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京沈高速公路(北京段K16+500市界)立交及桥梁选型卢士东徐君(北京市公路局公路设计研究院)摘要本文详细论述了京沈高速公路(北京段)立交及桥梁选型的原则、技术标准，介绍了几座大型立交及桥梁的特点。关键词立交桥梁选型一、概述京沈高速公路(北京段)是交通部公路网规划中的国道主干线之一，是九五期间国家重点工程项目，也是北京市总体规划中的一条主要对外放射线。它西起东四环左安东路，经朝阳区南磨坊乡、王四营乡、双桥乡，通州区台湖乡、张家湾镇、郎府乡、西集镇，在香河大沙务村南与河北段相接，全长39.7公里。工程自一九九八年七月开工，历时一年零两个月，于一九九九年九月顺利竣工通车。它的建成为我市又增加了一条向东的主要放射线，并与京津塘高速公路相呼应，对北京、天津及沿线其它地区社会经济和交通运输地发展，对加强东北和华北地区的经济联系起着重要地作用。北京市公路局公路设计研究院承担了京沈高速公路(北京段K16+500市界)23.2公里的设计任务，在该段内，京沈高速公路与公路二环高速公路、京津公路、通香公路、张家湾铁路专用线等重要公路、铁路相交，并跨越北运河、凉水河等重要河流。本段相应的立交及桥梁选型工作尤为重要，共设置互通式立交4座，分离式立交9座，铁路立交1座，大桥、特大桥3座，跨线桥及通道桥24座。在这些结构物的设计过程中，我们做了大量细致的工作，进行了周密地比选，最终确定了适宜的方案。在解决功能与造价、安全与美观等矛盾方面取得了一些宝贵的经验和教训。二、技术标准依据首规委、交通部对工程可行性研究报告和初步设计的批复及交通部颁布的规范确定本次设计的技术标准如下：1、京沈高速公路主线计算行车速度：120公里/小时；路基宽度：34.5米(三上三下，其中行车道宽3.75米，硬路肩宽3.0米，中央隔离带宽3.0米，路缘带宽0.75米，土路肩宽0.75米)。2、立交匝道设计车速：5080公里/小时；匝道宽度：单向8.5米，双向15.5米；最小平曲线半径：5080米；最大纵坡：3.87%。3、桥梁设计荷载：主线桥汽车-超20级，挂车-120。支线桥汽车-20级，挂车-100。洪水频率：百年一遇。地震烈度：8度。三、立交选型本次立交选型严格遵照立交性质决定立交形式的原则。依据相交道路的等级及交通量确定立交的等级和性质，再依据立交的等级和性质，结合具体的地形、地物选择立交的形式并确定各种技术指标。这样选型结果能分清主次，尤其是将枢纽性质立交与服务性质立交严格区分，使各种立交各尽所能，最大限度地发挥其作用。下面介绍几种不同性质的立交选型。1、枢纽性质的立交(1)公路二环立交公路二环是北京市最外层的高速环路，在北京市的路网规划中占有重要的地位，一方面它作为北京市各郊区县城镇间的重要联系纽带，另一方面它还是截流、疏导过境交通的主要通道，而且由于它与进出北京市的各主要放射线均相交，它还具有均衡放射线、强化路网的整体性和应变性功能。现状公路二环黄村至马驹桥段于1990年建成一级公路，本段(马驹桥-通县段)按规划为三上三下六车道高速公路，近期按两上两下四车道修建。交通量见图1。根据以上条件，首先从两条相交道路的等级和性质来分析，京沈公路 和公路二环均为高速公路，设计车速均为120公里/小时，可以确定该立交为一级立交，其性质为大型的交通枢纽。从交通量分析，到2019年，最大的转换交通量可达14725辆/日，亦说明了该立交的枢纽性质。依据这样的性质，我们对规划提出的三个方案(见图24)进行了比选，首先排除了苜蓿叶形立交(图2)，因为苜蓿叶形立交虽然交通组织可行、工程量较小、修建简单，但很明显它的交织段很难适应后期交通量地增长，不适合作为一种枢纽性质立交，而且这种形式立交修建收费站将大大增加占地和费用。而对于全定向立交(图3)，虽然从交通组织上讲 ，定向匝道可以提供舒适、快捷的行车条件，满足枢纽性质立交的要求，但从经济上讲，该立交共有四层，占地面积大，桥梁长度长，造价相当高，对于京沈路的投资规模来说，并不是最可取的。而第三个方案则是前两个方案的折衷，虽然并未完全摆脱交织，但提供了两条定向匝道，立交只有两层，无论从交通组织还是从经济上都分别较前两个方案有一定的可取之处，所以我们将其作为初步设计的方案之一。但这一立交形式也有不如人意之处，一方面它没有完全摆脱交织，另一方面它的两条半定向匝道设置的目的并不明确，从交通量分布图上可以看出，未来交通量分布比较大的方向为北京至通县和沈阳至马驹桥两个方向，但这两条匝道并未就此设置。针对以上存在的问题，我们作了进一步地改进，提出了一个半定向涡轮形方案(图5)，从图中可以看出，北京至通县及沈阳至马驹桥方向均设置了半定向匝道，而两条环形匝道设置在对角线上，并且整个立交仍为两层。对于改进前后的两个立交我们作了一下比较 ，见表1由表1可知，从经济方面讲，两者各有利弊，改良苜蓿叶形占地要小一些，对于节省土地资源有利，但在工程造价方面，改良苜蓿叶形工程造价要大于半定向涡轮形，尤其是改良苜蓿叶形中的 北京至通县的高架桥，连跨两条道路，净空高、跨度大，造价高且施工不易。所以总体的经济评价半定向涡轮形要好于改良苜蓿叶形。再从交通组织方面看，半定向涡轮形则明显优于改良苜蓿叶形，半定向涡轮形交通组织明确、出口单一、造型简洁明快，并摒弃了交织。而从两条路相交成65度的情况看，正适合安排环形匝道，占地相对减少且形式对称美观，所以我们最终选定半定向涡轮形为公路二环立交的形式。(2)京津公路立交京津公路即103国道，是北京通往天津的国家一线干线公路，自八王坟起经北苑环岛、土桥、郭县至市界(觅子店)，全长44公里，路基宽度23米，路面宽度20米。该路是由京通快速路至通县后至天津，京沈公路建成以后，可分流部分去天津的车辆，距离缩短且可缓解京通路的压力，具体交通量分布如图6。根据相交道路等级和交通量分析，京津公路作为国家一级干线公路，设计时速为100公里/小时，远景转换交通量可达12416辆/日，该立交等级应为一级，立交性质为交通枢纽，所以在此应设一座级别较高的全互通立交，但标准要比公路二环立交低。另外，该立交所处的地形条件比较特殊，京津公路在立交处距北运河仅百米，京津公路路堤 又是北运河的防浪墙，如此一来，跨河桥与跨线桥连在一起，使立交桥的净空大于要求的5米净空，所以立交匝道布设时几乎不可能将匝道出入口设在京津公路以东的京沈公路上，因为如果将匝道设在路东，路基填土较高，桥梁又长，而且纵坡很大，不经济且会给司机造成一种不安全感。据此，我们做了两个方案进行比较。推荐方案为双喇叭形，作为解决集中收费的最佳方案，双喇叭形立交已为大家所接受。本次依据交通量及出入口匝道的不同要求设置成如图7所示，匝道上跨主线及被交线，另外，收费站设置在西北象限，可减小匝道长度和占地面积。比较方案为两个单喇叭型(图8)，此方案是由于地形条件限制而采取的，两方案具体比较如表2：从部分经济指标来看，两者占地相当，推荐方案土方较少但桥梁面积较多，推荐方案收费站只设一处，而比较方案设置两处，从近期的投资和将来的管理讲，推荐方案要优于比较方案。而在交通组织方面，双喇叭形出入口单一明确，而且有跨线桥作提醒，司机容易识别，优点突出。两个单喇叭形在交通组织方面则稍显不足，尤其在被交线上，出入口多且有交织， 行驶条件不好。我们最终选取双喇叭形作为京津立交的形式。但在具体施工时采用了分期修建的方法，本期只修建了京沈路上的一个喇叭，而京津公路上的喇叭待远期交通量增大时再修建。2、服务性质的立交-郎府立交和西和路立交郎府立交是由杜陈路和京沈路相交而成，杜陈路是由通乡路的杜柳颗村至陈珩的区间路，为三级公路，现状交通量不大，为2301辆/日。西集立交是西和路与京沈路相交而成，西和路是由西集通向和合站的三级公路，现状道路的交通量为3096辆/日，按照规划将改建成二级公路。由两条道路的性质可以看出，无论改建成二级路与否，两条道路都主要是服务于地方交通，因此两座立交的性质就应该以服务的功能为主导，即这两座立交的出入口性质就比较明显，所以立交的设置只要能满足地方交通的出入即可。在方案的选型过程中，我们考虑过部分苜蓿叶形和菱形，如(图9、图10)这两种形式在交通组织方面对主路都比较顺畅，尤其是菱形立交，完全符合出入口的性质，对于出入高速公路的车辆都比较方便，但在施工图阶段，考虑到后期收费管理及运营的费用，这两座立交我们选择单喇叭形。3、分离式立交及通道本次设计共设分离式立交9处，通道14座。分离式立交及通道设置是在保证主路总体平纵配合良好的情况下，主要依据经济及方便地方交通的原则，在主线上跨和下穿均可的情况下，采取较经济的方案。在支路两侧村庄距主路较近时，考虑非机动车出行较多，在净空要求不高的情况下，一般采取主线上跨。以太平庄分离式立交为例，两侧村庄相距较远，支线可上可下，但由于地方上有大型农机具要求过路 ，主线上跨要求净空不小于4.5米，进行经济比较后，主线上跨比支线上跨多填方10万方， 故最终采取支线上跨方案。四、桥梁结构选型在满足使用功能的前提下，因地制宜地选择桥梁结构形式，做到技术先进、经济合理、安全可靠、轻巧美观、方便施工。这样先后选择了五种各具特色的桥梁结构形式，体现了时代的特点，丰富了北京的桥梁结构。1、北运河特大桥-V型连续刚构桥北运河特大桥位于京沈高速公路K26+42.88处，跨越北运河。北运河属海河水系，为京杭大运河的源头，是北京东南方向的主要排灌河道，河宽1345米，常水位主河道宽120米， 设计流量2262立方米/秒，设计水位20.23米，根据规划及水利部门的要求，在众多方案的基础上，对主桥提出了三个桥型方案，如图12。引桥则采用30米预应力混凝土简支T梁连续桥面，各方案技术指标如表3:方案一：V型连续刚构桥桥型新颖美观，V撑减少主跨跨度，使断面尺寸减少 ，造价较低。方案二：双薄壁墩刚构结构轻巧，受力合理，造价居中。方案三：中承式钢拱桥桥型美观，但结构较复杂，其对基础要求较高，施工难度较大，造价较高。经技术、经济综合比较并报主管部门批准，确定采用V型连续刚构方案。在施工图设计阶段，为降低造价，对初部设计又进行了优化，并作了以下4点调整：(1)取消桥上连续停车带，桥宽由34.5米减为30米。(2)主跨跨径由100米减为78米，相应边跨跨径由60米减为42米。(3)引桥跨径组成由630+2430调整为825+3325。(4)总桥长由于水利部门的要求即由1113米增加到1189米，增加了76米。2、轻巧美观的立交匝道桥-独柱弯桥和斜腿刚架桥结合地形、地物，配合道路线形情况因地制宜地选择了以下两种桥型：(1)独柱弯桥该桥位于公路二环立交匝道上，上跨公路二环高速公路，匝道平曲线半径R150米，与公路二环斜交，交角55度，跨径较大，因此选择了独柱支撑现浇预应力混凝土曲线箱型连续梁桥。跨径布置为24+330+24米，梁高1.4米，桥宽8.5米，单箱单室，桥墩直径1.4米，基础为双排钻孔灌注桩，桩径1.2米，桥台为肋板式桥台。(2)斜腿刚架桥该桥位于京沈高速公路K34+964.46处，上跨京沈高速公路，上部结构为预应力混凝土斜腿刚架，斜腿倾角为45度，跨径布置为24+35+24米，梁高1.4米，桥宽10米，单箱双室，基础为双排钻孔灌注桩，桩径1.5米，如图13。3、线型流畅、快速施工的京津立交桥-钢、混凝土组合梁桥京津立交主桥位于京沈高速公路K26+88.88处，上跨京津公路，与京津公路斜交，交角38度，为减少施工过程中对交通的干扰，上部结构选择了跨度较大的变截面钢、混凝土组合梁，跨径布置为35+50+35米，梁高1.42.5米，桥宽30米，横断面形式为4箱单室，下部结构桥墩为矩型独柱墩加预应力混凝土盖梁，基础为双排钻孔灌注桩，桩径1.5米，如图14，钢箱梁分5段。4、简捷明快的跨线、跨河桥-简支梁、板桥对于数量较多的分离式立交跨线桥及跨河桥，为方便施工，降低造价，结构种类不宜太多，结构形式尽量简单，跨径布置要标准化、统一化，经过分析、比较，我们选择了两种结构形式。(1)预制安装预应力混凝土简支T梁桥该种结构具有结构简单、施工方便、工厂化预制、工期短，造价低等优点，其广泛应用于分离式立交跨线桥及跨河桥中。根据所跨越的道路或铁路的净空要求，跨径布置选择425米。下部结构桥墩采用直径1.5米圆形独柱墩加预应力混凝土盖梁，基础采用双排钻孔灌注桩 ，也可选择不等跨布置，两边孔可适当减小，但不能太小，以免梁高差异过大，线条不连续，各部尺寸比例不协调。如按边孔20米计，可节省造价约20万元。从满足使用功能的角度，选择两孔即可，但桥台势必做成体积庞大的U型桥台和双排桩基础，材料用量指标很大，既不经济，效果又不好。所以统一取4孔等跨布置，既经济合理，又视线开阔，效果很好。(2)预制安装预应力混凝土空心板桥板式结构与相同跨径梁式结构相比，结构高度可以降低3050厘米，比较适合于支路下穿的中小跨径通道桥中，可以减少路基填土高度，改善纵断线形，降低造价。根据支路的性质及规划等级，分别选择了标准跨径7米、10米、13米三种。下部结构为钢筋混凝土U型框架。五、结束语百年大计，质量第一，对于基础建设工程来说，质量就是生命，而对于一个合格的道路设计来说，它的质量首先体现在立交、桥梁的选型上，所以我们花费很大的精力在先期基础调查上，经过多次讨论，最终确定了立交及桥梁的形式。经过本次京沈路的设计，我们觉得可以总结出以下几点经验和教训。1、在立交选型上，总的原则和思路是正确的，即：根据道路等级和交通量决定立交的性质，并由立交的性质