高速公路枢纽互通改扩建施工方案优化研究

张宝君， 宁志军

(1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司， 湖北 武汉 430071；2.中交路桥建设有限公司， 北京市 100000)

1 项目概况

主线高速公路为东西向的H高速，被交于南北向的S高速；两条高速设T形互通立交完成交通量转换。其中，H高速现状为双向四车道，路基宽26 m，设计速度100 km/h，现状交通量为51 315 pcu/d，已达到三级服务水平。根据H高速交通量增长趋势估算，在未来2～3年交通量将达到饱和，因此需要扩建为双向八车道，拟扩建后路基宽41 m。S高速为双向四车道，路基宽26 m，设计速度100 km/h，根据区域经济发展情况，需要向南延伸，因此原有的T形互通立交需改造为十字形互通(图1)，改造后的互通方案为单环式变形苜蓿叶形枢纽互通。

2 改造要求

2.1 主线保通要求

H高速现状交通量大，互通改造期间要同时完成互通段主线的拓宽改造(双侧拓宽)。施工期间需要保证H高速交通不中断，保通道路的通行能力需要满足施工期间预测交通量需求，验算按式(1)计算：

DDHV=AADT×D×K

(1)

式中：DDHV为单向设计小时交通量(pcu/h)；AADT为预测年度的年平均日交通量(pcu/d)；D为方向不均匀系数；K为设计小时交通量系数。

根据测算施工期间的年平均日交通量AADT=51 335 pcu/d，D=0.518，K=0.105，单向设计小时交通量DDHV=2 792 pcu/h，对应的单车道基准通行能力为2 100 pcu/(h·ln)，三级服务水平最大服务交通量为1 600 pcu/(h·ln)，因此，保通道路必须满足单向二车道以上。施工期间预测交通量见图2。

图1 互通现状及改建方案

2.2 互通转向保通要求

互通保通要求为东、北、西3个方向间的交通转换不中断，至少需要利用一座现有桥梁作为主线的跨线桥梁，以满足互通保通要求。T形交叉互通方案中，单喇叭互通是最经济的方案，因此临时保通互通应优先考虑变异单喇叭互通形式，优先完成东、北、西3个方向的定向、半定向匝道。

图2 施工期间预测交通量(单位：pcu/d)

2.3 连续施工要求

现有互通的匝道利用与新建匝道应尽可能做到均匀、同步施工，以达到缩短工期，提高施工效率。从施工组织角度，要求连续均匀施工，尽量不出现资源需求高峰、多峰情况，避免工序等待时间。该项目匝道长度为400～1 400 m，总长度约为9.6 km，经测算至少需要2条匝道同时施工才能满足工期要求，尽量满足平行作业，避免顺序施工。

2.4 工期和费用要求

互通和主线改造升级势必需要保通临时道路或临时匝道，因此尽量减少临时工程量，降低工程投资。根据项目总体工期要求为3年，该项目改造必须满足总工期要求，确保S高速南延段如期通车。

3 方案研究

3.1 现状及条件

枢纽互通改建方案匝道布设情况如图3所示。

图3 枢纽互通改建方案匝道布设

其中现状T形互通B、C匝道设桥上跨H高速主线，B匝道同时上跨C匝道，互通范围及附近仅有B、C匝道跨线通道，但C匝道与H高速主线交角过小，空间狭小，难以作为保通跨线桥加以利用，只有B匝道跨线桥条件较好，着重考虑作为施工期间临时互通跨线通道利用。

3.2 方案比选方法

该项目选用基于IAHP-EWM模型的方案评价方法。其基本工作思路为：首先选用IAHP改进层次分析法确定各评价指标的主观权重，再利用EWM熵权法对参与评价的各利益相关方客观权重进行修正。最终根据两次评价结果进行比较，若修正后的评价结果距离小于阈值，则认为结果可信；若结果距离大于阈值则需要重新评价并修正，直至得到可信的评价结果。基于IAHP-EWM的模糊综合评价法详见相关文献，不再赘述。

利益相关方包括：建设单位代表、设计技术负责人、行政主管部门代表、工程运维代表、施工方技术负责人、道路使用者代表等。

3.3 建设方案

3.3.1 H高速拓宽改造方案

H高速公路拓宽改造拟定为双侧拓宽方案，如图4所示。

互通范围主线拓宽施工组织设计初拟两种方案。方案1：利用互通匝道A匝道与E匝道并临建连接线，形成H高速主线由东向西交通保畅临时道路，利用C匝道与H匝道并临建连接线，形成H高速主线由西向东交通保畅临时道路；方案2：路基部分主线双侧同时封闭硬路肩，实施路基拓宽形成八车道，然后封闭一侧路幅修建桥梁结构物，利用另外一侧作为临时保通通道，桥梁段落修建临时保通道路。

3.3.2 互通保通方案

针对H高速主线两种拓宽改造施工方案，分别拟定多个互通保通方案，详述如下。

3.3.2.1 方案1

(1) 第一阶段(工期176 d)(图5)

① 修建E匝道接D匝道部分并修建辅道与主线H高速相接，将东向西方向车辆分流；② 修建辅道将C匝道与B 匝道相接，将H高速西向东方向车辆分流；③ 利用B匝道上跨H高速主线和C匝道桥及修建辅道形成简易单喇叭互通，将西向北、北向东方向车辆分流。B匝道用简易护栏分隔改为双向行驶。

控制性工程为E匝道新建段。

(2) 第二阶段(173 d)(图6)

① 修建H高速跨线桥以及分流鼻之间的主线路

图4 主线拓宽改造方案(单位：cm)

图5 第一阶段施工示意图(方案1)

图6 第二阶段施工示意图(方案1)

基和部分S高速路基；② 修建新的B匝道及B匝道1号、2号桥；③ 拆除原C匝道，修建C匝道及C匝道1、2、3号桥。

控制性工程为B匝道施工。

(3) 第三阶段(工期70 d)(图7)

① 修建被交S高速南延段；② 修建F匝道；③ 修建H匝道。

(4) 第四阶段(工期70 d)(图8)

图7 第三阶段施工示意图(方案1)

图8 第四阶段施工示意图(方案1)

① 拆除辅道，将北向东方向车辆导流回B匝道，东向北方向车辆导流回C匝道；② 修建E匝道剩余部分；③ 修建G匝道。

至此，互通匝道修建完成，总工期490 d。

此方案要求B匝道新、老跨线桥处平面线形分离，为保通临时互通留出足够的空间，因此，B匝道的路基利用率降低，同时需要建设临时保通道路和匝道总长约1.2 km。

3.3.2.2 方案2

(1) 第一阶段(工期35 d)(图9)

改造H高速进出口端部段，保证H高速与S高速交通转换。

(2) 第二阶段(工期130 d)(图10)

① H高速四改八路基施工，桥梁段南侧暂做路基，用南侧四车道保通，施工北侧桥梁； ② 用北侧四车道保通，施工南侧桥梁； ③ 打通S高速下穿H高速路段。

图9 第一阶段施工示意图(方案2)

图10 第二阶段施工示意图(方案2)

(3) 第三阶段(工期120 d)(图11)

图11 第三阶段施工示意图(方案2)

① 修建C匝道临时保通道路：从C匝道引出后，接入S主线左侧；② 拆除C匝道1号桥和C匝道2号桥；③ 修建新的C匝道1号桥和C匝道2号桥及路基部分。

(4) 第四阶段(工期120 d)(图12)

① 修建B匝道临时保通道路，从S高速主线右侧引出，接入现状B匝道； ② 拆除B匝道1号桥和B匝道2号桥及路基； ③ 修建新的B匝道1号桥和B匝道2号桥及路基部分。

(5) 第五阶段(工期135 d)(图13)

① 修建E匝道； ② 修建F匝道； ③ 修建G匝道； ④ 修建H匝道。

图12 第四阶段施工示意图(方案2)

图13 第五阶段施工示意图(方案2)

此方案总工期540 d，虽然B匝道利用率略有提高，临时保通道路约930 m，较方案1略短，但在施工的第二阶段和第五阶段出现两次施工高峰，而在第三阶段和第四阶段中，B匝道与C匝道需要顺序施工，H高速拓宽施工的工作面狭窄，工期较长，施工组织困难。第三阶段的C匝道临时连接道路由于要利用现有B匝道桥孔下穿，导致线形曲折、反弯。S高速南延段施工期间作为临时转向保通道路，中间分隔带需要临时开口，待第四阶段完工后方可修复。与保通方案对结构设计要求B、C匝道上跨H高速的桥梁只能采用预制吊装结构，结构物位于小半径平曲线之上，基本达到了技术极限，给设计与施工提出了较大的挑战。

建立评价指标体系如图14所示。

图14 方案评价模型

运用IAHP-EWM模型，确定指标权重、专家权重，并对专家权重偏离度进行调整，形成评价结果V1=(0.485,0.463,0.325,0.148)，根据最大隶属度原则，最大值作为方案评价等级，介于优与良之间，倾向于优；V2=(0.387，0.425，0.246，0.125)，同理最大值作为方案评价等级，介于优与良之间，倾向于良。进而可以判断方案1优于方案2，综合方案比选见表1。

表1 方案比较

4 结语

项目互通改造的同时，需要主线拓宽，被交道延长，导致需要考虑的因素和受控节点较多。保通设计不仅施工工序起着指导作用，同时也影响永久工程的设计方案。设计方案相较于新建工程不仅要从功能、经济、土地供应、可持续性等方面进行方案比选，还要将可实施性、保通性、安全保障性等方面作为主要因素纳入方案论证中，因此是一个综合复杂的互通改造工程，该文研究结果对类似工程具有一定借鉴意义。