高速公路樞紐互通改擴(kuò)建施工方案優(yōu)化研究

張寶君， 寧志軍

(1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司， 湖北 武漢 430071；2.中交路橋建設(shè)有限公司， 北京市 100000)

1 項目概況

主線高速公路為東西向的H高速，被交于南北向的S高速；兩條高速設(shè)T形互通立交完成交通量轉(zhuǎn)換。其中，H高速現(xiàn)狀為雙向四車道，路基寬26 m，設(shè)計速度100 km/h，現(xiàn)狀交通量為51 315 pcu/d，已達(dá)到三級服務(wù)水平。根據(jù)H高速交通量增長趨勢估算，在未來2～3年交通量將達(dá)到飽和，因此需要擴(kuò)建為雙向八車道，擬擴(kuò)建后路基寬41 m。S高速為雙向四車道，路基寬26 m，設(shè)計速度100 km/h，根據(jù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，需要向南延伸，因此原有的T形互通立交需改造為十字形互通(圖1)，改造后的互通方案為單環(huán)式變形苜蓿葉形樞紐互通。

2 改造要求

2.1 主線保通要求

H高速現(xiàn)狀交通量大，互通改造期間要同時完成互通段主線的拓寬改造(雙側(cè)拓寬)。施工期間需要保證H高速交通不中斷，保通道路的通行能力需要滿足施工期間預(yù)測交通量需求，驗算按式(1)計算：

DDHV=AADT×D×K

(1)

式中：DDHV為單向設(shè)計小時交通量(pcu/h)；AADT為預(yù)測年度的年平均日交通量(pcu/d)；D為方向不均勻系數(shù)；K為設(shè)計小時交通量系數(shù)。

根據(jù)測算施工期間的年平均日交通量AADT=51 335 pcu/d，D=0.518，K=0.105，單向設(shè)計小時交通量DDHV=2 792 pcu/h，對應(yīng)的單車道基準(zhǔn)通行能力為2 100 pcu/(h·ln)，三級服務(wù)水平最大服務(wù)交通量為1 600 pcu/(h·ln)，因此，保通道路必須滿足單向二車道以上。施工期間預(yù)測交通量見圖2。

圖1 互通現(xiàn)狀及改建方案

2.2 互通轉(zhuǎn)向保通要求

互通保通要求為東、北、西3個方向間的交通轉(zhuǎn)換不中斷，至少需要利用一座現(xiàn)有橋梁作為主線的跨線橋梁，以滿足互通保通要求。T形交叉互通方案中，單喇叭互通是最經(jīng)濟(jì)的方案，因此臨時保通互通應(yīng)優(yōu)先考慮變異單喇叭互通形式，優(yōu)先完成東、北、西3個方向的定向、半定向匝道。

圖2 施工期間預(yù)測交通量(單位：pcu/d)

2.3 連續(xù)施工要求

現(xiàn)有互通的匝道利用與新建匝道應(yīng)盡可能做到均勻、同步施工，以達(dá)到縮短工期，提高施工效率。從施工組織角度，要求連續(xù)均勻施工，盡量不出現(xiàn)資源需求高峰、多峰情況，避免工序等待時間。該項目匝道長度為400～1 400 m，總長度約為9.6 km，經(jīng)測算至少需要2條匝道同時施工才能滿足工期要求，盡量滿足平行作業(yè)，避免順序施工。

2.4 工期和費用要求

互通和主線改造升級勢必需要保通臨時道路或臨時匝道，因此盡量減少臨時工程量，降低工程投資。根據(jù)項目總體工期要求為3年，該項目改造必須滿足總工期要求，確保S高速南延段如期通車。

3 方案研究

3.1 現(xiàn)狀及條件

樞紐互通改建方案匝道布設(shè)情況如圖3所示。

圖3 樞紐互通改建方案匝道布設(shè)

其中現(xiàn)狀T形互通B、C匝道設(shè)橋上跨H高速主線，B匝道同時上跨C匝道，互通范圍及附近僅有B、C匝道跨線通道，但C匝道與H高速主線交角過小，空間狹小，難以作為保通跨線橋加以利用，只有B匝道跨線橋條件較好，著重考慮作為施工期間臨時互通跨線通道利用。

3.2 方案比選方法

該項目選用基于IAHP-EWM模型的方案評價方法。其基本工作思路為：首先選用IAHP改進(jìn)層次分析法確定各評價指標(biāo)的主觀權(quán)重，再利用EWM熵權(quán)法對參與評價的各利益相關(guān)方客觀權(quán)重進(jìn)行修正。最終根據(jù)兩次評價結(jié)果進(jìn)行比較，若修正后的評價結(jié)果距離小于閾值，則認(rèn)為結(jié)果可信；若結(jié)果距離大于閾值則需要重新評價并修正，直至得到可信的評價結(jié)果?；贗AHP-EWM的模糊綜合評價法詳見相關(guān)文獻(xiàn)，不再贅述。

利益相關(guān)方包括：建設(shè)單位代表、設(shè)計技術(shù)負(fù)責(zé)人、行政主管部門代表、工程運維代表、施工方技術(shù)負(fù)責(zé)人、道路使用者代表等。

3.3 建設(shè)方案

3.3.1 H高速拓寬改造方案

H高速公路拓寬改造擬定為雙側(cè)拓寬方案，如圖4所示。

互通范圍主線拓寬施工組織設(shè)計初擬兩種方案。方案1：利用互通匝道A匝道與E匝道并臨建連接線，形成H高速主線由東向西交通保暢臨時道路，利用C匝道與H匝道并臨建連接線，形成H高速主線由西向東交通保暢臨時道路；方案2：路基部分主線雙側(cè)同時封閉硬路肩，實施路基拓寬形成八車道，然后封閉一側(cè)路幅修建橋梁結(jié)構(gòu)物，利用另外一側(cè)作為臨時保通通道，橋梁段落修建臨時保通道路。

3.3.2 互通保通方案

針對H高速主線兩種拓寬改造施工方案，分別擬定多個互通保通方案，詳述如下。

3.3.2.1 方案1

(1) 第一階段(工期176 d)(圖5)

① 修建E匝道接D匝道部分并修建輔道與主線H高速相接，將東向西方向車輛分流；② 修建輔道將C匝道與B 匝道相接，將H高速西向東方向車輛分流；③ 利用B匝道上跨H高速主線和C匝道橋及修建輔道形成簡易單喇叭互通，將西向北、北向東方向車輛分流。B匝道用簡易護(hù)欄分隔改為雙向行駛。

控制性工程為E匝道新建段。

(2) 第二階段(173 d)(圖6)

① 修建H高速跨線橋以及分流鼻之間的主線路

圖4 主線拓寬改造方案(單位：cm)

圖5 第一階段施工示意圖(方案1)

圖6 第二階段施工示意圖(方案1)

基和部分S高速路基；② 修建新的B匝道及B匝道1號、2號橋；③ 拆除原C匝道，修建C匝道及C匝道1、2、3號橋。

控制性工程為B匝道施工。

(3) 第三階段(工期70 d)(圖7)

① 修建被交S高速南延段；② 修建F匝道；③ 修建H匝道。

(4) 第四階段(工期70 d)(圖8)

圖7 第三階段施工示意圖(方案1)

圖8 第四階段施工示意圖(方案1)

① 拆除輔道，將北向東方向車輛導(dǎo)流回B匝道，東向北方向車輛導(dǎo)流回C匝道；② 修建E匝道剩余部分；③ 修建G匝道。

至此，互通匝道修建完成，總工期490 d。

此方案要求B匝道新、老跨線橋處平面線形分離，為保通臨時互通留出足夠的空間，因此，B匝道的路基利用率降低，同時需要建設(shè)臨時保通道路和匝道總長約1.2 km。

3.3.2.2 方案2

(1) 第一階段(工期35 d)(圖9)

改造H高速進(jìn)出口端部段，保證H高速與S高速交通轉(zhuǎn)換。

(2) 第二階段(工期130 d)(圖10)

① H高速四改八路基施工，橋梁段南側(cè)暫做路基，用南側(cè)四車道保通，施工北側(cè)橋梁； ② 用北側(cè)四車道保通，施工南側(cè)橋梁； ③ 打通S高速下穿H高速路段。

圖9 第一階段施工示意圖(方案2)

圖10 第二階段施工示意圖(方案2)

(3) 第三階段(工期120 d)(圖11)

圖11 第三階段施工示意圖(方案2)

① 修建C匝道臨時保通道路：從C匝道引出后，接入S主線左側(cè)；② 拆除C匝道1號橋和C匝道2號橋；③ 修建新的C匝道1號橋和C匝道2號橋及路基部分。

(4) 第四階段(工期120 d)(圖12)

① 修建B匝道臨時保通道路，從S高速主線右側(cè)引出，接入現(xiàn)狀B匝道； ② 拆除B匝道1號橋和B匝道2號橋及路基； ③ 修建新的B匝道1號橋和B匝道2號橋及路基部分。

(5) 第五階段(工期135 d)(圖13)

① 修建E匝道； ② 修建F匝道； ③ 修建G匝道； ④ 修建H匝道。

圖12 第四階段施工示意圖(方案2)

圖13 第五階段施工示意圖(方案2)

此方案總工期540 d，雖然B匝道利用率略有提高，臨時保通道路約930 m，較方案1略短，但在施工的第二階段和第五階段出現(xiàn)兩次施工高峰，而在第三階段和第四階段中，B匝道與C匝道需要順序施工，H高速拓寬施工的工作面狹窄，工期較長，施工組織困難。第三階段的C匝道臨時連接道路由于要利用現(xiàn)有B匝道橋孔下穿，導(dǎo)致線形曲折、反彎。S高速南延段施工期間作為臨時轉(zhuǎn)向保通道路，中間分隔帶需要臨時開口，待第四階段完工后方可修復(fù)。與保通方案對結(jié)構(gòu)設(shè)計要求B、C匝道上跨H高速的橋梁只能采用預(yù)制吊裝結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)物位于小半徑平曲線之上，基本達(dá)到了技術(shù)極限，給設(shè)計與施工提出了較大的挑戰(zhàn)。

建立評價指標(biāo)體系如圖14所示。

圖14 方案評價模型

運用IAHP-EWM模型，確定指標(biāo)權(quán)重、專家權(quán)重，并對專家權(quán)重偏離度進(jìn)行調(diào)整，形成評價結(jié)果V1=(0.485,0.463,0.325,0.148)，根據(jù)最大隸屬度原則，最大值作為方案評價等級，介于優(yōu)與良之間，傾向于優(yōu)；V2=(0.387，0.425，0.246，0.125)，同理最大值作為方案評價等級，介于優(yōu)與良之間，傾向于良。進(jìn)而可以判斷方案1優(yōu)于方案2，綜合方案比選見表1。

表1 方案比較

4 結(jié)語

項目互通改造的同時，需要主線拓寬，被交道延長，導(dǎo)致需要考慮的因素和受控節(jié)點較多。保通設(shè)計不僅施工工序起著指導(dǎo)作用，同時也影響永久工程的設(shè)計方案。設(shè)計方案相較于新建工程不僅要從功能、經(jīng)濟(jì)、土地供應(yīng)、可持續(xù)性等方面進(jìn)行方案比選，還要將可實施性、保通性、安全保障性等方面作為主要因素納入方案論證中，因此是一個綜合復(fù)雜的互通改造工程，該文研究結(jié)果對類似工程具有一定借鑒意義。