新建枢纽互通交通组织设计方案研究

张 邹,王金鹏,赵 伦

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

截至2022年年底,广西高速公路通车总里程已突破8 000 km,实现了县县通高速公路[1]。随着《广西综合立体交通网规划(2021—2035)》“一环十二横十三纵二十五联”的高速公路网络逐步完善,新建的高速公路将无法避免与现有高速公路交叉。一般设置枢纽互通以承担各向交通转换功能[2]。互通施工必定对被交高速公路造成重大影响,因此,新建枢纽互通的交通组织设计尤为重要。

20世纪80年代,国外首先提出对高速公路施工区制定合理的交通组织设计,包括优化施工区交管措施、作业区位置和长度等[3]。经多年实践与研究,现今国内在高速公路施工区通常采用“半幅封闭半幅通车”的交通组织设计方式[4],并对该设计方式下的施工区车速、封闭开口长度等具体细部的交通特征参数进行了大量的研究和评价[5-8]。

从宏观上来看,“半幅封闭半幅通车”方式需要花费较长时间封闭通行车道,公路单向通行能力大幅降低,严重改变原有行车状态,在长距离的建设路段中容易出现较大的交通安全事故。

为了提高工程建设路段的安全性,本文结合高速公路改扩建和养护技术,通过分析施工区形式、交通影响因素,相对传统方式,提出了“部分封闭”的交通组织设计新方式,并将新方式应用于实际工程中。

1 交通组织设计原则

新建枢纽互通交通组织设计应当遵循“安全、有序、经济、环保”的原则[9]。交通组织设计的前提旨在保证安全,为公路施工全周期各项工作提供保障。

(1)安全性。同时保障施工全过程高速公路行车和施工车辆及人员的安全。

(2)有序性。既保通施工区段,也要考虑枢纽互通所在大区域总体路网交通秩序。

(3)经济性。降低工程造价,力求永临结合,充分利用现有资源。

(4)环保性。充分利用项目建设过程中临时设施和防护设施,减少对周边环境的影响。

2 施工区形式及交通影响因素分析

2.1 施工区形式

本文主要针对主线及匝道上跨现有高速公路方式进行研究。新建枢纽互通范围至少设置1座主线跨线桥、2座匝道跨线桥。因此,互通建设的施工区可划分为[10]:(1)跨线桥施工区;(2)匝道连接部施工区。

2.1.1 跨线桥施工区

高速公路跨线桥施工主要包含两个方面:

(1)现有高速公路中央分隔带内的中墩施工,常采用钻孔灌注桩,含冲孔钻和旋挖钻等。如图1所示,中墩作业的机械和人员的工作面必须占用现有高速公路两侧内侧各1个车道。

图1 跨线桥施工区示意图

(2)桥梁上构施工。跨线桥上构施工方法有落地支架施工法、悬臂浇筑法、顶推施工法、机械吊梁法等[11]。上构施工过程中,跨线桥单跨施工时至少需要占用半幅路基宽度,如图2所示。

图2 半幅封闭半幅通车施工示意图

由此可见,跨线桥施工全过程均需要预留施工空间,对桥下空间持续产生重大干扰。

2.1.2 匝道连接部施工区

互通连接部或拼宽段通常设在高速公路外侧,施工期间会占用高速公路外侧硬路肩,路侧施工对靠近硬路肩外侧行车道通行存在较大的横向影响。见图3。

图3 匝道连接部施工区示意图

2.2 施工区交通影响因素分析

根据不同阶段施工区形式的变化,互通区作业对被交高速公路的影响具体表现在通行能力、通行时间、行车安全性三个方面。根据国内相关研究[12-13],一般采用基准通行能力修正法对施工区各段各向因素对交通状况的影响进行分析,则施工区实际通行能力C为:

C=CB×fW×fHV×fp×ft×n

(1)

式中:CB——限速下基准通行能力;

fW——车道宽度及侧向余宽修正系数;

fHV——大型车修正系数;

fp——驾驶员对环境熟悉程度系数;

ft——作业区强度修正系数;

n——保通车道数。

相同作业区车辆的通行时间与实际行车速度有关,其理想行车速度即为该路段的限制速度。根据作业区的封闭状况,实际道路条件下应对理想行车速度进行修正[14]:

VR=V0+ΔVW+ΔVN

(2)

式中:VR——实际行车速度;

V0——限制速度;

ΔVW——车道宽度和路侧净宽对车速修正系数;

ΔVW——车道数对车速修正系数。

由式(1)、(2)可知,在同一路段上同一限速状态下,CB、fHV基本不变,C与fW、fp、ft、n成正比;fW、ft、n可由交通组织设计进行控制;VR受施工区限速和通行车道数影响最大。因此,若要减小施工区对高速公路运营的影响,基于施工区临时设施设置满足行车安全的前提下,可以通过提升施工区限速V0、增加保通车道数n、减少通行方式变更频率fp、控制作业密集区域的影响范围ft的方式对交通组织设计方案进行调整和改变。

3 “半幅封闭半幅通车”交通组织设计

为了对交通组织设计进行具体分析,本文依托南宁市周边某新建高速公路枢纽互通的交通组织设计方案进行研究。该项目为《广西高速公路网规划(2018—2030)》中“联13”的重要组成部分。项目建成后将成为广西南宁直达广东最为便捷的高速通道。项目主线设计速度为120 km/h,双向四车道。项目起点上跨南宁市城区运营的最大绕城高速公路,交叉处设置对向双苜蓿叶枢纽互通,互通主线及匝道均上跨被交高速公路。南宁绕城高速公路设计速度为120 km/h,双向四车道。

目前国内在实际工程中最常用的是“边运营边施工模式”下的“双向车道保通”方式,即“半幅封闭半幅通车”的交通管制作业理念。为便于后续对比分析,将“半幅封闭半幅通车”设计方式定为“方案1”,方案1一般按照以下四个阶段实施:

阶段一:跨线桥中墩施工。封闭主线两侧各一个内侧车道,中分带与车道共同组成主线及匝道跨线桥中墩施工对称“梯形”作业面。被交高速公路上双向各一个外侧车道通行。如图4所示,图中虚线表示互通建设区,阴影为封闭区。

图4 跨线桥中墩作业示意图

阶段二:跨线桥上构施工,包含两个步骤:(1)施工右侧跨径上构时,封闭右幅高速公路,左幅采用对向单车道通行;(2)同理施工左侧桥梁上构。见图5。

图5 跨线桥上构作业示意图

阶段三:连接部施工。跨线桥施工完成后,解除路中封闭区。封闭接入被交高速公路匝道连接部及拼宽段的外侧硬路肩,高速公路双向内侧车道正常通行,外侧车道通行存在横向干扰。见图6。

图6 连接部及拼宽作业示意图

阶段四:待各施工区完成后,开放主线及匝道,引导车流正常通行。

4 “部分封闭”交通组织设计

传统的“半幅封闭半幅通车”交通组织设计在长期实践过程中发现存在以下问题:(1)中间墩作业期间,混凝土罐车、渣土车等频繁进出的施工机械在高速公路上与社会车辆存在交织;(2)施工过程中较长时间单向仅留1个车道通行,容易造成社会车辆相互冲撞或驶入作业区;(3)桥梁施工临时构件的搭建会导致通行方式的多次变化,使得现场管理相当复杂;(4)施工区限速一般≤40 km/h,通行时间过长。基于以上问题,结合交通影响因素分析结果,本文提出了“部分封闭”式交通组织设计的方案,并在该方式下,根据工程规模及实际情况设计了两个不同子方案进行对比,详见交通组织设计方案2-1和方案2-2。

4.1 交通组织设计方案2-1

方案2-1可分为四个阶段。

阶段一:修建临时道路。临时道路G1、G2均采用二级公路标准,设计速度为60 km/h,路基宽度为10 m。封闭枢纽互通匝道与被交高速公路连接口处硬路肩,修建临时接口。同步优先修建匝道A、B、C、D和线外桥跨。见图7。

图7 修建临时道路示意图

阶段二:全封闭建设。开放枢纽互通匝道与被交高速公路侧边临时开口,将玉洞-安吉方向车流引导至临时开口→C匝道→临时道路G2→B匝道→临时开口。将安吉-玉洞方向车流引导至临时开口→A匝道→临时道路G1→D匝道→临时开口。全线限速60 km/h。保持临时道路G1、G2单向通行。完成车流引导后,可对被交高速公路全封闭建设。见图8。

图8 封闭区全面修建示意图

阶段三:连接部施工。封闭侧边临时开口,封闭匝道A、B、C、D与绕城高速公路连接部及拼宽段硬路肩,对两侧路基拼接部分进行施工。

阶段四:待各施工区完成后,开放互通,正常通行。

4.2 交通组织设计方案2-2

考虑利用主线跨线桥桥下空间,对方案2-1通行速度和作业效率进一步提升,可做如下调整:(1)改善临时道路G1、G2线形指标,使得行车更为顺畅;(2)压缩临时道路与被交高速公路间的空间,增加外部自由施工区域;(3)利用主线跨线桥通行,不间断新建高速公路主线施工。见图9。

图9 方案2-2改善临时道路示意图

5 方案对比分析

上述三个交通组织设计方案在实施时均考虑了被交高速公路安全通行。临时道路设置不超出互通范围,无须额外新增用地,满足项目用地要求。各方案不改变互通设计中排水方向,对周边环保生态影响小。三个方案均符合交通组织原则要求。

由于该枢纽互通靠近南宁市区,属平原微丘区,互通区域路基以填筑为主。为节约资源,方案2采用了“永临结合”的方式实施。主要措施有:(1)根据匝道高程设计临时道路纵坡,临时道路与互通匝道重叠范围的高程尽量贴合,做到匝道路基一次成型;(2)临时道路两侧护栏利用互通预备安装的防护设施,完成后重新拆装。

分别对三个方案的相关工程量进行计算,详见表1。

表1 交通组织设计方案工程量对比表

与方案2相比,方案1建设项目少,施工过程集中于车道封控通行管理方面,需要在各阶段均投入一定人员及设备以加强高速公路现场协管,确保通行安全。而方案2则需要增加计量临时道路建拆费用及互通临时排水防护费用等。由表1可知,方案2保通费用约为方案1的2～4倍。从经济性角度考虑,方案1最优。

相对方案1,方案2的临时道路限制速度更加主观可控,施工区通行速率随着临时道路指标提升而增加。而方案1受现场管控影响较大,通行速率低。同时由表1可知,方案2全过程增加1倍的保通车道数,降低了40%通行变化频率。方案2采用临时道路将高速公路交通流引导出高速公路以外,不仅减小了作业对行车的横向干扰,还能够灵活地控制整个工程的作业强度和施工进度。方案2在应对施工期间出现交通事故等特殊情况时,能够更好地提供紧急管控通行空间,也能够更快地疏通路面,减小社会影响。因此,在减小通行时间、增加通行能力及安全性方面,方案2更适应实际需求。

方案2-2比方案2-1车辆通行速度更高,行车更顺畅,通行速度基本与限制速度接近。但方案2-2的临时道路长度增加了约2倍,临时道路工程量扩大了2～3倍,临时排水工程增加约7.6倍,临时交安措施费新增了2.3倍,总造价提高了约2倍。可见,若采用“部分封闭”交通组织方式,在地形良好区域,互通保通工程费用与临时道路长度基本成等比关系。同时方案2-2临时道路下穿新建跨线桥的方式,也存在车辆对路侧桥墩安全性影响的风险。

综合通行安全性、通行时间、工程经济性等各方面因素,本项目推荐采用方案2-1。

6 结语

在运营高速公路上新建枢纽互通,施工期间必然会对现有高速公路造成重大的影响,对施工期间施工区域的交通组织方式进行合理设计尤为重要。本文基于高速公路改扩建及养护技术,详细论述了新建枢纽互通在被交高速公路上的施工区形式及交通影响因素,定性分析了提高施工区通行能力、减少通行时间的理论方法。

(1)依托实际建设项目,对传统的“半幅封闭半幅通车”交通组织设计方式各阶段进行详细论述。结合实际工程情况,剖析了传统方式的缺点,提出了双向四车道高速公路“部分封闭”式交通组织设计方式,并对新方式实施的各阶段进行逐一分析。

(2)通过对各方案进行工程分析,验证结论有:传统方式经济效益最好;“部分封闭”式交通组织设计能够有效提升通行能力和安全性,减少通行时间,但需要增加一定的工程投资。

(3)本文研究以期为在既有高速公路上新建互通的交通组织设计有效地与工程实践相结合提供参考和借鉴。