复杂条件下城市展线型立交方案设计研究

马向南 艾军 殷威

摘要： 带状布局城市在向两侧空间开发建设的过程中， 易出现断崖式地形， 导致道路坡度较大， 不利于行车安全。本文以某城市快速路为例， 研究断崖式地形条件下展线型立交的方案设计。一般情况下， 为降低道路纵坡， 可采用自然展线或螺线展线的方式。本研究通过对城市展线型立交方案的比选， 确定较优方案， 可为道路设计提供有价值的参考。

关键词： 道路工程； 展线型立交； 方案比选

DOI：10.12433/zgkjtz.20240249

带状布局城市的开发建设极有可能遇到断崖式地形。为此， 国内同仁对断崖式地形的道路设计进行了研究， 王京力以某高速公路为例， 采用自然展线、 螺旋展线这两种方式克服高差， 通过对项目设计要点的分析， 推荐采用螺旋展线方式； 刘旭伟通过分析螺旋展线平面线形、 纵断面线形及横断面特点， 结合螺旋展线交叉线形， 弯桥、 弯隧道线形以及设计施工中遇到的问题， 提出了高低落差采用螺旋展线的解决方案； 李大以雅沪高速公路石棉至下鲁坝段路线方案进行比选， 确定越岭线采用双螺旋展线的设计方案， 为高速公路展线提供了新的设计理念和思维方法； 贾海燕分析了自然展线型立交、 回头曲线型立交、 螺旋展线型立交及小半径展线立交的设计要点， 为设计和研究工作提供了借鉴； 赵永平对汽车前灯散射角、 隧道断面及驾驶员的驾驶规律进行研究， 得出了山区高速公路螺旋展线平曲线的最小半径。

一、 案例城市现状条件及上位规划

（一）现状建设条件

案例城市现有的交通设施多集中在老城区一带， 但南北方向交通设施标准较低， 可达性不高。随着城市社会经济的快速发展， 城市发展和建设步伐的加快， 规划期内城市空间拓展面临着东扩和北上两个门槛的制约。

该城市地质地貌结构复杂， 呈东西走向带状布局， 南部老城区与北部新城区海拔高差较大， 垂直高差在150～200m， 以陡坡为主， 逐级抬升， 平均坡度在20%以上， 其中， 陡峭处大都在50%以上。本项目沿线断崖式地形直线距离约160m， 高差约170m。

上塬干道的建设既可推动城市北上台塬发展， 又可避免加重上下塬通道的交通压力， 但如何克服北坡近170m的高差， 减少区域交通设施对城市用地的占用， 并在满足交通功能的前提下打造城市风景， 是本项目的难点。

（二）上位规划

根据城市综合交通体系规划， 基于该城市各组团空间格局和规划期内城市“北上东扩”的空间发展战略， 规划快速路为“两横三纵”的网络构架， 支撑城市北上发展和向东延伸发展， 建立与城市空间相协调的城市交通系统， 合理利用通道资源， 优先发展公共交通， 形成层次分明、 功能合理的城市交通发展模式。

该城市的交通随着城市的发展日益拥堵， 形成了“区域交通迅速城市化， 城市交通慢速化”的局面。在此背景下， 快速路網的建设对于城市的出行、 城市经济运行质量的提高， 都是非常必要的。待其建成后， 将解决长期以来城市路网交通拥堵的“长痛”。

（三）用地规划

塬下为城市老城区， 开发强度较高， 沿线以住宅、 商业建筑用地为主； 上塬段垂直高差约为170m， 现状开发强度不大， 以绿化生态为主； 塬上整体地势较平坦， 土质肥沃， 东、 南、 西三侧均为生态林带。

（四）功能定位

该道路规划为城市快速路， 是联系北部规划新区、 中心城区及市域外围交通的重要通道， 是集散核心城区对外交通的核心走廊。

二、 方案设计

上塬段方案要根据现状地形合理展线， 要求经济、 实用、 新颖、 符合规范要求， 交通组织通畅便捷， 跨越上塬段要创新成为一道城市风景。

以上塬干道的建设， 推动城市北上台塬发展， 避免加重上下塬通道的交通压力。同时， 科学规划塬上产业功能， 合理组织城市进出交通， 是支撑和引导城市空间拓展， 促进土地利用与交通系统协调发展的主要策略。

该城市快速路不仅承担着对外交通联系的任务， 还连接着放射线及区域路网， 交通功能突出， 若采用双向四车道， 近中期可满足通行能力要求， 但随着周边及区域经济发展， 远期扩宽难度较大。因此， 为适应交通和城市发展， 为远期预留余地， 采用双向六车道建设。

根据实际地形条件、 路网规划及交通量预测成果， 上塬道路采用“路—桥—隧”结合的建造形式， 现阶段暂不考虑行人和非机动车的通行需求， 待塬上路网形成后， 再根据需要衔接设置。

（一）主要技术标准

该城市快速路设计速度为60km/h， 双向六车道， 道路及桥梁标准宽度为25.5m， 隧道段单洞建筑限界为13.5m， 上塬段采用“路—桥—隧”结合的建造形式。

主线道路路基段标准横断面宽度为25.5m， 具体布置为： 0.5m（土路肩）+0.5m（路缘带）+2×3.75m（路基段机动车道）＋3.5m（路基段机动车道）+0.5m（路缘带）+0.5m（分隔墩）+0.5m（路缘带）+3.5m（路基段机动车道）＋2×3.75m（路基段机动车道）+0.5m（路缘带）+0.5m（土路肩）＝25.5m。

主线桥梁段标准横断面宽度为25.5m， 具体布置为： 0.5m（防撞护栏）+0.5m（路缘带）+2×3.75m（高架机动车道）＋3.5m（高架机动车道）+0.5m（路缘带）+0.5m（分隔墩）+0.5m（路缘带）+3.5m（高架机动车道）＋2×3.75m（高架机动车道）+0.5m（路缘带）+0.5m（防撞护栏）＝25.5m。

主线隧道段采用连拱形式， 隧道左右洞间净距为4.0m， 隧道单洞建筑限界为13.5m， 具体布置为： 0.75m（检修道）+0.5m（路缘带）+2×3.75m（隧道段机动车道）＋3.5m（隧道段机动车道）+0.5m（路缘带）+0.75m（防撞墙）＝13.5m。

（二）立交选型方案比选

受上塬断崖式地形的限制， 需要慎重研究上塬交通设施的布局和功能分工， 通过对现状地形、 塬下建筑等制约条件进行综合分析， 合理展线， 主线采用“路—桥—隧”结合的建造形式， 为满足快速干道的交通功能， 合理展线克服高差， 打造北坡独特的景观效果， 提出了三个展线型立交线路设计方案。

图1  立交设计方案一、 二、 三

1.方案一

采用螺旋展线方式， 布置三层螺旋线， 为避免三层叠合桥墩施工难度过大、 首层螺旋线隧道段过长的问题， 将首层与上两层螺旋线分离布置， 第二层及第三层螺旋线重疊布置于北侧， 线路爬升至第三层后， 接至塬上第一级平台， 随后继续抬升， 与城市北部新区路网连接。桥梁采用钢管混凝土桁式桥墩， 保证通视效果， 桥梁部分与北坡现有绿化衔接， 形成独特的穿越林中的塬台景观效果。

该线路采用路基、 桥梁、 隧道组合的形式， 其中， 螺旋线半径为160m， 路基段长1100m、 桥梁段长2200m、 隧道段长1300m， 桥梁桥墩最高124m； 路基段最大纵坡为5.6%， 桥梁段最大纵坡为4%， 隧道段最大纵坡为3%， 道路横坡均为2%。

2.方案二

线路向左侧螺旋展线， 三个分离螺旋展线形成阶梯型的效果， 螺旋抬升与上塬第一级平台衔接。该线路无隧道段， 采用路基、 桥梁组合的形式， 其中， 螺旋线半径为160m， 路基段长1900m， 桥梁段长2800m， 桥梁桥墩最高达135m； 路基段最大纵坡为5.6%， 桥梁段最大纵坡为4%， 道路横坡均为2%。

3.方案三

为提高主线线型标准， 方案三向右侧沿地势平坦区域布线， 拉长东西方向的距离， 布置2个对称圆环迂回上塬。该线路采用“路基—桥梁—隧道”结合的单圈展线方案， 形成双环的效果， 其中， 线路最小半径为260m， 路基段长1450m， 隧道段长2400m， 桥梁段长1660m， 桥梁最高达30m； 路基段最大纵坡为3.5%， 桥梁段最大纵坡为4%， 隧道段最大纵坡为3%， 道路横坡均为2%。

4.方案综合比选

通过对交通功能、 景观效果、 建设成本等情况的综合分析， 方案一与塬坡现状的融合性较好， 景观效果突出， 而且两层螺旋线叠加降低了桥梁工程造价， 推荐采用。详见表1。

三、 桥梁工程方案设计

本项目桥梁作为重要的基础设施， 应具备完善的使用功能、 结构安全可靠、 经济可行， 同时还应充分考虑桥梁的生态功能和景观功能， 做到技术与艺术的和谐统一， 并充分体现以人为本的设计理念。

接隧道段高墩桥梁上部结构为减轻墩顶反力、 提高桥梁的抗震能力， 选用自重较轻的钢箱梁。接隧道段高墩桥梁桥墩最高达124m， 且上部结构存在多层重叠的情况， 桥墩受力较大。需选用一种墩柱自重小， 抗震能力强的墩型。详见表2。

山区高墩墩型主要有钢筋混凝土实体墩、 钢筋混凝土空心墩、 钢管混凝土桁式墩。

钢管混凝土桁式墩由4根Φ813mm， 内灌C50混凝土的钢管纵横连接组成， 横向每12m设一道钢管横联、 纵向每2m设连接杆组成格构， 桥墩纵桥向按1： 50放坡， 最高墩底最大宽度为7.8m， 高墩部分根部设纵向钢筋混凝土肋板。根据工程项目所在地地震烈度高、 桥墩高度大、 上构多层共用桥墩的实际情况， 推荐采用钢管混凝土桁式墩。

钢管混凝土桁式墩墩柱的制作、 安装应注意钢管立柱、 纵横连接杆件下料与焊接拼装， 墩柱高空施工的空中固定与位置控制， 吊装设备的制备与高空吊装安全及质量， 施工操作平台的设置等方面的工作。

四、 隧道工程方案设计

隧道结构设计应具有足够的强度和稳定性， 保证隧道可以长期使用， 同时结构设计应根据工程地质及水文地质条件， 结合周边环境， 通过技术经济、 环境影响、 使用效果等综合评价， 合理选择施工方法和结构型式， 对于软弱地层， 应采取可靠的工程措施， 严格控制地面沉降。

本项目隧道均采用连拱形式， 隧道按城市快速路设计， 设计车速为60km/h。根据《城市道路工程设计规范》和《公路隧道设计规范》的要求， 隧道单洞建筑限界宽度为13.5m， 行车道宽为： 3.75×2+3.5=11m， 路缘带宽为： 2×0.5m， 检修道宽度为： 2×0.75m， 隧道单洞建筑限界高度为5.0m， 路面横向坡度为2.0%的单面坡， 隧道左右洞内轮廓设计为三心圆拱形式。

三座隧道进出口洞门均做成端墙式洞门， 与山体浑然一体， 协调美观。

五、 结语

本项目建设是完善城市骨架路网构建综合交通主轴线的需要， 也是促进城市产业结构调整和未来规划布局的需要。

立交方案设计应在满足交通功能的前提下， 结合当地的地形地貌， 综合考虑安全性、 景观性、 经济型及方案的可实施性比选确定。

本文以断崖式地形条件下修建城市道路为研究对象， 通过城市展线型立交设计方案比选， 推荐采用三层螺旋展线“路—桥—隧”相结合的建造形式， 供设计同仁在以后的设计和研究工作中参考。

参考文献：

[1]王京力.螺旋展线方案在山区高速公路中的应用[J].交通世界，2022（22）： 129-131.

[2]刘旭伟，廖瑾.山区高速公路螺旋展线方案与线形分析[J].黑龙江交通科技，2018（3）： 24-25.

[3]李大.双螺旋展线在山区高速公路中的应用[J].湖南交通科技，2011（4）： 89-91+197.

[4]谭海燕，孙义，孙家驷.展线型立交形式探讨[J].公路交通科技，2009（5）： 23-26.

[5]赵永平，杨少伟，吴华金，等.山区高速公路螺旋展线隧道内平曲线最小半径[J].长安大学学报（自然科学版），2007（6）： 72-75.