周忠德，林 安，王彥虎

(中鐵二院貴陽(yáng)勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

近年來(lái)我國(guó)高速公路網(wǎng)日益完善，促進(jìn)了各省份之間的交流，推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。在公路建設(shè)的設(shè)計(jì)階段，路線方案的選擇至關(guān)重要，其中制約選線的關(guān)鍵因素之一是互通位置及方案，尤其是承擔(dān)高速間交通轉(zhuǎn)換的樞紐互通[1]。

樞紐互通方案設(shè)計(jì)應(yīng)在結(jié)合地形、地質(zhì)、水文等自然因素的前提下，更加重視運(yùn)營(yíng)安全、通行能力和環(huán)境適應(yīng)性等因素。一個(gè)科學(xué)、合理、便捷的設(shè)計(jì)方案能充分發(fā)揮樞紐互通在路網(wǎng)交通快速轉(zhuǎn)換的作用，提高行車安全及舒適度，從而進(jìn)一步提高社會(huì)效益[2]。

本文結(jié)合西南山區(qū)金沙經(jīng)仁懷至桐梓高速公路(以下簡(jiǎn)稱金仁桐高速)甫家灣樞紐互通設(shè)計(jì)實(shí)例，首先采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)甫家灣樞紐互通方案進(jìn)行比選，然后基于灰色關(guān)聯(lián)度法建立方案比選模型，對(duì)互通方案進(jìn)行多目標(biāo)比選，用以輔助設(shè)計(jì)。

1 工程概況

金仁桐高速公路是貴州省加密規(guī)劃網(wǎng)中12條強(qiáng)化路網(wǎng)銜接的高速公路之一，屬于地方高速公路項(xiàng)目，是對(duì)貴州省高速公路網(wǎng)的補(bǔ)充和完善，其中仁懷至桐梓段是遵義規(guī)劃二環(huán)高速路的重要組成部分，是推動(dòng)黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展，縮短貴州西部畢節(jié)、六盤水、安順與重慶的時(shí)空距離，構(gòu)建黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)與成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要通道。項(xiàng)目起于播州區(qū)泮水鎮(zhèn)稻場(chǎng)壩，止于桐梓縣杉坪村，與規(guī)劃擬建的桐梓至新蒲高速公路銜接。

甫家灣樞紐互通位于金仁桐高速公路與桐梓至新蒲高速公路的銜接處，是金仁桐高速的重要控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)金仁桐高速與蘭海高速的交通轉(zhuǎn)換。根據(jù)工程可行性研究報(bào)告及交通量預(yù)測(cè)報(bào)告，本互通交通量分布圖如圖1所示。由圖1可知，主交通流為重慶←→金沙(2042年預(yù)測(cè)交通量803 pcu/h)，次交通流為金沙←→遵義(2042年預(yù)測(cè)交通量433 pcu/h)，其余方向交通流較小。

金仁桐高速公路和蘭海高速公路采用的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘察，樞紐互通范圍內(nèi)地質(zhì)情況如表2所示。

表2 甫家灣樞紐互通地質(zhì)情況

2 主要控制因素

本樞紐互通控制因素較多，主要有以下三個(gè)因素，如圖2,圖3所示。

1)蘭海高速。被交路蘭海高速桐梓服務(wù)區(qū)和桐梓互通對(duì)本互通的布設(shè)影響較大，且需在施工期間做好蘭海高速的保通工作，減少施工對(duì)蘭海高速運(yùn)營(yíng)的干擾。

2)川黔鐵路。甫家灣樞紐互通范圍內(nèi)存在既有川黔鐵路，目前該線開(kāi)行列車對(duì)數(shù)相對(duì)較多，匝道與川黔鐵路交叉，施工干擾較大。

3)杉坪景區(qū)。本樞紐互通從遵義市桐梓縣4A級(jí)杉坪景區(qū)邊緣通過(guò)，對(duì)互通的布設(shè)有一定的制約性。

3 樞紐互通方案比選研究

3.1 樞紐互通方案比選

基于樞紐互通預(yù)測(cè)交通量和主要控制因素，結(jié)合地形、地質(zhì)、工程投資、通行能力和運(yùn)營(yíng)安全等因素，提出了3個(gè)方案進(jìn)行比選。

1)方案1：A，B匝道上跨川黔鐵路雙T型方案(初步設(shè)計(jì)方案)。

方案1為初步設(shè)計(jì)方案，采用雙T型方案連接金仁桐高速和蘭海高速，如圖4所示。其中，G,H,I匝道(進(jìn)出服務(wù)區(qū)匝道)平曲線最小半徑125 m，最大縱坡3.97%，設(shè)計(jì)速度40 km/h，A,B,C,D,E,F匝道(E匝道貫通服務(wù)區(qū))平曲線最小半徑150 m，最大縱坡3.98%，設(shè)計(jì)速度60 km/h，匝道平、縱線形指標(biāo)較高。

2)方案2：A，B匝道上跨川黔鐵路雙T型方案(改移蘭海高速)。

由于方案1中B匝道與蘭海高速平行段(BK0+090～BK0+400)右側(cè)山體較高且較陡，最大挖方邊坡高度約90 m，挖方數(shù)量約22萬(wàn)m3，施工難度和施工安全風(fēng)險(xiǎn)均較高，故提出蘭海高速改移方案。

方案2在方案1的基礎(chǔ)上，局部改移既有蘭海高速，將B匝道BK0+090～BK0+400段左側(cè)蘭海高速向遠(yuǎn)離山一側(cè)平移約15 m，改移長(zhǎng)度約1.3 km，同時(shí)調(diào)整段加大中央分隔帶寬度，滿足上跨蘭海高速匝道橋在中央分隔帶設(shè)置橋墩的要求，從而減小橋梁跨徑。金仁桐高速端將主線與川黔鐵路間A，B匝道向主線左側(cè)偏移，取消部分匝道橋，具體詳見(jiàn)圖5。

3)方案3：A，B匝道下穿川黔鐵路雙T型方案。

方案3如圖6所示，A，B匝道下穿川黔鐵路，采用D便梁架空線路頂進(jìn)施工，同時(shí)在滿足交通流轉(zhuǎn)換的前提下，采用較低的平縱指標(biāo)，金仁桐高速主要交通流方向(A匝道，D匝道)采用60 km/h的平縱線形指標(biāo)，次要交通流方向(B匝道，C匝道)采用40 km/h的平縱線形指標(biāo)；蘭海高速主要交通流方向(A匝道、E匝道)采用50 km/h的平縱線形指標(biāo)，次要交通流方向(B匝道，F(xiàn)匝道)采用40 km/h的平縱線形指標(biāo)[3-5]。

3.2 樞紐互通方案總體評(píng)價(jià)

三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較表如表3所示。方案1和方案2平縱線形指標(biāo)較高，A,B匝道上跨川黔鐵路橋采用轉(zhuǎn)體施工，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)干擾相對(duì)較小。但互通與桐梓服務(wù)區(qū)間距較近，車流量交織嚴(yán)重，且E匝道需同時(shí)承擔(dān)高速主要交通流方向及進(jìn)出桐梓服務(wù)區(qū)車流，運(yùn)營(yíng)期間存在一定行車安全風(fēng)險(xiǎn)。

表3 甫家灣樞紐互通方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

方案3匝道部分段落平縱指標(biāo)相對(duì)較低，同時(shí)A,B匝道采用D便梁架空線路頂進(jìn)施工，對(duì)川黔鐵路運(yùn)營(yíng)干擾較大。但互通與桐梓服務(wù)區(qū)的凈距大于1 000 m，運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)較小，并且互通結(jié)構(gòu)形式緊湊，工程規(guī)模適當(dāng)，施工難度較小。從經(jīng)濟(jì)性分析，方案3較方案1,方案2分別節(jié)省3 303萬(wàn)元、2 826萬(wàn)元。綜上，甫家灣樞紐互通推薦采用方案3。

4 樞紐互通方案多目標(biāo)比選

高速公路互通方案選擇經(jīng)常采用多目標(biāo)比選的方法，該方法首先需要構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后通過(guò)特定的數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具建立指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)模型，再采用適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)篩選方法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選，本次多目標(biāo)比選采用灰色系統(tǒng)理論下的關(guān)聯(lián)度分析。

4.1 灰色關(guān)聯(lián)度比選模型

4.1.1 灰色關(guān)聯(lián)度簡(jiǎn)介

灰色關(guān)聯(lián)度是通過(guò)不同的方法分析各種因素之間的關(guān)系，找出主要因素，確定主要問(wèn)題。該方法是將研究對(duì)象及影響因素的因子值視為一條線上的點(diǎn)，與待識(shí)別對(duì)象及影響因素的因子值所繪制的曲線進(jìn)行比較，比較它們之間的貼近度，并逐一量化處理，計(jì)算研究目標(biāo)與待識(shí)別目標(biāo)各影響因素之間的相互關(guān)系，通過(guò)比較各關(guān)聯(lián)度的大小來(lái)判斷待識(shí)別目標(biāo)對(duì)研究目標(biāo)的影響程度大小[6-7]。

4.1.2 灰色關(guān)聯(lián)度原理及方法簡(jiǎn)介

灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算步驟為：原始數(shù)據(jù)變換→計(jì)算關(guān)系系數(shù)→求關(guān)聯(lián)度→排關(guān)聯(lián)序→列關(guān)聯(lián)矩陣→計(jì)算關(guān)聯(lián)度。

1)原始數(shù)據(jù)變換。

常采用標(biāo)準(zhǔn)化變換，先分別求出各個(gè)序列的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，然后將各個(gè)原始數(shù)據(jù)減去平均值后再除以標(biāo)準(zhǔn)差，這樣得到的新數(shù)據(jù)序列即為標(biāo)準(zhǔn)化序列。工程中經(jīng)常對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行量化處理，采用百分制專家打分法。

2)求關(guān)聯(lián)度系數(shù)：參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(Xi)。

所謂關(guān)聯(lián)程度，實(shí)質(zhì)上是曲線間幾何形狀的差別程度，差值越小關(guān)聯(lián)程度越大。

3)求關(guān)聯(lián)度Ri。

關(guān)聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個(gè)時(shí)刻(即曲線中的各點(diǎn))的關(guān)聯(lián)程度值，所以它的數(shù)不止一個(gè)，而信息過(guò)于分散不便于進(jìn)行整體性比較。Ri值越接近1，說(shuō)明相關(guān)性越好。

4)關(guān)聯(lián)度排序。

因素間的關(guān)聯(lián)程度，用關(guān)聯(lián)度大小表示但不僅限于此。將制定數(shù)量的子序列對(duì)同一母序列的關(guān)聯(lián)度按大小順序排列，組成了關(guān)聯(lián)序，記為{X}，它反映了對(duì)于母序列來(lái)說(shuō)各子序列的“優(yōu)劣”關(guān)系。若R0i>R0j，則稱{Xi}對(duì)于同一母序列{X0}優(yōu)于{Xj}，記為{Xi}>{Xj}；其中X0i表示第i個(gè)子序列對(duì)母數(shù)列特征值[8-9]。

5)列關(guān)聯(lián)矩陣。

4.2 樞紐互通方案多目標(biāo)比選

4.2.1 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層，本樞紐互通以技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件為準(zhǔn)則層構(gòu)建模型，然后采用灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計(jì)算，完成多目標(biāo)比選。通過(guò)對(duì)本樞紐互通方案影響因素進(jìn)行分析，確定目標(biāo)層為選擇最優(yōu)方案，準(zhǔn)則層為技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件，子準(zhǔn)則層如表4所示[10]。

表4 子準(zhǔn)則層

4.2.2 指標(biāo)體系數(shù)據(jù)處理

根據(jù)本互通樞紐確定的準(zhǔn)則層建立的多評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)影響樞紐互通的方案的因素進(jìn)行量化處理，采用專家打分法。即通過(guò)咨詢公路領(lǐng)域內(nèi)多位權(quán)威專家意見(jiàn)并進(jìn)行打分，滿分100分，去掉最高分和最低分后取均值作為定性指標(biāo)的評(píng)價(jià)參量，分?jǐn)?shù)越高說(shuō)明該方案在這個(gè)指標(biāo)上的優(yōu)勢(shì)越明顯，三個(gè)方案的指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.2.3 方案多目標(biāo)比選

根據(jù)以上比選模型及指標(biāo)，設(shè)計(jì)程序利用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算得三方案關(guān)聯(lián)度系數(shù)如下：

R1(方案1)=0.869 5;

R2(方案2)=0.887 5；

R3(方案3)=0.932 3。

R3>R2>R1，R3最接近1，方案3最優(yōu)，方案2和方案1相當(dāng)。

通過(guò)以上模型計(jì)算可得，方案3最優(yōu)，與傳統(tǒng)方法比選結(jié)論一致。但該模型中子準(zhǔn)則層各因素賦值需要一定的經(jīng)驗(yàn)，所以模型的作用僅僅在于通過(guò)一種方法去權(quán)衡和評(píng)價(jià)比選方案的合理性和最優(yōu)性，但是其中影響因素的權(quán)重還是人為的去考慮，權(quán)重系數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的不同。

5 結(jié)論

本文分別采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法比選甫家灣樞紐互通的三個(gè)方案，初步得出以下結(jié)論：1)三個(gè)方案中A,B匝道下穿川黔鐵路雙T型方案(方案3)最優(yōu)，作為推薦方案。2)互通方案受周邊地形、地物等因素限制時(shí)，方案設(shè)計(jì)應(yīng)盡量不突破規(guī)范要求，以確保建成后運(yùn)營(yíng)安全。3)在樞紐互通立交設(shè)計(jì)中，不能刻意追求較高的平縱線形指標(biāo)，應(yīng)結(jié)合交通量和現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇合適的平縱線形指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。4)在既有高速上設(shè)置互通時(shí)，應(yīng)結(jié)合施工安全、施工難度、運(yùn)營(yíng)干擾及工程投資等因素，考慮改移既有高速的可行性。5)建立的基于灰色關(guān)聯(lián)決策法多目標(biāo)比選模型，可評(píng)價(jià)多因素比選方案的優(yōu)劣，可用于設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和參考。