汾石高速公路汾陽南樞紐方案研究

王添榮

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

汾陽至石樓高速公路是山西省省道網(wǎng)規(guī)劃“四縱十五橫三十三聯(lián)”中第九橫——和順康家樓至石樓轉(zhuǎn)角的重要組成部分。該項(xiàng)目東起汾陽市，連接?xùn)|呂高速公路汾陽至平遙段，向西與在建的國(guó)家高速公路網(wǎng)G59呼北線十字交叉后進(jìn)入石樓縣。汾石高速公路建成后，可結(jié)束石樓縣無高速公路的歷史，完善晉西北高速公路網(wǎng)，汾陽南樞紐是汾石高速公路的起點(diǎn)樞紐。

1 項(xiàng)目起點(diǎn)樞紐選址及建設(shè)條件

汾石高速公路起點(diǎn)位于汾陽市西南部，該區(qū)域高速公路路網(wǎng)由青銀高速和東呂高速組成，二者形成T型交叉，交叉位置設(shè)有汾陽樞紐，見圖1。青銀高速公路汾陽樞紐以西3km后的主線，連續(xù)采用了5%的陡坡接2.8%的緩坡，在主線長(zhǎng)達(dá)7km路段內(nèi)，縱斷面不具備設(shè)置樞紐的指標(biāo)要求；如果對(duì)現(xiàn)狀汾陽樞紐進(jìn)行改造，即將汾石高速、青銀高速、東呂高速在同一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交通轉(zhuǎn)換，雖然能夠提高轉(zhuǎn)換效率，但交通組織復(fù)雜，容易造成誤行；且汾石高速主線總體走向?qū)⒋┰饺够I(yè)園區(qū)，地方政府難以接受。最后，只能選擇在東呂高速公路主線段設(shè)置汾陽南樞紐，使汾石高速通過東呂高速與青銀高速實(shí)現(xiàn)交通流轉(zhuǎn)換。根據(jù)資料收集和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，東呂高速公路路線平縱面線形指標(biāo)較高，地形相對(duì)平坦，適宜布置樞紐立交。在東呂高速公路汾陽樞紐與汾孝互通之間，選址設(shè)置汾石高速起點(diǎn)的汾陽南樞紐，交通組織清晰，轉(zhuǎn)換功能更好。

圖1 汾石高速公路起點(diǎn)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

樞紐選址區(qū)位于虢義河及其支流形成的沖積平原區(qū)內(nèi)，由河谷Ⅱ級(jí)階地組成，地表為河流沖積相的褐黃色粉土、粉質(zhì)粘土、礫卵石層等物質(zhì)，局部地段有少量泥炭，下部為河湖相沖積物，厚度較大。區(qū)域黃土大部分具有濕陷性，存在砂土液化等不良地質(zhì)現(xiàn)象，地表現(xiàn)狀為人工改良農(nóng)田。

東呂高速公路沿線地物限制因素多，如路段已有的互通立交、并行東呂高速公路兩側(cè)的高壓輸電線路及鐵塔、古城墻遺址、三泉焦化工業(yè)園區(qū)、村莊和養(yǎng)殖企業(yè)等。這些限制條件使得樞紐選型及匝道平面線形設(shè)計(jì)時(shí)自由度較低，必須避讓重要地物。

汾陽南樞紐的被交路為東呂高速公路，其設(shè)計(jì)速度120km/h，雙向四車道，路基寬度28m，采用低填方路基通過。雖然東呂高速公路主線平縱指標(biāo)較好，但由于采用了最高的設(shè)計(jì)速度，使其對(duì)交叉范圍的主線指標(biāo)要求極高。《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]對(duì)立交區(qū)的主線指標(biāo)要求是：平曲線最小半徑一般值2000m(極限值1500m)；縱斷面最小凸形豎曲線半徑45000m(極限值23000m)；縱斷面最小凹形豎曲線半徑16000m(極限值12000m)；按照樞紐區(qū)滿足識(shí)別視距要求的凸型豎曲線半徑最小值為29000m，主線縱坡最大值2%。東呂高速公路擬接線路段沒有完全滿足互通區(qū)主線要求的段落，主線縱斷面坡度及豎曲線指標(biāo)不足成為本樞紐設(shè)計(jì)的最大技術(shù)難點(diǎn)。

2 交通量分析

由汾石高速公路汾陽南樞紐的轉(zhuǎn)向交通量預(yù)測(cè)(見圖2)可知，該樞紐的最大轉(zhuǎn)向交通量為平遙-石樓方向，主交通流方向匝道需采用雙車道變速車道，相應(yīng)的主線段落要設(shè)置輔助車道；青銀高速-石樓方向轉(zhuǎn)向交通量較小，匝道可以采用單車道變速車道。

圖2 汾陽南樞紐預(yù)測(cè)交通量示意圖

3 改造東呂高速主線設(shè)置汾陽南樞紐方案

從東呂高速西側(cè)起點(diǎn)開始，在K3+100之后設(shè)置汾陽南樞紐，才能保證與現(xiàn)有汾陽樞紐的凈距要求；往大樁號(hào)向東方向，K5+500～K7+000段落，東呂高速主線連續(xù)跨越了汾孝大道、靳屯渠，路線縱斷面起伏較大，該段落豎曲線半徑均不能滿足設(shè)置樞紐的條件，且由于坡長(zhǎng)短、變坡頻繁，橋梁等構(gòu)造物密集，調(diào)整縱坡與豎曲線的工程代價(jià)巨大，K7+000之后主線便進(jìn)入了汾孝互通范圍。綜合考慮東呂高速公路現(xiàn)有互通立交的間距及主線條件，可設(shè)置樞紐的位置為東呂高速公路K3+100～K5+500的主線段落。該段落平曲線半徑最小值為1612.16m，滿足規(guī)范的極限值要求；縱斷面的最大縱坡及豎曲線半徑均有不滿足樞紐區(qū)主線指標(biāo)要求的情況。

見圖3，選址段落有一處縱坡超限段落，其最大縱坡2.9%，坡長(zhǎng)550m(K3+540～K4+090)；同時(shí)，該段落存在4處豎曲線半徑不足。為滿足設(shè)置樞紐的條件，需要對(duì)主線K3+180～K5+310段進(jìn)行縱坡及豎曲線改造，將段落內(nèi)2.9%的縱坡調(diào)整為2%，同時(shí)將四處豎曲線半徑調(diào)整為滿足識(shí)別視距要求的半徑值。在做縱斷面改造方案時(shí)，擬合了2座中橋的高程，保證橋梁段高程變化可以通過微調(diào)橋面鋪裝實(shí)現(xiàn)，將高程調(diào)整幅度較大的段落放在填方路基段，便于舊路改造工程實(shí)施。由圖3縱斷面調(diào)整方案示意圖所示：K3+200～K3+720段，該段落路基標(biāo)高最大降低0.8m；K3+720～K4+400段，路基標(biāo)高最大抬高2.6m；K4+460～K5+230段路基標(biāo)高最大抬高1.4m。主線調(diào)整縱斷面需要改造的構(gòu)造物有：K3+320通道橋(跨徑1-13m)，標(biāo)高降低0.3m；K4+685通道橋(跨徑1-10m)，高程抬高1.0m；K3+595蓋板通道，標(biāo)高降低0.76m；K3+800圓管涵，標(biāo)高抬高0.7m；K4+012蓋板通道，標(biāo)高抬高2.5m；K5+010蓋板涵，標(biāo)高抬高1.06m；K5+140箱型通道，標(biāo)高抬高0.35m。調(diào)整后，主線技術(shù)指標(biāo)將完全滿足設(shè)計(jì)速度120km/h，設(shè)置互通立交的主線指標(biāo)要求。

圖3 東呂高速縱斷面調(diào)整方案示意圖

根據(jù)轉(zhuǎn)向交通量，主交通流石樓-平遙方向的兩條匝道，即匝A、匝B，設(shè)計(jì)為直接式雙車道變速車道及匝道，設(shè)計(jì)速度70km/h，同時(shí)在東呂高速主線設(shè)置輔助車道；青銀高速-石樓方向?yàn)榇谓煌鞣较颍袰、匝D采用單車道出入口，出口匝道采用直接式，入口匝道采用平行式，匝道基本路段采用單向雙車道斷面，設(shè)計(jì)速度60km/h。匝道布設(shè)時(shí)，需要避讓特高壓電力鐵塔，與高壓線路保持較大交叉角度，避讓村莊和養(yǎng)殖場(chǎng)等敏感區(qū)域，所以匝道線位設(shè)計(jì)自由度較小，匝道中線線位基本固定，如圖4所示，匝道方案僅存在調(diào)整設(shè)計(jì)高程及跨越關(guān)系的優(yōu)化空間。

圖4 汾陽南樞紐平面圖

為了保證主線改造施工時(shí)東呂高速公路的正常通行，還需要設(shè)置保通道路。保通道路全長(zhǎng)2.5km，設(shè)計(jì)速度取80km/h，雙向四車道，路基寬度20.5m。保通道路線形設(shè)計(jì)考慮永臨結(jié)合，充分利用樞紐匝道出入口和匝道路基；起點(diǎn)采用分離式路基，從東呂高速公路主線流出，半幅完全利用C匝道，另外半幅利用東呂高速右幅路基，中間段落利用A匝道路基布設(shè)，保通道路路基采用低填方斷面，線形緊貼東呂高速公路主線，盡量減少臨時(shí)占地和工程規(guī)模。

由于調(diào)整了東呂高速公路縱斷面，且設(shè)置了保通道路，樞紐匝道縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，可以靈活選擇與主線的穿越方式，可以將B匝道設(shè)計(jì)高程降低，采用挖方路塹方式下穿東呂高速主線；D匝道需要連續(xù)上跨東呂高速主線及匝A、匝B。

4 東呂高速主線速度管控設(shè)置汾陽南樞紐方案

改造東呂高速公路主線需要拆舊建新，臨時(shí)保通道路代價(jià)較大，施工期間影響公路正常運(yùn)營(yíng)效益。從宏觀費(fèi)用效果的角度做經(jīng)濟(jì)分析，實(shí)施舊路改造方案的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)并不理想。如果將該路段做適當(dāng)?shù)南匏?，按照時(shí)速100km/h下主線對(duì)互通范圍指標(biāo)的要求，則東呂高速的縱斷面指標(biāo)僅存在一處凸形豎曲線半徑不滿足互通區(qū)識(shí)別視距一般值要求；但仍然滿足規(guī)范指出的當(dāng)條件受限時(shí)，識(shí)別視距取1.25倍停車視距豎曲線半徑(R=17000m)的要求。如果按照100km/h對(duì)路段限速，并加強(qiáng)交安設(shè)施誘導(dǎo)，則可不改造東呂高速公路主線。對(duì)路段限速是否合理，需要根據(jù)區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

見圖1，汾石高速公路主線設(shè)計(jì)速度為100km/h，東呂高速公路限速為120km/h，青銀高速公路限速為100km/h；從汾陽樞紐起點(diǎn)到汾孝互通結(jié)束，東呂高速公路全長(zhǎng)8.5km的段落內(nèi)，共設(shè)置有兩處樞紐，一處互通。汾陽樞紐與汾陽南樞紐凈距為1.54km，汾陽南樞紐與汾孝互通凈距為2.23km。該區(qū)域路網(wǎng)互通設(shè)置密集，出入口眾多，有大量車輛加速并入主線或減速駛出主線，對(duì)主線直行車輛造成干擾，使路段車輛運(yùn)行速度降低。此時(shí)，若仍然采用原120km/h的主線限速，勢(shì)必會(huì)增大交織車輛變道難度，增大事故風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，東呂高速公路汾陽樞紐至汾孝互通段主線，宜采用100km/h的限速，更有利于該路段的安全運(yùn)營(yíng)，同時(shí)也滿足了在該路段增設(shè)立交的主線指標(biāo)要求。

受地物限制，主線速度管控樞紐方案的匝道平面線位與舊路改造方案相同。在不改造東呂高速主線的情況下，匝道均需采用上跨東呂高速公路主線的交叉方式，見圖4。B匝道上跨主線需采用大跨徑鋼箱梁橋；D匝道連續(xù)跨越主線和匝B，需要增加橋梁總長(zhǎng)度。

汾陽南樞紐方案指標(biāo)對(duì)比見表1，與改造東呂高速主線的樞紐方案相比，路段速度管控方案橋梁規(guī)模有所增大，但無需調(diào)整主線原設(shè)計(jì)，不需設(shè)置保通道路，施工組織難度較小，施工期間對(duì)東呂高速公路正常運(yùn)營(yíng)干擾小，整體工程造價(jià)也較低。

表1 汾陽南樞紐方案指標(biāo)對(duì)比表

綜合考慮區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、方案對(duì)東呂高速公路運(yùn)營(yíng)效益的影響、工程規(guī)模、施工組織難度、路段運(yùn)營(yíng)安全等因素，速度管控方案是本樞紐的合理方案。

5 結(jié)語

近年來，隨著我國(guó)高速公路路網(wǎng)不斷加密完善，新增規(guī)劃高速公路與既有高速路網(wǎng)銜接時(shí)，常遇到舊路主線指標(biāo)不足、地形地物限制苛刻等情況。本文在此類接線困難情況下，對(duì)增設(shè)樞紐立交的處理方式具有一定代表性。樞紐立交是高速公路路網(wǎng)重要的交通轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)既需要宏觀上統(tǒng)籌路網(wǎng)全局，也需要微觀上考慮多種限制因素，經(jīng)過不斷加深工作深度、反復(fù)優(yōu)選，才能得出滿足路網(wǎng)要求和服務(wù)水平，有利于公路安全運(yùn)營(yíng)，工程規(guī)模適度的樞紐設(shè)計(jì)方案。