山區(qū)復(fù)雜地形下樞紐式互通立交方案的綜合比選方法

劉健鋒 韋姍姍 萬謙 李佳航

作者簡(jiǎn)介：劉健鋒（1989—），碩士，工程師，主要從事公路與城市道路勘察設(shè)計(jì)工作。

針對(duì)山區(qū)復(fù)雜地形下高速公路面臨山高谷深、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、公路展線空間嚴(yán)重受限的困境，文章剖析了山區(qū)高速公路在樞紐式互通設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，將山區(qū)樞紐立交中制約選型的影響因素進(jìn)行分解，利用多指標(biāo)決策理論及AHP法確定各影響因素的權(quán)重，應(yīng)用基于專家評(píng)判的綜合評(píng)分，建立了山區(qū)樞紐立交選型方案的定量化計(jì)算模型，提高了山區(qū)樞紐立交選型的科學(xué)性與合理性，可為類似立交的建設(shè)提供有益參考。

山區(qū)高速公路；公路路線；樞紐互通式立體交叉；互通設(shè)計(jì)

U412.35+2.1A140503

0?引言

隨著“交通強(qiáng)國(guó)”重大戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國(guó)高速公路網(wǎng)也在不斷地往偏遠(yuǎn)山區(qū)延伸。在山區(qū)復(fù)雜地形的高速公路互通設(shè)計(jì)中，會(huì)受到地形、地質(zhì)、基本農(nóng)田、交通需求、生態(tài)環(huán)境等因素的影響，各因素影響程度錯(cuò)綜復(fù)雜，而目前針對(duì)山區(qū)樞紐立交選型的研究較少［1-3］，如何對(duì)山區(qū)樞紐立交選型的影響要素進(jìn)行有效識(shí)別，科學(xué)合理地量化山區(qū)樞紐立交方案的優(yōu)劣，提高山區(qū)樞紐立交選型的科學(xué)性迫在眉睫。

1?山區(qū)復(fù)雜地形下高速公路樞紐互通設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1?以地質(zhì)勘察為先導(dǎo)，科學(xué)論證主線方案

針對(duì)偏遠(yuǎn)山區(qū)山高谷深、地形復(fù)雜多變、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的特點(diǎn)，在確定主線方案時(shí)，應(yīng)掌握沿線地形、地質(zhì)、水文等條件，深入剖析地形地質(zhì)條件對(duì)工程安全、施工及運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)的長(zhǎng)期影響，科學(xué)論證主線方案。

1.2?重視現(xiàn)狀路網(wǎng)調(diào)查，科學(xué)預(yù)測(cè)交通量

樞紐互通是重要的節(jié)點(diǎn)工程，投資巨大，一旦建成將難以改造。設(shè)計(jì)階段應(yīng)重視被交現(xiàn)狀道路的調(diào)查或規(guī)劃道路的功能定位，科學(xué)預(yù)測(cè)樞紐互通節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)期交通量及各個(gè)轉(zhuǎn)向交通需求，才能合理、客觀地進(jìn)行樞紐互通方案的布設(shè)。

1.3?加強(qiáng)互通方案的綜合比選

山區(qū)高速公路的地形地質(zhì)條件復(fù)雜，樞紐互通的建設(shè)規(guī)模龐大，經(jīng)濟(jì)性是互通方案的重要影響因素，不同的互通方案在安全性、經(jīng)濟(jì)性、服務(wù)通行能力、環(huán)境保護(hù)等方面差異較大，只有加強(qiáng)樞紐互通方案的綜合比選，才能做到優(yōu)中選優(yōu)。

[HT10.5HB]1.4?切實(shí)理解規(guī)范指標(biāo)的內(nèi)涵，兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性

規(guī)范對(duì)主線道路技術(shù)指標(biāo)和樞紐互通匝道指標(biāo)均有詳細(xì)的規(guī)定和要求，但山區(qū)互通受地形地質(zhì)等條件的影響，過度追求超高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)會(huì)增加額外投資，在具體布設(shè)時(shí)，應(yīng)掌握規(guī)范指標(biāo)的本質(zhì)內(nèi)涵，在保證方案安全可靠的基礎(chǔ)上，兼顧經(jīng)濟(jì)性。

1.5?樞紐互通形式不拘一格，科學(xué)論證

山區(qū)高速公路由于地形地質(zhì)復(fù)雜，展線空間受限，互通型式以非常規(guī)為主。在山區(qū)高速公路布設(shè)樞紐互通時(shí)，應(yīng)以實(shí)現(xiàn)樞紐互通的交通功能為基礎(chǔ)，以確保建設(shè)及運(yùn)營(yíng)的安全可靠、行車安全為核心，全面、科學(xué)地論證樞紐互通方案的布設(shè)。

2?立交選型的決策指標(biāo)體系

山區(qū)樞紐立交設(shè)置的影響因素眾多，建立完善的山區(qū)樞紐立交選型決策指標(biāo)體系，是構(gòu)建山區(qū)樞紐立交選型評(píng)價(jià)模型的重要基礎(chǔ)，影響山區(qū)樞紐立交選型的因素包括地形地質(zhì)條件、交通量、經(jīng)濟(jì)性、通行能力、環(huán)境條件等，這些指標(biāo)之間相互交錯(cuò)，通過對(duì)眾多指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，結(jié)合專家及國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究成果，山區(qū)樞紐立交選型決策指標(biāo)分為5類：規(guī)劃指標(biāo)、設(shè)計(jì)指標(biāo)、運(yùn)行指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、社會(huì)影響指標(biāo)［4］，各個(gè)指標(biāo)細(xì)化后可建立山區(qū)樞紐立交選型方案的指標(biāo)體系，如圖1所示。

3?項(xiàng)目概況

資源南樞紐位于桂林市資源縣中峰鎮(zhèn)良家村西側(cè)，被交道路為G59資源至興安高速公路，資興高速公路設(shè)計(jì)時(shí)速100 km，路基寬26.0 m，現(xiàn)已建成通車，資源南樞紐的遠(yuǎn)景交通量預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

互通方案的主要限制因素：（1）項(xiàng)目沿線地形地質(zhì)條件復(fù)雜，主線橋隧比高達(dá)95%，互通的加減速車道受臺(tái)盤嶺隧道和資江特大橋限制，布設(shè)形式受到一定的限制。（2）被交道路與該項(xiàng)目的高差巨大（平均高差約84 m），項(xiàng)目沿線受養(yǎng)豬場(chǎng)、終點(diǎn)用地受電廠限制，展線困難。（3）互通位置原地貌地質(zhì)條件差，多覆蓋層和滑坡堆積體，線位方案不宜大挖大填，需規(guī)避滑坡隱患路段。

考慮本互通為樞紐式立體交叉，交通轉(zhuǎn)換需求突出，在綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、服務(wù)水平和通行能力的前提下，提出三個(gè)方案進(jìn)行綜合論證。

3.1?方案一（圖3）

方案一綜合了交通量、地形、基本農(nóng)田等因素，不片面追求過高的車速指標(biāo)，除LK連線及A、B、E匝道采用60 km/h設(shè)計(jì)速度外，其余匝道均為50 km/h設(shè)計(jì)速度，采用“起點(diǎn)左轉(zhuǎn)彎迂回T形互通+連線+終點(diǎn)外交叉T形互通”的布置形式，其中，B匝道上跨主線，C匝道下穿主線，G、H匝道上跨資興高速公路。

起點(diǎn)T形互通的主線平面最小圓曲線半徑為2 500 m，最大縱坡2.9%，最小凹形豎曲線半徑為12 000 m，無凸型曲線；終點(diǎn)被交高速公路的主線平面最小圓曲線半徑為1 400 m，最大縱坡1.403%，最小凸形豎曲線半徑為40 000 m，無凹型曲線。

LK連線平面最小圓曲線半徑251 m，最大縱坡4.0%。A、B、E匝道平面最小圓曲線半徑120 m，最大縱坡4.0%。C、D、F、G、H匝道平面最小圓曲線半徑80 m，最大縱坡4.0%。LK連線采用對(duì)向分隔式雙車道，路基寬度采用21 m，其余單向雙車道路基寬度采用10.5 m。

方案一互通匝道設(shè)置橋梁5 845.90 m/9座。

3.2?方案二（圖4）

方案二采用相對(duì)緊湊的道路技術(shù)指標(biāo)，除LK連線、A匝道采用60 km/h設(shè)計(jì)速度外，其余匝道均采用50 km/h設(shè)計(jì)速度，結(jié)合交通量、地形、基本農(nóng)田等因素，采用“起點(diǎn)B形喇叭互通+連線+終點(diǎn)外交叉T形互通”的布置形式，其中，LK匝道下穿主線，G、H匝道上跨資興高速公路。

LK連線平面最小圓曲線半徑251 m，最大縱坡4.0%。A匝道平面最小圓曲線半徑190 m，最大縱坡3.95%。B、C、D、E、F、G、H匝道平面最小圓曲線半徑80 m，最大縱坡4.0%。LK連線采用對(duì)向分隔式雙車道，路基寬度采用21 m，其余單向雙車道路基寬度采用10.5 m。

方案二設(shè)置匝道橋梁4 665 m/13座，設(shè)置12 m抗滑樁長(zhǎng)度約1 020 m。

3.3?方案三（圖5）

方案三采用較高的道路技術(shù)指標(biāo)，除C、D、F匝道采用50 km/h設(shè)計(jì)速度外，LK連線及A、B、E、G、H匝道均采用60 km/h設(shè)計(jì)速度，結(jié)合交通量、地形、基本農(nóng)田等因素，采用“起點(diǎn)左轉(zhuǎn)彎迂回T形互通+連線+終點(diǎn)內(nèi)交叉T形互通”的布置形式，其中，B匝道上跨主線，C匝道下穿主線，G、H匝道上跨資興高速公路。

LK連線平面最小圓曲線半徑251 m，最大縱坡4.0%。A、B、E、G、H匝道平面最小圓曲線半徑120 m，最大縱坡4.0%。C、D、F匝道平面最小圓曲線半徑80 m，最大縱坡4.0%。

方案三互通匝道設(shè)置橋梁6 438.12 m/9座。

三個(gè)方案的綜合對(duì)比如表1所示。

4?立交選型的多指標(biāo)決策模型

4.1?模糊綜合評(píng)判方法

基于AHP法，山區(qū)樞紐立交選型決策綜合指標(biāo)集為A，詳見前頁(yè)圖1，其中i、j表示準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的指標(biāo)數(shù)，上、下級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系為：Ai={Ai1，Ai2，Ai3，…Aij}，采用標(biāo)度擴(kuò)展法構(gòu)造判斷矩陣，比例標(biāo)度見表2，無須進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，排序及權(quán)重分布較易獲得，易于操作，可提高決策效率［5］。

對(duì)山區(qū)樞紐立交選型決策綜合指標(biāo)集中的同一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)重要性排序，如A1≥A2≥A3…≥An，分析指標(biāo)Ai與Ai+1的重要性比值，根據(jù)指標(biāo)間重要程度的傳遞性推算判斷矩陣中其他指標(biāo)的值，步驟如下：

由此計(jì)算得到山區(qū)樞紐立交選型決策綜合指標(biāo)集A={A1，A2，…，An}對(duì)應(yīng)的權(quán)值向量X=（X1，X2，…Xn），根據(jù)互通設(shè)計(jì)成果、地勘、規(guī)劃條件、交通量等資料，由專家組評(píng)分，評(píng)價(jià)指標(biāo)按百分制給分，得到山區(qū)樞紐立交選型決策綜合指標(biāo)集的評(píng)分向量S=（S1，S2，…，Sn）T，基于此，得出山區(qū)樞紐立交選型決策的綜合評(píng)價(jià)得分：A=X×S-ni=1（XiSi）。按照以上方法測(cè)算各互通方案的綜合評(píng)價(jià)得分，以作為衡量山區(qū)高速公路樞紐互通方案優(yōu)劣的重要反饋，為山區(qū)高速公路樞紐互通立交選型提供有益參考。

4.2?綜合評(píng)價(jià)結(jié)論

通過深入剖析三個(gè)互通方案在立交選型多指標(biāo)決策模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重及專家打分情況，如表3所示。由表3可以發(fā)現(xiàn)：

方案一的道路技術(shù)指標(biāo)適中，服務(wù)通行能力較強(qiáng)，橋梁建設(shè)規(guī)模適中，不存在大填大挖的情況，環(huán)境影響較小，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較低、建設(shè)條件相對(duì)較好，且經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)，故其綜合評(píng)價(jià)得分最高，為97.27分。

方案二的起點(diǎn)采用B形喇叭互通方案，其緊鄰隧道出口，隧道出口道路縱坡為2.9%，運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)較高。同時(shí)，方案二的多處匝道路段存在大填大挖的情況，設(shè)置強(qiáng)支護(hù)抗滑樁的路段較多，后期運(yùn)營(yíng)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。方案二的綜合評(píng)價(jià)得分為91.24分。

方案三，其道路技術(shù)指標(biāo)最高，通行能力和服務(wù)水平最好，但由于橋梁建設(shè)規(guī)模較大，經(jīng)濟(jì)性不佳，考慮到資源南樞紐的總體交通量情況，部分匝道適當(dāng)降低速度指標(biāo)，采用50 km/h的設(shè)計(jì)速度，亦可以很好滿足資源南樞紐的使用需求。方案三的綜合評(píng)價(jià)得分為96.52分。

綜合考慮本文山區(qū)樞紐立交選型決策的定量化評(píng)價(jià)結(jié)果，推薦資源南樞紐采用方案一“起點(diǎn)左轉(zhuǎn)彎迂回T形互通+連線+終點(diǎn)外交叉T形互通”的布置形式。

5?結(jié)語

（1）長(zhǎng)期以來，我國(guó)設(shè)計(jì)人員對(duì)高速公路的立交選型決策，常采用經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)結(jié)合定性評(píng)價(jià)的方式，對(duì)于多個(gè)較復(fù)雜的互通方案比選時(shí)，傳統(tǒng)方法往往難以保證評(píng)

價(jià)結(jié)果的科學(xué)性與全面性。本文基于多指標(biāo)決策理論及AHP法，剖析了山區(qū)樞紐互通的選型影響因素，給出了評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重分配方法，以專家評(píng)判結(jié)果為基礎(chǔ)，深入分析各種可行方案的優(yōu)劣性，建立了山區(qū)樞紐立交選型方案的定量化評(píng)價(jià)模型，為各互通方案的比選提供科學(xué)有力支撐。

（2）山區(qū)樞紐立交選型決策是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題。在進(jìn)一步研究中，可從完善評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)成體系、深化評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)權(quán)重分配方法等方面入手，對(duì)山區(qū)樞紐互通立交選型的定量化評(píng)價(jià)模型整體架構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充與優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

［1］陳攻宇.復(fù)雜山區(qū)高速公路路線設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究：以沿印松高速為例［J］.工程技術(shù)研究，2022，7（8）：190-192.

［2］付文高，李士東，曾銀平.某高速公路互通立交方案設(shè)計(jì)優(yōu)化研究［J］.西部交通科技，2022（7）：91-93.

［3］湯春華.山區(qū)高速公路互通式立交設(shè)計(jì)與選型［J］.交通世界，2019（28）：28-29.

［4］沈強(qiáng)儒.高速公路菱形立交關(guān)鍵部位交通量適應(yīng)性與技術(shù)指標(biāo)研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2016.

［5］劉健鋒，韋勇克，劉遠(yuǎn)鋒，等.基于安全設(shè)防等級(jí)劃分與模糊層次分析的橋梁運(yùn)營(yíng)安全評(píng)價(jià)［J］.公路交通科技，2020，37（10）：107-117.