山西省祁离高速公路城赵枢纽互通立交选型分析

张 强

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 工程概述

拟建山西省祁县至离石高速公路起点位于晋中市祁县城赵镇北，接榆祁高速公路（S60）及京昆高速公路（G5），路线经晋中市祁县、吕梁市文水县、交城县、离石区，与吕梁环城高速公路在离石区信义镇相连接，主线设计速度80 km/h，路基宽度25.5 m，按四车道高速公路标准建设。城赵枢纽位于祁县城赵镇修善村西北，顺接榆祁高速公路，并与京昆高速大运段形成十字交叉，城赵枢纽原为B型单喇叭式互通立交实现大运高速与榆祁高速交通转换，现阶段改建该B型单喇叭城赵枢纽实现京昆、榆祁、祁离3条高速之间的交通转换。

2 枢纽互通式立交的选型布设原则

a）枢纽互通立交的设置应符合公路网现有及远景规划的要求，保证高速公路交通流的畅通。在枢纽立体交叉的设置上，不仅要考虑被交叉高速公路平纵指标，还要考虑枢纽本身的形式和规模，更主要的是要考虑该枢纽与整个公路网上立体交叉系统的协调性与一致性，以便提高整个公路网交通、物流转换的效率。

b）枢纽互通立体交叉的型式选择应与相交高速公路的功能性质、使用任务和远景交通量相适应；应结合互通的定位与项目所在地的自然条件、地形、地物、地质条件和环境条件相适应。

c）枢纽互通立交型式选择要全面考虑近远期结合，既要考虑近期交通转换、物流等的要求，减少造价，又要考虑远期交通发展改扩建提高使用性能及服务水平的可能。

d）枢纽互通立交型式的选择和匝道布置要全面安排，分清主次。涉及到改扩建的枢纽互通立交，还要结合公路网中互通等交通节点的分布，在考虑保证原互通安全通畅的前提下，尽量利用原互通工程的匝道等，节省造价，提高工程的经济合理性。

3 枢纽互通式立交的设置理由及功能

a）城赵枢纽互通立交位于祁县城赵镇修善村西北，顺接榆祁高速公路，并与京昆高速大运段形成十字交叉，实现大运高速与榆祁高速交通转换。

b）根据祁离高速公路工程可行性研究报告城赵枢纽互通立交近期及远期预测年度总交通量结果，城赵枢纽互通立交交通出行量较大，在此设置枢纽互通立交，符合交通发展的需求。

c）随着榆次龙白至祁县城赵（榆祁）高速于2012年的建成通车，建设从离石经榆祁高速去往北京、山东方向的快速通道对于推动太原城市化进程、优化区域路网作用显著，本枢纽互通立交作为两条高速公路的交汇点，加快其建设势在必行。

d）原承担京昆高速大运段与榆祁高速公路交通转换的城赵枢纽为B型单喇叭，现规划建设的祁离高速公路将与榆祁高速公路顺接与京昆高速形成十字交叉，宜将B型单喇叭改建为十字枢纽；另外，现B型单喇叭城赵枢纽建成通车以来因主线设计速度与互通内环设计速度差值超过了20 km/h，在运营上存在一定压力，这次对该枢纽的改建有助于提高交通转换效率。

4 设置枢纽互通式立交的制约因素

设计提出了4个方案，基于在原榆祁高速城赵枢纽B型单喇叭处进行完全拆除新建、利用部分匝道进行改建、另外选址布设互通进行交通转换3个研究方向。在方案研究过程中有以下制约因素需要考虑。

a）设置枢纽处，受大运高速公路、榆祁高速公路、原榆祁高速城赵枢纽互通立交、思贤村、苗家堡村、修善村及原东村的限制，枢纽互通及主线布设空间有限是方案布设的制约因素之一。

b）祁县地处晋中平原，项目区均为优质基本农田，枢纽互通的占地规模大是方案布设的制约因素之一。

c）枢纽所在区域为思贤村、苗家堡村、修善村及原东村四村中心处，且有果业厂、酒厂等地方企业，地方道路密集，枢纽互通的布设对原状道路的阻断以及带来的社会影响是方案布设的制约因素之一。

d）枢纽所在区域昌源河道、东二支干渠、天然气管道、通讯管线、电力线、国防光缆线较为密集，是方案布设的制约因素之一。

e）枢纽互通位于太原-晋中都市圈，毗邻山西省政治经济文化中心，政治经济文化活跃，承担大运高速公路与榆祁高速公路交通转换任务的城赵枢纽交通大，方案实施期间是方案布设的制约因素之一。

图1 原榆祁高速城赵枢纽

图2 工程选址处概况

5 转向交通量分析

公路的交通量是随着社会经济的发展而变化，其远景设计年限交通量应包括正常增长的交通量以及诱增交通量。设计交通量应根据交通工程学原理，进行切实的调查、统计，通过科学的分析、预测，建立相关的数学模型，求得设计年限内年平均日交通量（AADT）作为设计依据。设计过程中采用设计小时交通量对匝道的通行能力及横断面采用的车道数等进行验算。为设计使用方便，本枢纽互通交通组成以及每条匝道各方向的年平均日交通量均用交通量分布图反映[1]。根据祁县至离石公路工可报告，得到榆社枢纽互通立交2038年预测末年平均日交通量：

太原→榆次3 987 pcu/d；太原→离石3 827 pcu/d；榆次→太原3 734 pcu/d；离石→太原4 087 pcu/d；运城→榆次5 245 pcu/d；运城→离石4 771 pcu/d；榆次→运城5 532 pcu/d；离石→运城4 835 pcu/d。

图3 匝道交通量计算图[单位：pcu/d(pcu/h)]

匝道设计小时交通量按（1）式计算：

式中：DDHV为单向设计小时交通量，veh/h；AADT为预测年度的年平均日交通量，veh/d；D为方向不均匀系数（0.5～0.6，一般取0.55）；K为第30个高峰小时交通量与AADT的比值（0.1～0.12）。

经计算得到设计年限末匝道单向设计小时交通量最大为664 pcu/h（榆次至运城方向）。

图4 匝道各方向的年平均日交通量分布图

6 枢纽互通式立交方案布置及方案比选论证

城赵枢纽互通立交位于祁县城赵镇修善村西北，顺接榆祁高速公路，并与京昆高速大运段形成十字交叉，其交叉角度为90°。枢纽所在主线祁离高速公路设计速度为80 km/h，路基宽度26 m，四车道高速公路；大运高速公路设计速度为120 km/h，路基宽度28.5 m，六车道高速公路；榆祁高速公路设计速度为100 km/h，路基宽度33.5 m，六车道高速公路。

本项目通过十字交叉枢纽直接接通榆祁高速公路、京昆高速，避免了榆祁高速公路、本项目双线交通流抵达城赵枢纽后，交通流汇集至京昆高速公路城赵至交城段，从而形成严重的交通瓶颈路段，进而引发路网振荡。采用十字交叉方式，从大的路网结构上，形成并行的双线通道，对于平衡区域交通需求具有重要意义。因此，建议城赵枢纽按全互通形式设计改造。所以在初步设计阶段拟定了4个方案，城赵枢纽方案对比表见表1，各方案分述如下。

表1 城赵枢纽方案对比表

6.1 方案一（完全新建为对顶苜蓿叶型式枢纽）

结合地形条件及交通量预测结果，匝道单向设计小时交通量最大为664 pcu/h，转向交通量较大，方案一拟拆除既有的榆祁高速公路城赵枢纽互通立交，采用对顶苜蓿叶型枢纽。对离石至太原、榆次至运城方向的采用半定向匝道设计；对太原至离石、离石至运城、运城至榆次、榆次至太原方向采用定向匝道设计；对太原至榆次、运城至离石方向采用环形匝道设计。为减少相邻环形匝道出入口交织问题，对太原至榆次、运城至离石两条匝道方向采用提前分离式环形匝道。

考虑到运城至榆次定向匝道，运城至榆次半定向匝道设计速度为60 km/h，且匝道长度大于500 m，考虑超车需要，所以拟定其采用双车道出口的单向双车道匝道，路基宽采用10.5 m；太原至榆次方向环形匝道、运城至离石方向环形匝道设计速度为40 km/h，榆次至太原定向匝道设计速度为60 km/h，路基宽度采用9 m；其余匝道设计速度为60 km/h，均采用单车道出入口的双车道匝道，路基宽采用10.5 m。方案一共设桥梁13座，桥梁总长度为3 038.798 m，占地652亩，造价2.2亿元。

方案一综合考虑互通式立交各方向匝道的交通量分布情况，主流方向的匝道采用了较高的线形指标，总体布局合理，各项指标均衡。合流、分流处具有良好的线形及通视条件，各匝道平纵横指标协调，保证了车辆行驶的顺适流畅，主线一桥跨越五线，视线开阔，极大地照顾了驾驶员的生理以及心理，有利于安全行车，实现了人、车、环境、社会的有机结合。方案一整体造型对称美观，布局紧凑合理、占地少、造价低，故本阶段拟取方案一为城赵枢纽互通立交推荐方案。

图5 城赵枢纽方案一

6.2 方案二（完全新建为变异苜蓿叶型式枢纽）

方案二拟拆除原榆祁高速公路B型单喇叭城赵枢纽完全新建为变异苜蓿叶型式枢纽实现大运、祁离、榆祁3条高速的连通。对榆次至运城、运城至离石方向采用半定向匝道设计；对太原至离石、离石至运城、运城至榆次、榆次至太原方向采用定向匝道设计；对太原至榆次、离石至太原方向采用环形匝道设计。

图6 城赵枢纽方案二

太原至榆次方向、离石至太原采用环形匝道设计，设计速度为40 km/h，路基宽度为9 m。其余匝道设计速度均为60 km/h。其中，榆次至运城、运城至榆次方向两个匝道采用双车道出入口双车道设计，其余匝道采用单车道出入口的双车道设计，路基宽均为10.5 m。方案一共设桥梁12座，桥梁总长度为2 761.262 m，占地698亩，造价2.3亿元。

方案二同方案一具有总体布局紧凑合理，各项指标均衡的优点，且方案二与交通流更相适应，所设环形匝道半径稍高（R=70 m，方案一R=65 m），但两环形匝道存在平面交织段，需设置附加车道，根据交通量计算，附加车道设置长度较长，交织点多，另外主线纵断面线位较高，环形匝道与主线速度差较大，对行车安全不利，较方案一占地要大，造价略高。

6.3 方案三（部分利用原榆祁高速公路B型单喇叭城赵枢纽改建为混合型式枢纽）

方案三拟拆部分利用原榆祁高速公路B型单喇叭城赵枢纽改建为混合型式枢纽实现大运、祁离、榆祁3条高速的连通。祁离高速与榆祁高速主线采用分离式路基实现连通。对离石至太原、运城至离石方向采用半定向匝道设计；对太原至离石、离石至运城、运城至榆次、榆次至太原方向采用定向匝道设计；对太原至榆次、榆次至运城方向利用原榆祁高速城赵枢纽的部分匝道进行设计。

榆次至运城方向以及太原至榆次方向利用原互通匝道。其中太原至榆次方向为环形匝道，设计速度为40 km/h，路基宽度为9 m。

图7 城赵枢纽方案三

原A匝道（榆祁高速直连双向匝道）为双向三车道，路基宽度为22.25 m。原榆次至运城方向匝道设计速度为60 km/h，为单向双车道入口的双车道匝道，路基宽度为13 m，其余新建匝道设计速度均为60 km/h。其中，新建运城至榆次方向匝道采用双车道出入口双车道匝道设计，其余匝道均采用单车道出入口双车道匝道设计，路基宽为10.5 m。方案三共设桥梁13座，桥梁总长度为5 714.684 m，占地836亩，造价3.0亿元。

基于原榆祁高速城赵枢纽建成通车投入使用不久，直接拆除新建造成的社会负面影响大，且互通承担太原、榆次、祁县两市一县的交通转换任务，阻断该枢纽的交通转换后会对两市一县的其他道路造成一定的交通压力，我们提出了利用原有互通的部分匝道进行改建、分步实施保证原交通通畅的方案三，其优点在于能够利用部分匝道，在施工过程中，能够利用原互通进行保通，缺点是利用的3条匝道未能解决长直线接小半径环形匝道的问题，且主线需分幅建设，新建桥梁数量多、长度长、规模大、占地大、造价高。

6.4 方案四（完全利用原榆祁高速公路B型单喇叭、另选址新建一处单喇叭互通与原榆祁高速城赵枢纽复合）

图8 城赵枢纽方案四

方案四拟全利用原榆祁高速公路B型单喇叭、另选址新建一处单喇叭互通与原榆祁高速城赵枢纽复合实现大运、祁离、榆祁3条高速的连通。

方案四是基于方案一、方案二拆除原榆祁高速城赵枢纽带来的社会负面影响大、保通方案难实施和方案三占地大、造价高等缺点而提出来的。方案四具有工程规模小、占地少、造价低、简洁明快、实施容易等优点。但此方案的设计主观放弃了对直行主要交通量的照顾、多个方向行车需要多次确认容易错行、标志牌设置易混淆、节点提前预告难度大、交通转换效率较低。因此仅作为定性比较方案。

综上所述，根据预测交通量结果，结合枢纽互通的功能、实际地形条件等，综合考虑4个方案的优缺点，最终确定方案一（拆除原榆祁高速公路B型单喇叭城赵枢纽完全新建为对顶苜蓿叶型式枢纽）为推荐方案。

7 结语

高速公路枢纽立体交叉规划布局选型合理与否，对交叉通行能力的提高、交通转换效率的增加、交通的安全、行驶时间的节省和高速公路功能的发挥都有很大影响。它不仅关系到高速公路所在地区的整体规划，还关系到高速公路的整体使用效果和高速公路的经济价值。因此，在规划和布设高速公路立体交叉时，应从全局出发，充分考虑整个公路网系统的功能和要求，综合交通条件、自然条件及社会状况，经全面分析论证后确定[2]。在方案的设计中要全面考虑、通盘布局、协调均衡、详致计算、细致校核，争取把每座互通式立交设计成为满足功能、适应地形、线形流畅、行驶安全的精品工程。