汾石高速公路汾阳南枢纽方案研究

王添荣

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

汾阳至石楼高速公路是山西省省道网规划“四纵十五横三十三联”中第九横——和顺康家楼至石楼转角的重要组成部分。该项目东起汾阳市，连接东吕高速公路汾阳至平遥段，向西与在建的国家高速公路网G59呼北线十字交叉后进入石楼县。汾石高速公路建成后，可结束石楼县无高速公路的历史，完善晋西北高速公路网，汾阳南枢纽是汾石高速公路的起点枢纽。

1 项目起点枢纽选址及建设条件

汾石高速公路起点位于汾阳市西南部，该区域高速公路路网由青银高速和东吕高速组成，二者形成T型交叉，交叉位置设有汾阳枢纽，见图1。青银高速公路汾阳枢纽以西3km后的主线，连续采用了5%的陡坡接2.8%的缓坡，在主线长达7km路段内，纵断面不具备设置枢纽的指标要求；如果对现状汾阳枢纽进行改造，即将汾石高速、青银高速、东吕高速在同一节点进行交通转换，虽然能够提高转换效率，但交通组织复杂，容易造成误行；且汾石高速主线总体走向将穿越三泉焦化工业园区，地方政府难以接受。最后，只能选择在东吕高速公路主线段设置汾阳南枢纽，使汾石高速通过东吕高速与青银高速实现交通流转换。根据资料收集和现场调查，东吕高速公路路线平纵面线形指标较高，地形相对平坦，适宜布置枢纽立交。在东吕高速公路汾阳枢纽与汾孝互通之间，选址设置汾石高速起点的汾阳南枢纽，交通组织清晰，转换功能更好。

图1 汾石高速公路起点路网结构图

枢纽选址区位于虢义河及其支流形成的冲积平原区内，由河谷Ⅱ级阶地组成，地表为河流冲积相的褐黄色粉土、粉质粘土、砾卵石层等物质，局部地段有少量泥炭，下部为河湖相冲积物，厚度较大。区域黄土大部分具有湿陷性，存在砂土液化等不良地质现象，地表现状为人工改良农田。

东吕高速公路沿线地物限制因素多，如路段已有的互通立交、并行东吕高速公路两侧的高压输电线路及铁塔、古城墙遗址、三泉焦化工业园区、村庄和养殖企业等。这些限制条件使得枢纽选型及匝道平面线形设计时自由度较低，必须避让重要地物。

汾阳南枢纽的被交路为东吕高速公路，其设计速度120km/h，双向四车道，路基宽度28m，采用低填方路基通过。虽然东吕高速公路主线平纵指标较好，但由于采用了最高的设计速度，使其对交叉范围的主线指标要求极高。《公路路线设计规范》[1]对立交区的主线指标要求是：平曲线最小半径一般值2000m(极限值1500m)；纵断面最小凸形竖曲线半径45000m(极限值23000m)；纵断面最小凹形竖曲线半径16000m(极限值12000m)；按照枢纽区满足识别视距要求的凸型竖曲线半径最小值为29000m，主线纵坡最大值2%。东吕高速公路拟接线路段没有完全满足互通区主线要求的段落，主线纵断面坡度及竖曲线指标不足成为本枢纽设计的最大技术难点。

2 交通量分析

由汾石高速公路汾阳南枢纽的转向交通量预测(见图2)可知，该枢纽的最大转向交通量为平遥-石楼方向，主交通流方向匝道需采用双车道变速车道，相应的主线段落要设置辅助车道；青银高速-石楼方向转向交通量较小，匝道可以采用单车道变速车道。

图2 汾阳南枢纽预测交通量示意图

3 改造东吕高速主线设置汾阳南枢纽方案

从东吕高速西侧起点开始，在K3+100之后设置汾阳南枢纽，才能保证与现有汾阳枢纽的净距要求；往大桩号向东方向，K5+500～K7+000段落，东吕高速主线连续跨越了汾孝大道、靳屯渠，路线纵断面起伏较大，该段落竖曲线半径均不能满足设置枢纽的条件，且由于坡长短、变坡频繁，桥梁等构造物密集，调整纵坡与竖曲线的工程代价巨大，K7+000之后主线便进入了汾孝互通范围。综合考虑东吕高速公路现有互通立交的间距及主线条件，可设置枢纽的位置为东吕高速公路K3+100～K5+500的主线段落。该段落平曲线半径最小值为1612.16m，满足规范的极限值要求；纵断面的最大纵坡及竖曲线半径均有不满足枢纽区主线指标要求的情况。

见图3，选址段落有一处纵坡超限段落，其最大纵坡2.9%，坡长550m(K3+540～K4+090)；同时，该段落存在4处竖曲线半径不足。为满足设置枢纽的条件，需要对主线K3+180～K5+310段进行纵坡及竖曲线改造，将段落内2.9%的纵坡调整为2%，同时将四处竖曲线半径调整为满足识别视距要求的半径值。在做纵断面改造方案时，拟合了2座中桥的高程，保证桥梁段高程变化可以通过微调桥面铺装实现，将高程调整幅度较大的段落放在填方路基段，便于旧路改造工程实施。由图3纵断面调整方案示意图所示：K3+200～K3+720段，该段落路基标高最大降低0.8m；K3+720～K4+400段，路基标高最大抬高2.6m；K4+460～K5+230段路基标高最大抬高1.4m。主线调整纵断面需要改造的构造物有：K3+320通道桥(跨径1-13m)，标高降低0.3m；K4+685通道桥(跨径1-10m)，高程抬高1.0m；K3+595盖板通道，标高降低0.76m；K3+800圆管涵，标高抬高0.7m；K4+012盖板通道，标高抬高2.5m；K5+010盖板涵，标高抬高1.06m；K5+140箱型通道，标高抬高0.35m。调整后，主线技术指标将完全满足设计速度120km/h，设置互通立交的主线指标要求。

图3 东吕高速纵断面调整方案示意图

根据转向交通量，主交通流石楼-平遥方向的两条匝道，即匝A、匝B，设计为直接式双车道变速车道及匝道，设计速度70km/h，同时在东吕高速主线设置辅助车道；青银高速-石楼方向为次交通流方向，匝C、匝D采用单车道出入口，出口匝道采用直接式，入口匝道采用平行式，匝道基本路段采用单向双车道断面，设计速度60km/h。匝道布设时，需要避让特高压电力铁塔，与高压线路保持较大交叉角度，避让村庄和养殖场等敏感区域，所以匝道线位设计自由度较小，匝道中线线位基本固定，如图4所示，匝道方案仅存在调整设计高程及跨越关系的优化空间。

图4 汾阳南枢纽平面图

为了保证主线改造施工时东吕高速公路的正常通行，还需要设置保通道路。保通道路全长2.5km，设计速度取80km/h，双向四车道，路基宽度20.5m。保通道路线形设计考虑永临结合，充分利用枢纽匝道出入口和匝道路基；起点采用分离式路基，从东吕高速公路主线流出，半幅完全利用C匝道，另外半幅利用东吕高速右幅路基，中间段落利用A匝道路基布设，保通道路路基采用低填方断面，线形紧贴东吕高速公路主线，尽量减少临时占地和工程规模。

由于调整了东吕高速公路纵断面，且设置了保通道路，枢纽匝道纵断面设计时，可以灵活选择与主线的穿越方式，可以将B匝道设计高程降低，采用挖方路堑方式下穿东吕高速主线；D匝道需要连续上跨东吕高速主线及匝A、匝B。

4 东吕高速主线速度管控设置汾阳南枢纽方案

改造东吕高速公路主线需要拆旧建新，临时保通道路代价较大，施工期间影响公路正常运营效益。从宏观费用效果的角度做经济分析，实施旧路改造方案的社会经济效应并不理想。如果将该路段做适当的限速，按照时速100km/h下主线对互通范围指标的要求，则东吕高速的纵断面指标仅存在一处凸形竖曲线半径不满足互通区识别视距一般值要求；但仍然满足规范指出的当条件受限时，识别视距取1.25倍停车视距竖曲线半径(R=17000m)的要求。如果按照100km/h对路段限速，并加强交安设施诱导，则可不改造东吕高速公路主线。对路段限速是否合理，需要根据区域路网结构特点进行分析。

见图1，汾石高速公路主线设计速度为100km/h，东吕高速公路限速为120km/h，青银高速公路限速为100km/h；从汾阳枢纽起点到汾孝互通结束，东吕高速公路全长8.5km的段落内，共设置有两处枢纽，一处互通。汾阳枢纽与汾阳南枢纽净距为1.54km，汾阳南枢纽与汾孝互通净距为2.23km。该区域路网互通设置密集，出入口众多，有大量车辆加速并入主线或减速驶出主线，对主线直行车辆造成干扰，使路段车辆运行速度降低。此时，若仍然采用原120km/h的主线限速，势必会增大交织车辆变道难度，增大事故风险。根据路网结构特点，东吕高速公路汾阳枢纽至汾孝互通段主线，宜采用100km/h的限速，更有利于该路段的安全运营，同时也满足了在该路段增设立交的主线指标要求。

受地物限制，主线速度管控枢纽方案的匝道平面线位与旧路改造方案相同。在不改造东吕高速主线的情况下，匝道均需采用上跨东吕高速公路主线的交叉方式，见图4。B匝道上跨主线需采用大跨径钢箱梁桥；D匝道连续跨越主线和匝B，需要增加桥梁总长度。

汾阳南枢纽方案指标对比见表1，与改造东吕高速主线的枢纽方案相比，路段速度管控方案桥梁规模有所增大，但无需调整主线原设计，不需设置保通道路，施工组织难度较小，施工期间对东吕高速公路正常运营干扰小，整体工程造价也较低。

表1 汾阳南枢纽方案指标对比表

综合考虑区域路网结构、方案对东吕高速公路运营效益的影响、工程规模、施工组织难度、路段运营安全等因素，速度管控方案是本枢纽的合理方案。

5 结语

近年来，随着我国高速公路路网不断加密完善，新增规划高速公路与既有高速路网衔接时，常遇到旧路主线指标不足、地形地物限制苛刻等情况。本文在此类接线困难情况下，对增设枢纽立交的处理方式具有一定代表性。枢纽立交是高速公路路网重要的交通转换节点，设计时既需要宏观上统筹路网全局，也需要微观上考虑多种限制因素，经过不断加深工作深度、反复优选，才能得出满足路网要求和服务水平，有利于公路安全运营，工程规模适度的枢纽设计方案。