突點及交通流線的關(guān)系

若在此基礎(chǔ)上缺省部分交通流線,采用合適的交通組織方案或只連通某一岔的一半,如圖3所示(以四岔交叉口為例),交通沖突點及交通流線數(shù)量見表3。

表3 缺省岔數(shù)與交通沖突點及交通流線數(shù)量的關(guān)系

圖3 四岔交叉口抬升一岔后缺省岔數(shù)與交通沖突點及交通流線的關(guān)系

由表2、表3可知:缺省部分岔數(shù)時,交通流線數(shù)量急劇減少。說明可通過缺省部分岔數(shù)、減少交通流線數(shù)量減小交通組織難度,這為解決空間受限的城市多岔交叉提供了思路。

3 交叉方案設(shè)計思路

3.1 橋型結(jié)構(gòu)對交叉方案的影響

橋梁按承重構(gòu)件受力情況分為梁橋、板橋、拱橋、鋼結(jié)構(gòu)橋、吊橋、組合體系橋(斜拉橋、懸索橋)等[4],不同橋型適應(yīng)的跨徑不相同。城市跨通航水系橋梁一般有打造景觀亮點的需求,多采用特殊結(jié)構(gòu)形式,如系桿拱橋、矮塔斜拉橋等。特殊結(jié)構(gòu)橋梁若采用主橋變寬方案,實施難度較大。而立體交叉,主線間需要設(shè)置匝道連接,主線橋梁連接匝道處多為變寬結(jié)構(gòu)。為分析橋型結(jié)構(gòu)對交叉方案的影響,按主橋能否加寬分為可變寬橋梁和不可變寬橋梁。主橋可變寬,互通布設(shè)空間較大,對互通匝道影響較小;主橋不可變寬,將壓縮匝道布設(shè)空間和匝道數(shù)量,互通布設(shè)極為受限。

3.2 非建設(shè)條件類因素對交叉方案的影響

交叉方案的形成受制約的因素較多。從技術(shù)角度來看,非建設(shè)條件類因素(如項目的功能定位和交通量等)對交叉方案的影響主要體現(xiàn)在客觀層面。項目的功能定位主要影響交叉類型選取,即選用平面交叉還是立體交叉、分離式立體交叉還是互通式立體交叉、一般互通式立體交叉還是樞紐互通式立體交叉等。對于互通式立體交叉,交通量主要影響匝道形式,進(jìn)而影響互通式立體交叉形式。根據(jù)JTG/T D21—2014《公路立體交叉設(shè)計細(xì)則》[5],設(shè)計交通量小于1 000 pcu/d時,左轉(zhuǎn)彎匝道可選用環(huán)形,而1 000 pcu/d是設(shè)計速度為40 km/h的匝道單車道基本路段的設(shè)計通行能力,考慮到環(huán)形匝道的平面指標(biāo)較低,亦可滿足40 km/h的單車道匝道通行需求,換而言之,客觀層面交通量對交叉方案的影響有限。

考慮到本文研究對象為原有跨通航水系城市多岔交叉的還建,對項目的功能定位、交通量等非建設(shè)條件類因素的影響分析進(jìn)行弱化,重點從建設(shè)條件方面研究交叉方案設(shè)計思路。

3.3 交叉方案設(shè)計思路

交通流線數(shù)量越多,層數(shù)越多,需要的空間越大。缺省岔數(shù)越多,地面層交通組織壓力越大。考慮到本文研究的前提是空間受限,主要交叉方案設(shè)計思路是通過缺省岔數(shù)和交通流線、以不完全互通形式將多岔互通方案簡化為常見的三岔、四岔互通方案。根據(jù)前文的分析,結(jié)合橋型影響提出如下交叉方案設(shè)計思路:

(1) 根據(jù)交叉岔數(shù)計算交通流線數(shù)量,分析連通及缺省岔數(shù)。

(2) 當(dāng)主橋橋型結(jié)構(gòu)受限,不可變寬時,應(yīng)盡量減少連通岔數(shù),避免交叉匝道的布設(shè)造成主橋變寬導(dǎo)致實施難度增大。

(3) 當(dāng)主橋橋型結(jié)構(gòu)不受限,可變寬時,對于五岔及以上的交叉,應(yīng)缺省部分岔數(shù),將多岔互通方案簡化為常見的三岔或四岔互通方案。

(4) 交叉方案中,跨通航水系抬升的那一岔連通岔數(shù)不宜超過三岔,交通流線數(shù)量不宜超過6條。

4 交叉方案應(yīng)用實例

以某城市跨通航河流交叉方案為例,研究大高差空間受限城市六岔交叉方案。如圖4所示,交叉區(qū)域主干路1(設(shè)計速度50 km/h)跨通航水系,與主干路2(設(shè)計速度50 km/h)、主干路3(設(shè)計速度50 km/h)、支路1(設(shè)計速度30 km/h)、堤頂路1(連通城郊村鎮(zhèn),二級公路)、堤頂路2(連通城郊村鎮(zhèn),二級公路)相連,屬六岔交叉。主干路1為城區(qū)連接城南多鎮(zhèn)的唯一出行通道,亦是該城市的交通瓶頸,交叉方案對于緩解其交通壓力意義重大。現(xiàn)由于航道整治,通航等級提升,通航凈空僅0.5 m,主干路1須隨之抬升,在不足百米的距離內(nèi)無法連接主干路2、主干路3、支路1。而區(qū)域內(nèi)城市道路周邊存在大量居民房屋、辦公樓等建筑物,主干路3與支路1之間為有環(huán)保要求的湖泊,環(huán)保政策不允許侵占,方案布設(shè)極其受限。

圖4 交叉區(qū)域示意圖

預(yù)測建成通車20年(2041年)交通量見圖5。

圖5 預(yù)測建成通車20年(2041年)交通量(單位:pcu/d)

根據(jù)地方要求,通航橋梁靠近城區(qū),計劃將其打造為城市景觀名片,即通航橋梁有一定景觀需求。因此,優(yōu)先考慮帶有一定景觀效果的系桿拱橋、矮塔斜拉橋等特殊橋梁結(jié)構(gòu)形式。為減少實施難度,考慮橋梁主橋為等寬結(jié)構(gòu)。

該交叉方案中交叉岔數(shù)為六岔,若采用完全互通方案,交通流線數(shù)量為30條。結(jié)合交叉方案實際,不考慮原有地面層各岔連通的交通流線,僅考慮地面層各岔分別與抬升的主干路1連通,交通流線數(shù)量仍有12條。由于交叉方案布設(shè)空間受限,須缺省部分岔數(shù)。結(jié)合交通量和各岔數(shù)道路等級,擬定圖6、圖7所示2種缺省部分岔數(shù)的交叉方案。

圖6 交叉方案一平面圖

圖7 交叉方案二平面圖

方案一將主干路1與主干路3連通,設(shè)置A匝道、B匝道連接主干路1和主干路2,設(shè)置C匝道連接主干路1和支路1,缺省支路1連接主干路1及主干路1與堤頂路1、堤頂路2之間的交通流線,通過地面層交通進(jìn)行轉(zhuǎn)換,為不完全互通方案。

方案二在方案一的基礎(chǔ)上摒棄主線貫通的思路,設(shè)置C匝道、D匝道連接主干路1和主干路3,設(shè)置A匝道、B匝道連接主干路1和主干路2,設(shè)置E匝道連接主干路1和支路1,缺省支路1連接主干路1及主干路1與堤頂路1、堤頂路2之間的交通流線,通過地面層交通進(jìn)行連接,為不完全互通方案。

兩方案功能相當(dāng),平縱面指標(biāo)相當(dāng),相對而言,方案一的交通組織較簡單,交叉層數(shù)較少,橋梁減少597 m,橋梁規(guī)模較小,整體工程規(guī)模較小,結(jié)合地方意見,最終推薦方案一。

5 結(jié)論

(1) 分析交叉岔數(shù)與交通沖突點及交通流線數(shù)量的關(guān)系,結(jié)合主橋橋型結(jié)構(gòu)對交叉方案的影響,提出通過缺省岔數(shù)和交通流線減少交通組織難度、以不完全互通形式將多岔互通方案簡化的交叉方案設(shè)計思路。

(2) 對于五岔以上交叉,設(shè)計思路是缺省部分岔數(shù),將多岔互通方案簡化為常見的三岔或四岔互通方案。但缺省岔數(shù)越多,地面層交通組織壓力越大,如何平衡連通岔數(shù)與缺省岔數(shù)、合理把握工程規(guī)模與地面交通組織壓力有待研究。

(3) 交叉方案中,跨通航水系抬升的那一岔連通岔數(shù)不宜超過三岔,交通流線數(shù)量不宜超過6條。