杜旭飛

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

互通立交作為高等級公路連接其他高等級公路或地方道路的重要控制節(jié)點(diǎn)，是一個(gè)復(fù)雜和系統(tǒng)的工程，設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣對公路運(yùn)營安全、服務(wù)水平有著舉足輕重的影響。互通立交方案比選是一個(gè)相當(dāng)繁雜的綜合優(yōu)選過程，在設(shè)計(jì)階段，互通立交相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等定量化指標(biāo)可進(jìn)行直接比較，其他影響方案的諸多因素，比如使用性能、社會影響、環(huán)境影響等無法用一種約束條件來將其量化，導(dǎo)致無法進(jìn)行充分比選，而這些因素中往往有著決定方案是否成立的因素。本文結(jié)合工作實(shí)例，總結(jié)多年工作經(jīng)驗(yàn)將互通立交設(shè)計(jì)過程中的諸多影響因素總結(jié)歸納為技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、使用指標(biāo)、影響指標(biāo)四大類以及諸多子項(xiàng)，采用層次分析法建立數(shù)學(xué)模型將定性指標(biāo)進(jìn)行量化，選定最優(yōu)方案作為推薦方案[1]。

1 工程概況

沁水至臨汾高速公路浮山至臨汾段是山西省規(guī)劃的高速公路S81（沁臨高速）的第一階段重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目，臨汾東樞紐設(shè)置于該項(xiàng)目終點(diǎn)，與長臨高速相接，是該項(xiàng)目的控制性節(jié)點(diǎn)工程之一，分析該樞紐立交的重難點(diǎn)如下：

a）該樞紐位于G22青蘭高速公路長治至臨汾段臨汾東互通位置處，通過改造既有臨汾東單喇叭互通，實(shí)現(xiàn)各方向的交通流轉(zhuǎn)換，長臨高速公路通車僅兩年，對其進(jìn)行改造社會影響較大。

b）臨汾東互通收費(fèi)站及管理中心位于長臨高速公路西側(cè)約300 m，方案布設(shè)過程中既要保證既有收費(fèi)站正常運(yùn)營，還要確保不影響管理中心的使用，導(dǎo)致場地受限，方案布設(shè)困難，保通設(shè)計(jì)是重要環(huán)節(jié)。

c）項(xiàng)目區(qū)域有2趟550 kV超高壓輸電線路，不可避免要對其進(jìn)行改遷，溝通協(xié)調(diào)難度大，周期長，如何在方案布設(shè)時(shí)將其影響降低到最小是其難點(diǎn)之一。

d）樞紐區(qū)域地形較為平坦，東高西低，因既有高速標(biāo)高較低，樞紐設(shè)計(jì)過程中排水設(shè)計(jì)是難點(diǎn)。

鑒于該樞紐互通立交重難點(diǎn)分析，在設(shè)計(jì)過程中，綜合考慮社會條件、交通條件、自然條件、用地和全壽命周期成本等因素，擬定3個(gè)方案進(jìn)行比選。

1.1 方案一

該方案完全保留原單喇叭互通，新增T型樞紐實(shí)現(xiàn)浮山與長臨高速公路的交通量轉(zhuǎn)換，為3層樞紐組合方案。主線設(shè)高架橋上跨長臨高速、原互通主匝道、原互通收費(fèi)站后設(shè)置主線收費(fèi)站，落地后接入臨汾東連接線，需對臨汾東互通收費(fèi)站進(jìn)行適當(dāng)改造，同時(shí)設(shè)置輔道接臨汾東連接線。浮山去往延安方向匝道（H匝道），從F匝道分流后下穿主線、F匝道、C匝道，上跨既有高速后接入長臨高速公路。該方案線性指標(biāo)較高，施工期間對既有互通正常運(yùn)營及既有高速的干擾均較小，但在既有高速上連續(xù)設(shè)置出入口，駕駛?cè)诵枰龀鲚^多的判斷，對既有高速安全運(yùn)營存在較大影響，需對收費(fèi)站進(jìn)行部分調(diào)整，該方案整體規(guī)模較大，占地大，投資多。方案一平面圖見圖1。

圖1 方案一平面圖

1.2 方案二

該方案采用變異苜蓿葉型方案，項(xiàng)目主線下穿長臨高速公路，因既有跨線橋跨徑?。缇€橋?yàn)?6 m+20 m+16 m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋），需將其進(jìn)行拆除。臨汾至長治方向及延安至臨汾方向匝道采用環(huán)形匝道設(shè)計(jì)，連續(xù)進(jìn)出口間距較小，為減少對長臨高速公路延安往長治方向直行車輛的影響，在既有高速東側(cè)加寬路基設(shè)置集散車道，設(shè)置單一的出入口，提高通行的安全性，其余匝道采用定向或半定向匝道。因設(shè)置集散車道需加寬既有高速河大橋，加寬長度150 m。該方案整體造型較好，不對既有收費(fèi)站及管理中心進(jìn)行改造，但設(shè)置集散車道導(dǎo)致施工期間對既有高速干擾時(shí)間較長，存在一定的安全隱患。

圖2 方案二平面圖

1.3 方案三

方案三是在方案二基礎(chǔ)上的優(yōu)化方案，主要是考慮到方案二設(shè)置集散車道，在施工期間對長臨高速公路通行安全影響較大。該方案將其中一個(gè)環(huán)形匝道分離出來（B匝道），從主線分流后設(shè)置環(huán)形匝道上跨主線、C匝、D匝后接入D匝道去往長治方向。方案三最大的優(yōu)勢是不需要在長臨高速公路延安至長治方向一側(cè)設(shè)置集散車道，對既有高速的改造長度大大縮短，同時(shí)也避免了對既有高速一座大橋局部加寬，施工期間對既有高速通行干擾較小。該方案整體美觀造型較方案二稍差，橋梁規(guī)模基本相當(dāng)。

圖3 方案三平面圖

1.4 各方案指標(biāo)及工程量

各方案的主要技術(shù)指標(biāo)及主要工程數(shù)量見表1。

表1 各方案主要技術(shù)指標(biāo)及主要工程數(shù)量表

2 應(yīng)用層次分析法分析研究

層次分析法是一種層次權(quán)重分析方法，是對復(fù)雜決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析之后，利用較少的定量信息，把決策的思維過程數(shù)學(xué)化、定量化，將決策問題分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案3個(gè)層次，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型及其判斷矩陣，求解多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題[1]。

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

依據(jù)層次分析法的原理，最高目標(biāo)層為決策的目的、需要解決的問題，在該項(xiàng)目中為互通立交推薦方案；中間準(zhǔn)則層為需要考慮的因素、決策的準(zhǔn)則依據(jù)等，結(jié)合多年實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，盡可能覆蓋各項(xiàng)影響因素，擬定4項(xiàng)準(zhǔn)則層，分別是技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、使用指標(biāo)、影響指標(biāo)，并擬定子準(zhǔn)則層以便綜合確定準(zhǔn)則層權(quán)重，各子準(zhǔn)則層分別影響對應(yīng)的準(zhǔn)則層指標(biāo)[2-4]；最低方案層為決策時(shí)的各方案，該次設(shè)計(jì)中共擬定3個(gè)方案。層次模型見圖4。

圖4 層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣是層次分析法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算的重要依據(jù)，采用矩陣的形式來表述每一層中各元素相對其上層元素的相對重要程度，使各元素之間進(jìn)行兩兩對照得到量化的判斷矩陣，并按其重要性程度評定等級。

表2 比例標(biāo)度表

根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，中間準(zhǔn)則層B對最高目標(biāo)層A的兩兩比較判斷矩陣如下：

最低方案層C對中間準(zhǔn)則層B的4個(gè)比較判別矩陣如下：

2.3 層次排序及一致性檢驗(yàn)

針對已構(gòu)建比較判斷矩陣，求出其最大特征值及其對應(yīng)的特征向量，將特征向量歸一化后，即可得到相應(yīng)層次排序的相對重要權(quán)重向量，以及一致性指標(biāo)CI和一致性比例CR。當(dāng)構(gòu)建的矩陣計(jì)算所得CR＜0.1時(shí)，認(rèn)為其不一致程度可以接受，一致性通過檢驗(yàn)，否則應(yīng)對構(gòu)建的判斷矩陣進(jìn)行修正。

層次排序分為層次單排序和層次總排序，并應(yīng)分別對其一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)通過檢驗(yàn)方可進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

2.3.1 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

最大特征值 λmax=1/4×（1.940/0.482+1.093/0.272+0.631/0.158+0.354/0.088）=4.015。

該矩陣為 4階矩陣，查得 RI=0.94，CR=CI/RI=0.005/0.94=0.005。

同理計(jì)算其余判斷矩陣，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 互通立交推薦方案的計(jì)算結(jié)果

由表3可知，所有5個(gè)層次單排序的CR值均小于0.1，一致性通過檢驗(yàn)。

2.3.2 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

a）由表3可知中間準(zhǔn)則層B相對最高目標(biāo)層A的排序向量及最低方案層C對中間準(zhǔn)則層B的排序向量，則最低方案層對最高目標(biāo)層的排序權(quán)重向量為：

b）層次總排序一致性檢驗(yàn)。

CR=（0.482×0.003+0.272×0.027+0.158×0.009+0.088×0.019）/0.58=0.020.

層次總排序CR=0.020＜0.1，總排序一致性通過檢驗(yàn)。

2.4 最優(yōu)方案

臨汾東樞紐互通立交推薦方案總目標(biāo)，所考慮3個(gè)方案的權(quán)重分別為：方案一權(quán)重0.242；方案二權(quán)重0.336；方案三權(quán)重0.422。

根據(jù)上述分析結(jié)果，方案三權(quán)重最大，即最優(yōu)方案為方案三，故選擇方案三作為臨汾東樞紐的推薦方案。

3 結(jié)語

在互通立交方案比選過程中，設(shè)計(jì)人員及專家從不同角度對方案的優(yōu)劣進(jìn)行判定，最終選定最優(yōu)方案作為推薦方案，但在方案比選過程中設(shè)計(jì)人員及專家的主觀傾向不同，考慮的側(cè)重點(diǎn)不同，特別是對無法量化的指標(biāo)，每個(gè)人的意見偏差較大，導(dǎo)致推薦方案結(jié)果可能存在完全相左的結(jié)果。本文采用層次分析法進(jìn)行互通立交方案比選，在準(zhǔn)則層設(shè)定多層準(zhǔn)則層，針對不同的方案層層剖析，賦予各項(xiàng)指標(biāo)相應(yīng)權(quán)重，通過計(jì)算得到最優(yōu)結(jié)果，比選過程簡潔明了，層次清晰，可充分提高我們的實(shí)際工作效率，是一種科學(xué)合理的方法。同時(shí)，該方法也可用于對已完成的互通立交項(xiàng)目進(jìn)行評定，為后期的工作提供指導(dǎo)。

層次分析法優(yōu)點(diǎn)很多，但也存在一些缺點(diǎn)，例如權(quán)重分配時(shí)定性分析較多、判定因素多時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算量大，這就要求我們在平時(shí)工作中注意總結(jié)歸類，將方案比選過程中各分項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)歸納，逐步完善，綜合確定一個(gè)可滿足各類互通立交方案比選的層次分析模型，以選出滿足交通功能要求、適合現(xiàn)場條件、工程量小、投資省的最優(yōu)互通立交方案。