楊水生,黃沙路

(江西省公路科研設(shè)計(jì)院有限公司,南昌 330002)

0 引言

隨著產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)越來越強(qiáng),人口集聚效應(yīng)更加突出,各省都在做大做強(qiáng)都市圈、經(jīng)濟(jì)圈[1,4].省會(huì)等中心城市在形成聚集效應(yīng)的過程中,高速公路發(fā)揮著不可估量的作用[7],而樞紐互通又是高速公路的重要節(jié)點(diǎn),可通過高速改擴(kuò)建改善和完善樞紐存在的主要問題.

牛肖等[2]在馬鞍山西樞紐(蕪合高速與巢馬高速十字交叉)中給出了三車道匝道通行能力、標(biāo)準(zhǔn)橫斷面組成及加寬方式、匝道與主線連接部、匝道連續(xù)出、入口間距等內(nèi)容.

該文為解決三車道匝道無規(guī)范依托等問題,分別將單向雙車道匝道設(shè)計(jì)成單向三車道主線和單向三車道匝道,分析2種設(shè)計(jì)方式在交通量配置、平縱橫指標(biāo)、變速車道及漸變段長(zhǎng)度等方面取值存在的差異,結(jié)合方案比較、仿真分析、對(duì)分合流處進(jìn)行通行能力分析,得出采用三車道主線出口更合適的結(jié)論,結(jié)果表明采用三車道主線出口進(jìn)行設(shè)計(jì)在規(guī)范缺失相關(guān)規(guī)定的情況下是可行的.

1 工程概況

G60滬昆高速公路江西段是江西省“十字型”高速公路主骨架之一,也是江西最繁忙的高速公路之一[3-6].樟樹樞紐由G60滬昆高速昌樟段、G60滬昆高速昌金段、S69樟吉高速和S42東昌高速交匯匯集,為半直連式變異苜蓿葉樞紐互通(圖1).其中G60滬昆高速昌樟段現(xiàn)狀為雙向8車道高速,其他三條高速為雙向4車道高速,見表1所示.匝道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為40～60 km/h.

表1 樞紐范圍高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 樟樹樞紐現(xiàn)狀圖

2 交通量預(yù)測(cè)

樟樹樞紐互通主轉(zhuǎn)向交通流為南昌—長(zhǎng)沙方向,2045年平均日交通量將達(dá)到 45 278 pcu/d(6 112 pcu/h),次轉(zhuǎn)向交通流為撫州—廣州方向,預(yù)測(cè)年交通量合計(jì)為29 566 pcu/d(3 991 pcu/h);其余各轉(zhuǎn)向交通量見圖2所示[3,5].根據(jù)預(yù)測(cè)年限交通量可知,應(yīng)盡可能提高南昌—長(zhǎng)沙方向平縱面指標(biāo)來滿足交通量的需求.

圖2 2045年遠(yuǎn)景轉(zhuǎn)向交通量(單位:pcu/d)

圖3 分合流端部圖

3 控制要素評(píng)價(jià)

3.1 功能要素評(píng)價(jià)

功能要素主要包括社會(huì)需求和交通需求等[8],而交通需求又有部分是屬于安全要素,安全運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)功能.

社會(huì)需求評(píng)價(jià):根據(jù)江西省打造南昌大都市圈規(guī)劃[1],G60滬昆江西段為南昌串聯(lián)江西主要經(jīng)濟(jì)體的骨干高速線路,承擔(dān)著以后物流和交通的重要責(zé)任[7].適時(shí)啟動(dòng)改擴(kuò)建有助于強(qiáng)化高速公路大通道對(duì)城市群和產(chǎn)業(yè)群發(fā)展格局的支撐力,進(jìn)一步優(yōu)化沿線城鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)布局,推動(dòng)沿線經(jīng)濟(jì)區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展[5].強(qiáng)省會(huì)戰(zhàn)略實(shí)施后,沿線地市新能源產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)企業(yè)相繼落戶,如寧德時(shí)代、哪吒汽車等等,產(chǎn)業(yè)布局和省會(huì)城市大都市圈呼之欲出[5].

交通需求評(píng)價(jià):經(jīng)與交警部門取證[5],南昌往返長(zhǎng)沙交通量較大,現(xiàn)狀此方向匝道出入口交通事故頻發(fā),單向雙車道匝道已不能滿足路網(wǎng)系統(tǒng)的交通需求,不能滿足節(jié)點(diǎn)的交通轉(zhuǎn)換需求,亟需改擴(kuò)建.

3.2 安全要素評(píng)價(jià)

對(duì)樞紐涉及安全等方面技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[5、8-9],主要從平縱橫線性的組合設(shè)計(jì)、互通出入口間距、加減速車道長(zhǎng)度、停車視距等影響運(yùn)行安全的指標(biāo)著手,同時(shí)核檢現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)物在安全方面的問題,由表2可看出,樞紐在滿足現(xiàn)狀技術(shù)指標(biāo)上存在較多問題,有些與規(guī)范的更新有關(guān),如部分匝道多次出現(xiàn)極限坡度+反向彎組合,且反向彎比值均超過1∶2.

表2 安全要素評(píng)價(jià)表

有些與當(dāng)時(shí)樞紐分1期和2期建設(shè)有關(guān),導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)有些指標(biāo)沒有仔細(xì)推敲和復(fù)核,如H匝道匯入主線時(shí)出現(xiàn)加速車道+漸變段長(zhǎng)度為127.7 m+80 m的問題;G匝道作為第2大轉(zhuǎn)向交通,匯入主線的豎曲線半徑僅為1 247.3;也導(dǎo)致樞紐設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留不到位,如B、D匝道橋只預(yù)留了橋下主線縱面凈空,平面沒有預(yù)留主線拓寬為雙向8車道的條件.

有些與不同設(shè)計(jì)人員對(duì)規(guī)范指標(biāo)的理解和把握有關(guān),如2017版路線規(guī)范表11.3.4-1[11]規(guī)定的匝道縱坡取值,對(duì)于樞紐互通由于既有出口又有入口縱坡應(yīng)取最不利指標(biāo)3%,而本樞紐設(shè)計(jì)中僅選擇寬松的4%作為控制縱坡的指標(biāo);所有的右轉(zhuǎn)匝道作為直連式匝道設(shè)計(jì)速度僅考慮為40 km/h,技術(shù)指標(biāo)考慮不足.

B匝道出口位置主線豎曲線半徑僅滿足極限值,超過漸變率有2處小于1/330,此路段也是樞紐區(qū)的事故黑點(diǎn)路段,通過對(duì)停車視距的驗(yàn)算主線和匝道的停車視距來分析所需平曲線半徑,計(jì)算考慮護(hù)欄影響所需的最小平曲線半徑R分別為1 757 m和258 m,而現(xiàn)狀長(zhǎng)沙—南昌方向的半徑為200 m,同時(shí)極端天氣下由于超高過渡設(shè)置不合理導(dǎo)致排水不暢易引發(fā)交通事故,因此設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡可能提高主轉(zhuǎn)向出口技術(shù)指標(biāo),才能從源頭消滅事故黑點(diǎn).

隨著交通量的增長(zhǎng)相關(guān)問題將更加突出,從現(xiàn)狀技術(shù)指標(biāo)與預(yù)測(cè)年交通量適應(yīng)性評(píng)價(jià)可看出,幾乎以不適應(yīng)為主,樞紐改造迫在眉睫.從中也可梳理出樞紐存在主要問題集中在A和B匝道出入口位置、D和F連續(xù)匯入主線區(qū)域、G匝道,后續(xù)改造中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)進(jìn)行考慮.

4 三車道出口指標(biāo)設(shè)計(jì)

本樞紐最大問題是南昌往返長(zhǎng)沙方向功能與交通量不匹配問題,應(yīng)重點(diǎn)予以關(guān)注.(見圖2)南昌—長(zhǎng)沙方向轉(zhuǎn)向交通量為23 009 puc/d(3 102 pcu/h)>2 900 pcu/h,超過了目前規(guī)范條件下雙車道匝道的最大通行能力[13].在設(shè)計(jì)過程中,存在2種不同的處理方式:①認(rèn)為應(yīng)該采用主線進(jìn)行設(shè)計(jì);②按照三車道匝道進(jìn)行設(shè)計(jì),至于到底采用哪種處理方式,本文通過分別采用主線設(shè)計(jì)和匝道設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比.

4.1 三車道出口通行能力

根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD20—2017和公路立交設(shè)計(jì)細(xì)則:JTG/TD21—2014及劉子劍關(guān)于匝道基準(zhǔn)通行能力分析相關(guān)內(nèi)容,規(guī)定匝道服務(wù)水平采用4級(jí),主線服務(wù)水平采用3級(jí),得出三車道主線設(shè)計(jì)和三車道匝道設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)通行能力為表3.由表3可知,采用設(shè)計(jì)速度為80 km/h的三車道主線或三車道匝道、100 km/h和120 km/h的雙車道主線均滿足通行能力要求,但由于主線多數(shù)設(shè)計(jì)速度為100 km/h,因此后續(xù)主要分析80 km/h和100 km/h.

表3 主線和匝道通行能力對(duì)比表

4.2 交通量配置對(duì)分合流方式的影響

通常我們根據(jù)互通設(shè)計(jì)細(xì)則6.3.5[13]對(duì)于連續(xù)2條以上的匝道與主線連接時(shí),連續(xù)分流規(guī)范宜采用1次分流,條件受限時(shí)可采用2次分流;但改擴(kuò)建項(xiàng)目中,需要根據(jù)實(shí)際情況采用適合的分合流方式.

由圖2右上及表4,將小交通量H分別配置在J線或Y線右側(cè),出現(xiàn)了2種情況:①分流后兩者交通量幾乎相當(dāng);②差值比較大.通常做法是將H匝道置于Y線右側(cè),當(dāng)此時(shí)交通量J?Y+H兩者交通量差距進(jìn)一步拉大,由于現(xiàn)狀J在左出,將與主交通流左出不符,此時(shí)需要將J線即南昌—廣州方向主線進(jìn)行調(diào)整,但如此一來不但改造代價(jià)巨大且改造后改變南昌—廣州方向行駛習(xí)慣,社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)也較大.可見此時(shí)無論是將Y進(jìn)行主線設(shè)計(jì)還是匝道設(shè)計(jì)都是不合適的.Z處出口也存在這一問題.

而如果將小交通量H匝道配置在J線右側(cè),此時(shí)J Y、J

4.3 基本車道數(shù)配置

以圖2Y線分流為例,由于J線和H匝道維持不變,J線現(xiàn)狀為4+4→3+3→2+2,分別將Y設(shè)計(jì)為主線和匝道,結(jié)合交通量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和表3,可推算出所需的車道數(shù),匯總?cè)绫?所示,其中15 min高峰小時(shí)系數(shù)PHF15=0.926.情況2)和4)為重大節(jié)假日存在堵車,出現(xiàn)社會(huì)輿情,根據(jù)業(yè)主反饋希望主線車道數(shù)保持一致的情況.均以J線和H匝道維持現(xiàn)狀為基礎(chǔ)[6,9].

表5 分流處基本車道數(shù)n

4.4 分流區(qū)通行能力分析

對(duì)表5情況分流處進(jìn)行通行能力分析,周榮貴等[14]指出分流區(qū)、合流區(qū)通行能力的關(guān)鍵是核查匝道、分合流點(diǎn)、影響區(qū)關(guān)鍵斷面3個(gè)部分的交通運(yùn)行狀態(tài).其中

Q34=QR+(QF-QR)PFD,

2)和4)的PFD=0.436,1)和3)的

PFD=0.76-0.000 025QF-0.000 046QR,

這里主要驗(yàn)算影響區(qū)域范圍通能能力,并考慮表5情況,驗(yàn)算結(jié)果如表6所示,可看出Y/Z采用匝道設(shè)計(jì)和主線設(shè)計(jì)時(shí),當(dāng)考慮下游匝道分流影響時(shí),分流區(qū)狀態(tài)基本一致,配置方式1)和2)服務(wù)車數(shù)基本相同,但服務(wù)水平有差異,主要是增減車道對(duì)其影響,仿真分析的結(jié)果也基本驗(yàn)證這一結(jié)論.

表6 分流影響區(qū)域范圍通能能力

Y/Z采用設(shè)計(jì)速度100 km/h可有效減少車道數(shù),通行能力也滿足相應(yīng)3級(jí)服務(wù)水平,但通過仿真分析由于考慮下游匝道影響,兩主線設(shè)計(jì)速度均較大時(shí)出現(xiàn)交通事故的概率較大,且引發(fā)的交通事故后果更嚴(yán)重,基于此認(rèn)為在設(shè)計(jì)時(shí)主要還宜考慮80 km/h為主.

見圖4,將H匝道配置于Y線右出,根據(jù)以上方法可驗(yàn)算出紅色區(qū)域通行能力不足,可見Y線交通量較大時(shí),應(yīng)該將小交通量疏散至其他位置,不可強(qiáng)行配置于Y線.

4.5 平縱橫指標(biāo)

由《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD20—2017和《公路立交設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/TD21—2014,可得出Y/Z設(shè)計(jì)為主線或匝道時(shí)相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo).由于Y/Z設(shè)計(jì)為主線100 km/h與80 km/h的相差較大且由4.4考慮下游匝道影響運(yùn)行速度均較大時(shí)有一定的安全隱患,因此這里僅比較同為80 km/h時(shí)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比.

從表7中可看出,當(dāng)以互通范圍內(nèi)主線線形指標(biāo)控制時(shí),Y/Z分別設(shè)計(jì)為主線或匝道,除滿足停車視距圓曲線半徑相當(dāng)外,其他技術(shù)指標(biāo)差值較大且大部分差值在1倍以上.

表7 平縱指標(biāo)對(duì)比表

表8 主線分岔和合流漸變段長(zhǎng)度

表9 方案比較表

當(dāng)不以互通范圍內(nèi)主線線形指標(biāo)控制時(shí),Y/Z分別設(shè)計(jì)為主線或匝道,除個(gè)別指標(biāo)有差異且差異較小外,兩者指標(biāo)差值基本無差別,Y/Z設(shè)計(jì)為主線時(shí)最大縱坡更寬松,更有利于指標(biāo)的靈活運(yùn)用.

根據(jù)《公路立交設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/TD21—2014,變速車道及連接部是按互通區(qū)指標(biāo)控制,其他路段按一般路段指標(biāo)控制,可看出一般路段采用主線還是匝道相關(guān)指標(biāo)差異較小,Y/Z采用主線設(shè)計(jì)或者匝道設(shè)計(jì)均可,但是對(duì)于改擴(kuò)建樞紐來說,限制條件和考慮因素較多,如本樞紐在設(shè)計(jì)過程中對(duì)于南昌—撫州方向H匝道存在2種處理方式:①直接利用端部;②不利用.不利用的情況如圖2右上所示,此時(shí)H匝道從Y線右出然后跨越Y(jié)線,考慮到Y(jié)線交通量較大且在設(shè)計(jì)需要控制兩次分流間距,無論是Y為主線設(shè)計(jì)還是匝道設(shè)計(jì),均需要特殊計(jì)算.對(duì)于橫斷面寬度和超高漸變率2種設(shè)計(jì)方式并無太大差異.

綜上可得出一般路段采用主線或匝道均可,但是變速車道及連接部控制指標(biāo)較高,無論Y/Z是主線還是匝道設(shè)計(jì),由于Y/Z采用的速度80 km/h與主線速度差較小,技術(shù)指標(biāo)差異也較小,詳見4.6變速車道及漸變段.

4.6 變速車道及漸變段

4.6.1 變速車道

Y/Z為三車道主線設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D20—2017中11.5主線的分岔、合流的規(guī)定考慮硬路肩的影響,通過計(jì)算可得表6變速車道和車道變化所需總長(zhǎng).

Y/Z為三車道匝道設(shè)計(jì)時(shí),變速車道長(zhǎng)度計(jì)算以小車型為對(duì)象并考慮大型車影響.分流處變速車道長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)合設(shè)計(jì)速度、運(yùn)行速度和平均速度,采用AASHTO二次減速理論[11-14],得出相應(yīng)參數(shù)取值(表6).

合流區(qū)長(zhǎng)度以車頭時(shí)距分布模型為基礎(chǔ)[11-14],建立加速、等待可插入間隙、變換車道距離的長(zhǎng)度為模型,得出合流區(qū)長(zhǎng)度取值(表6).

4.6.2 輔助車道、漸變段長(zhǎng)度

為滿足樞紐分岔和合流處車道數(shù)的平衡需在分岔和合流處分別設(shè)置兩段輔助車道及漸變段以滿足速度調(diào)整和提供車輛變換車道的需求.輔助車道長(zhǎng)度參考JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中表11.4.4的相關(guān)規(guī)定.

5 方案比較

對(duì)南昌往返長(zhǎng)沙方向分別采用三車道匝道設(shè)計(jì)和三車道主線設(shè)計(jì)[15],方案示意圖5和6.圖5將G60滬昆高速作為1條連貫線路考慮,南昌往返長(zhǎng)沙方向Y線和Z線均考慮為右出右進(jìn),長(zhǎng)沙—南昌方向Z線通過設(shè)置門架式橋梁跨越主線和匝道,橋梁配跨為37 m×30 m裝配式預(yù)應(yīng)力砼T梁,門架墩需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行布設(shè),遇無法架設(shè)一字形梁的情況可通過Z字形布置.

圖5 H匝道在Y線右側(cè)示意圖

三車道出口車道過渡采用(4+0)→(4+1)→(4+2)→(4+3)進(jìn)行過渡,三車道入口與出口對(duì)應(yīng)調(diào)整.三車道出口分流鼻端最小間距為610 m,三車道入口和流鼻端最小間距為565 m,平縱指標(biāo)滿足一般值要求,消除出口超高漸變率過小的問題,處理排水問題.

圖6中將南昌往返長(zhǎng)沙方向采用三車道匝道設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為80 km/h,南昌—撫州方向匝道由匝道左出改為Y主線右出,Y線和G匝道均移位重建.其中Y線分岔與分流間距為405 m,G匝道需下穿Y和東昌主線橋;長(zhǎng)沙—吉安方向E匝道由匝道右出調(diào)整為Z主線右出.Z線分岔與分流間距為697 m,Z線橋連續(xù)跨越主線2次,跨越移位匝道2次,跨保通匝道2次,Z線橋跨同主線方案.

圖6 Y/Z三車道主線設(shè)計(jì)方案

圖7 Y/Z三車道匝道設(shè)計(jì)方案

對(duì)兩種設(shè)計(jì)方式的Y、Z左右分離功能指標(biāo)、分合流方式的適應(yīng)性、通行能力及服務(wù)水平、施工期間保通的適應(yīng)性和規(guī)模等指標(biāo)進(jìn)行分析.可看出Y/Z采用主線設(shè)計(jì)無論是分合流方式的適應(yīng)性還是通行能力及施工保通等均更有優(yōu)勢(shì),這也與前面分析是對(duì)應(yīng)的.

6 安全性評(píng)價(jià)

6.1 評(píng)價(jià)方法

本項(xiàng)目運(yùn)用VISSIM微觀交通流仿真軟件進(jìn)行分析,對(duì)樞紐安全性評(píng)價(jià)內(nèi)容主要有:互通形式、出入口方式.主線平縱指標(biāo)、相鄰出入口間距.變速車道長(zhǎng)度、分合流點(diǎn)視距、匝道線形指標(biāo)、交通運(yùn)行安全等.

6.2 設(shè)計(jì)安全評(píng)價(jià)

1)互通形式與轉(zhuǎn)向交通量匹配較為妥當(dāng),交通量較大主線均配置在左側(cè),符合左側(cè)為主流交通的習(xí)慣.

2)樞紐互通范圍內(nèi)主線線形指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,其中左右線主線平縱面指標(biāo)均滿足停車視距所要求的平曲線半徑和豎曲線半徑,路側(cè)寬容性指標(biāo)較高.

3)相鄰出入口間距.①該樞紐互通出入口間距均滿足規(guī)范要求; ②該樞紐主線與主線分岔距離主線與匝道分流間距最小為653.903 m,滿足駕駛員對(duì)指路標(biāo)志的識(shí)別并尋找相應(yīng)可插入間隙、進(jìn)行車道轉(zhuǎn)換.

4)主線相互合流連接部設(shè)計(jì).至主線分岔前,通過設(shè)置輔助車道平衡車道數(shù),單側(cè)車道數(shù)由4車道→4+1車道→4+2車道→4+3車道,分岔處最小漸變段長(zhǎng)度為217.522 m,滿足設(shè)計(jì)細(xì)則主線相互分流連接部線形設(shè)計(jì)要求,相應(yīng)輔助車道和漸變段長(zhǎng)度滿足車輛識(shí)別并尋找相應(yīng)可插入間隙、進(jìn)行車道轉(zhuǎn)換.

6.3 交通流仿真評(píng)價(jià)

通過對(duì)2015年設(shè)計(jì)小時(shí)交通量為依據(jù),分析樞紐評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)車流排隊(duì)長(zhǎng)度、延誤、停車次數(shù)等,結(jié)論如下:①合流區(qū)及其他匝道路段,車輛通行效率較高,未出現(xiàn)排隊(duì)、停車和延誤的現(xiàn)象;②主線分岔后主線分流處,主線分岔區(qū)域通行效率較高,而分岔后主線分流處有一定的延誤,但能滿足預(yù)測(cè)交通流下的車輛通行.

該樞紐區(qū)分岔和合流處,能滿足預(yù)測(cè)交通流下的車道通行,區(qū)域內(nèi)交通沖突較少,交織路段處于安全運(yùn)行狀態(tài).

7 結(jié)束語(yǔ)

基于樟樹樞紐收集和恢復(fù)的基礎(chǔ)性技術(shù)資料,梳理樞紐存在的主要問題,論證樞紐改造的必要性.分別將單向雙車道匝道設(shè)計(jì)成單向三車道主線和單向三車道匝道,分析2種設(shè)計(jì)方式在交通量配置、平縱橫指標(biāo)、變速車道及漸變段長(zhǎng)度等在取值方面存在的差異,并結(jié)合方案對(duì)比、分流區(qū)通行能力分析闡述2種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)缺點(diǎn),多維度對(duì)比得出采用三車道主線出口更合適的結(jié)論.結(jié)合仿真分析進(jìn)行安全性評(píng)價(jià),結(jié)果表明采用三車道主線出口進(jìn)行設(shè)計(jì)在規(guī)范無相關(guān)規(guī)定的情況下是可行的.

通過該樞紐方案設(shè)計(jì),希望拓展對(duì)于大型樞紐互通改擴(kuò)建設(shè)計(jì)的思路,同時(shí)由于本項(xiàng)目屬于改擴(kuò)建項(xiàng)目,需要一定的時(shí)間才能檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果,且目前只做了仿真分析,實(shí)車實(shí)驗(yàn)代價(jià)太大,研究結(jié)果可靠度需要進(jìn)一步驗(yàn)證.