基于主線線位選擇的山區(qū)高速公路樞紐互通式立交方案探討

■王祖華 范安軍 蘇小青

（1.四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，成都 610041；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院，武漢 430056）

巴中-南充-廣安（川渝界）高速公路（以下簡稱“巴南廣高速”）是《國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013-2030年）》寧夏銀川-云南昆明高速公路（G85 線）的重要組成部分，也是川東北地區(qū)通過巴中北上陜西、溝通關(guān)中、天水經(jīng)濟(jì)區(qū)，經(jīng)廣安南下重慶融入成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)，實(shí)現(xiàn)與貴州、廣西相連的南向出海大通道。 項(xiàng)目起于巴中市巴州區(qū)棗林鎮(zhèn)， 接桃園至巴中高速公路，止于廣安市岳池縣伏龍鎮(zhèn)，接重慶境的重慶至廣安高速公路，路線全長207.465 km，路基寬度24.5 m，設(shè)計(jì)速度80 km/h。項(xiàng)目于2013 年4 月正式開工建設(shè)，于2016 年10 月12 日建成通車。

巴南廣高速路線在巴中市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)興文鎮(zhèn)與G5012 線巴中-達(dá)州高速公路（以下簡稱“巴達(dá)高速”）呈“十”字交叉，設(shè)置興文樞紐互通。 在興文樞紐互通的交通量預(yù)測結(jié)果中，廣安與恩陽、棗林與達(dá)州方向?yàn)橹髁鳎茨吓c西、北與東方向分別為848 pcu/h、542 pcu/h，其余兩個(gè)方向轉(zhuǎn)向交通量均較小，達(dá)州與廣安方向（東與南）為52 pcu/h，棗林與恩陽方向（北與西）為246 pcu/h。

路線經(jīng)過區(qū)域的地形起伏變化大，高程在336～430 m，地面橫坡陡峻，支溝切割深。 地質(zhì)條件相對單一，巖石為近水平的泥巖、砂巖互層，構(gòu)造不發(fā)育，地震基本烈度為VI 度。

交叉路段的巴達(dá)高速黑灘河大橋平面位于R=1300 m，A=441.588 的左偏緩和曲線接直線段上，縱面位于i=-2.928%和i=-0.8%的降坡。 黑灘河大橋共19 孔， 上部結(jié)構(gòu)為3×40 m+4×（4×40）m 預(yù)應(yīng)力砼簡支T 梁，最大橋高為80.6 m。 橋梁下部結(jié)構(gòu)中19# 橋臺采用U 臺下接擴(kuò)大基礎(chǔ)，1#、2#、17#、18#墩采用圓柱墩接樁基礎(chǔ)，3#～16#墩采用變截面矩形高墩接樁基礎(chǔ)，其中最高墩為9# 墩，墩高72 m，下設(shè)承臺接群樁基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)方案

在最初的設(shè)計(jì)中，巴南廣高速主線以橋梁形式從黑灘河大橋第18 孔橋下穿并布置互通式立交，主線及匝道未能利用東側(cè)有利地形布線，橋梁工程規(guī)模大，工程造價(jià)高。 結(jié)合巴達(dá)高速公路黑灘河大橋、周邊地形及開發(fā)區(qū)規(guī)劃等因素考慮，設(shè)計(jì)單位采納咨詢審查意見，加強(qiáng)與當(dāng)?shù)匾?guī)劃協(xié)調(diào)，補(bǔ)充研究主線向達(dá)州方向擺移，使互通位置選擇有利地形的方案。 前后共擬定3 個(gè)主線交叉線位及配套的樞紐互通方案進(jìn)行多方比較研究（圖1）。

圖1 路線方案位置關(guān)系圖

1.1 方案一

方案一的巴南廣高速主線從巴達(dá)高速黑灘河大橋第18 孔橋下穿（K21+051.02=BDK10+954.87），互通方案為與初設(shè)方案基本相同的對角象限雙環(huán)式變形苜蓿葉形（圖2）。與初設(shè)線位相比，主線由黑灘河大橋第19 孔橋下穿調(diào)整為第18 孔下穿，避免設(shè)置變速車道的主線開挖黑灘河大橋橋臺的基巖，影響黑灘河大橋的安全。 互通不占用開發(fā)區(qū)規(guī)劃用地，但主線跨越陡斜坡地帶、西側(cè)的4 條匝道跨越黑灘河溝谷，須設(shè)置規(guī)模較大的橋梁。 同時(shí)為了避免對巴達(dá)高速黑灘河大橋進(jìn)行拼寬， 將棗林至恩陽、恩陽至廣安方向右轉(zhuǎn)匝道與巴達(dá)高速主線的接線設(shè)置在黑灘河大橋西岸的0 號橋臺以外，無法盡快與巴達(dá)高速主線連接，匝道長度較長。 達(dá)州至廣安方向的環(huán)形匝道橋梁高50 m，匝道橋梁的小半徑曲線橋與高墩因素疊加，施工難度大，工程經(jīng)濟(jì)性較差。

圖2 方案一平面圖

1.2 方案二

方案二的巴南廣高速主線較方案一東移384.7 m， 上跨巴達(dá)高速 （K21+170.65=BDK11+570.14）的路基段落，樞紐互通充分利用臺地布置，互通方案為左轉(zhuǎn)彎半直連匝道，集中設(shè)置在東北側(cè)的對角象限雙環(huán)式變形苜蓿葉形（圖3）。 該方案雖然避開了對黑灘河大橋高墩橋梁的拼寬，但是無法避開東側(cè)的巴達(dá)高速李家塝大橋的拼寬。 巴南廣高速主線在互通區(qū)的走向過于迂回，路線長度較方案一增加463 m， 從全壽命周期來看， 汽車運(yùn)行成本高，能耗高，不符合節(jié)能的設(shè)計(jì)理念。 主線和互通方案工程總造價(jià)高于方案一。 該互通方案大面積占用了興文開發(fā)區(qū)的規(guī)劃用地， 嚴(yán)重不符合地方城市規(guī)劃。

圖3 方案二平面圖

1.3 方案三

方案三的主線較方案一東移124.5 m， 將在建的巴達(dá)高速黑灘河大橋19 號橋臺后的路基改造為橋梁進(jìn)行下穿（K21+150.74=BDK11+119.76），互通方案采用單環(huán)式變形苜蓿葉形（圖4）。 將轉(zhuǎn)換交通量最小的達(dá)州至廣安方向的左轉(zhuǎn)彎D 匝道，由方案一的環(huán)形匝道調(diào)整為的迂回的半直連回頭匝道，上跨巴南廣高速主線，下穿巴達(dá)高速主線。 棗林至恩陽方向的右轉(zhuǎn)彎H 匝道置于棗林至達(dá)州方向左轉(zhuǎn)彎F 匝道的左側(cè)，采用R-50 m 平曲線半徑，與廣安至恩陽方向的半直連左轉(zhuǎn)彎G 匝道合線后，采用直線和R-2300 m 的大半徑曲線與巴達(dá)高速主線，盡量控制小半徑曲線橋梁的墩高，控制高墩橋梁的曲線半徑，避免小半徑曲線與高墩的組合，以降低施工難度和工程費(fèi)用。

圖4 方案三平面圖

D 匝道和F 匝道均于黑灘河大橋第19 孔并行下穿，相比較于第18 孔的下穿更靠近山體，進(jìn)一步降低了匝道橋梁高度。 G 匝道置于整個(gè)互通的最高層，依次上跨C 匝道、F 匝道、巴達(dá)高速、巴南廣高速（圖5），再與H 匝道合線，充分適應(yīng)了巴達(dá)高速-2.928%的縱坡特點(diǎn)，互通緊湊布置。方案三的投資規(guī)模較方案一減少1.03 億元，占用開發(fā)區(qū)規(guī)劃邊緣用地約10 hm2。 該方案與巴中開發(fā)區(qū)管委會、興文鎮(zhèn)政府、巴中市電力公司、巴達(dá)鐵路等單位進(jìn)行了溝通并達(dá)成一致意見。

圖5 方案三主線及匝道與巴達(dá)高速的交叉關(guān)系

1.4 方案比選

對上述3 個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)、 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比選，比選情況如表1 所示。

表1 各方案比選情況

綜上，從技術(shù)指標(biāo)、工程造價(jià)、對地方規(guī)劃的影響程度等因素綜合比較，推薦采用方案三作為實(shí)施方案。

2 實(shí)施方案的特點(diǎn)

實(shí)施方案的整個(gè)互通布置充分利用地形，減少了主線和匝道的橋梁規(guī)模， 土石方有適當(dāng)?shù)脑黾樱c初步設(shè)計(jì)相比，僅橋梁面積就減少3.04 萬m2，設(shè)計(jì)優(yōu)化的工程量顯著。

2.1 優(yōu)選主線交叉線位

通過多方案主線交叉線位的比較研究，突破常規(guī)的主線利用被交叉線路既有橋孔下穿，采用在被交高速路基段新建橋孔下穿，既有被交叉線路橋孔提供兩條左轉(zhuǎn)彎匝道下穿，突破了主線“橋穿橋”交叉方式的常規(guī)思路，為整個(gè)互通利用臺地展布匝道創(chuàng)造了條件，大大節(jié)省了匝道的橋梁規(guī)模。 同時(shí)，為了減少工程規(guī)模，主線線形可靈活布置，實(shí)施方案主線線形在初設(shè)的同向右轉(zhuǎn)曲線之間增加了左轉(zhuǎn)曲線，使主線安家河大橋形成了有利的橋位，縮短橋長410 m。

2.2 變形的互通形式

山區(qū)地形地質(zhì)復(fù)雜， 部分匝道轉(zhuǎn)換交通量較小，樞紐互通立交的布設(shè)在滿足功能的前提下可拓展思路，不拘泥于固定的布置形式，根據(jù)地形和構(gòu)筑物靈活布置立交線形， 匝道線形可以采用迂回式、回轉(zhuǎn)式等扁平化處理方式，根據(jù)需要而調(diào)整整個(gè)互通布置的重心，使其占據(jù)有利地形。

實(shí)施方案把對整個(gè)互通布置不利的西北象限的環(huán)形匝道調(diào)整為半直連大迂回匝道，整個(gè)互通匝道布置的重心偏移至較為開闊的東側(cè)臺地，采用單環(huán)混合形互通布設(shè)，縮短了匝道橋梁長度，降低了匝道橋梁高度，減少了橋梁工程。

2.3 線形布置與橋梁方案的綜合考慮

（1）匝道平面線形布置中盡量避免小半徑曲線與高墩橋梁路段的組合形態(tài)，以降低施工難度和工程費(fèi)用。 控制小半徑曲線橋梁的墩高，便于小半徑曲線橋梁在采用預(yù)應(yīng)力砼現(xiàn)澆橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，支架高度控制在合理范圍。 控制高墩橋梁的曲線半徑盡量采用直線，便于高墩橋梁梁體采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，使用架橋機(jī)架設(shè)，變寬橋梁及匝道與主線連接部的橋梁線形通過調(diào)整現(xiàn)澆濕接縫寬度實(shí)現(xiàn)。

（2）交叉處線形布置盡量采用接近正交的交叉角度，或者考慮在下層兩線合分流前后設(shè)置上層橋梁的墩柱，有條件時(shí)可以考慮在中央分隔帶內(nèi)設(shè)置橋墩，減小橋梁跨徑，降低梁體高度，緊湊布置匝道。實(shí)施方案的G 匝道在C 匝道、F 匝道合流前兩線之間設(shè)置橋墩，雖然交叉角度小，但仍能將橋梁跨徑控制為30 m。D 匝道、G 匝道上跨巴南廣高速均在中央分隔帶內(nèi)設(shè)墩，采用了20 m 的小跨徑橋梁。

（3）巴南廣高速以2-20 m 的矩形框架橋（也可稱為明挖隧道）形式下穿巴達(dá)高速，一是降低了建筑高度，減緩了交叉處兩端的路線縱坡，減小了路基開挖深度；二是避免了常規(guī)橋梁在兩端設(shè)置橋梁伸縮縫對行車舒適性的影響； 三是縮短了施工工期，巴達(dá)高速路基段開挖后的現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，避免橋梁的上下部結(jié)構(gòu)分別施工的繁瑣工序，利于抓住巴達(dá)高速建成前短暫的時(shí)間窗口，節(jié)省了巴達(dá)高速建成后的施工期保通工程。

2.4 高墩橋梁加寬技術(shù)

實(shí)施方案克服了方案一不愿“啃”的巴達(dá)高速黑灘河大橋80.6 m 高墩橋梁加寬的“硬骨頭”，具體如下：

（1）樞紐互通式立交總體設(shè)計(jì)中將巴達(dá)高速黑灘河大橋加寬范圍控制在黑灘河?xùn)|側(cè)，控制了高墩橋梁加寬的范圍；避免了搭設(shè)施工臨時(shí)便橋，便于橋梁加寬部分下部結(jié)構(gòu)的施工組織。

（2）匝道連接部橋梁加寬范圍的T 梁平面布置外邊緣采用鋸齒狀方式，既適應(yīng)變速車道漸變段及匝道連接部的線形要求，又適應(yīng)預(yù)制梁體結(jié)構(gòu)受力的需要。

（3）橋梁加寬處的新設(shè)蓋梁與既有大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁結(jié)構(gòu)分離，不影響預(yù)應(yīng)力蓋梁的受力。 新加蓋梁與既有普通鋼筋混凝土蓋梁連接成整體。 新老T 梁梁體橫向剛接，橋面連續(xù)，保證匝道連接部車輛行駛的舒適性。

（4）新加獨(dú)立墩柱與原墩柱橫系梁連接成整體，以保證墩柱穩(wěn)定性要求。 新加單側(cè)雙柱在自身穩(wěn)定滿足要求的前提下遵循“上連下不連”的原則。

2.5 把握交叉工程的建設(shè)時(shí)序

實(shí)施方案擬定時(shí)充分考慮了交叉工程的建設(shè)時(shí)序，充分利用巴達(dá)高速主體工程完工到建成通車運(yùn)營的時(shí)間窗口，完成巴南廣高速下穿巴達(dá)高速主線和G 匝道橋梁上跨巴達(dá)高速的交叉工程，減小兩條高速公路建設(shè)和運(yùn)營的相互干擾，節(jié)約了全社會投資。

3 結(jié)語

（1）綜合考慮土地受限因素和相關(guān)節(jié)地措施[1]，山區(qū)互通立交的布設(shè)在滿足互通功能的情況下應(yīng)擴(kuò)展思路，不拘泥于固定的布置形式，根據(jù)地形靈活布置主線交叉線位和匝道線形， 重視環(huán)境保護(hù)與自然相協(xié)調(diào)，盡量減少占地，減少工程量，降低造價(jià)。

（2）一座互通式立交方案的確定，是一漸進(jìn)的過程，只有不斷對各種影響因素進(jìn)行深入的分析研究，協(xié)調(diào)各方面因素，才能不斷優(yōu)化，找出安全、經(jīng)濟(jì)、合理的方案；可在勘察設(shè)計(jì)過程中引入第三方咨詢審查單位全過程介入，利于工程方案的不斷優(yōu)化、漸近精進(jìn)。