公路建設場地分類研究

嚴 偉，康 虔,2，肖葵香 ，黃細和，謝春玲，3

(1. 湖南中大設計院有限公司，湖南 長沙 410075；2. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；3. 中南大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410075)

公路建設場地分類研究

嚴 偉1，康 虔1,2，肖葵香1，黃細和1，謝春玲1，3

(1. 湖南中大設計院有限公司，湖南 長沙 410075；2. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；3. 中南大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410075)

針對干線公路設計時對公路建設場地類別評判的需要，將未確知度理論與層次分析法相結合，建立了山區公路建設場地評價模型。從地質條件、地貌條件、環境條件3個方面綜合考慮，篩選出巖石單軸飽和抗壓強度、巖體結構特征、巖體軟化系數等9個起主要作用的影響因素建立未確知測度綜合評判模型。采用運用成熟的AHP法對各判別指標權重進行計算，最后依據置信度識別準則對公路建設場地類別進行劃分。將該模型應用到湖南S304公路改造項目中，得出該建設場地屬于建設條件困難場地，與事實相符合。結果證明該模型可用于公路建設場地分類，其分析結果可作為設計和施工的重要依據。

道路工程；山區公路；場地分類；未確知測度；建設場地

0 引 言

公路建設對地方經濟有著重要的影響，公路建設的等級和規模取決于社會經濟水平，而公路建設的發展也制約著社會經濟的發展水平。我國公路建設在最近幾十年內快速發展，公路路網規模的不斷擴大、公路修建的等級不斷提高，對公路工程設計與施工提出了更高的要求[1]。公路建設屬于帶狀工程，在山區修筑公路關注的重點不但包括巖土質量，更應該關注建設場地條件。公路建設場地條件決定了公路路基的穩定分析、建造工藝以及支擋結構的選用，這包括公路路基高填與深挖的邊坡，橋梁墩臺，隧道洞口的仰邊坡、淺埋與偏壓邊坡等復雜問題，對山區公路建設場地進行分類研究是一個重要問題[2]。

公路建設場地分類的難點在于表征該場地的地理條件和地質條件的影響因素極具模糊性和不確定性，我國大部分設計人員目前還僅僅局限于根據單一影響因素，采用專家經驗法對公路建設場地進行分類。然而，僅僅靠專家意見進行取舍掩蓋了由多因素組成系統的復雜性，隨著高等級公路向工程地質條件復雜地區的延伸，采用以上方法進行公路建設場地類別的確定不能充分反映出實際情況，已經不能滿足公路建設的需要[3-5]。UM理論可以高效處理不兼容的模糊問題分類，為公路建設場地分類提供了一條有效途徑。

因此，筆者借鑒未確知測度理論[6]的思想將公路建設場地評價與其影響因素之間的關系看成一種未確知系統，并引入層次分析法確定各指標權重，將二者優化組合，構建了山區公路建設場地評價模型，較好地消除人為因素帶來的偏差，使評價結果相對更加準確，彌補了以往研究的不足，從而為工程的設計與施工提供合理的決策依據。

1 公路建設場地分類模型

1.1 未確知測度理論

設評價對象集X={X1，X2，X3，…，Xn}，評價指標集I={I1，I2，…，Im}。若xij表示第i個評價對象Xi關于第j個評價指標Ij的測量值，則有m維向量xi=(xi1，xi2，…，xim)。設評價等級空間U={C1，C2，…，Cp}，第k個評價等級Ck為xij的等級值；設第k級比第k+1級危險性大，記為Ck>Ck+1；若C1>C2>…>Cp，或C1

若μijk=μ(xij∈Ck)為測量值xij屬于第k個評價等級Ck的程度，且μ滿足：

0≤μ(xij∈Ck)≤1(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；k=1，2，…，p)

(1)

μ(xij∈U)=1(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)

(2)

(3)

1.2 構造單指標未確知測度矩陣

構造單指標測度函數μ(xij∈Ck)(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；k=1，2，…，p)，可求Xi的各個指標測度值μijk，構造單指標測度評價矩陣A=(μijk)m×p如下：

(4)

1.3 層次分析法確定指標權重

在缺乏樣本數據及大量定性指標時，AHP法或簡單的關聯函數方法較為適用。本研究擬采用應用較為成熟的層次分析法對各指標權重進行計算，詳細計算過程可參考文獻[7]。

1.4 預測矩陣的確定

(5)

1.5 置信度評價及預測結果

本次研究引入置信度評價準則對預測結果進行計算，設λ為置信度(λ≥0.5，通常取λ=0.5或0.6)，若C1>C2>…>Cp，且令

(6)

則認為評價對象的風險等級為CP0。

2 模型驗證

2.1 構建公路建設場地評價模型指標體系

筆者通過查閱相關規范、借鑒前人已有的研究成果[3,8-10]并與有豐富現場經驗的地質、路基專家協商,從地質條件、地貌條件、環境條件3個方面綜合考慮巖體單軸飽和抗壓強度(I1)、巖體完整性系數(I2)、巖體軟化系數(I3)、地表相對高差(I4)、地表坡度(I5)、場地地震烈度(I6)、日最大降水量(I7)、地下水狀況(I8)、地表水情況(I9)共9個指標影響。通過賦值的方法將定性指標轉變為半定量指標，使其能夠參與到模型的構建中，以得到較為準確的預測結果。依據分級標準化法將各指標分為5級，評價等級集為{C1，C2，C3，C4，C5}即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級，分別表示建設條件極困難、建設條件困難、建設條件一般、建設條件良好、建設條件極好，每級都設置一個取值標準，分級標準見表1與表2。其中，指標I1，I2，I3根據規范[8]進行分級并取值；I4，I5參考文獻[3]進行分級并取值；I6，I7參考文獻[10]進行分級并取值；其余指標根據文獻[9]進行分級并取值。

表1 定量指標分級標準Table 1 Classification criterion of quantitative index

(續表1)

決策者在實際操作中首先需要采用折線法構造單指標未確知測度函數，再根據該指標的實測值，在圖上查得其未確知測度值，計算過程可見圖1。公路建設場地評價定量指標的單指標測度函數分別如圖2。

其中：βi+1取值為該等級內的平均值。根據該指標實測值x0與測度函數直線的交點到y軸投影的距離即可得出該實測值對應的未確知測度值。

圖2 各指標測度函數Fig.2 Uncertainty measurement function of all indexes表2 定性指標分級標準Table 2 Classification criterion of qualitative indexes

影響程度分級賦值地下水情況I8地表水系情況I9Ⅰ級(C1)1地下水非常豐富,有大量涌水地表水系非常豐富,存在江河Ⅱ級(C2)2地下水豐富,有少量涌水地表水系豐富,河溝密布

(續表2)

影響程度分級賦值地下水情況I8地表水系情況I9Ⅲ級(C3)3地下水發育地表水系發育Ⅳ級(C4)4地下水較發育地表水系較發育Ⅴ級(C5)5地下水不發育地表水系不發育

2.2 實例驗證

2.2.1 確定單指標測度矩陣

湖南省十二五規劃項目“太平至柳家埡公路”擬按二級公路標準建設，路基寬度8.50 m，路面寬度7.00 m，設計速度40 km/h。該項目地處石門縣西北部，屬中低山地貌，沿線主要為山地，山體陡峻，地形切割較深，區域地質穩定、地質構造簡單。地面高程一般在180～680 m，相對高差大于400 m，地表平均坡度為42°，建設場地各項指標統計值可見表3。將各項指標統計值代入到圖2對應的單指標未確知測度函數中，得到相應的單指標測度評價矩陣，見式(7)。

表3 各單指標統計值Table 3 Measured data of all indexes

(7)

2.2.2 指標權重計算

[7]，根據層次分析法基本定義，構造各指標權重判斷矩陣D，見式(8)。

(8)

可得各指標權重W為：

W={0.042 5，0.312 6，0.033 1，0.033 1，0.146 5，0.214 7，0.060 5，0.096 5，0.060 5}

(9)

2.2.3 建設場地分類結果

由式(5)得預測矩陣B如下：

B=(μik)1×5=[0.223 5，0.016 6，0.185 9，0.540 9，0.033 1]

選取置信度λ=0.5，由式(9)可得太平至柳家埡公路工程屬于Ⅳ類建設場地，即建設條件困難的場地。從測度函數的評價矩陣可知，影響公路建設場地類別的主要指標是巖體完整性系數、場地地震烈度、山坡坡度及地下水情況，這就是對公路設計及施工難度影響最大的幾個因素，關系到路基建造工藝以及支擋結構，是影響公路造價的主要因素。

為了驗證本方法的合理性，采用文獻[3]中所提及的二次模糊分類法對石門縣太平至柳家埡公路建設場地進行評價，所得結果也是Ⅳ類建設場地。但是筆者所用方法操作更為簡便，易于設計人員在現場進行場地類別判定，具有更好的適用性。

3 結 語

基于未確知測度理論，建立山區公路建設場地評價模型。綜合考慮地貌、地質、環境等影響因素的相互作用，將山區公路建設場地分為建設條件極好、建設條件良好、建設條件一般、建設條件困難、建設條件極困難5個等級進行分析評價。

對影響公路建設施工難易和路基穩定性的因素進行分析，選取山區公路建設場地的巖體單軸飽和抗壓強度、巖體完整性系數、巖體軟化系數、山地相對高差、山地坡度陡緩、場地地震烈度、日最大降水量、地下水情況、地表水系情況九項指標作為該評判模型的判別指標。

將該模型對石門縣太平至柳家埡公路建設場地進行評價。模型分析結果表明，太平至柳家埡公路屬于第Ⅳ類場地，較好地符合了項目工可研究的實際情況。證明該評價模型具有工程可靠性，能作為公路設計人員進行建設場地類別判定的一種方法，具有推廣價值。

該模型在地質因素方面只考慮了對工程建設影響較大的巖體性質，工程土體性質如彈性參數、液塑限指標；環境因素只選取了地表水系、地下水情況及日最大降水量，而氣候、天氣等影響因素尚未在系統中反映，有待進一步研究將其完善。

參考文獻(References)：

[1] 馬輝,王建軍,付會萍，等. 基于公平性的干線公路網布局方法[J]. 長安大學學報(自然科學版),2013,33(1):78-84.MAHui,WANGJianjun,FUHuiping,etal.Layoutmethodofarterialhighwaynetworkbasedonfairness[J].Journal of Chang’an University( Natural Science Edition),2013,33(1):78-84.

[2] 黃新進. 山區公路半填半挖路基穩定性分析方法[D].長沙：湖南大學,2006:1- 29. HUANG Xinjin.StabilityAnalysisMethodforHalfFillingandHalfDiggingRoadbedinMountainArea[D]. Changsha:Hunan University, 2006:1-29.

[3] 蘇永華,封立志,蔣德松. 西南山區公路建設場地模糊分類系統研究[J]. 湖南大學學報,2008,35(3):19-23. SU Yonghua, FENG Lizhi, JIANG Desong. Research on the fuzzy classification system of mountain highway site in southwest[J].JournalofHunanUniversity, 2008,35(3):19-23.

[4] 李淑慶,唐伯明,蒙華，等. 重慶市國省干線公路災害調查與特征分析[J]. 重慶交通學院學報, 2006,25(4):35- 40. LI Shuqing, TANG Boming, MENG Hua, et al. Investigation and analysis of trunk highway disaster characters of Chongqing[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity,2006,25(4):35- 40.

[5] 中交第二公路勘察設計研究院有限公司.公路路基設計規范 JTG D30-2015[S].北京：人民交通出版社,2015. China Communications Second Highway Survey. Design and Research Institute Co.,Ltd.SpecificationsforDesignofHighwaySubgrades：JTG D30-2015[S].Beijing：China Communications Press,2015.

[6] 王光遠.論未確知性信息及其數學處理[J].哈爾濱建筑工程學院學報,1990,23(4):52 -58. WANG Guangyuan. Uncertainty information and its mathematical treatment[J].JournalofHarbinArchitectureandEngineeringInstitute,1990,23(4):52-58.

[7] 王新民, 康虔, 秦健春,等. 層次分析法-可拓學模型在巖質邊坡穩定性安全評價中的應用[J]. 中南大學學報,2013,44(6):2455-2462. WANG Xinmin, KANG Qian, QIN Jianchun, et al. Application of AHP-extenics model to safety evaluation of rock slope stability[J].JournalofCentralSouthUniversity,2013,44(6):2455-2462.

[8] 中華人民共和國國家標準編寫組.工程巖體分級標：GB 50218-2014[S]. 北京：中國計劃出版社,2014. The National Standards Compilation Group of Peoples Republic of China.ClassificationCriterionofEngineeringRocks:GB 50218-2014[S].Beijing: China Planning Press,2014.

[9] 《工程地質手冊》編寫委員會. 工程地質手冊[M].4版.北京:中國建筑工業出版社,2007. Engineering Geological Manuals Committee.EngineeringGeologyManual[M]. 4th ed. Beijing：China Architecture and Building Press,2007.

[10] 薛鵬濤. 公路三級自然區劃研究[D]. 西安, 長安大學,2012:15-29. XUE Pengtao.StudyontheThirdClassNaturalDivisionsforHighway[D]. Xi’an: Chang’an University,2012:15-29.

Research of Classification System of Mountain Highway Site

YAN Wei1，KANG Qian1,2，XIAO Kuixiang1，HUANG Xihe1，XIE Chunling1,3

(1. Hunan Zhongda Design Institute Co.,Ltd .,Changsha 410075, Hunan, P.R.China;2 School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, P.R.China；3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, Hunan, P.R. China)

To meet the demand for highway construction site classification and evaluation in trunk road design, the “mountain highway site evaluation model” was established by combining the unascertained degree theory with AHP. The three aspects of geological conditions, geomorphic conditions, environmental conditions were overall considered, and the nine dominating factors including the saturated uniaxial compressive strength of rock mass, characteristics of rock mass structures, rock softening coefficient etc had been selected to work as unascertained measure model discrimination index. AHP was used to check the index weight respectively and finally highway construction site types were classified by reliability recognition criterion. This proposed model was used in S304 highway retrofit project in Hunan province and generated the result that this jobsite fell into category of difficult construction constraints,which well coincides with the reality. Thus it is proved that this model can be applied to highway construction site type classification and the analysis results can provide significant basis for highway design and construction.

highway engineering;highway; classification of site; uncertainty measurement; site

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.12

2015-04-13；

2015-06-02

國家自然科學基金項目(51378512)

嚴 偉(1983—)，男，湖南華容人，工程師，碩士，主要從事道路勘查與設計方面的工作。E-mail：63615815@qq.com。

U412;X951

A

1674-0696(2016)04-056-04