張 強(qiáng)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 工程概述

擬建山西省祁縣至離石高速公路起點(diǎn)位于晉中市祁縣城趙鎮(zhèn)北，接榆祁高速公路（S60）及京昆高速公路（G5），路線經(jīng)晉中市祁縣、呂梁市文水縣、交城縣、離石區(qū)，與呂梁環(huán)城高速公路在離石區(qū)信義鎮(zhèn)相連接，主線設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度25.5 m，按四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。城趙樞紐位于祁縣城趙鎮(zhèn)修善村西北，順接榆祁高速公路，并與京昆高速大運(yùn)段形成十字交叉，城趙樞紐原為B型單喇叭式互通立交實(shí)現(xiàn)大運(yùn)高速與榆祁高速交通轉(zhuǎn)換，現(xiàn)階段改建該B型單喇叭城趙樞紐實(shí)現(xiàn)京昆、榆祁、祁離3條高速之間的交通轉(zhuǎn)換。

2 樞紐互通式立交的選型布設(shè)原則

a）樞紐互通立交的設(shè)置應(yīng)符合公路網(wǎng)現(xiàn)有及遠(yuǎn)景規(guī)劃的要求，保證高速公路交通流的暢通。在樞紐立體交叉的設(shè)置上，不僅要考慮被交叉高速公路平縱指標(biāo)，還要考慮樞紐本身的形式和規(guī)模，更主要的是要考慮該樞紐與整個(gè)公路網(wǎng)上立體交叉系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性與一致性，以便提高整個(gè)公路網(wǎng)交通、物流轉(zhuǎn)換的效率。

b）樞紐互通立體交叉的型式選擇應(yīng)與相交高速公路的功能性質(zhì)、使用任務(wù)和遠(yuǎn)景交通量相適應(yīng)；應(yīng)結(jié)合互通的定位與項(xiàng)目所在地的自然條件、地形、地物、地質(zhì)條件和環(huán)境條件相適應(yīng)。

c）樞紐互通立交型式選擇要全面考慮近遠(yuǎn)期結(jié)合，既要考慮近期交通轉(zhuǎn)換、物流等的要求，減少造價(jià)，又要考慮遠(yuǎn)期交通發(fā)展改擴(kuò)建提高使用性能及服務(wù)水平的可能。

d）樞紐互通立交型式的選擇和匝道布置要全面安排，分清主次。涉及到改擴(kuò)建的樞紐互通立交，還要結(jié)合公路網(wǎng)中互通等交通節(jié)點(diǎn)的分布，在考慮保證原互通安全通暢的前提下，盡量利用原互通工程的匝道等，節(jié)省造價(jià)，提高工程的經(jīng)濟(jì)合理性。

3 樞紐互通式立交的設(shè)置理由及功能

a）城趙樞紐互通立交位于祁縣城趙鎮(zhèn)修善村西北，順接榆祁高速公路，并與京昆高速大運(yùn)段形成十字交叉，實(shí)現(xiàn)大運(yùn)高速與榆祁高速交通轉(zhuǎn)換。

b）根據(jù)祁離高速公路工程可行性研究報(bào)告城趙樞紐互通立交近期及遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)年度總交通量結(jié)果，城趙樞紐互通立交交通出行量較大，在此設(shè)置樞紐互通立交，符合交通發(fā)展的需求。

c）隨著榆次龍白至祁縣城趙（榆祁）高速于2012年的建成通車(chē)，建設(shè)從離石經(jīng)榆祁高速去往北京、山東方向的快速通道對(duì)于推動(dòng)太原城市化進(jìn)程、優(yōu)化區(qū)域路網(wǎng)作用顯著，本樞紐互通立交作為兩條高速公路的交匯點(diǎn)，加快其建設(shè)勢(shì)在必行。

d）原承擔(dān)京昆高速大運(yùn)段與榆祁高速公路交通轉(zhuǎn)換的城趙樞紐為B型單喇叭，現(xiàn)規(guī)劃建設(shè)的祁離高速公路將與榆祁高速公路順接與京昆高速形成十字交叉，宜將B型單喇叭改建為十字樞紐；另外，現(xiàn)B型單喇叭城趙樞紐建成通車(chē)以來(lái)因主線設(shè)計(jì)速度與互通內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)速度差值超過(guò)了20 km/h，在運(yùn)營(yíng)上存在一定壓力，這次對(duì)該樞紐的改建有助于提高交通轉(zhuǎn)換效率。

4 設(shè)置樞紐互通式立交的制約因素

設(shè)計(jì)提出了4個(gè)方案，基于在原榆祁高速城趙樞紐B型單喇叭處進(jìn)行完全拆除新建、利用部分匝道進(jìn)行改建、另外選址布設(shè)互通進(jìn)行交通轉(zhuǎn)換3個(gè)研究方向。在方案研究過(guò)程中有以下制約因素需要考慮。

a）設(shè)置樞紐處，受大運(yùn)高速公路、榆祁高速公路、原榆祁高速城趙樞紐互通立交、思賢村、苗家堡村、修善村及原東村的限制，樞紐互通及主線布設(shè)空間有限是方案布設(shè)的制約因素之一。

b）祁縣地處晉中平原，項(xiàng)目區(qū)均為優(yōu)質(zhì)基本農(nóng)田，樞紐互通的占地規(guī)模大是方案布設(shè)的制約因素之一。

c）樞紐所在區(qū)域?yàn)樗假t村、苗家堡村、修善村及原東村四村中心處，且有果業(yè)廠、酒廠等地方企業(yè)，地方道路密集，樞紐互通的布設(shè)對(duì)原狀道路的阻斷以及帶來(lái)的社會(huì)影響是方案布設(shè)的制約因素之一。

d）樞紐所在區(qū)域昌源河道、東二支干渠、天然氣管道、通訊管線、電力線、國(guó)防光纜線較為密集，是方案布設(shè)的制約因素之一。

e）樞紐互通位于太原-晉中都市圈，毗鄰山西省政治經(jīng)濟(jì)文化中心，政治經(jīng)濟(jì)文化活躍，承擔(dān)大運(yùn)高速公路與榆祁高速公路交通轉(zhuǎn)換任務(wù)的城趙樞紐交通大，方案實(shí)施期間是方案布設(shè)的制約因素之一。

圖1 原榆祁高速城趙樞紐

圖2 工程選址處概況

5 轉(zhuǎn)向交通量分析

公路的交通量是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而變化，其遠(yuǎn)景設(shè)計(jì)年限交通量應(yīng)包括正常增長(zhǎng)的交通量以及誘增交通量。設(shè)計(jì)交通量應(yīng)根據(jù)交通工程學(xué)原理，進(jìn)行切實(shí)的調(diào)查、統(tǒng)計(jì)，通過(guò)科學(xué)的分析、預(yù)測(cè)，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，求得設(shè)計(jì)年限內(nèi)年平均日交通量（AADT）作為設(shè)計(jì)依據(jù)。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用設(shè)計(jì)小時(shí)交通量對(duì)匝道的通行能力及橫斷面采用的車(chē)道數(shù)等進(jìn)行驗(yàn)算。為設(shè)計(jì)使用方便，本樞紐互通交通組成以及每條匝道各方向的年平均日交通量均用交通量分布圖反映[1]。根據(jù)祁縣至離石公路工可報(bào)告，得到榆社樞紐互通立交2038年預(yù)測(cè)末年平均日交通量：

太原→榆次3 987 pcu/d；太原→離石3 827 pcu/d；榆次→太原3 734 pcu/d；離石→太原4 087 pcu/d；運(yùn)城→榆次5 245 pcu/d；運(yùn)城→離石4 771 pcu/d；榆次→運(yùn)城5 532 pcu/d；離石→運(yùn)城4 835 pcu/d。

圖3 匝道交通量計(jì)算圖[單位：pcu/d(pcu/h)]

匝道設(shè)計(jì)小時(shí)交通量按（1）式計(jì)算：

式中：DDHV為單向設(shè)計(jì)小時(shí)交通量，veh/h；AADT為預(yù)測(cè)年度的年平均日交通量，veh/d；D為方向不均勻系數(shù)（0.5～0.6，一般取0.55）；K為第30個(gè)高峰小時(shí)交通量與AADT的比值（0.1～0.12）。

經(jīng)計(jì)算得到設(shè)計(jì)年限末匝道單向設(shè)計(jì)小時(shí)交通量最大為664 pcu/h（榆次至運(yùn)城方向）。

圖4 匝道各方向的年平均日交通量分布圖

6 樞紐互通式立交方案布置及方案比選論證

城趙樞紐互通立交位于祁縣城趙鎮(zhèn)修善村西北，順接榆祁高速公路，并與京昆高速大運(yùn)段形成十字交叉，其交叉角度為90°。樞紐所在主線祁離高速公路設(shè)計(jì)速度為80 km/h，路基寬度26 m，四車(chē)道高速公路；大運(yùn)高速公路設(shè)計(jì)速度為120 km/h，路基寬度28.5 m，六車(chē)道高速公路；榆祁高速公路設(shè)計(jì)速度為100 km/h，路基寬度33.5 m，六車(chē)道高速公路。

本項(xiàng)目通過(guò)十字交叉樞紐直接接通榆祁高速公路、京昆高速，避免了榆祁高速公路、本項(xiàng)目雙線交通流抵達(dá)城趙樞紐后，交通流匯集至京昆高速公路城趙至交城段，從而形成嚴(yán)重的交通瓶頸路段，進(jìn)而引發(fā)路網(wǎng)振蕩。采用十字交叉方式，從大的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，形成并行的雙線通道，對(duì)于平衡區(qū)域交通需求具有重要意義。因此，建議城趙樞紐按全互通形式設(shè)計(jì)改造。所以在初步設(shè)計(jì)階段擬定了4個(gè)方案，城趙樞紐方案對(duì)比表見(jiàn)表1，各方案分述如下。

表1 城趙樞紐方案對(duì)比表

6.1 方案一（完全新建為對(duì)頂苜蓿葉型式樞紐）

結(jié)合地形條件及交通量預(yù)測(cè)結(jié)果，匝道單向設(shè)計(jì)小時(shí)交通量最大為664 pcu/h，轉(zhuǎn)向交通量較大，方案一擬拆除既有的榆祁高速公路城趙樞紐互通立交，采用對(duì)頂苜蓿葉型樞紐。對(duì)離石至太原、榆次至運(yùn)城方向的采用半定向匝道設(shè)計(jì)；對(duì)太原至離石、離石至運(yùn)城、運(yùn)城至榆次、榆次至太原方向采用定向匝道設(shè)計(jì)；對(duì)太原至榆次、運(yùn)城至離石方向采用環(huán)形匝道設(shè)計(jì)。為減少相鄰環(huán)形匝道出入口交織問(wèn)題，對(duì)太原至榆次、運(yùn)城至離石兩條匝道方向采用提前分離式環(huán)形匝道。

考慮到運(yùn)城至榆次定向匝道，運(yùn)城至榆次半定向匝道設(shè)計(jì)速度為60 km/h，且匝道長(zhǎng)度大于500 m，考慮超車(chē)需要，所以擬定其采用雙車(chē)道出口的單向雙車(chē)道匝道，路基寬采用10.5 m；太原至榆次方向環(huán)形匝道、運(yùn)城至離石方向環(huán)形匝道設(shè)計(jì)速度為40 km/h，榆次至太原定向匝道設(shè)計(jì)速度為60 km/h，路基寬度采用9 m；其余匝道設(shè)計(jì)速度為60 km/h，均采用單車(chē)道出入口的雙車(chē)道匝道，路基寬采用10.5 m。方案一共設(shè)橋梁13座，橋梁總長(zhǎng)度為3 038.798 m，占地652畝，造價(jià)2.2億元。

方案一綜合考慮互通式立交各方向匝道的交通量分布情況，主流方向的匝道采用了較高的線形指標(biāo)，總體布局合理，各項(xiàng)指標(biāo)均衡。合流、分流處具有良好的線形及通視條件，各匝道平縱橫指標(biāo)協(xié)調(diào)，保證了車(chē)輛行駛的順適流暢，主線一橋跨越五線，視線開(kāi)闊，極大地照顧了駕駛員的生理以及心理，有利于安全行車(chē)，實(shí)現(xiàn)了人、車(chē)、環(huán)境、社會(huì)的有機(jī)結(jié)合。方案一整體造型對(duì)稱美觀，布局緊湊合理、占地少、造價(jià)低，故本階段擬取方案一為城趙樞紐互通立交推薦方案。

圖5 城趙樞紐方案一

6.2 方案二（完全新建為變異苜蓿葉型式樞紐）

方案二擬拆除原榆祁高速公路B型單喇叭城趙樞紐完全新建為變異苜蓿葉型式樞紐實(shí)現(xiàn)大運(yùn)、祁離、榆祁3條高速的連通。對(duì)榆次至運(yùn)城、運(yùn)城至離石方向采用半定向匝道設(shè)計(jì)；對(duì)太原至離石、離石至運(yùn)城、運(yùn)城至榆次、榆次至太原方向采用定向匝道設(shè)計(jì)；對(duì)太原至榆次、離石至太原方向采用環(huán)形匝道設(shè)計(jì)。

圖6 城趙樞紐方案二

太原至榆次方向、離石至太原采用環(huán)形匝道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度為40 km/h，路基寬度為9 m。其余匝道設(shè)計(jì)速度均為60 km/h。其中，榆次至運(yùn)城、運(yùn)城至榆次方向兩個(gè)匝道采用雙車(chē)道出入口雙車(chē)道設(shè)計(jì)，其余匝道采用單車(chē)道出入口的雙車(chē)道設(shè)計(jì)，路基寬均為10.5 m。方案一共設(shè)橋梁12座，橋梁總長(zhǎng)度為2 761.262 m，占地698畝，造價(jià)2.3億元。

方案二同方案一具有總體布局緊湊合理，各項(xiàng)指標(biāo)均衡的優(yōu)點(diǎn)，且方案二與交通流更相適應(yīng)，所設(shè)環(huán)形匝道半徑稍高（R=70 m，方案一R=65 m），但兩環(huán)形匝道存在平面交織段，需設(shè)置附加車(chē)道，根據(jù)交通量計(jì)算，附加車(chē)道設(shè)置長(zhǎng)度較長(zhǎng)，交織點(diǎn)多，另外主線縱斷面線位較高，環(huán)形匝道與主線速度差較大，對(duì)行車(chē)安全不利，較方案一占地要大，造價(jià)略高。

6.3 方案三（部分利用原榆祁高速公路B型單喇叭城趙樞紐改建為混合型式樞紐）

方案三擬拆部分利用原榆祁高速公路B型單喇叭城趙樞紐改建為混合型式樞紐實(shí)現(xiàn)大運(yùn)、祁離、榆祁3條高速的連通。祁離高速與榆祁高速主線采用分離式路基實(shí)現(xiàn)連通。對(duì)離石至太原、運(yùn)城至離石方向采用半定向匝道設(shè)計(jì)；對(duì)太原至離石、離石至運(yùn)城、運(yùn)城至榆次、榆次至太原方向采用定向匝道設(shè)計(jì)；對(duì)太原至榆次、榆次至運(yùn)城方向利用原榆祁高速城趙樞紐的部分匝道進(jìn)行設(shè)計(jì)。

榆次至運(yùn)城方向以及太原至榆次方向利用原互通匝道。其中太原至榆次方向?yàn)榄h(huán)形匝道，設(shè)計(jì)速度為40 km/h，路基寬度為9 m。

圖7 城趙樞紐方案三

原A匝道（榆祁高速直連雙向匝道）為雙向三車(chē)道，路基寬度為22.25 m。原榆次至運(yùn)城方向匝道設(shè)計(jì)速度為60 km/h，為單向雙車(chē)道入口的雙車(chē)道匝道，路基寬度為13 m，其余新建匝道設(shè)計(jì)速度均為60 km/h。其中，新建運(yùn)城至榆次方向匝道采用雙車(chē)道出入口雙車(chē)道匝道設(shè)計(jì)，其余匝道均采用單車(chē)道出入口雙車(chē)道匝道設(shè)計(jì)，路基寬為10.5 m。方案三共設(shè)橋梁13座，橋梁總長(zhǎng)度為5 714.684 m，占地836畝，造價(jià)3.0億元。

基于原榆祁高速城趙樞紐建成通車(chē)投入使用不久，直接拆除新建造成的社會(huì)負(fù)面影響大，且互通承擔(dān)太原、榆次、祁縣兩市一縣的交通轉(zhuǎn)換任務(wù)，阻斷該樞紐的交通轉(zhuǎn)換后會(huì)對(duì)兩市一縣的其他道路造成一定的交通壓力，我們提出了利用原有互通的部分匝道進(jìn)行改建、分步實(shí)施保證原交通通暢的方案三，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠利用部分匝道，在施工過(guò)程中，能夠利用原互通進(jìn)行保通，缺點(diǎn)是利用的3條匝道未能解決長(zhǎng)直線接小半徑環(huán)形匝道的問(wèn)題，且主線需分幅建設(shè)，新建橋梁數(shù)量多、長(zhǎng)度長(zhǎng)、規(guī)模大、占地大、造價(jià)高。

6.4 方案四（完全利用原榆祁高速公路B型單喇叭、另選址新建一處單喇叭互通與原榆祁高速城趙樞紐復(fù)合）

圖8 城趙樞紐方案四

方案四擬全利用原榆祁高速公路B型單喇叭、另選址新建一處單喇叭互通與原榆祁高速城趙樞紐復(fù)合實(shí)現(xiàn)大運(yùn)、祁離、榆祁3條高速的連通。

方案四是基于方案一、方案二拆除原榆祁高速城趙樞紐帶來(lái)的社會(huì)負(fù)面影響大、保通方案難實(shí)施和方案三占地大、造價(jià)高等缺點(diǎn)而提出來(lái)的。方案四具有工程規(guī)模小、占地少、造價(jià)低、簡(jiǎn)潔明快、實(shí)施容易等優(yōu)點(diǎn)。但此方案的設(shè)計(jì)主觀放棄了對(duì)直行主要交通量的照顧、多個(gè)方向行車(chē)需要多次確認(rèn)容易錯(cuò)行、標(biāo)志牌設(shè)置易混淆、節(jié)點(diǎn)提前預(yù)告難度大、交通轉(zhuǎn)換效率較低。因此僅作為定性比較方案。

綜上所述，根據(jù)預(yù)測(cè)交通量結(jié)果，結(jié)合樞紐互通的功能、實(shí)際地形條件等，綜合考慮4個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定方案一（拆除原榆祁高速公路B型單喇叭城趙樞紐完全新建為對(duì)頂苜蓿葉型式樞紐）為推薦方案。

7 結(jié)語(yǔ)

高速公路樞紐立體交叉規(guī)劃布局選型合理與否，對(duì)交叉通行能力的提高、交通轉(zhuǎn)換效率的增加、交通的安全、行駛時(shí)間的節(jié)省和高速公路功能的發(fā)揮都有很大影響。它不僅關(guān)系到高速公路所在地區(qū)的整體規(guī)劃，還關(guān)系到高速公路的整體使用效果和高速公路的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，在規(guī)劃和布設(shè)高速公路立體交叉時(shí)，應(yīng)從全局出發(fā)，充分考慮整個(gè)公路網(wǎng)系統(tǒng)的功能和要求，綜合交通條件、自然條件及社會(huì)狀況，經(jīng)全面分析論證后確定[2]。在方案的設(shè)計(jì)中要全面考慮、通盤(pán)布局、協(xié)調(diào)均衡、詳致計(jì)算、細(xì)致校核，爭(zhēng)取把每座互通式立交設(shè)計(jì)成為滿足功能、適應(yīng)地形、線形流暢、行駛安全的精品工程。