特殊地形条件下某枢纽互通方案研究

王杰，贺亚军

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

1 工程概况

G4216 线 金 阳 至 宁 南 段 高 速 公 路［1］（以 下 简 称“该项目”）位于川、滇两省省界金沙江一带，该项目的建设将缩短川南经济区与攀西经济区的时空距离，对推动社会进步、促进区域经济发展和扶贫开发具有积极的作用。

该项目分别在芦稿、春江设置枢纽互通与昭西高速（G7611）［2］连接，共用16 km 长的高速主线。该项目与昭西高速公路路基宽度均为25.5 m，双向四车道，设计速度80 km/h，周边路网情况见图1。

图1 项目区周边路网

设置的芦稿枢纽互通（以下简称“该互通”）是昭西高速与该项目的重要节点，不仅完成四川金阳、宁南、西昌3 个方向的交通转换，而且提供服务芦稿周边片区上下高速的重要功能。该枢纽距金阳方向互通约8 km，距宁南方向互通约16 km，距西昌方向互通约26 km。

2 研究方案

2.1 区域现状及控制因素

该互通位于高中山区，山势陡峻，芦稿林河与仁义河穿插其间，两个河流之间形成单薄的分水岭，地形被两条河流切割为“Y”字形，属于构造侵蚀型高山峡谷地貌区和河谷地貌区。工程区内主要的控制因素有：地形、地质条件复杂，路线高差大，高速主线明线短，控制性结构物多。

芦稿林河为金沙江左岸一级支沟，区内受金沙江切割作用强烈，沟壁陡直，谷底狭窄，谷坡陡峻，沟谷两侧自然坡度为30°～65°。区内地方道路为县道XW48，沿河谷坡脚延伸。在河谷两侧高位危岩尤为发育，直接威胁工程建设安全，复杂的地形、地质条件直接影响互通方案的布设。

该项目路线呈南北走向，互通区主线沿河谷布设，纵坡较为平缓。相衔接的被交道路为昭西高速，路线呈西北至东南走向，总体走势一路下坡至该项目。在该互通北侧昭西高速设12.685 km 的金阳特长隧道，隧道内采用+1.95%/9 270 m 和-1%/3 490 m的人字坡，出洞后通过1.36 km 明线段降坡至该项目，明线纵坡-3.95%，隧道洞口距离与两项目交叉点高差达40 m。同时该互通区高速主线与地方道路高差也极大，在两高速交叉节点与地方道路高差达62 m，可见高差大是制约互通布设的另一因素。

由于该项目位于四川盆地、青藏高原、云贵高原所围成的过渡区内，特殊的地形地质条件导致该段高速主线桥隧比高达92.4%，其中隧道比73.9%。同时该互通起止分设长6.7 km、7.3 km 的隧道，明线段落长2 km，其中包含一座墩高约110 m、长度1.2 km 的特大桥，因此明线短、控制性结构物多是制约互通布设的又一因素。互通区地形条件及项目情况见图2。

图2 互通区地形条件

2.2 方案拟定

由上分析可知，互通区具有功能需求高、地形地质差、接线高差大、主线明线短、立交选型难的特点。基于这些控制因素，初步拟定4 个角度的方案设计思路：

（1）考虑到需要满足枢纽+落地的功能，且地形条件受限，是否具有分设互通逐个满足其功能需求的可能［3-4］。

（2）考虑集中设置综合性复合枢纽，单一完成功能需求［5］。

（3）对于集中设置复合性枢纽能否充分适应地形地质条件，做出单点多方案的比选。

（4）针对高差大的最主要受控因素，考虑以何种有效的方式解决，并充分融入方案设计中。

3 总体方案研究

根据预测远景年限交通量（2043 年，图3），芦稿枢纽互通为枢纽功能、芦稿互通为落地功能，显示该互通各转向交通量相差较大，2043 年枢纽匝道昭通—西昌单向设计小时交通量为1 233 pcu/h，西昌—金阳单向设计小时交通量为421 pcu/h，芦稿落地匝道各方向交通量均较小，最大不足190 pcu/h。在枢纽功能的需求中，昭通至西昌向为主流交通，其他各转向交通量较小；在落地的需求中，金阳至芦稿向为主流交通，但总体来看各转向交通量均较小。

图3 2043 年互通交通量（单位：pcu/d，括号内数据单位：pcu/h）

由于互通区主线前后受隧道洞口控制［6］，且明线段多为高墩特大桥，主线的平面位置及纵面高程都不能较大范围调整，因此无论分设方案还是合设方案其枢纽交叉点都相对受控，且互通的布设均应该合理考虑出入口与隧道净距的要求［7］，分合流节点与主桥结构物的关系，顺应地形设计方案。

3.1 分设方案

互通方案1 采用T 形枢纽+T 形互通，见图4。总体思路为：在两沟交汇处布设T 形枢纽互通完成高速间交通转换，受高墩特大桥位置控制，只能在宁南侧隧道群间布设落地互通服务地方上下高速。如此既避免了在地形复杂地区修建复合枢纽互通，又能有效地降低建设规模。

图4 方案1

提出分设方案主要考虑到复合方案交通流线较为复杂，不如单个互通简洁。经过深入论证，发现分设方案实施较为困难，存在以下难点：

（1）落地互通仅能在连续隧道间300 m 明线段布设，均不能保证隧道出入口安全距离，且出入口将设置在隧道内，可实施性较低。

（2）落地互通匝道基本由隧道构成，在长大隧道内分合流不利于驾乘安全。

（3）该段主线明线位于山间沟谷，沟壁极为狭窄，桥隧相接处施工难度极大，且沟内上游高位危岩发育，多条匝道穿插于沟谷有极大的安全隐患。

3.2 合设方案

鉴于分设方案可行性极低，只能将落地互通在枢纽互通位置进行合设，形成复合互通。互通方案2 采用半直连+环形，见图5。该方案主要考虑到主流向匝道平面布设，两匝道按高速公路延续段设计，路基宽度12.75 m，设计速度60 km/h，平纵指标较高，主流交通运行更顺畅快捷；不足之处为金阳至芦稿方向匝道绕行较远；受地形限制，互通范围存在3 处高度为45～50 m 的挖方边坡，主线需设置一处205 m 的棚洞，且存在两处匝道隧道。另外该互通方案整体布置较为复杂，交通流线较为紊乱。为减少工程施工及运营风险，互通方案简洁美观仍具有优化空间。

互通方案3 采用对角象限双环式变异苜蓿叶，见图6。由于落地互通平交口地面高程为666 m，而被交高速高程约728 m，高差达60 m，因此优先考虑落地匝道布设问题，通过延伸昭西高速主线贯通连接线，并沿山体坡面展线降坡接县道XW48。其次考虑主流匝道线位布置，为克服山体地形，主流右转匝道设置一处325 m 隧道穿越，其余匝道按常规形式设置，该互通方案为3 层立交，因为昭西高速高程较高为最上层，匝道下穿昭西高速为第二层，该项目主线为最底层。提出该方案主要考虑到采用常规的互通形式即“十字”带落地，主流向匝道按匝道设计，路基宽度10.5 m，设计速度60 km/h，平纵指标相对较高，满足交通转换功能需求。存在两处高度为45～50 m的挖方边坡，一处匝道隧道。虽然互通方案3 较方案2 有一定优势，但仍然存在一些不足：对于双向主流匝道均存在小交通流匝道位于内侧流出的问题，不符合驾乘人员的行驶习惯，容易引起误行甚至倒车等行为。

互通方案4 仍采用对角线形双环式变异苜蓿叶形枢纽，见图7。在方案3 的基础上，再着重分析主流方向匝道，将昭西高速主线直接贯通的落地匝道进行局部优化调整，改为在次流匝道上流出流入，形成主流匝道位于内侧，次流匝道在外侧分合流的出线方式。

图7 方案4

互通方案4 在各交通流向都较为顺适，但和方案2、3 有着同样的可实施性差的问题，各匝道特别是连接线上特大桥基本为陡坡桥（最大墩高87 m），见图8。从现场调查来看，为设置一组桥墩不仅均需要开挖极陡的边坡辅以防护，且坡口难以收坡，而且如此大比例的陡坡桥墩基本无施作条件，坡体高处还存在不可监测的高位危岩，建设难度较大运营风险极高，同时其收费站的建设将拆除灯厂村，社会影响大。另外，由于方案连接线必须跨越溪洛渡水库，需在库区修建桥墩存在政策性障碍。因此该方案应该再作优化。

图8 连接线区段地貌情况

互通方案5 采用“π”字形异形枢纽，见图9。首先考虑的是对连接线进行优化，避免因跨越水库而形成政策性障碍，通过调整连接线节点位置，向上游移动至互通主体范围内。这样不仅平交口高程抬升约40 m，有效减短了连接线长度，降低了陡坡桥的比例，而且避免了跨越库区。另外，依据地形条件，通过分设两处环形匝道于较为空旷的河谷和低矮单薄的分水岭处，各形成两处左转匝道服务于枢纽转换和落地。整体来看部分匝道线形指标较方案4 都有所提高。但该方案仍具有一些缺陷：①对于宁南至西昌向主流匝道只能满足50 km/h 的设计速度，平面指标偏低，西昌至宁南向匝道仍存在一处隧道；②两条主流匝道均存在小交通量左入的问题，对行车不利。

互通方案6 采用B 形喇叭+T 形枢纽组合，见图10。遵循方案5 的设计思路，保持连接线向上游移动至互通主体范围内的位置。然后取消一处位于河谷宽缓处的环圈匝道，调整为半直连式匝道下穿高速主线，并依托既有三山夹两河一山“Y”字形的特殊地形条件，合理布局互通，偏移设计方案重心于西北侧，充分利用位于低矮单薄的分水岭，将互通各匝道利用环形向其收拢。这样不仅增加了路基长度，减小了互通区桥梁规模，而且可开挖单薄的分水岭形成平台进行桥梁吊装，解决场地局促的问题，为后续施工提供了条件。另外，对原来紧靠笔陡山体的匝道，通过调整与山体的距离，减少陡坡桥的布设，躲避了部分坡面危岩，同时也减小了对山脚既有道路的干扰，取消了主线和匝道隧道。该方案也具有一定的不足：由于平交口节点的变化，使该方案落地至芦稿镇的路径较为绕行。

图10 方案6

4 方案选择

4.1 交通功能

在整体交通功能上，方案1、4 最优，方案6 适中，方案2、3、5 存在流线复杂，左入左出等问题。

4.2 技术指标

总体来看方案1、6 指标较高，其他方案低指标环形匝道较多平面指标偏低，主流交通向，方案1、2 指标高，方案6 适中，方案3、4、5 相对偏低。

4.3 建设条件及控制因素

针对该互通设置的客观建设条件，并结合互通的主要控制因素，对各方案定性分析对比见表1。

表1 建设条件及控制因素比较

总体来看，在建设条件和把握控制因素方面，方案6 最优，方案1 最差。

4.4 连接线方案比较

鉴于在各方案中连接线的布设是影响该互通方案的重要比选条件，且各方案可归纳为3 种布设形式，针对各方案进行对比见表2，总体来看，短线方案优势明显。

表2 连接线方案比较

4.5 工程规模

6 种方案主要工程规模对比见表3，总体来看，方案6 工程规模最小。

表3 互通立交方案工程规模比较

4.6 比选结论

通过上述5个层面的综合比较分析，在不考虑连接线布设的情况下，方案4、5具有较高的比选价值。但考虑到连接线布设，虽然方案5 节点距离芦稿镇比方案4远2.6 km，但是从带动片区的着眼点看，能辐射更大的地方，上下高速也更均衡。因此方案6在方案比选中具有对地方带动作用强、建设条件好、运营风险低、投资规模小的特点，最终选择具有优势的方案6。

互通立交方案比选的评价指标众多，同时比选方法也较多，诸如技术经济比较法、效益/成本比较法、方案排队法等一系列科学量化体系，利用不同评价体系客观分析互通方案值得进一步深入研究。

5 结语

该互通方案已通过各阶段方案评审进入实施阶段，经工程规模对比，最终该互通方案6 投资较前阶段降低约1.5 亿元，可见在特殊地形条件下互通方案的选择对工程投资有着极大的影响。通过全过程的系统性回顾梳理发现，在复杂控制条件下随着设计的深入，基础资料的逐渐完善，有序地把握控制因素，对方案不足之处不断地优化蜕变，最优的互通方案脉络逐渐清晰。而在逐渐优化调整的过程中，该互通采用充分利用有限地形、异化匝道连接、把握主要控制因素、优化突出主流交通流向、弱化次要交通指标、灵活选取平交节点等一系列举措，优化后的方案不仅提升了平面线形指标，降低了施工难度，并且投资规模也大幅度降低。

依据目前交通建设形势，山区高速公路的建设越来越多，更多的山区高速公路逐渐串联成网。因此在复杂地形条件下，面临接线高差大、明线距离短、功能需求高等多制约因素，是西部山区高速公路越来越凸显的问题。通过对该互通多角度、全过程的梳理总结，可为更多的山区高速公路，特别是“Y”字形三山夹两河的特殊地形条件下的复合式枢纽互通立交方案设计提供一定的参考。