山區(qū)某高速公路互通立交方案設(shè)計(jì)
孫彥卓
中交綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司
摘 要:結(jié)合重慶萬(wàn)州至湖北利川高速公路(重慶段)龍駒互通立交施工圖方案設(shè)計(jì),從功能、方案提出、方案比選介紹互通立交方案確定流程和方法。通過(guò)技術(shù)指標(biāo)與交通量適應(yīng)性評(píng)價(jià)、典型路段(如交織路段、出入口影響區(qū))通行能力與交通量的適應(yīng)性評(píng)價(jià)及服務(wù)水平評(píng)價(jià)等手段來(lái)確?;ネ⒔环桨冈诠δ?、可實(shí)施性、造價(jià)等方面綜合達(dá)到最優(yōu)。
關(guān)鍵詞:立交設(shè)計(jì);方案比選;迂回式;B型變異單喇叭形;
龍駒互通連接潭漳俠風(fēng)景名勝區(qū),主要解決國(guó)道、縣道車(chē)輛上下高速公路的需求。2034年遠(yuǎn)景轉(zhuǎn)向交通量分別為6 237 pcu/d和3 033 pcu/d, 主要交通流為響灘鎮(zhèn)往返萬(wàn)州方向,見(jiàn)圖1?;ネㄖ骶€(xiàn)設(shè)計(jì)速度為80 km/h, 匝道設(shè)計(jì)速度為35 km/h。
圖1 龍駒互通轉(zhuǎn)向交通量及換算
(1)受地形條件限制及交叉點(diǎn)之前隧道和之后主線(xiàn)收費(fèi)站的設(shè)置限制[1],互通立交位置相對(duì)比較固定,且主線(xiàn)走位較高,位于山腰,僅能充分利用局部微地形勉強(qiáng)布置互通立交方案。
(2)互通立交距離隧道進(jìn)出口較近[1]。根據(jù)以上限制條件,設(shè)計(jì)能夠較好地滿(mǎn)足互通功能要求的方案是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
施工圖階段設(shè)計(jì),首先對(duì)初設(shè)方案進(jìn)行深入研究、調(diào)查、分析,摸清地形、地質(zhì)、規(guī)劃、用地、拆遷、構(gòu)造物間距等全部控制因素,在此基礎(chǔ)上判斷方案合理性,進(jìn)行細(xì)部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)或針對(duì)初設(shè)方案弊端提出新的優(yōu)化方案。
該方案為初設(shè)方案,見(jiàn)圖2,匝道布置簡(jiǎn)單明了,較好利用了有限的地形條件,工程規(guī)模也比較合理,但存在以下主要問(wèn)題。
圖2 方案1:龍駒互通迂回式
(1)輔助車(chē)道與主線(xiàn)形成的交織區(qū)距離隧道口較近,出口與隧道洞門(mén)間距僅159.652 m, 入口與隧道洞門(mén)間距196.313 m, 且U匝道回頭部位上跨主線(xiàn)位置緊鄰隧道洞門(mén),存在較大的安全隱患[2]。
(2)主線(xiàn)左右兩側(cè)交織區(qū)和U匝道的設(shè)置,嚴(yán)重影響了主線(xiàn)的功能與行車(chē)安全。
(3)響灘鎮(zhèn)與萬(wàn)州之間往返兩個(gè)主流轉(zhuǎn)向交通方向繞行距離過(guò)長(zhǎng)。
基于解決上述問(wèn)題的思路出發(fā),提出施工圖優(yōu)化比較方案,見(jiàn)圖3,即B型變異單喇叭形方案。該方案優(yōu)化了進(jìn)出口與隧道間距,提高了行車(chē)安全性。避免了輔助車(chē)道與主線(xiàn)的交織,提高了主線(xiàn)的服務(wù)水平,降低了安全風(fēng)險(xiǎn),并大量縮減了繞行距離。
圖3 方案2:龍駒互通B型變異單喇叭形
該方案因地形條件所限使匝道展線(xiàn)受限嚴(yán)重,存在一處76.3 m深挖邊坡。根據(jù)地質(zhì)鉆探資料,該段地質(zhì)條件較好且其他干擾因素較少,采用“分級(jí)放坡+錨桿框架梁防護(hù)”方案進(jìn)行處治,可確保工程安全。
因方案1主要問(wèn)題為交織區(qū)及交織區(qū)出入口對(duì)主線(xiàn)服務(wù)水平、安全隱患及主轉(zhuǎn)向交通繞行的影響,易形成本項(xiàng)目主線(xiàn)的交通瓶頸路段或事故多發(fā)路段,方案2取消了交織區(qū),以期較好地解決上述問(wèn)題。故本次方案比選以互通區(qū)典型路段的交通功能、服務(wù)水平作為主要比選指標(biāo),并結(jié)合技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、施工難度、交通發(fā)展可持續(xù)性進(jìn)行綜合比選。
現(xiàn)僅針對(duì)可能出現(xiàn)問(wèn)題的段落或具有代表性的位置進(jìn)行評(píng)價(jià),包括方案1的交織路段和方案2中取消交織段后主線(xiàn)左側(cè)的進(jìn)、出口[2]。
方案1主線(xiàn)左右兩側(cè)均存在交織段,交織段長(zhǎng)度及交通組成相當(dāng),現(xiàn)僅對(duì)主線(xiàn)左側(cè)A-U匝道間輔助車(chē)道與主線(xiàn)形成的交織區(qū)進(jìn)行服務(wù)水平及通行能力評(píng)價(jià)。
圖4 交織區(qū)結(jié)構(gòu)形式及主要參數(shù)
D—B流量=2 728輛/h, D—A流量=237輛/h, C—B流量=487輛/h, C—A流量=237輛/h;高速公路設(shè)計(jì)速度80 km/h;交織段長(zhǎng)度L=274.904 m。交織區(qū)內(nèi)總車(chē)道數(shù)N=3。
交織段內(nèi)總的交織流率Qw=QCB+QDA=487+237=724 pcu/h。
交織段內(nèi)總的非交織流率Qnw=QDB+QCA=2 728+237=2 965 pcu/h。
總的交織流率Q=Qw+Qnw=724+2 965=3 689 pcu/h。
流率比QR=Qw/Q=724/3 689=0.196。
交織比R=Qw2/Qw=237/724=0.327。
由于D→A和C→B的交通流均需變換1次車(chē)道,則該交織區(qū)為A型交織區(qū)。
①計(jì)算交織強(qiáng)度系數(shù)Ww和Wnw見(jiàn)式(1)。
Wi=a(1+QR)b(QN)c(3.28L)d?????????(1)Wi=a(1+QR)b(QΝ)c(3.28L)d?????????(1)
式中:Wi為交織強(qiáng)度系數(shù);QR為流率比;Q為交織區(qū)總流率,pcu/h; N為交織區(qū)總車(chē)道數(shù);L為交織區(qū)長(zhǎng)度,m; a,b,c,d為標(biāo)定的常數(shù)。
假定本交織區(qū)非約束運(yùn)行,式(1)的計(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)為Ww=0.955;計(jì)算非交織強(qiáng)度計(jì)算常數(shù)為a=0.003 5,b=4.0,c=1.3,d=0.75,代入上式,則非交織強(qiáng)度系數(shù)為Wnw=0.452。
②計(jì)算交織、非交織車(chē)輛運(yùn)行速度Vw、Vnw見(jiàn)式(2)。
Vi=Vmin+Vmax?Vmin1+Wi?????????(2)Vi=Vmin+Vmax-Vmin1+Wi?????????(2)
式中:Vi為運(yùn)行車(chē)輛的平均車(chē)速,km/h;Vmin為交織區(qū)內(nèi)可能的最小車(chē)速,km/h;Vmax為交織區(qū)內(nèi)可能的最大車(chē)速,km/h;Wi為交織強(qiáng)度系數(shù)。
根據(jù)以往研究成果,最小車(chē)速一般取24 km/h,最大車(chē)速取設(shè)計(jì)速度加8 km/h。由此,交織與非交織速度為:
Vi=24+88?241+WiVi=24+88-241+Wi
經(jīng)計(jì)算:Vw=56.731 km/h; Vnw=68.068 km/h。
③確定運(yùn)行狀態(tài)見(jiàn)式(3)。
Nw=1.21(N)Q0.571RL0.234/V0.438ww0.438 (3)
非約束運(yùn)行條件下Nwmax=1.4。經(jīng)計(jì)算,Nw=0.881<Nwmax,證明假定成立。
①交織區(qū)速度見(jiàn)式(4)。
V=Q(QwVw)+(QnwVnw)=3689(72456.731)+(296568.068)?????????(4)V=Q(QwVw)+(QnwVnw)=3689(72456.731)+(296568.068)?????????(4)
經(jīng)計(jì)算,V=65.5 km/h。
②交織段車(chē)流密度見(jiàn)式(5)。
K=(QN)V=(36893)65.5?????????(5)Κ=(QΝ)V=(36893)65.5?????????(5)
經(jīng)計(jì)算,K=18.8 pcu/(km·ln)。
C級(jí)服務(wù)水平的臨界最大密度為17 pcu/(km·ln),D級(jí)服務(wù)水平的臨界最大密度為22 pcu/(km·ln),因此該交織區(qū)為D級(jí)服務(wù)水平。
A型交織區(qū),交織區(qū)車(chē)道數(shù)3條、D級(jí)服務(wù)水平條件下的最大服務(wù)交通量為4 740 pcu/h>3 689 pcu/h,通行能力滿(mǎn)足D級(jí)服務(wù)水平要求。
方案2主線(xiàn)兩側(cè)的進(jìn)、出口設(shè)計(jì)交通量一致,同時(shí)為便于與方案1交織路段的服務(wù)水平和通行能力進(jìn)行對(duì)比,所以?xún)H以對(duì)主線(xiàn)左側(cè)的進(jìn)、出口進(jìn)行評(píng)價(jià)。
①出口匝道分流影響區(qū)通行能力分析。
分流進(jìn)入匝道之前450 m范圍內(nèi)無(wú)進(jìn)口匝道,
所以按孤立匝道進(jìn)行分析計(jì)算,見(jiàn)圖5。
圖5 分流影響區(qū)結(jié)構(gòu)形式及主要參數(shù)
(a)根據(jù)工可交通量,可知QF=2 728 pcu/h; QR=237 pcu/h。因本高速公路單向斷面為雙車(chē)道,所以Q12=QF=2 728 pcu/h; QFO=QF-QR=2 491 pcu/h。
(b)經(jīng)計(jì)算,出口匝道通行能力CR=1 825 pcu/h, 上、下游高速公路在C級(jí)服務(wù)水平下、車(chē)道數(shù)為2條時(shí)的最大服務(wù)交通量為3 150 pcu/h, 本項(xiàng)目主線(xiàn)單向車(chē)道數(shù)為2條,所以CF=CFO=C12=3 150 pcu/h。
(c)由上述結(jié)果可知,QR<CR,QF<CF,QFO<CFO,Q12<C12,可以判斷該處交通流在C級(jí)服務(wù)水平下處于穩(wěn)定狀態(tài)。
②出口匝道分流影響區(qū)服務(wù)水平評(píng)價(jià)。
(a)計(jì)算分流影響區(qū)的車(chē)流密度見(jiàn)式(6)。
KR=2.642+0.005 3 Q12-0.018 3 LD (6)
式中:LD為減速車(chē)道總長(zhǎng)度。
經(jīng)計(jì)算,KR=13.4 pcu/km/ln。
(b)C級(jí)服務(wù)水平下限的密度區(qū)間為12~17 pcu/km/ln, 則該分流影響區(qū)的車(chē)道密度處于C級(jí)服務(wù)水平。
③結(jié)論:駛出匝道分流影響區(qū)域服務(wù)水平為C級(jí);通行能力滿(mǎn)足C級(jí)服務(wù)水平要求。
與出口匝道分流影響區(qū)的評(píng)價(jià)采用同樣方法,可得出如下結(jié)論:駛?cè)朐训篮狭饔绊憛^(qū)域服務(wù)水平為C級(jí);通行能力滿(mǎn)足C級(jí)服務(wù)水平要求。
表1 龍駒互通各方案比較
比較項(xiàng)目 | 方案1 | 方案2 |
交通功能 | 可以滿(mǎn)足各轉(zhuǎn)向交通需求,但各轉(zhuǎn)向交通均需通過(guò)主線(xiàn)兩側(cè)的交織路段實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換,交織段處于D級(jí)服務(wù)水平;響灘鎮(zhèn)至利川往返方向繞行較遠(yuǎn)。 | 各轉(zhuǎn)向交通均有獨(dú)立匝道進(jìn)行交通轉(zhuǎn)換,取消交織,服務(wù)水平提高至C級(jí),交通流處于穩(wěn)定流,超車(chē)需求明顯減少,超車(chē)能力大幅提高;響灘鎮(zhèn)至利川往返方向合計(jì)減少繞行長(zhǎng)度2 113 m。 |
設(shè)計(jì)車(chē)速線(xiàn)形標(biāo)準(zhǔn) | 匝道平曲線(xiàn)最小半徑45 m, 設(shè)計(jì)速度35 km/h, 最大縱坡4.7%。 | 匝道平曲線(xiàn)最小半徑45 m, 設(shè)計(jì)速度35 km/h, 最大縱坡4.85%,縱斷指標(biāo)較方案1略低。 |
施工難易程度 | 施工難度較低。 | 施工難度與方案1相當(dāng)。 |
工程造價(jià) | 工程造價(jià)較低。 | 較方案1增加1 611萬(wàn)元。 |
交通持續(xù)發(fā)展 | 較難以合理的服務(wù)水平服務(wù)遠(yuǎn)期交通需求,需加強(qiáng)交通管理與控制,疏解交通流。 | 可以提供合理的服務(wù)水平服務(wù)遠(yuǎn)期交通需求。 |
經(jīng)綜合比較,方案2雖造價(jià)較高,但互通立交一旦建成既為永久性建筑,事后改造成本更為可觀。所以本著提高互通功能,滿(mǎn)足合理的基本交通需求,并考慮運(yùn)營(yíng)期車(chē)輛出行成本及減少排碳、利于環(huán)保、提高安全性能的角度出發(fā),最終確定方案2為推薦方案。
山區(qū)高速公路互通立交設(shè)計(jì)控制因素多,地形地質(zhì)條件復(fù)雜,精細(xì)化、精準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)對(duì)工程規(guī)模和建設(shè)運(yùn)營(yíng)安全影響很大。就互通立交而言,每一個(gè)互通立交都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目,需綜合考慮外部控制因素與內(nèi)部各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的相互影響,最終確定綜合合理的互通立交方案。
[1] JTG/T D21-2014 公路立體交叉設(shè)計(jì)細(xì)則[S].
[2] 美國(guó)交通研究委員會(huì).道路通行能力手冊(cè)(HCM2000中譯本)[M].北京:人民交通出版社,2007.
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