馬曉寧，王選倉(cāng)，張　濤

(1.長(zhǎng)安大學(xué)　公路學(xué)院，陜西　西安　701164；2.山西省交通科學(xué)研究院，山西　太原　030006)

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高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)體系研究

馬曉寧1，王選倉(cāng)1，張濤2

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安701164；2.山西省交通科學(xué)研究院，山西太原030006)

摘要：為了研究高速公路是否已達(dá)到改擴(kuò)建的條件，采用了理論研究與工程實(shí)際相結(jié)合的方法，以京滬高速公路萊蕪至臨沂段改擴(kuò)建工程為依托，根據(jù)交通運(yùn)輸部關(guān)于高速公路改擴(kuò)建的相關(guān)意見(jiàn)分析了依托工程改擴(kuò)建較新建第二通道的優(yōu)越性。基于國(guó)內(nèi)已完成改擴(kuò)建工程客貨混行情況提出將45%貨車比例作為高速公路改擴(kuò)建條件，結(jié)合新版公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定了高速公路應(yīng)滿足的線形指標(biāo)與服務(wù)水平要求。綜上，建立了高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)體系，采用九級(jí)標(biāo)度法進(jìn)行了評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重劃分，基于屬性數(shù)學(xué)得出了評(píng)價(jià)目標(biāo)屬性測(cè)度區(qū)間，建立了高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)公式。應(yīng)用評(píng)價(jià)體系進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果表明：京滬高速公路萊蕪至臨沂段比較符合高速公路改擴(kuò)建條件，與分析結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：道路工程；高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)體系；屬性數(shù)學(xué)；貨車比例；線形指標(biāo)；服務(wù)水平

0引言

截至2015年初，我國(guó)已建成高速公路十萬(wàn)余公里，細(xì)密的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)為各地區(qū)間交通運(yùn)輸提供了極大的便利，不僅吸引個(gè)體家庭的短途自駕，也吸引著許多商家的大型運(yùn)輸貨車，給高速公路帶來(lái)了較大壓力。而許多早期建成的高速公路在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法預(yù)測(cè)到近十年來(lái)如此迅速的交通增長(zhǎng)，導(dǎo)致了道路服務(wù)水平的下降與養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的增加。介于此，我國(guó)已普遍展開高速公路改擴(kuò)建工作，目前已完成改擴(kuò)建工程40余項(xiàng)，在建工程近10余項(xiàng)，共計(jì)約7 000 km。而我國(guó)改擴(kuò)建時(shí)機(jī)的選擇暫無(wú)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通常都是迫于道路嚴(yán)重不能滿足交通需求時(shí)才進(jìn)行的，導(dǎo)致了施工期間較大的交通組織難度與較多的安全隱患。因此，在道路服務(wù)水平尚滿足交通需求時(shí)即應(yīng)進(jìn)行高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)，如評(píng)價(jià)結(jié)果比較符合條件則應(yīng)及時(shí)展開改擴(kuò)建工作。本文分析了原有高速公路在路網(wǎng)中的作用、客貨混行現(xiàn)狀，對(duì)比了新舊行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)道路線形及服務(wù)水平的不同要求，以新建復(fù)線方案較舊路拓寬方案優(yōu)越性、貨車比例、舊路線形與新標(biāo)準(zhǔn)不匹配程度、不良線形組合路段數(shù)、最大服務(wù)交通量與基本通行能力之比、以及運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度之差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)體系，并以京滬高速公路萊蕪至臨沂段(下文簡(jiǎn)稱“京滬高速”)為依托驗(yàn)證了體系的合理性，為今后高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)的確定提供依據(jù)。

1原有高速公路在路網(wǎng)中的作用

作為國(guó)家高速公路網(wǎng)和山東省高速公路網(wǎng)的重要組成部分(見(jiàn)圖1)，京滬高速對(duì)山東境內(nèi)的國(guó)省干線起到了較大的分流作用。而隨著交通量逐年激增，全線已接近飽和狀態(tài)，2025年預(yù)測(cè)交通量為83 815 pcu/d，遠(yuǎn)超公路設(shè)計(jì)交通量，將會(huì)嚴(yán)重影響道路服務(wù)水平。

交通運(yùn)輸部《關(guān)于高速公路改擴(kuò)建工程中有關(guān)技術(shù)問(wèn)題處理的若干意見(jiàn)》中指出，應(yīng)結(jié)合國(guó)家路網(wǎng)規(guī)劃，論證改擴(kuò)建對(duì)交通與安全的影響，最終確定對(duì)已有高速公路進(jìn)行舊路擴(kuò)建還是路網(wǎng)加密[1-3]。

經(jīng)系統(tǒng)分析不難得出，京滬高速應(yīng)采用舊路改擴(kuò)建方案。

(1)山東省交界的江蘇省已將京滬高速江蘇段改擴(kuò)建工作列入江蘇省交通發(fā)展規(guī)劃，因此進(jìn)行京滬高速公路山東段原路改擴(kuò)建比另辟?gòu)?fù)線更為恰當(dāng)。

(2)舊路改擴(kuò)建可對(duì)原有服務(wù)區(qū)及收費(fèi)站進(jìn)行改造或擴(kuò)建，充分利用已有資源，避免了重復(fù)建設(shè)占地面積較大、造價(jià)高的弊端。

(3)舊路改擴(kuò)建可根據(jù)沿線實(shí)際在不同路段分別選擇拼接加寬或分離加寬的擴(kuò)建方案，有效避開沿線居民區(qū)與沿線水庫(kù)等自然景觀，降低征地費(fèi)用及對(duì)環(huán)境的破壞。

(4)舊路改擴(kuò)建可通過(guò)系統(tǒng)完善的交通組織與施工組織避免或降低由于原路拓寬造成的交通阻塞與事故。

(5)在舊路基礎(chǔ)上進(jìn)行改擴(kuò)建可有效緩解沿線交通壓力，進(jìn)一步促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2客貨混行因素

以往的高速公路建設(shè)未設(shè)置貨車專用道，客車與貨車共同分享行車道，而隨著我國(guó)高速公路路網(wǎng)的不斷完善，陸運(yùn)的便捷與較低費(fèi)用使貨車運(yùn)輸成為許多商家優(yōu)選的運(yùn)輸方案，導(dǎo)致了貨車比例的逐年升高。其中，中、重型貨車由于載重、車輛尺寸較大，活動(dòng)不如客車靈活，行駛速度較慢，嚴(yán)重降低客車行車速度與行車安全，如遇特殊路段，客車與貨車間行車速度差有可能會(huì)引起不可避免的嚴(yán)重交通事故，導(dǎo)致人員傷亡與交通堵塞[4-5]。

我國(guó)已完成改擴(kuò)建的高速公路中，舊路貨車比例均達(dá)到45%以上，較為嚴(yán)重的如京港澳高速公路安新段貨車比例高達(dá)70%，極大降低了行車舒適性、通達(dá)效果與道路服務(wù)水平。因此，當(dāng)高速公路服務(wù)水平較低且貨車比例達(dá)到或超過(guò)45%時(shí)，應(yīng)考慮進(jìn)行改擴(kuò)建。

根據(jù)山東省對(duì)京滬高速交通調(diào)查與匯總可得出歷年客、貨比例，見(jiàn)圖2，客車比例在2009年達(dá)到最大值，隨后保持逐年降低的趨勢(shì)，而貨車比例在2007年達(dá)到最大值64%，隨后有較大縮減后又逐年回升，增加的貨車類型也偏向于大型、特大型。

圖1　京滬高速所在地區(qū)路網(wǎng)圖示Fig.1　Road network around Beijing-Shanghai expressway

圖2　京滬高速歷年客車與貨車比例Fig.2　Annual proportions of passenger cars and trucks on Beijing-Shanghai expressway

根據(jù)所得趨勢(shì)與京滬高速沿線所需車輛類型的轉(zhuǎn)變，得到京滬高速公路客、貨車比例預(yù)測(cè)情況，見(jiàn)圖3、圖4。隨著時(shí)間的推移，客車比例逐年減少，貨車比例不斷增加，到2016年貨車比例為58.6%，2030年增至59.2%，遠(yuǎn)超45%，需進(jìn)行改擴(kuò)建。針對(duì)本路段較高貨車比例，也可考慮設(shè)置貨車專用車道，硬性分離客、貨車輛，根除由于客、貨混行引起的重大交通事故[6-8]。

圖3　客車比例預(yù)測(cè)Fig.3　Prediction for proportion of passenger cars

圖4　貨車比例預(yù)測(cè)Fig.4　Prediction for proportion of trucks

3線形指標(biāo)因素

由于我國(guó)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范不斷修訂，早期建設(shè)完成的高速公路線形指標(biāo)已不能滿足現(xiàn)有規(guī)范要求，因此有必要展開改擴(kuò)建。京滬高速公路路線設(shè)計(jì)依據(jù)為《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ01—88)，而該標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)多次修訂后形成了《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)(下文簡(jiǎn)稱“新標(biāo)準(zhǔn)”)，新標(biāo)準(zhǔn)將高速公路最低設(shè)計(jì)速度規(guī)定為80 km/h，統(tǒng)一了不同設(shè)計(jì)速度下右側(cè)硬路肩寬度，增設(shè)了不設(shè)超高最小半徑與平曲線長(zhǎng)度最小長(zhǎng)度，取消了對(duì)最小坡長(zhǎng)及豎曲線最小半徑一般值的規(guī)定，并根據(jù)設(shè)計(jì)速度與最大超高共同確定了圓曲線最小半徑[9-10]。

4個(gè)路段舊路設(shè)計(jì)速度分別為80，100，100，120 km/h，改擴(kuò)建后設(shè)計(jì)速度統(tǒng)一為120 km/h，根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，京滬高速公路各路段線形指標(biāo)應(yīng)作出調(diào)整見(jiàn)表1。

表1　京滬高速公路線形指標(biāo)調(diào)整表

除此之外，路段3多處縱坡長(zhǎng)度超出900 m，在改擴(kuò)建時(shí)也應(yīng)進(jìn)行合理調(diào)整。

同時(shí)，長(zhǎng)陡坡或長(zhǎng)直線內(nèi)豎曲線數(shù)量較多等平、縱線形的不合理組合會(huì)導(dǎo)致駕駛員對(duì)線形的錯(cuò)誤理解，形成事故多發(fā)段，因此應(yīng)嚴(yán)格控制一定里程內(nèi)不良線形組合出現(xiàn)的次數(shù)，在保證公路線形指標(biāo)符合規(guī)范要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合優(yōu)化。

4服務(wù)水平因素

《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2003)對(duì)高速公路服務(wù)水平進(jìn)行了分級(jí)(見(jiàn)圖5～圖7)，將二級(jí)服務(wù)水平作為高速公路設(shè)計(jì)最低要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)已完成高速公路改擴(kuò)建工程中，大多數(shù)舊路服務(wù)水平已達(dá)到二級(jí)下線或三級(jí)，部分舊路如京津塘高速由于交通嚴(yán)重超負(fù)荷已達(dá)三級(jí)服務(wù)水平下線，均嘗試通過(guò)改擴(kuò)建提升至二級(jí)[9]。

圖5　高速公路服務(wù)水平等級(jí)劃分Fig.5　Classification of expressway service level

圖6　最大行車密度Fig.6　Maximal traffic density

圖7　高速公路最低行車速度Fig.7　Lowest driving speed on expressway

2015年起施行的新標(biāo)準(zhǔn)則進(jìn)一步細(xì)化了高速公路服務(wù)水平，如表2所示。

表2　高速公路服務(wù)水平分級(jí)

新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高速公路設(shè)計(jì)服務(wù)水平應(yīng)不低于三級(jí)，因此應(yīng)在服務(wù)水平降至三級(jí)下限之前制定改擴(kuò)建方案。2014年京滬高速全線平均日交通量約為42 461 pcu/d，各路段服務(wù)水平已低至三級(jí)或四級(jí)上限水平，實(shí)際交通量遠(yuǎn)超最大服務(wù)交通量，更難以滿足新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高速公路年平均日交通量宜大于15 000 veh小客車的要求。

同時(shí)，新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定公路設(shè)計(jì)應(yīng)采用運(yùn)行速度進(jìn)行檢驗(yàn)。相鄰路段運(yùn)行速度之差應(yīng)小于20 km/h，統(tǒng)一路段運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度之差宜小于20 km/h。根據(jù)近年已有交通數(shù)據(jù)收集，并依據(jù)設(shè)計(jì)速度與實(shí)際運(yùn)行速度對(duì)京滬高速公路進(jìn)行了分段，見(jiàn)表3。四段相鄰路段實(shí)際速度之差均遠(yuǎn)小于20 km/h，符合要求；但除路段1外，其他3個(gè)路段設(shè)計(jì)速度與實(shí)際運(yùn)行速度之差較大，其中路段4兩速度相差30 km/h，路段3兩速度相差高達(dá)35 km/h，遠(yuǎn)超出20 km/h 50%及75%，嚴(yán)重不符要求[10]。

表3　京滬高速公路實(shí)際行車速度對(duì)比分析(單位:km/h)

5高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)體系

5.1評(píng)價(jià)指標(biāo)與目標(biāo)

本文基于高速公路改擴(kuò)建4種影響因素確定了6個(gè)改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)指標(biāo)[11-13]，見(jiàn)表4。

表4　高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文以高速公路改擴(kuò)建條件符合程度作為評(píng)價(jià)目標(biāo)，根據(jù)是否需要改擴(kuò)建及改擴(kuò)建迫切程度分為4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表5，其中當(dāng)評(píng)價(jià)結(jié)果為R1，R2時(shí)沒(méi)有改擴(kuò)建必要，當(dāng)評(píng)價(jià)在R3，R4范圍內(nèi)時(shí)應(yīng)及時(shí)開展改擴(kuò)建工作，改善道路通行能力。

5.2評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)與權(quán)重劃分

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

結(jié)合已有研究及新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高速公路線形及服務(wù)水平等方面的要求，本文根據(jù)目標(biāo)層高速公路改擴(kuò)建條件符合程度4個(gè)等級(jí)對(duì)6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行了賦值，見(jiàn)表6。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重劃分

根據(jù)評(píng)價(jià)體系中評(píng)價(jià)指標(biāo)間重要性比較，采用九級(jí)標(biāo)度法[14]建立了判斷矩陣，見(jiàn)表7。

表5　高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)目標(biāo)

由式(1)計(jì)算各行元素平均值：

(1)

表7　高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣

(2)

可得到各指標(biāo)權(quán)重：

W=(0.16,0.09,0.17,0.09,0.38,0.11)T。

5.3高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)體系

基于屬性數(shù)學(xué)建立以F(F1,F2,F3,F4,F5,F6)為評(píng)價(jià)指標(biāo)、R(R1,R2,R3,R4)為評(píng)價(jià)目標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)矩陣[15-16]，見(jiàn)式(3)：

R1R2R3R4F1f11,r11[]f12,r12[]f13,r13[]f14,r14[]F2f21,r21[]f22,r22[]f23,r23[]f24,r24[]F3f31,r31[]f32,r32[]f33,r33[]f34,r34[]F4f41,r41[]f42,r42[]f43,r43[]f44,r44[]F5f51,r51[]f52,r52[]f53,r53[]f54,r54[]F6f61,r61[]f62,r62[]f63,r63[]f64,r64[]

，

(3)

式中，f11>f12>f13>f14，fm1r12>r13>r14，rm1

記各指標(biāo)實(shí)際取值為Im，對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)目標(biāo)Rn的屬性測(cè)度區(qū)間為[umn]，表達(dá)式見(jiàn)式(4)：

(4)

(1)m=1

若f1n≥I1≥f1(n+1)(n∈[1,2,3])，則有：

(5)

若r1n≥I1≥r1(n+1)(n∈[1,2,3])，則有：

(6)

(2)m=2,3,4,5,6

若fmn≤Im≤fm(n+1)(n∈[1,2,3])，則有：

(7)

若rmn≤Im≤rm(n+1)(n∈[1,2,3])，則有：

(8)

據(jù)此便可由式(9)分別計(jì)算得出具有R1，R2，R3，R4的屬性測(cè)度區(qū)間[un]，n∈[1,2,3,4]， 并經(jīng)均值化處理得到Un(Rn)，見(jiàn)式(10)。

(9)

(10)

綜上，依據(jù)置信度準(zhǔn)則判定已建高速公路改擴(kuò)建條件符合程度，設(shè)置置信度為0.8，判定公式為式(11)，計(jì)算結(jié)果n即表示改擴(kuò)建條件符合程度為Rn級(jí)。

(11)

6京滬高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)

根據(jù)高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)體系，本文針對(duì)京滬高速實(shí)際進(jìn)行了分析，得到了單項(xiàng)指標(biāo)值與評(píng)價(jià)結(jié)論，以路段3為例，見(jiàn)表8。

表8　京滬高速各指標(biāo)實(shí)際取值與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)矩陣

由式(4)～式(8)計(jì)算得出京滬高速公路路段3Im對(duì)應(yīng)Rn的屬性測(cè)度區(qū)間 [umn]，見(jiàn)表9。

表9　京滬高速[umn]計(jì)算結(jié)果匯總表

由式(9)計(jì)算得出[u1]=[0,0.056 7]，[u2]=[0.056 7,0.611 8]，[u3]=[0.611 8,0.263 6]，[u4]=[0.331 5,0.067 9]，根據(jù)式(10)得到U1=0.028 3，U2=0.334 3,U3=0.437 7,U4=0.199 7，選擇置信度為0.8時(shí)，依據(jù)式(11)，不難得出n=3,則該路段高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)結(jié)果為R3，比較符合改擴(kuò)建條件，應(yīng)及時(shí)組織展開改擴(kuò)建工作，該結(jié)論與前文對(duì)京滬高速公路現(xiàn)狀分析結(jié)果相同，驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)體系的科學(xué)合理性。

7結(jié)論

本文綜合分析了高速公路改擴(kuò)建條件影響因素，根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以新建復(fù)線方案較舊路拓寬方案優(yōu)越性、貨車比例、舊路線形與新標(biāo)準(zhǔn)不匹配程度、不良線形組合路段數(shù)、V/C及│C運(yùn)行-C設(shè)計(jì)│為評(píng)價(jià)指標(biāo)建立了高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)體系，并以京滬高速公路萊蕪至臨沂段為依托，驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)體系的可行性。主要結(jié)論如下：

(1)基于九級(jí)標(biāo)度法確定了6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重：0.16，0.09，0.17，0.09，0.38，0.11。

(2)基于屬性數(shù)學(xué)提出了高速公路改擴(kuò)建條件評(píng)價(jià)公式：

式中n即表示改擴(kuò)建條件符合程度為Rn級(jí)，若n=3，4則應(yīng)及時(shí)開展改擴(kuò)建工作。

(3)京滬高速改擴(kuò)建條件進(jìn)行的評(píng)價(jià)結(jié)果與道路現(xiàn)狀分析結(jié)論一致，驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)體系的科學(xué)合理性，可為今后高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)的確定提供依據(jù)。

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Study of Expressway Reconstruction and extension Condition Evaluation SystemMA Xiao-ning1, WANG Xuan-cang1, ZHANG Tao2

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an Shannxi 710064, China；2.Shanxi Transport Research Institute, Taiyuan Shanxi 030006, China)

Abstract：In order to research whether an expressway has meet the conditions of reconstruction and extension, the study method combining with theoretical analysis and engineering practice is adopted. Based on the reconstruction and extension project of Laiwu-Linyi section of Beijing-Shanghai expressway, the superiority of expressway reconstruction and extension over building the second channel is analyzed according to the suggestions of ministry of transport. Based on the mixed traffic situations of dominant reconstruction and extension completed already, 45% proportion of trucks is chosen as one of the expanding condition. Combining with the newly revised and published highway engineering technology standards, the requirements of alignment indicators and service level that the expressway should meet are determined. With all the researches above, expressway reconstruction and extension condition evaluation system is established. The weights division of the evaluation indicators is obtained with nine-grade scaling method, the attribute measurement intervals of the evaluation target are calculated based on attribute mathematics theory, and the formula for expressway reconstruction and extension condition evaluation is finally presented. The construction example is evaluated with the evaluation system. The result shows that the researched road section is in accordance with the reconstruction and extension conditions to a large extent, which is in consistent with the analysis result.

Key words：road engineering; condition evaluation system for expressway reconstruction and extension; attribute mathematics; proportion of truck; alignment indicator; service level

中圖分類號(hào)：U412.36+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)04-0052-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.009

作者簡(jiǎn)介：馬曉寧(1990-)，女，安徽靈璧人，博士.(782535821@qq.com)

基金項(xiàng)目：交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013318J08220)

收稿日期：2015-04-21