山区峡谷复杂条件下高速枢纽互通方案研究

王志儒

摘要 文章结合万盛至正安高速公路砚石台枢纽初步设计方案，从功能定位、地形地质条件、干扰因素等角度进行分析，对互通方案进行了研究比选。同时，计算了交织段的通行能力，通过技术指标与交通量的适应性及服务水平评价等，以确保互通方案在功能性、可行性、经济性等方面综合最优，为今后类似工程积累相关经验和参考依据。

关键词 高速公路；枢纽互通；方案比选；交织；通行能力

中图分类号 U491文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0023-03

0 引言

21世纪前半叶，我国山区高速公路取得了辉煌成就，贵州省甚至呈现出县县通高速的盛况。由于高速公路密度的增大，条件较好的公路走廊带资源都已耗尽，以致目前待建工程的工程地质条件、受控因素都非常复杂，这一问题给设计阶段带来了极大考验。山区高速沟壑纵横，桥隧等构造物较多。结合互通形式，如何将互通的布设与桥隧构造物相配合，是研究的重点。该文结合万正高速砚石台枢纽互通设计实例，对砚石台枢纽进行了综合研究比选，同時对交织段的通行能力也进行了计算。

向同一方向行驶的若干车流，在一定距离内转换车道，并不经其他交通管制措施，便形成交织区[1]。至今已有很多国家对交织区进行了研究，其中美国《道路通行能力手册》[2]出版最早，也最具典型性。

20世纪80年代交通部联合一些大专院校对通行能力开始了相关研究，同时，国内一些学者参考了美国《道路通行能力手册》中的研究手段，并加以吸收总结，结合国内实际情况，对公路通行能力首次进行了较为系统的阐述，对立交交织区通行能力展开的相关研究而出版成册，为我国公路规划、设计和运营管理提供了参考。

1 工程概况

万盛至正安高速公路砚石台枢纽互通位于万盛经开区北侧，与南万高速（万盛－南川）交叉实现交通转换。南万高速设计时速为80 km/h，双向四车道，路基宽度24.5 m。万正高速设计速度100 km/h，路基宽度为33.5 m和26 m两种，在枢纽互通内路基宽度从33.5 m渐变为26 m，由双向六车道渐变为双向四车道。

项目区处于四川盆地东缘与云贵高原交接地带，地层、岩性、构造及地貌等均处于两单元之间的过渡区，地形起伏大，最高点高程1 898 m，最低点高程约330 m，最大相对高差1 568 m，沟谷较发育，地表河流切割强烈，工程地质条件和水文地质条件整体较复杂。

根据交通量预测结果（远景2040年，如图1所示），万盛往返南川（637 pcu/h）、南川往返万盛（404 pcu/h）方向为主交通流方向，正安往返南川（183 pcu/h）、正安往返万盛（324 pcu/h）方向为次交通流方向。

2 工程难点及设计方案

2.1 枢纽互通布设原则

形式紧凑，占地少。随着土地政策的收紧，土地愈来愈成为限制方案因素之一。

对既有高速干扰小。施工过程中难免对已通车高速存在干扰，应尽量减少对原高速干扰。

尽量减少报废工程。报废工程一方面会导致工程投资增大，另一方面会对社会产生不良印象。

2.2 枢纽互通布设难点

（1）相交高速高差大。南万高速万盛至南川方向以3.9%的坡度和缓坡段间断设置，一路爬坡，枢纽互通交叉点南万高速NWK7+755.087（H=490.767 m）=万正高速YK16+584.450（H=593.018 m），交叉点高差102.251 m。

（2）地形条件差，构造物多。南万高速布设于孝子河东岸单面斜坡上，地形陡峻，构造物多，基本为桥隧相连。南万高速在万盛方向设有一座老房子隧道（l =123 m），在南川方向设有一座青山隧道（l =797.7 m），受两高速高差及隧道口与互通出入口间距的影响，该枢纽互通设于两隧道之间。万正高速永胜特大桥（7×40+153+340+153+6×

40）m先后跨越三万南铁路、南桐矿业矿区铁路和孝子河，再与南万高速交叉，而后跨越万南铁路（停运），设置老房子隧道，枢纽互通布设考虑以特大桥边跨和老房子隧道为控制因素，设置于永胜特大桥和老房子隧道之间。

（3）地质条件复杂，互通区下伏采空区。该处覆盖层为黏土、粉砂质黏土、黏土夹碎石，厚0～3 m，基岩主要有侏罗系、三叠系和志留系地层组成，岩性为泥岩、石英砂岩、砂质泥岩、粉砂岩、白云岩、灰岩、生物灰岩、泥灰岩、页岩、碳质页岩夹煤层，岩性复杂[3]。场区分布砚石台煤矿、水井湾煤矿和芭蕉湾煤矿（都在2013年关闭），煤层方向与南万高速平行。

（4）地表水比较丰富，分布着孝子河。地下水主要为基岩裂隙水、基岩岩溶水和采空区地下水，岩溶轻度发育。

（5）干扰因素多。万南铁路位于南万高速右侧30～40 m，与高速并行，较南万高速高3 m。目前已废弃，但产权仍在，需考虑避让。

2.3 方案设计

南万高速左侧两个象限为深峡谷，受永胜特大桥控制，只能在南万高速右侧两个象限布设匝道。南万高速万盛至南川方向一路爬坡，为减小接线高差，枢纽尽可能地靠近南川方向，同时受老房子隧道和青山隧道间距的影响，布设方案时，保证变速车道出入口与两隧道口之间的净距满足要求。

2.3.1 方案一：T+单喇叭A形

该方案为变异T+A形喇叭的形式（如图2所示），南万高速半部分采用变异T形，万正高速半部分采用A形喇叭，充分利用了有限的地形进行展线，该方案比较紧凑，但该方案主要问题为万正－南万高速方向出口匝道与永胜隧道之间的净距不满足立交细则的要求[4]，运营过程中存在较大的安全隐患。

2.3.2 方案二：双T形

基于解决方案一所存在问题的思路出发，提出优化方案二，如图3所示。万正高速永胜特大桥边跨主墩（K16+658）与永胜左幅洞口（K17+636）距离只有978 m，南万高速－正安往返方向匝道采用先合后分的形式，即变异双T形枢纽互通方案。该方案优化了变速车道与隧道之间的净距问题，使得行车安全性得以提高。

3 方案比选

K线方案一和方案二相比指标相当，方案一与方案二相比匝道长度增长192.293 m，匝道桥梁增长576 m/座，建安费增加1 475万元。方案一正安－南万高速方向匝道不满足公路立体交叉设计细则中互通出口与隧道出口净距400 m的要求，在隧道内提前设置指示标牌，存在较大的安全隐患。所以将方案二作为推荐方案，方案一作为比较方案。方案比较表如表1所示。

4 通行能力分析

方案二的问题在于从南万高速至万盛方向和万正方向至南万高速车流存在交织，对主线服务水平有一定影响，从而在枢纽内部容易造成交通瓶颈路段，最终导致交通事故的发生，所以对方案二交织段通行能力进行研究。

（1）确定交织区交通运行参数：已知l =635.125 m，交织段内总车道数N=3，vFF=100 km/h

（2）计算交通流率：

交织段内总的交织流率：Qw=QBC+QAD=412 pcu/h

交织段内总的非交织流率：Qnw=QAC+QBD=3 432 pcu/h

总的交通流率：Q=Qw+Qnw=3 844 pcu/h

流量比：QR=Qw/Q=0.11

交织比：R=Qw2/Qw=0.38

（3）确定交织区构型：由于A→D和B→C的交通流都需要1次车道变换，该交织区构型为A型。

（4）确定交织区运行状态：

①计算交织强度系数Ww和Wnw：A型交织区在非约束运行状态下计算交织强度系数计算常数为：a=0.15，b=2.2，c=0.97，d=0.80，则交织强度系数如下：

计算非交织强度系数计算常数：a=0.003 5，b=4.0，c=1.3，d=0.75，所以，非交织强度系数如下：

②计算交织车辆运行速度vw和非交织车辆运行速度vnw：已知高速公路自由流速度vFF=100 km/h，根据以往的研究成果，最小车速一般取24 km/h，最大车速取设计速度加8 km/h。由此交织车辆平均车速：

79.3 km/h

非交织车辆平均车速：

94.76 km/h

③确定运行状态：由于所分析的交织区为A型交织区，计算非约束运行所需的车道数Nw：

同时A型交织区所能提供的最大交织宽度Nwmax=1.4，而Nw=0.66

（5）计算交织区状况评价指标：

①计算交织区速度：

94.67 km/h

②计算交织段车流密度：

13.53 pcu/km/车道

（6）确定服务水平：一级服务水平的临界密度为7.0 pcu/km/车道，二级服务水平的临界最大密度为18.0 pcu/km/车道，因此该交织区为二级服务水平。

（7）确定通行能力：由于該交织区为A型，3车道，自由流速度为100 km/h，流量比为0.11，QR为0.1时的通行能力为5 400 pcu/h/车道，QR为0.2时的通行能力为4 900 pcu/h/车道，按QR=0.18内插可得C=5 350 pcu/h。

结论：交织段服务水平为二级，通行能力满足要求。

5 结论

由于山区峡谷高速复杂的地形地质条件，互通往往不能布置为标准的形式，所以互通的布设应在满足功能的情况下，发散思维，不拘泥于固定的布置形式。

互通方案的布置不是一蹴而就的，而是一个不断深入、不断优化的过程，只有将各种受控因素相协调，各控制因素相平衡，才能选出安全、经济、合理的方案。

高速公路中车流的交织需要一定的距离，如果交织距离过短，将导致交通流紊乱，当紊乱达到一定程度将会导致公路堵塞，甚至安全事故的发生。所以在设计阶段，应对交织段进行通行能力计算，保证足够的交织距离，使得交织段通行能力满足要求。

参考文献

[1]冯玉荣， 杨少伟， 杨宏志， 等. 高速公路交织区运行分析方法对比研究[J]. 公路交通科技， 2018（8）： 135-143.

[2]Transportation Research Board. Highway Capacity Manual 2010[M]. Washington D. C. ： Transportation Research Board， 2010.

[3]周荣贵， 钟连德. 公路通行能力手册[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2017.

[4]刘子剑. 公路立体交叉设计细则[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2014.