新建樞紐互通交通組織設計方案研究

張 鄒,王金鵬,趙 倫

(廣西交通設計集團有限公司,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,實現了縣縣通高速公路[1]。隨著《廣西綜合立體交通網規劃(2021—2035)》“一環十二橫十三縱二十五聯”的高速公路網絡逐步完善,新建的高速公路將無法避免與現有高速公路交叉。一般設置樞紐互通以承擔各向交通轉換功能[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計尤為重要。

20世紀80年代,國外首先提出對高速公路施工區制定合理的交通組織設計,包括優化施工區交管措施、作業區位置和長度等[3]。經多年實踐與研究,現今國內在高速公路施工區通常采用“半幅封閉半幅通車”的交通組織設計方式[4],并對該設計方式下的施工區車速、封閉開口長度等具體細部的交通特征參數進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,嚴重改變原有行車狀態,在長距離的建設路段中容易出現較大的交通安全事故。

為了提高工程建設路段的安全性,本文結合高速公路改擴建和養護技術,通過分析施工區形式、交通影響因素,相對傳統方式,提出了“部分封閉”的交通組織設計新方式,并將新方式應用于實際工程中。

1 交通組織設計原則

新建樞紐互通交通組織設計應當遵循“安全、有序、經濟、環保”的原則[9]。交通組織設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。既保通施工區段,也要考慮樞紐互通所在大區域總體路網交通秩序。

(3)經濟性。降低工程造價,力求永臨結合,充分利用現有資源。

(4)環保性。充分利用項目建設過程中臨時設施和防護設施,減少對周邊環境的影響。

2 施工區形式及交通影響因素分析

2.1 施工區形式

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

2.1.1 跨線橋施工區

高速公路跨線橋施工主要包含兩個方面:

(1)現有高速公路中央分隔帶內的中墩施工,常采用鉆孔灌注樁,含沖孔鉆和旋挖鉆等。如圖1所示,中墩作業的機械和人員的工作面必須占用現有高速公路兩側內側各1個車道。

圖1 跨線橋施工區示意圖

(2)橋梁上構施工?？缇€橋上構施工方法有落地支架施工法、懸臂澆筑法、頂推施工法、機械吊梁法等[11]。上構施工過程中,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留施工空間,對橋下空間持續產生重大干擾。

2.1.2 匝道連接部施工區

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

圖3 匝道連接部施工區示意圖

2.2 施工區交通影響因素分析

根據不同階段施工區形式的變化,互通區作業對被交高速公路的影響具體表現在通行能力、通行時間、行車安全性三個方面。根據國內相關研究[12-13],一般采用基準通行能力修正法對施工區各段各向因素對交通狀況的影響進行分析,則施工區實際通行能力C為:

C=CB×fW×fHV×fp×ft×n

(1)

式中:CB——限速下基準通行能力;

fW——車道寬度及側向余寬修正系數;

fHV——大型車修正系數;

fp——駕駛員對環境熟悉程度系數;

ft——作業區強度修正系數;

n——保通車道數。

相同作業區車輛的通行時間與實際行車速度有關,其理想行車速度即為該路段的限制速度。根據作業區的封閉狀況,實際道路條件下應對理想行車速度進行修正[14]:

VR=V0+ΔVW+ΔVN

(2)

式中:VR——實際行車速度;

V0——限制速度;

ΔVW——車道寬度和路側凈寬對車速修正系數;

ΔVW——車道數對車速修正系數。

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

3 “半幅封閉半幅通車”交通組織設計

為了對交通組織設計進行具體分析,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計方案進行研究。該項目為《廣西高速公路網規劃(2018—2030)》中“聯13”的重要組成部分。項目建成后將成為廣西南寧直達廣東最為便捷的高速通道。項目主線設計速度為120 km/h,雙向四車道。項目起點上跨南寧市城區運營的最大繞城高速公路,交叉處設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計速度為120 km/h,雙向四車道。

目前國內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”的交通管制作業理念。為便于后續對比分析,將“半幅封閉半幅通車”設計方式定為“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。封閉主線兩側各一個內側車道,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”作業面。被交高速公路上雙向各一個外側車道通行。如圖4所示,圖中虛線表示互通建設區,陰影為封閉區。

圖4 跨線橋中墩作業示意圖

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

圖5 跨線橋上構作業示意圖

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

圖6 連接部及拼寬作業示意圖

階段四:待各施工區完成后,開放主線及匝道,引導車流正常通行。

4 “部分封閉”交通組織設計

傳統的“半幅封閉半幅通車”交通組織設計在長期實踐過程中發現存在以下問題:(1)中間墩作業期間,混凝土罐車、渣土車等頻繁進出的施工機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入作業區;(3)橋梁施工臨時構件的搭建會導致通行方式的多次變化,使得現場管理相當復雜;(4)施工區限速一般≤40 km/h,通行時間過長?；谝陨蠁栴},結合交通影響因素分析結果,本文提出了“部分封閉”式交通組織設計的方案,并在該方式下,根據工程規模及實際情況設計了兩個不同子方案進行對比,詳見交通組織設計方案2-1和方案2-2。

4.1 交通組織設計方案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均采用二級公路標準,設計速度為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。開放樞紐互通匝道與被交高速公路側邊臨時開口,將玉洞-安吉方向車流引導至臨時開口→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。完成車流引導后,可對被交高速公路全封閉建設。見圖8。

圖8 封閉區全面修建示意圖

階段三:連接部施工。封閉側邊臨時開口,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,對兩側路基拼接部分進行施工。

階段四:待各施工區完成后,開放互通,正常通行。

4.2 交通組織設計方案2-2

考慮利用主線跨線橋橋下空間,對方案2-1通行速度和作業效率進一步提升,可做如下調整:(1)改善臨時道路G1、G2線形指標,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計中排水方向,對周邊環保生態影響小。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,屬平原微丘區,互通區域路基以填筑為主。為節約資源,方案2采用了“永臨結合”的方式實施。主要措施有:(1)根據匝道高程設計臨時道路縱坡,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)臨時道路兩側護欄利用互通預備安裝的防護設施,完成后重新拆裝。

分別對三個方案的相關工程量進行計算,詳見表1。

表1 交通組織設計方案工程量對比表

與方案2相比,方案1建設項目少,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備以加強高速公路現場協管,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。從經濟性角度考慮,方案1最優。

相對方案1,方案2的臨時道路限制速度更加主觀可控,施工區通行速率隨著臨時道路指標提升而增加。而方案1受現場管控影響較大,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,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出高速公路以外,不僅減小了作業對行車的橫向干擾,還能夠靈活地控制整個工程的作業強度和施工進度。方案2在應對施工期間出現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,在地形良好區域,互通保通工程費用與臨時道路長度基本成等比關系。同時方案2-2臨時道路下穿新建跨線橋的方式,也存在車輛對路側橋墩安全性影響的風險。

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

6 結語

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

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

(2)通過對各方案進行工程分析,驗證結論有:傳統方式經濟效益最好;“部分封閉”式交通組織設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計有效地與工程實踐相結合提供參考和借鑒。