特殊地形條件下某樞紐互通方案研究

王杰，賀亞軍

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

1 工程概況

G4216 線 金 陽 至 寧 南 段 高 速 公 路［1］（以 下 簡 稱“該項目”）位于川、滇兩省省界金沙江一帶，該項目的建設將縮短川南經濟區與攀西經濟區的時空距離，對推動社會進步、促進區域經濟發展和扶貧開發具有積極的作用。

該項目分別在蘆稿、春江設置樞紐互通與昭西高速（G7611）［2］連接，共用16 km 長的高速主線。該項目與昭西高速公路路基寬度均為25.5 m，雙向四車道，設計速度80 km/h，周邊路網情況見圖1。

圖1 項目區周邊路網

設置的蘆稿樞紐互通（以下簡稱“該互通”）是昭西高速與該項目的重要節點，不僅完成四川金陽、寧南、西昌3 個方向的交通轉換，而且提供服務蘆稿周邊片區上下高速的重要功能。該樞紐距金陽方向互通約8 km，距寧南方向互通約16 km，距西昌方向互通約26 km。

2 研究方案

2.1 區域現狀及控制因素

該互通位于高中山區，山勢陡峻，蘆稿林河與仁義河穿插其間，兩個河流之間形成單薄的分水嶺，地形被兩條河流切割為“Y”字形，屬于構造侵蝕型高山峽谷地貌區和河谷地貌區。工程區內主要的控制因素有：地形、地質條件復雜，路線高差大，高速主線明線短，控制性結構物多。

蘆稿林河為金沙江左岸一級支溝，區內受金沙江切割作用強烈，溝壁陡直，谷底狹窄，谷坡陡峻，溝谷兩側自然坡度為30°～65°。區內地方道路為縣道XW48，沿河谷坡腳延伸。在河谷兩側高位危巖尤為發育，直接威脅工程建設安全，復雜的地形、地質條件直接影響互通方案的布設。

該項目路線呈南北走向，互通區主線沿河谷布設，縱坡較為平緩。相銜接的被交道路為昭西高速，路線呈西北至東南走向，總體走勢一路下坡至該項目。在該互通北側昭西高速設12.685 km 的金陽特長隧道，隧道內采用+1.95%/9 270 m 和-1%/3 490 m的人字坡，出洞后通過1.36 km 明線段降坡至該項目，明線縱坡-3.95%，隧道洞口距離與兩項目交叉點高差達40 m。同時該互通區高速主線與地方道路高差也極大，在兩高速交叉節點與地方道路高差達62 m，可見高差大是制約互通布設的另一因素。

由于該項目位于四川盆地、青藏高原、云貴高原所圍成的過渡區內，特殊的地形地質條件導致該段高速主線橋隧比高達92.4%，其中隧道比73.9%。同時該互通起止分設長6.7 km、7.3 km 的隧道，明線段落長2 km，其中包含一座墩高約110 m、長度1.2 km 的特大橋，因此明線短、控制性結構物多是制約互通布設的又一因素?；ネ▍^地形條件及項目情況見圖2。

圖2 互通區地形條件

2.2 方案擬定

由上分析可知，互通區具有功能需求高、地形地質差、接線高差大、主線明線短、立交選型難的特點?；谶@些控制因素，初步擬定4 個角度的方案設計思路：

（1）考慮到需要滿足樞紐+落地的功能，且地形條件受限，是否具有分設互通逐個滿足其功能需求的可能［3-4］。

（2）考慮集中設置綜合性復合樞紐，單一完成功能需求［5］。

（3）對于集中設置復合性樞紐能否充分適應地形地質條件，做出單點多方案的比選。

（4）針對高差大的最主要受控因素，考慮以何種有效的方式解決，并充分融入方案設計中。

3 總體方案研究

根據預測遠景年限交通量（2043 年，圖3），蘆稿樞紐互通為樞紐功能、蘆稿互通為落地功能，顯示該互通各轉向交通量相差較大，2043 年樞紐匝道昭通—西昌單向設計小時交通量為1 233 pcu/h，西昌—金陽單向設計小時交通量為421 pcu/h，蘆稿落地匝道各方向交通量均較小，最大不足190 pcu/h。在樞紐功能的需求中，昭通至西昌向為主流交通，其他各轉向交通量較??；在落地的需求中，金陽至蘆稿向為主流交通，但總體來看各轉向交通量均較小。

圖3 2043 年互通交通量（單位：pcu/d，括號內數據單位：pcu/h）

由于互通區主線前后受隧道洞口控制［6］，且明線段多為高墩特大橋，主線的平面位置及縱面高程都不能較大范圍調整，因此無論分設方案還是合設方案其樞紐交叉點都相對受控，且互通的布設均應該合理考慮出入口與隧道凈距的要求［7］，分合流節點與主橋結構物的關系，順應地形設計方案。

3.1 分設方案

互通方案1 采用T 形樞紐+T 形互通，見圖4?？傮w思路為：在兩溝交匯處布設T 形樞紐互通完成高速間交通轉換，受高墩特大橋位置控制，只能在寧南側隧道群間布設落地互通服務地方上下高速。如此既避免了在地形復雜地區修建復合樞紐互通，又能有效地降低建設規模。

圖4 方案1

提出分設方案主要考慮到復合方案交通流線較為復雜，不如單個互通簡潔。經過深入論證，發現分設方案實施較為困難，存在以下難點：

（1）落地互通僅能在連續隧道間300 m 明線段布設，均不能保證隧道出入口安全距離，且出入口將設置在隧道內，可實施性較低。

（2）落地互通匝道基本由隧道構成，在長大隧道內分合流不利于駕乘安全。

（3）該段主線明線位于山間溝谷，溝壁極為狹窄，橋隧相接處施工難度極大，且溝內上游高位危巖發育，多條匝道穿插于溝谷有極大的安全隱患。

3.2 合設方案

鑒于分設方案可行性極低，只能將落地互通在樞紐互通位置進行合設，形成復合互通?；ネǚ桨? 采用半直連+環形，見圖5。該方案主要考慮到主流向匝道平面布設，兩匝道按高速公路延續段設計，路基寬度12.75 m，設計速度60 km/h，平縱指標較高，主流交通運行更順暢快捷；不足之處為金陽至蘆稿方向匝道繞行較遠；受地形限制，互通范圍存在3 處高度為45～50 m 的挖方邊坡，主線需設置一處205 m 的棚洞，且存在兩處匝道隧道。另外該互通方案整體布置較為復雜，交通流線較為紊亂。為減少工程施工及運營風險，互通方案簡潔美觀仍具有優化空間。

互通方案3 采用對角象限雙環式變異苜蓿葉，見圖6。由于落地互通平交口地面高程為666 m，而被交高速高程約728 m，高差達60 m，因此優先考慮落地匝道布設問題，通過延伸昭西高速主線貫通連接線，并沿山體坡面展線降坡接縣道XW48。其次考慮主流匝道線位布置，為克服山體地形，主流右轉匝道設置一處325 m 隧道穿越，其余匝道按常規形式設置，該互通方案為3 層立交，因為昭西高速高程較高為最上層，匝道下穿昭西高速為第二層，該項目主線為最底層。提出該方案主要考慮到采用常規的互通形式即“十字”帶落地，主流向匝道按匝道設計，路基寬度10.5 m，設計速度60 km/h，平縱指標相對較高，滿足交通轉換功能需求。存在兩處高度為45～50 m的挖方邊坡，一處匝道隧道。雖然互通方案3 較方案2 有一定優勢，但仍然存在一些不足：對于雙向主流匝道均存在小交通流匝道位于內側流出的問題，不符合駕乘人員的行駛習慣，容易引起誤行甚至倒車等行為。

互通方案4 仍采用對角線形雙環式變異苜蓿葉形樞紐，見圖7。在方案3 的基礎上，再著重分析主流方向匝道，將昭西高速主線直接貫通的落地匝道進行局部優化調整，改為在次流匝道上流出流入，形成主流匝道位于內側，次流匝道在外側分合流的出線方式。

圖7 方案4

互通方案4 在各交通流向都較為順適，但和方案2、3 有著同樣的可實施性差的問題，各匝道特別是連接線上特大橋基本為陡坡橋（最大墩高87 m），見圖8。從現場調查來看，為設置一組橋墩不僅均需要開挖極陡的邊坡輔以防護，且坡口難以收坡，而且如此大比例的陡坡橋墩基本無施作條件，坡體高處還存在不可監測的高位危巖，建設難度較大運營風險極高，同時其收費站的建設將拆除燈廠村，社會影響大。另外，由于方案連接線必須跨越溪洛渡水庫，需在庫區修建橋墩存在政策性障礙。因此該方案應該再作優化。

圖8 連接線區段地貌情況

互通方案5 采用“π”字形異形樞紐，見圖9。首先考慮的是對連接線進行優化，避免因跨越水庫而形成政策性障礙，通過調整連接線節點位置，向上游移動至互通主體范圍內。這樣不僅平交口高程抬升約40 m，有效減短了連接線長度，降低了陡坡橋的比例，而且避免了跨越庫區。另外，依據地形條件，通過分設兩處環形匝道于較為空曠的河谷和低矮單薄的分水嶺處，各形成兩處左轉匝道服務于樞紐轉換和落地。整體來看部分匝道線形指標較方案4 都有所提高。但該方案仍具有一些缺陷：①對于寧南至西昌向主流匝道只能滿足50 km/h 的設計速度，平面指標偏低，西昌至寧南向匝道仍存在一處隧道；②兩條主流匝道均存在小交通量左入的問題，對行車不利。

互通方案6 采用B 形喇叭+T 形樞紐組合，見圖10。遵循方案5 的設計思路，保持連接線向上游移動至互通主體范圍內的位置。然后取消一處位于河谷寬緩處的環圈匝道，調整為半直連式匝道下穿高速主線，并依托既有三山夾兩河一山“Y”字形的特殊地形條件，合理布局互通，偏移設計方案重心于西北側，充分利用位于低矮單薄的分水嶺，將互通各匝道利用環形向其收攏。這樣不僅增加了路基長度，減小了互通區橋梁規模，而且可開挖單薄的分水嶺形成平臺進行橋梁吊裝，解決場地局促的問題，為后續施工提供了條件。另外，對原來緊靠筆陡山體的匝道，通過調整與山體的距離，減少陡坡橋的布設，躲避了部分坡面危巖，同時也減小了對山腳既有道路的干擾，取消了主線和匝道隧道。該方案也具有一定的不足：由于平交口節點的變化，使該方案落地至蘆稿鎮的路徑較為繞行。

圖10 方案6

4 方案選擇

4.1 交通功能

在整體交通功能上，方案1、4 最優，方案6 適中，方案2、3、5 存在流線復雜，左入左出等問題。

4.2 技術指標

總體來看方案1、6 指標較高，其他方案低指標環形匝道較多平面指標偏低，主流交通向，方案1、2 指標高，方案6 適中，方案3、4、5 相對偏低。

4.3 建設條件及控制因素

針對該互通設置的客觀建設條件，并結合互通的主要控制因素，對各方案定性分析對比見表1。

表1 建設條件及控制因素比較

總體來看，在建設條件和把握控制因素方面，方案6 最優，方案1 最差。

4.4 連接線方案比較

鑒于在各方案中連接線的布設是影響該互通方案的重要比選條件，且各方案可歸納為3 種布設形式，針對各方案進行對比見表2，總體來看，短線方案優勢明顯。

表2 連接線方案比較

4.5 工程規模

6 種方案主要工程規模對比見表3，總體來看，方案6 工程規模最小。

表3 互通立交方案工程規模比較

4.6 比選結論

通過上述5個層面的綜合比較分析，在不考慮連接線布設的情況下，方案4、5具有較高的比選價值。但考慮到連接線布設，雖然方案5 節點距離蘆稿鎮比方案4遠2.6 km，但是從帶動片區的著眼點看，能輻射更大的地方，上下高速也更均衡。因此方案6在方案比選中具有對地方帶動作用強、建設條件好、運營風險低、投資規模小的特點，最終選擇具有優勢的方案6。

互通立交方案比選的評價指標眾多，同時比選方法也較多，諸如技術經濟比較法、效益/成本比較法、方案排隊法等一系列科學量化體系，利用不同評價體系客觀分析互通方案值得進一步深入研究。

5 結語

該互通方案已通過各階段方案評審進入實施階段，經工程規模對比，最終該互通方案6 投資較前階段降低約1.5 億元，可見在特殊地形條件下互通方案的選擇對工程投資有著極大的影響。通過全過程的系統性回顧梳理發現，在復雜控制條件下隨著設計的深入，基礎資料的逐漸完善，有序地把握控制因素，對方案不足之處不斷地優化蛻變，最優的互通方案脈絡逐漸清晰。而在逐漸優化調整的過程中，該互通采用充分利用有限地形、異化匝道連接、把握主要控制因素、優化突出主流交通流向、弱化次要交通指標、靈活選取平交節點等一系列舉措，優化后的方案不僅提升了平面線形指標，降低了施工難度，并且投資規模也大幅度降低。

依據目前交通建設形勢，山區高速公路的建設越來越多，更多的山區高速公路逐漸串聯成網。因此在復雜地形條件下，面臨接線高差大、明線距離短、功能需求高等多制約因素，是西部山區高速公路越來越凸顯的問題。通過對該互通多角度、全過程的梳理總結，可為更多的山區高速公路，特別是“Y”字形三山夾兩河的特殊地形條件下的復合式樞紐互通立交方案設計提供一定的參考。