新建樞紐互通交通組織設(shè)計方案研究

張 鄒,王金鵬,趙 倫

(廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

截至2022年年底,廣西高速公路通車總里程已突破8 000 km,實現(xiàn)了縣縣通高速公路[1]。隨著《廣西綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃(2021—2035)》“一環(huán)十二橫十三縱二十五聯(lián)”的高速公路網(wǎng)絡(luò)逐步完善,新建的高速公路將無法避免與現(xiàn)有高速公路交叉。一般設(shè)置樞紐互通以承擔(dān)各向交通轉(zhuǎn)換功能[2]?；ネㄊ┕け囟▽Ρ唤桓咚俟吩斐芍卮笥绊?因此,新建樞紐互通的交通組織設(shè)計尤為重要。

20世紀(jì)80年代,國外首先提出對高速公路施工區(qū)制定合理的交通組織設(shè)計,包括優(yōu)化施工區(qū)交管措施、作業(yè)區(qū)位置和長度等[3]。經(jīng)多年實踐與研究,現(xiàn)今國內(nèi)在高速公路施工區(qū)通常采用“半幅封閉半幅通車”的交通組織設(shè)計方式[4],并對該設(shè)計方式下的施工區(qū)車速、封閉開口長度等具體細(xì)部的交通特征參數(shù)進(jìn)行了大量的研究和評價[5-8]。

從宏觀上來看,“半幅封閉半幅通車”方式需要花費較長時間封閉通行車道,公路單向通行能力大幅降低,嚴(yán)重改變原有行車狀態(tài),在長距離的建設(shè)路段中容易出現(xiàn)較大的交通安全事故。

為了提高工程建設(shè)路段的安全性,本文結(jié)合高速公路改擴(kuò)建和養(yǎng)護(hù)技術(shù),通過分析施工區(qū)形式、交通影響因素,相對傳統(tǒng)方式,提出了“部分封閉”的交通組織設(shè)計新方式,并將新方式應(yīng)用于實際工程中。

1 交通組織設(shè)計原則

新建樞紐互通交通組織設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循“安全、有序、經(jīng)濟(jì)、環(huán)?！钡脑瓌t[9]。交通組織設(shè)計的前提旨在保證安全,為公路施工全周期各項工作提供保障。

(1)安全性。同時保障施工全過程高速公路行車和施工車輛及人員的安全。

(2)有序性。既保通施工區(qū)段,也要考慮樞紐互通所在大區(qū)域總體路網(wǎng)交通秩序。

(3)經(jīng)濟(jì)性。降低工程造價,力求永臨結(jié)合,充分利用現(xiàn)有資源。

(4)環(huán)保性。充分利用項目建設(shè)過程中臨時設(shè)施和防護(hù)設(shè)施,減少對周邊環(huán)境的影響。

2 施工區(qū)形式及交通影響因素分析

2.1 施工區(qū)形式

本文主要針對主線及匝道上跨現(xiàn)有高速公路方式進(jìn)行研究。新建樞紐互通范圍至少設(shè)置1座主線跨線橋、2座匝道跨線橋。因此,互通建設(shè)的施工區(qū)可劃分為[10]:(1)跨線橋施工區(qū);(2)匝道連接部施工區(qū)。

2.1.1 跨線橋施工區(qū)

高速公路跨線橋施工主要包含兩個方面:

(1)現(xiàn)有高速公路中央分隔帶內(nèi)的中墩施工,常采用鉆孔灌注樁,含沖孔鉆和旋挖鉆等。如圖1所示,中墩作業(yè)的機(jī)械和人員的工作面必須占用現(xiàn)有高速公路兩側(cè)內(nèi)側(cè)各1個車道。

圖1 跨線橋施工區(qū)示意圖

(2)橋梁上構(gòu)施工。跨線橋上構(gòu)施工方法有落地支架施工法、懸臂澆筑法、頂推施工法、機(jī)械吊梁法等[11]。上構(gòu)施工過程中,跨線橋單跨施工時至少需要占用半幅路基寬度,如圖2所示。

圖2 半幅封閉半幅通車施工示意圖

由此可見,跨線橋施工全過程均需要預(yù)留施工空間,對橋下空間持續(xù)產(chǎn)生重大干擾。

2.1.2 匝道連接部施工區(qū)

互通連接部或拼寬段通常設(shè)在高速公路外側(cè),施工期間會占用高速公路外側(cè)硬路肩,路側(cè)施工對靠近硬路肩外側(cè)行車道通行存在較大的橫向影響。見圖3。

圖3 匝道連接部施工區(qū)示意圖

2.2 施工區(qū)交通影響因素分析

根據(jù)不同階段施工區(qū)形式的變化,互通區(qū)作業(yè)對被交高速公路的影響具體表現(xiàn)在通行能力、通行時間、行車安全性三個方面。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究[12-13],一般采用基準(zhǔn)通行能力修正法對施工區(qū)各段各向因素對交通狀況的影響進(jìn)行分析,則施工區(qū)實際通行能力C為:

C=CB×fW×fHV×fp×ft×n

(1)

式中:CB——限速下基準(zhǔn)通行能力;

fW——車道寬度及側(cè)向余寬修正系數(shù);

fHV——大型車修正系數(shù);

fp——駕駛員對環(huán)境熟悉程度系數(shù);

ft——作業(yè)區(qū)強(qiáng)度修正系數(shù);

n——保通車道數(shù)。

相同作業(yè)區(qū)車輛的通行時間與實際行車速度有關(guān),其理想行車速度即為該路段的限制速度。根據(jù)作業(yè)區(qū)的封閉狀況,實際道路條件下應(yīng)對理想行車速度進(jìn)行修正[14]:

VR=V0+ΔVW+ΔVN

(2)

式中:VR——實際行車速度;

V0——限制速度;

ΔVW——車道寬度和路側(cè)凈寬對車速修正系數(shù);

ΔVW——車道數(shù)對車速修正系數(shù)。

由式(1)、(2)可知,在同一路段上同一限速狀態(tài)下,CB、fHV基本不變,C與fW、fp、ft、n成正比;fW、ft、n可由交通組織設(shè)計進(jìn)行控制;VR受施工區(qū)限速和通行車道數(shù)影響最大。因此,若要減小施工區(qū)對高速公路運營的影響,基于施工區(qū)臨時設(shè)施設(shè)置滿足行車安全的前提下,可以通過提升施工區(qū)限速V0、增加保通車道數(shù)n、減少通行方式變更頻率fp、控制作業(yè)密集區(qū)域的影響范圍ft的方式對交通組織設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整和改變。

3 “半幅封閉半幅通車”交通組織設(shè)計

為了對交通組織設(shè)計進(jìn)行具體分析,本文依托南寧市周邊某新建高速公路樞紐互通的交通組織設(shè)計方案進(jìn)行研究。該項目為《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2018—2030)》中“聯(lián)13”的重要組成部分。項目建成后將成為廣西南寧直達(dá)廣東最為便捷的高速通道。項目主線設(shè)計速度為120 km/h,雙向四車道。項目起點上跨南寧市城區(qū)運營的最大繞城高速公路,交叉處設(shè)置對向雙苜蓿葉樞紐互通,互通主線及匝道均上跨被交高速公路。南寧繞城高速公路設(shè)計速度為120 km/h,雙向四車道。

目前國內(nèi)在實際工程中最常用的是“邊運營邊施工模式”下的“雙向車道保通”方式,即“半幅封閉半幅通車”的交通管制作業(yè)理念。為便于后續(xù)對比分析,將“半幅封閉半幅通車”設(shè)計方式定為“方案1”,方案1一般按照以下四個階段實施:

階段一:跨線橋中墩施工。封閉主線兩側(cè)各一個內(nèi)側(cè)車道,中分帶與車道共同組成主線及匝道跨線橋中墩施工對稱“梯形”作業(yè)面。被交高速公路上雙向各一個外側(cè)車道通行。如圖4所示,圖中虛線表示互通建設(shè)區(qū),陰影為封閉區(qū)。

圖4 跨線橋中墩作業(yè)示意圖

階段二:跨線橋上構(gòu)施工,包含兩個步驟:(1)施工右側(cè)跨徑上構(gòu)時,封閉右幅高速公路,左幅采用對向單車道通行;(2)同理施工左側(cè)橋梁上構(gòu)。見圖5。

圖5 跨線橋上構(gòu)作業(yè)示意圖

階段三:連接部施工。跨線橋施工完成后,解除路中封閉區(qū)。封閉接入被交高速公路匝道連接部及拼寬段的外側(cè)硬路肩,高速公路雙向內(nèi)側(cè)車道正常通行,外側(cè)車道通行存在橫向干擾。見圖6。

圖6 連接部及拼寬作業(yè)示意圖

階段四:待各施工區(qū)完成后,開放主線及匝道,引導(dǎo)車流正常通行。

4 “部分封閉”交通組織設(shè)計

傳統(tǒng)的“半幅封閉半幅通車”交通組織設(shè)計在長期實踐過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題:(1)中間墩作業(yè)期間,混凝土罐車、渣土車等頻繁進(jìn)出的施工機(jī)械在高速公路上與社會車輛存在交織;(2)施工過程中較長時間單向僅留1個車道通行,容易造成社會車輛相互沖撞或駛?cè)胱鳂I(yè)區(qū);(3)橋梁施工臨時構(gòu)件的搭建會導(dǎo)致通行方式的多次變化,使得現(xiàn)場管理相當(dāng)復(fù)雜;(4)施工區(qū)限速一般≤40 km/h,通行時間過長。基于以上問題,結(jié)合交通影響因素分析結(jié)果,本文提出了“部分封閉”式交通組織設(shè)計的方案,并在該方式下,根據(jù)工程規(guī)模及實際情況設(shè)計了兩個不同子方案進(jìn)行對比,詳見交通組織設(shè)計方案2-1和方案2-2。

4.1 交通組織設(shè)計方案2-1

方案2-1可分為四個階段。

階段一:修建臨時道路。臨時道路G1、G2均采用二級公路標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計速度為60 km/h,路基寬度為10 m。封閉樞紐互通匝道與被交高速公路連接口處硬路肩,修建臨時接口。同步優(yōu)先修建匝道A、B、C、D和線外橋跨。見圖7。

圖7 修建臨時道路示意圖

階段二:全封閉建設(shè)。開放樞紐互通匝道與被交高速公路側(cè)邊臨時開口,將玉洞-安吉方向車流引導(dǎo)至臨時開口→C匝道→臨時道路G2→B匝道→臨時開口。將安吉-玉洞方向車流引導(dǎo)至臨時開口→A匝道→臨時道路G1→D匝道→臨時開口。全線限速60 km/h。保持臨時道路G1、G2單向通行。完成車流引導(dǎo)后,可對被交高速公路全封閉建設(shè)。見圖8。

圖8 封閉區(qū)全面修建示意圖

階段三:連接部施工。封閉側(cè)邊臨時開口,封閉匝道A、B、C、D與繞城高速公路連接部及拼寬段硬路肩,對兩側(cè)路基拼接部分進(jìn)行施工。

階段四:待各施工區(qū)完成后,開放互通,正常通行。

4.2 交通組織設(shè)計方案2-2

考慮利用主線跨線橋橋下空間,對方案2-1通行速度和作業(yè)效率進(jìn)一步提升,可做如下調(diào)整:(1)改善臨時道路G1、G2線形指標(biāo),使得行車更為順暢;(2)壓縮臨時道路與被交高速公路間的空間,增加外部自由施工區(qū)域;(3)利用主線跨線橋通行,不間斷新建高速公路主線施工。見圖9。

圖9 方案2-2改善臨時道路示意圖

5 方案對比分析

上述三個交通組織設(shè)計方案在實施時均考慮了被交高速公路安全通行。臨時道路設(shè)置不超出互通范圍,無須額外新增用地,滿足項目用地要求。各方案不改變互通設(shè)計中排水方向,對周邊環(huán)保生態(tài)影響小。三個方案均符合交通組織原則要求。

由于該樞紐互通靠近南寧市區(qū),屬平原微丘區(qū),互通區(qū)域路基以填筑為主。為節(jié)約資源,方案2采用了“永臨結(jié)合”的方式實施。主要措施有:(1)根據(jù)匝道高程設(shè)計臨時道路縱坡,臨時道路與互通匝道重疊范圍的高程盡量貼合,做到匝道路基一次成型;(2)臨時道路兩側(cè)護(hù)欄利用互通預(yù)備安裝的防護(hù)設(shè)施,完成后重新拆裝。

分別對三個方案的相關(guān)工程量進(jìn)行計算,詳見表1。

表1 交通組織設(shè)計方案工程量對比表

與方案2相比,方案1建設(shè)項目少,施工過程集中于車道封控通行管理方面,需要在各階段均投入一定人員及設(shè)備以加強(qiáng)高速公路現(xiàn)場協(xié)管,確保通行安全。而方案2則需要增加計量臨時道路建拆費用及互通臨時排水防護(hù)費用等。由表1可知,方案2保通費用約為方案1的2～4倍。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮,方案1最優(yōu)。

相對方案1,方案2的臨時道路限制速度更加主觀可控,施工區(qū)通行速率隨著臨時道路指標(biāo)提升而增加。而方案1受現(xiàn)場管控影響較大,通行速率低。同時由表1可知,方案2全過程增加1倍的保通車道數(shù),降低了40%通行變化頻率。方案2采用臨時道路將高速公路交通流引導(dǎo)出高速公路以外,不僅減小了作業(yè)對行車的橫向干擾,還能夠靈活地控制整個工程的作業(yè)強(qiáng)度和施工進(jìn)度。方案2在應(yīng)對施工期間出現(xiàn)交通事故等特殊情況時,能夠更好地提供緊急管控通行空間,也能夠更快地疏通路面,減小社會影響。因此,在減小通行時間、增加通行能力及安全性方面,方案2更適應(yīng)實際需求。

方案2-2比方案2-1車輛通行速度更高,行車更順暢,通行速度基本與限制速度接近。但方案2-2的臨時道路長度增加了約2倍,臨時道路工程量擴(kuò)大了2～3倍,臨時排水工程增加約7.6倍,臨時交安措施費新增了2.3倍,總造價提高了約2倍?？梢?若采用“部分封閉”交通組織方式,在地形良好區(qū)域,互通保通工程費用與臨時道路長度基本成等比關(guān)系。同時方案2-2臨時道路下穿新建跨線橋的方式,也存在車輛對路側(cè)橋墩安全性影響的風(fēng)險。

綜合通行安全性、通行時間、工程經(jīng)濟(jì)性等各方面因素,本項目推薦采用方案2-1。

6 結(jié)語

在運營高速公路上新建樞紐互通,施工期間必然會對現(xiàn)有高速公路造成重大的影響,對施工期間施工區(qū)域的交通組織方式進(jìn)行合理設(shè)計尤為重要。本文基于高速公路改擴(kuò)建及養(yǎng)護(hù)技術(shù),詳細(xì)論述了新建樞紐互通在被交高速公路上的施工區(qū)形式及交通影響因素,定性分析了提高施工區(qū)通行能力、減少通行時間的理論方法。

(1)依托實際建設(shè)項目,對傳統(tǒng)的“半幅封閉半幅通車”交通組織設(shè)計方式各階段進(jìn)行詳細(xì)論述。結(jié)合實際工程情況,剖析了傳統(tǒng)方式的缺點,提出了雙向四車道高速公路“部分封閉”式交通組織設(shè)計方式,并對新方式實施的各階段進(jìn)行逐一分析。

(2)通過對各方案進(jìn)行工程分析,驗證結(jié)論有:傳統(tǒng)方式經(jīng)濟(jì)效益最好;“部分封閉”式交通組織設(shè)計能夠有效提升通行能力和安全性,減少通行時間,但需要增加一定的工程投資。

(3)本文研究以期為在既有高速公路上新建互通的交通組織設(shè)計有效地與工程實踐相結(jié)合提供參考和借鑒。