山區(qū)峽谷復(fù)雜條件下高速樞紐互通方案研究

王志儒

摘要 文章結(jié)合萬盛至正安高速公路硯石臺(tái)樞紐初步設(shè)計(jì)方案，從功能定位、地形地質(zhì)條件、干擾因素等角度進(jìn)行分析，對(duì)互通方案進(jìn)行了研究比選。同時(shí)，計(jì)算了交織段的通行能力，通過技術(shù)指標(biāo)與交通量的適應(yīng)性及服務(wù)水平評(píng)價(jià)等，以確保互通方案在功能性、可行性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合最優(yōu)，為今后類似工程積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和參考依據(jù)。

關(guān)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(hào) U491文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）09-0023-03

0 引言

21世紀(jì)前半葉，我國山區(qū)高速公路取得了輝煌成就，貴州省甚至呈現(xiàn)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(zhì)條件、受控因素都非常復(fù)雜，這一問題給設(shè)計(jì)階段帶來了極大考驗(yàn)。山區(qū)高速溝壑縱橫，橋隧等構(gòu)造物較多。結(jié)合互通形式，如何將互通的布設(shè)與橋隧構(gòu)造物相配合，是研究的重點(diǎn)。該文結(jié)合萬正高速硯石臺(tái)樞紐互通設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)硯石臺(tái)樞紐進(jìn)行了綜合研究比選，同時(shí)對(duì)交織段的通行能力也進(jìn)行了計(jì)算。

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

20世紀(jì)80年代交通部聯(lián)合一些大專院校對(duì)通行能力開始了相關(guān)研究，同時(shí)，國內(nèi)一些學(xué)者參考了美國《道路通行能力手冊(cè)》中的研究手段，并加以吸收總結(jié)，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況，對(duì)公路通行能力首次進(jìn)行了較為系統(tǒng)的闡述，對(duì)立交交織區(qū)通行能力展開的相關(guān)研究而出版成冊(cè)，為我國公路規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)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(tái)樞紐互通位于萬盛經(jīng)開區(qū)北側(cè)，與南萬高速（萬盛－南川）交叉實(shí)現(xiàn)交通轉(zhuǎn)換。南萬高速設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，雙向四車道，路基寬度24.5 m。萬正高速設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬度為33.5 m和26 m兩種，在樞紐互通內(nèi)路基寬度從33.5 m漸變?yōu)?6 m，由雙向六車道漸變?yōu)殡p向四車道。

項(xiàng)目區(qū)處于四川盆地東緣與云貴高原交接地帶，地層、巖性、構(gòu)造及地貌等均處于兩單元之間的過渡區(qū)，地形起伏大，最高點(diǎn)高程1 898 m，最低點(diǎn)高程約330 m，最大相對(duì)高差1 568 m，溝谷較發(fā)育，地表河流切割強(qiáng)烈，工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件整體較復(fù)雜。

根據(jù)交通量預(yù)測(cè)結(jié)果（遠(yuǎn)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?yàn)橹鹘煌鞣较颍餐的洗ǎ?83 pcu/h）、正安往返萬盛（324 pcu/h）方向?yàn)榇谓煌鞣较颉?/p>

2 工程難點(diǎn)及設(shè)計(jì)方案

2.1 樞紐互通布設(shè)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(duì)既有高速干擾小。施工過程中難免對(duì)已通車高速存在干擾，應(yīng)盡量減少對(duì)原高速干擾。

盡量減少報(bào)廢工程。報(bào)廢工程一方面會(huì)導(dǎo)致工程投資增大，另一方面會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生不良印象。

2.2 樞紐互通布設(shè)難點(diǎn)

（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(shè)置，一路爬坡，樞紐互通交叉點(diǎn)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(diǎn)高差102.251 m。

（2）地形條件差，構(gòu)造物多。南萬高速布設(shè)于孝子河?xùn)|岸單面斜坡上，地形陡峻，構(gòu)造物多，基本為橋隧相連。南萬高速在萬盛方向設(shè)有一座老房子隧道（l =123 m），在南川方向設(shè)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(shè)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(yè)礦區(qū)鐵路和孝子河，再與南萬高速交叉，而后跨越萬南鐵路（停運(yùn)），設(shè)置老房子隧道，樞紐互通布設(shè)考慮以特大橋邊跨和老房子隧道為控制因素，設(shè)置于永勝特大橋和老房子隧道之間。

（3）地質(zhì)條件復(fù)雜，互通區(qū)下伏采空區(qū)。該處覆蓋層為黏土、粉砂質(zhì)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(zhì)泥巖、粉砂巖、白云巖、灰?guī)r、生物灰?guī)r、泥灰?guī)r、頁巖、碳質(zhì)頁巖夾煤層，巖性復(fù)雜[3]。場區(qū)分布硯石臺(tái)煤礦、水井灣煤礦和芭蕉灣煤礦（都在2013年關(guān)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(qū)地下水，巖溶輕度發(fā)育。

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

2.3 方案設(shè)計(jì)

南萬高速左側(cè)兩個(gè)象限為深峽谷，受永勝特大橋控制，只能在南萬高速右側(cè)兩個(gè)象限布設(shè)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(shí)受老房子隧道和青山隧道間距的影響，布設(shè)方案時(shí)，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(jìn)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(xì)則的要求[4]，運(yùn)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(fā)，提出優(yōu)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(yōu)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(biāo)相當(dāng)，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(fèi)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(shè)計(jì)細(xì)則中互通出口與隧道出口凈距400 m的要求，在隧道內(nèi)提前設(shè)置指示標(biāo)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(duì)主線服務(wù)水平有一定影響，從而在樞紐內(nèi)部容易造成交通瓶頸路段，最終導(dǎo)致交通事故的發(fā)生，所以對(duì)方案二交織段通行能力進(jìn)行研究。

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

（2）計(jì)算交通流率：

交織段內(nèi)總的交織流率：Qw=QBC+QAD=412 pcu/h

交織段內(nèi)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(qū)構(gòu)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(qū)構(gòu)型為A型。

（4）確定交織區(qū)運(yùn)行狀態(tài)：

①計(jì)算交織強(qiáng)度系數(shù)Ww和Wnw：A型交織區(qū)在非約束運(yùn)行狀態(tài)下計(jì)算交織強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算常數(shù)為：a=0.15，b=2.2，c=0.97，d=0.80，則交織強(qiáng)度系數(shù)如下：

計(jì)算非交織強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算常數(shù)：a=0.003 5，b=4.0，c=1.3，d=0.75，所以，非交織強(qiáng)度系數(shù)如下：

②計(jì)算交織車輛運(yùn)行速度vw和非交織車輛運(yùn)行速度vnw：已知高速公路自由流速度vFF=100 km/h，根據(jù)以往的研究成果，最小車速一般取24 km/h，最大車速取設(shè)計(jì)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(yùn)行狀態(tài)：由于所分析的交織區(qū)為A型交織區(qū)，計(jì)算非約束運(yùn)行所需的車道數(shù)Nw：

同時(shí)A型交織區(qū)所能提供的最大交織寬度Nwmax=1.4，而Nw=0.66

（5）計(jì)算交織區(qū)狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)：

①計(jì)算交織區(qū)速度：

94.67 km/h

②計(jì)算交織段車流密度：

13.53 pcu/km/車道

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

（7）確定通行能力：由于該交織區(qū)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(shí)的通行能力為5 400 pcu/h/車道，QR為0.2時(shí)的通行能力為4 900 pcu/h/車道，按QR=0.18內(nèi)插可得C=5 350 pcu/h。

結(jié)論：交織段服務(wù)水平為二級(jí)，通行能力滿足要求。

5 結(jié)論

由于山區(qū)峽谷高速復(fù)雜的地形地質(zhì)條件，互通往往不能布置為標(biāo)準(zhǔn)的形式，所以互通的布設(shè)應(yīng)在滿足功能的情況下，發(fā)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(gè)不斷深入、不斷優(yōu)化的過程，只有將各種受控因素相協(xié)調(diào)，各控制因素相平衡，才能選出安全、經(jīng)濟(jì)、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(dǎo)致交通流紊亂，當(dāng)紊亂達(dá)到一定程度將會(huì)導(dǎo)致公路堵塞，甚至安全事故的發(fā)生。所以在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)交織段進(jìn)行通行能力計(jì)算，保證足夠的交織距離，使得交織段通行能力滿足要求。

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