晋阳高速公路改扩建工程起点立交方案设计

籍晓靖

(山西省交通规划勘察设计院有限公司,山西 太原 030012)

近年来随着晋阳高速沿线社会经济的快速发展和周边路网的不断完善,北留、周村及主线交通流量增长很快,2018年交通量已达47 657 pcu/d,由交通量预测结果来看,未来仍将保持较高的增长速度。高速服务水平逐年降低,部分路段拥堵严重,通行能力差,事故频发,安全性差。目前的道路标准难以满足交通量、社会经济发展、道路服务水平、交通安全等方面的需求,实施改扩建工程刻不容缓,改扩建时机正当其时。而作为晋阳高速公路改扩建工程起点,与晋济高速及规划晋城东南环高速相接的互通立交方案的合理性显得尤为重要,根据互通式交叉的预测交通量及其在路网中的作用,并充分考虑地形、地物、地质、经济等因素[1],通过对各互通方案的研究比选,确定最优方案,使互通立交达到快捷、安全、舒适的目的。

1 项目概况

晋阳高速公路是山西省公路建设重点工程,是继太旧高速公路之后的第二条高速公路,晋阳高速公路东起晋城市西南牛匠村,经泽州、阳城两县,以及周村、北留、润城、八甲口、凤城镇五镇,西止于阳济公路叉口处。

拟建泽州南枢纽互通立交为晋阳高速公路改扩建工程起点,与晋济高速公路及规划晋城市东南环高速公路连通,项目的实施将进一步完善晋城市公路路网结构,建成后将大大缓解市内交通压力,为城市间、省际间提供快速、直达、安全、经济、舒适的运输通道,促进晋城市的经济发展,而且对优化晋城市及山西省公路网布局,改善行车条件,促进晋城市乃至整个山西省的经济发展和旅游事业的发展,都将起到巨大的推动作用。

2 建设条件

2.1 地形地貌

拟建互通位于山西省南部晋城市境内,地处太行山南段西侧。项目区地形复杂,主要为基岩山区,区域内海拔一般在500 m以上,因地质构造、地层岩性及差异风化剥蚀等因素影响,区内沟谷发育,地形切割较为破碎。项目区为黄土覆盖基岩中低山区,出露地层主要为奥陶系灰岩、二叠系和石炭系的砂泥岩、页岩、煤层等及第四系黄土等,表层黄土厚度不大,一般厚约3～10 m,局部厚约1～2 m。该区植被整体较为发育,主要为灌木丛和草本植物,坡脚分布有少许农作物。

2.2 水文

项目区地表水主要为长河,长河属于沁河水系,发源于晋城市郊区下村乡武神山南麓,由北向南流经晋城郊区注入沁河。境内长度为58.15 km,流域面积317 km2,河道平均纵坡8.88‰,多年平均流量为0.463 m3/s。地下水主要为碎屑岩类裂隙水,含水层岩性为二叠系、石炭系的砂岩、砂质泥岩、石灰岩、节理裂隙发育的泥页岩,大部分以层间裂隙水形式存在,除由大气降水补给外,在沟谷中还接受河水的渗透补给,径流受构造、岩层产状、节理裂隙的发育控制,一般垂直渗入下伏不同地层内,采煤排水及人工开采是其主要排泄方式。

2.3 气候

项目区总体为太行山脉的组成部分,总的气候特点是四季分明,春季干旱多风,夏季炎热,秋季凉爽多雨,冬季寒冷,降水稀少。多年平均气温11.7 ℃,无霜期一般为120～195 d。多年平均风速2.0 m/s,最大冻结深度41 cm。多年平均降水量为616.3 mm。

3 技术标准

3.1 周边路网

晋城市现状高速路网主要为晋城西北环高速、晋阳高速公路、长晋高速公路,三者共同形成一个环城高速,随着晋城市的发展,规划机场、高铁站、工业园区等都位于晋城市东部,即长晋高速东面,现有的环线已不能适应未来晋城区域发展的需要。因此,晋城市启动东南环高速公路线位规划及晋阳高速公路改扩建研究,与既有的晋城西北环高速公路共同形成晋城区域高速公路完整环线,构筑晋城区域高速公路闭合路网。拟建互通作为晋阳高速公路改扩建起点,与晋济高速及规划晋城东南环高速的衔接,对整个路网意义重大。晋城市区域高速路网及拟建互通位置如图1所示。

图1 区域周边路网

3.2 设计速度

拟建互通立交为与晋济高速公路及规划晋城东南环高速衔接的枢纽互通立交,位于冶头村村南冲沟附近。被交路晋济高速公路采用设计时速为80 km/h的双向四车道高速公路,路基宽度24.5 m,互通区晋济高速部分路段为分离式路基。规划晋城东南环高速公路设计时速为80 km/h,双向四车道,路基宽度25.5 m。

由于主线和被交路的设计车速均为80 km/h,因此,拟建属牛互通主流匝道的设计速度采用60 km/h,其余匝道采用40～50 km/h。

3.3 转向交通量

根据交通量预测,拟建枢纽互通2043年预测转换交通量济源市-东南环方向为23 149 pcu/d,济源市-晋阳高速方向为13 200 pcu/d,晋城市-东南环方向为2 104 pcu/d,晋城市-晋阳高速方向为2 964 pcu/d。结合该立交交通量分布,该互通方向转向交通量方向明确,比例明显,根据交通量选择立交形式为同向内环的苜蓿叶形较为合理[2]。

4 泽州南枢纽互通方案设计

通过对该互通立交布设的地形条件、交通量大小等情况,提出了主线上跨的同向内环的苜蓿叶方案、对角象限内环的方案、主线下穿的方案进行研究对比。

4.1 方案一

(1)方案设计。

由于该段被交路晋济高速为挖方,因此采用主线上跨晋济高速的方式,两个同向内环之间设置集散车道以降低交织影响。结合交通量分布情况,在济源市与东南环之间的转向匝道采用双车道出入口的方式,其余出入口采用单车道。

主线设计区间K-1+160～K0+730,长1 570 m,主线最小平曲线半径1 100 m,最大纵坡2.8%,采用设计车速80 km/h的双向四车道高速公路标准,路基宽25.5 m。

匝道设计车速为40～60 km/h,宽度为9 m和10.5 m。匝道最小平曲线半径60 m,最大纵坡3.742%,匝道总长5994 m。互通布设形式如图2所示。

图2 泽州南枢纽方案一

根据要求,泽州南枢纽为分期实施互通,其中与晋济高速之间的交通转换为一期工程,与规划晋城东南环高速之间的转换为二期工程。

(2)方案特点。

优点:①互通立交形式符合各转向交通量需求,布局紧凑,主要交通流行车顺适,能够实现主交通流(济源与晋城东南环方向、济源与晋阳高速方向)快速转换。②结合既有晋济高速填挖方情况,采用经济合理的主线上跨方案,占地少,工程量小。③匝道平、纵指标较优,行车安全性及服务水平高。

缺点:两次交通流方向设置同向内环匝道,为消除交织影响,需设置集散车道。

4.2 方案二

(1)方案设计。

方案一虽然与交通量匹配,但是需要设置集散车道,因此提出取消集散车道的对角双环方案。结合交通量分布情况,在西南和东北象限设置内环匝道,在济源市与东南环之间的转向匝道采用双车道出入口的方式,其余出入口采用单车道。

主线设计区间K-1+160～K0+730,长1 570 m,主线最小平曲线半径1 100 m,最大纵坡2.8%,采用设计车速80 km/h的双向四车道高速公路标准,路基宽25.5 m。

匝道设计车速为40～60 km/h,宽度为9 m和10.5 m。匝道最小平曲线半径60 m,最大纵坡4.30%,匝道总长5 994 m。互通布设形式如图3所示。

图3 泽州南枢纽方案二

(2)方案特点。

优点:将同向内环匝道改为对角双环方案,没有交织影响,无需设置集散车道。

缺点:①济源至晋阳高速方向作为第二大交通流,只能通过内环匝道进行转换,线形指标低,不利于交通转换,易造成拥堵。②主线与被交路均有较大纵坡,因此晋阳高速至晋城市的C匝道设置半定向匝道较为困难,在较为紧凑的平面情况下,纵坡达到4.30%。较方案一,线形指标差,行车安全性及服务水平低。

4.3 方案三

(1)方案设计。

方案一虽然与交通量匹配,但是需要设置集散车道,方案二虽然取消了集散车道,但是内环匝道的设置与主流交通量不匹配。考虑到项目主流交通量较大,对主流方向(济源市与东南环)的匝道进行研究,提出主流方向内交叉的立交形式,使最大主流交通量方向快速转换。

结合交通量分布情况,在西南和东北象限设置内环匝道,在济源市与东南环之间的转向匝道采用双车道出入口的方式,其余出入口采用单车道。

主线设计区间K-1+160～K0+730,长1 570 m,主线最小平曲线半径1 100 m,最大纵坡2.8%,采用设计车速80 km/h的双向四车道高速公路标准,路基宽25.5 m。

匝道设计车速为40～60 km/h,宽度为9 m和10.5 m。匝道最小平曲线半径60 m,最大纵坡4.50%,匝道总长6 081 m。互通布设形式如图4所示。

图4 泽州南枢纽方案三

(2)方案特点。

优点:将项目最大主交通流方向设置为内交叉立交形式,线形指标高,行车顺适,能够实现主交通流快速转换。

缺点:①由于主线与被交路均有较大纵坡,晋阳高速至晋城市的C匝道设置半定向匝道较为困难,在较为紧凑的平面情况下,纵坡达到4.50%,线形指标差,行车安全性及服务水平低。②需要将第二大的交通量设置为内环匝道,不利于交通转换,易造成拥堵。③由于采用内交叉方案,A匝道入口向南推移,晋济高速南侧大桥(桥长300 m)需要加宽改造,未能充分利用既有道路资源,工程规模大。

4.4 方案四

(1)方案设计。

采用主线下穿晋济高速的方式,两个同向内环之间设置集散车道以降低交织影响。结合交通量分布情况,在济源市与东南环之间的转向匝道采用双车道出入口的方式,其余出入口采用单车道。

主线设计区间K-1+160～K0+730,长1 570 m,主线最小平曲线半径1 100 m,最大纵坡2.8%,采用设计车速80 km/h的双向四车道高速公路标准,路基宽25.5 m。

匝道设计车速为40～60 km/h,宽度为9 m和10.5 m。匝道最小平曲线半径60 m,最大纵坡4.594%,匝道总长6 170 m。互通布设形式如图5所示。

图5 泽州南枢纽方案四

(2)方案特点。

优点:互通立交形式布设与各转向交通量相匹配,能够实现交通流快速转换。

缺点:①采用主线下穿晋济高速公路方案,造成多数匝道及主线位于深挖方区域,最大挖方深度22 m,互通区景观不佳、排水困难,土方工程及防护工程量大,造价高。②由于主线及匝道下穿晋济高速,因此对晋济高速的通行运营有较大影响。③由于主线与被交路均有较大纵坡,因此内环匝道H纵坡较大,纵坡达到4.594%,线形指标差,对于行车不利。

4.5 主要工程规模对比

各方案的主要工程规模见表1。

表1 泽州南枢纽式立交方案比较表

综上所述,泽州南枢纽转向交通量方向明确,比例明显,方案一与交通量匹配性较好,更能满足该处转向交通的需求,虽然设置集散车道,但其工程规模与其他方案相比相对较小,且对晋济高速公路的改造及运营通行影响最小。故泽州南枢纽推荐主线上跨的同向内环的部分苜蓿叶枢纽互通方案。

5 结 语

泽州南枢纽互通根据各匝道预测转向交通量,结合周边路网现状及规划,布设四个互通方案进行比选研究,使互通立交形式及线位布设符合交通量分布特点,满足出行需求,同时尽量减少对既有晋济高速公路的影响,降低工程规模,最终合理确定互通立交方案。