高速公路复合式互通优化设计

王景山

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南郑州 450001)

随着我国高速公路网的逐步加密，相邻互通式立交近距离连接的情况日益增多，出现了许多两互通立交间出入口间距不足的问题[1-3]。常见的解决方案是将其设计成复合式互通立交，将两个互通近距离连接或组成整体[4-7]。根据相邻间距的大小，入口和出口匝道之间的关系有辅助车道相连、集散车道相连和匝道立体交叉3种方式。

已有许多学者进行了相关研究，罗成海以日照南复合式枢纽互通立交的设置为例，对复合式互通立交的布置、交织段长度及通行能力进行研究，通过多方案的分析比较，以端部、变速车道的精细设计为重点完善设计方案，提出了复合式互通立交设计的要点、布设方法和注意事项，以达到复合式互通立交功能与经济的完美结合[8]。张文以虎门二桥工程东涌骝东枢纽立交设计为例，以集散车道连接分置及路网分流两种思路出发，均得到了较好的立交布置方案。全互通复合立交方案功能齐全，技术标准高，适应收费公路要求，满足规划要求[9]。

当两相邻互通间距过小，交织长度不足，导致辅助车道和集散车道设置困难时，可采用匝道相连、匝道立交的方式来消除交织交通量或交织区的影响[16-17]。然而，以匝道相连的复合式互通，容易在短距离内出现大量的出入口合并、分离，匝道设计较为复杂，国内采用该种方式复合的互通式立交较少，可借鉴和相关经验也非常之少。本项目虽然进入到施工图设计阶段，但是鉴于匝道复合的互通立交设计较为复杂，作者做了大量的方案比选工作。通过细致的比选分析，尽可能地采用通行效率高、总投资低、对环境自然保护区干扰小的方案。

1 互通方案设计背景

宜叙高速于2016年6月30日建成通车，拟设枢纽互通位于现状宜叙高速龙头互通(单喇叭)和双河互通(单喇叭)之间，其中心间距为4.34 km，且拟建枢纽互通距离西侧龙头互通较近(最小净距990 m)。原设计为“枢纽+落地互通”方案，两个互通采用辅助车道的形式来组成复合互通，按照该方案，主线实施时对本枢纽互通的辅助车道和出入口进行了预留。

宜宾至威信高速公路(以下简称宜威高速)位于川、滇两省结合部的宜宾市高县、长宁县、和珙县境内，全长106.4 km，建设里程85.86 km，投资131.8亿元(如图1所示)。该线是《四川省高速公路网规划(2014—2030年)》中18条联络线之一，也是四川省规划新增的10条省际出川通道之一，加快其建设，对于完善四川和云南两省高速公路网络、强化四川与滇中及东盟的联系、充分发挥宜宾港作用、支撑项目区煤炭能源基地建设、带动革命老区及川滇偏远贫困地区的经济发展具有重要意义[10-12]。

图1 宜威高速路线走向

龙头枢纽互通位于宜威高速公路主线起点宜宾市长宁县龙头镇，可实现与宜叙高速的交通转换。主线和被交道设计速度均为80 km/h，均为双向四车道，路基宽度分别25.5 m 和24.5 m。

初设修编时，依据新版规范，一般互通与枢纽互通组成复合型互通时不推荐辅助车道形式进行连接。本互通交通量大、有双车道出入匝道时，应选择交织分离车道，将在集散车道上的主要交织车流分离，形成两处互通式立体交叉间无交织运行。结合蜀南竹海保护区生态红线的影响，初设修编推荐方案为匝道相连的迂回复合式互通[13-15]，如图2所示。

图2 初设龙头枢纽互通方案与宜叙高速互通关系

在施工图阶段，结合上阶段设计成果，按照专家咨询报告提出的优化意见，深入研究该互通方案，结合本阶段测设成果，按照匝道相连的复合互通形式共拟定5个新的方案。

2 互通方案研究

2.1 交通量预测及定性分析

互通交通量预测如图3所示。拟建枢纽互通宜宾—威信方向设计小时交通量为1 352 pcu，威信—兴文方向设计小时交通量为370 pcu，宜宾方向为主要交通流方向。现状互通远景交通量宜宾—龙头方向设计小时交通量为88 pcu，兴文—龙头方向设计小时交通量为50 pcu，宜宾方向为主要交通流方向。

图3 远景交通量预测(单位:pcu)

2.2 地形、地质及地物概况

互通区为侵蚀构造低中山及岩溶地貌，海拔高程为300～390 m。

互通区地形较陡，表层为2～3 m厚的角砾土、含块石角砾土；基岩为灰岩夹砂页岩，岩层倾向坡外，岩体风化强烈。

既有宜叙高速存在顺层边坡及由地震导致的滑坡。

2.3 场地现状及主要控制因素

目前，宜叙高速的接地互通已经建成，与本项目连接的枢纽互通实施时，按照B型单喇叭立交方案预留了辅助车道及出入口，如图4所示。

图4 场地现状

主要控制因素如下。

(1)宜叙高速预留出口及辅助车道

宜叙高速实施时，按照B型单喇叭枢纽互通预留辅助车道及4个出入口。

宜叙高速上的接地互通与枢纽互通之间设置有辅助车道，其中北侧辅助车道长990 m，南侧辅助车道长1 610 m。

(2)宜叙高速现状桥梁

互通区域内宜叙高速共设置3座桥梁，见表1。

表1 宜叙高速既有桥梁一览

(3)顺层边坡

在宜叙高速南侧预留出口匝道附近存在顺层边坡，受2019年6月17日6级地震的影响，该处顺层边坡已演变为滑坡。灾后，高速公路运维部门已对该段滑坡采取了支挡措施。

(4)蜀南竹海保护区

四川蜀南竹海自然保护区位于四川省宜宾市长宁县境内，面积3万hm2，现为省级自然保护区，主要保护对象为竹类生态系统，其试验区红线边缘距离项目较近。

3 方案优化及比选

3.1 优化思路

在初设阶段，确定采用匝道立交相连的无交织复合式互通方式；在施工图阶段，结合上阶段设计、审查成果，按照专家咨询报告提出的优化意见，主要从以下几个方面进行优化[18-19]。

(1)交通功能

减少主要交通流向绕行、减少宜叙高速主线上的连续分流、合流。

(2)建设条件

避免进入蜀南竹海保护区生态红线；减小对顺层边坡的影响；合理利用预留出入口、辅助车道及既有桥孔，减少废弃工程；减少项目实施阶段对既有宜叙高速的影响。

(3)平纵指标

根据交通量预测确定匝道断面，在满足交通功能的基础上适当提高主要交通流方向的指标，确保整个互通指标的一致、均衡、连续。

(4)工程规模

在满足交通功能的前提下，选择合理的位置及立交方案，灵活运用匝道指标，综合平衡功能、用地、造价等因素，降低桥梁工程规模，减小桥梁设计及施工难度[20-21]。

3.2 方案分析

结合定测阶段测设成果，按照匝道相连的复合互通形式拟定5个新的方案。

(1)初设推荐方案

初设推荐方案通过增加匝道长度连接前一个互通的出入口，在匝道上完成分、合流，避免主线交织，在绕避蜀南竹海保护区的同时尽量利用原预留的出入口，如图5所示。

图5 初设推荐方案平面

迂回匝道最小半径为100 m，最大纵坡为4%。本方案可利用原有威信—宜宾方向、威信—兴文方向、兴文—威信方向共3个出入口。但本方案工程量较大，各匝道梁桥工程居多，迂回匝道右侧高边坡为顺层边坡，土石方工程、防护工程量较大。

(2)方案一

由交通量预测可知，威信—宜宾、宜宾—威信为主要交通流向，而威信—宜宾方向的匝道平面指标较低。同时，迂回匝道右侧高边坡为顺层边坡，且挖方较大，土石方工程、防护工程量较大。

方案一如图6所示，其主要调整点有：一是根据实测宜叙预留的桥孔，增大主流方向的最小半径至一般值(150 m)；二是细化匝道设计，减少顺层边坡段的挖方数量及防护数量(减少8%)。

图6 方案一平面

该方案利用3个既有出入口，在宜叙主线南侧存在连续入口，对互通安全行车不利。该方案较初设方案变化较小，工程量较初设方案略有减少。

(3)方案二

由于宜叙高速南侧存在的连续入口对互通安全行车不利。鉴于此，从提高既有出入口的利用率、合并连续入口提高行车安全性两方面出发，在方案一的基础上继续进行优化。

方案二如图7所示：合并南侧两个连续入口至南侧预留入口；将4个预留出入口全部进行利用，降低了废弃工程量；由于合并入口，南侧入口匝道增长，工程量较方案一增加。

图7 方案二平面

(4)方案三

上述3个方案均存在两个主流向及多个次要流向绕行过多的问题。此外，绕行匝道多在顺层边坡处密集分布，造成挖方较多、防护量较大。因此，应减少绕行匝道可以减少对顺层边坡的影响。

方案三如图8所示，利用有利地形，将原迂回匝道和龙头—威信两个匝道就近接至宜威高速，两匝道沿珙晏路一侧的山坡上布线。

图8 方案三平面

该方案迂回匝道最小半径由原来的100 m增大至150 m，其兴文—威信匝道可利用有利地形，桥梁长度较方案二减少170 m，顺层边坡挖方和防护量也大为减少。

(5)方案四

方案三取直了部分匝道，减少了两个方向的交通流的绕行距离，但是两个主要交通流向(宜宾—威信、威信—宜宾)依然绕行较多，而且整个复合互通外观较为松散。

方案四如图9所示，将整个互通的重心向现状龙头互通方向挪动，使得两个主要流向顺畅，整个复合互通更加紧凑且整体绕行较少；另外，还可以远离蜀南竹海保护区，避免实施阶段对保护区造成影响。

图9 方案四平面

方案四的互通为3层，威信—宜宾方向匝道在最上层，兴文—威信方向匝道居中，宜叙主线在最下层。整个互通层次较高，桥梁规模较大，匝道长度较长，工程规模增加较多；此外，该方案挪离原来预留位置，对预留出入口的利用率较低，仅能利用宜叙高速东侧的一对预留出入口。

(6)方案五

方案四的互通中心挪动后，主要流向的绕行减少，互通结构紧凑流畅，远离蜀南竹海保护区的红线。但是，互通整体层次较高，桥梁规模较大。根据本阶段测设资料，小埂上大桥在跨越既有珙晏路处错孔布置，珙晏路西侧桥跨处仍有一定空隙可供双车道匝通过。

方案五如图10所示，将兴文—威信方向的匝道由最上层调整至最下层，从既有小埂上大桥桥孔下通过，从而降低整体高度，压缩互通桥梁规模。经优化调整，互通规模得以降低，对顺层边坡的影响也进一步减少。

图10 方案五平面

3.3 方案比选

上述5个方案主要工程规模对比见表2。

表2 互通立交方案比较

(1)交通功能

方案四和方案五主要交通流向绕行最少，方案一和方案二相同绕行较多，方案三适中，五个方案中只有方案一存在连续合流，其余均在匝道上合流。从交通功能来看，方案三较优，方案四和方案五最优。

(2)建设条件

①五个方案均未进入蜀南竹海保护区生态红线，其中方案一、方案二、方案三需设置支挡结构，避免侵入红线，但是支挡结构实施较为困难；方案四、方案五距离红线较远，不需要设置防护措施。

②五个方案中，对顺层边坡的影响依次递减，即方案一最大，方案五最小。

③五个方案中，方案二、方案三全部利用4个出入口，方案四、方案五利用2个出入口，方案一利用3个出入口。实施阶段，方案五对既有宜叙高速的影响最小。

综合各种建设条件来看，方案四较优，方案五最优。

(3)平纵指标

方案一、方案二存在迂回匝道，整体匝道平纵指标较低，方案三提高了部分匝道平面指标，但是主流方向平纵指标相对较低。方案四、方案五的平面指标流畅顺适、指标较为均衡，但方案四上跨层次较高，纵断指标较低。从平纵指标来看，方案五最优。

(4)工程规模

由表2可知，方案五的工程规模明显较小。

(5)比选结论

从交通功能、建设条件、平纵指标、工程规模4个方面的综合比较表明，方案五最优。

4 结束语

通过匝道连接的复合式互通立交设计具有多样性和复杂性，各阶段有不同的优化任务，不能因为已进入施工图阶段就不深入进行方案研究，应重视技术标准的适度和协调，以发挥该项目的最佳社会经济效益；应因地制宜地利用已建工程，选择恰当的立交形式，减少废弃，从而达到经济技术指标的最优。