基于綠色公路建設理念的高速公路路線設計方案評價體系

吳 敏

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

0 引 言

在高速公路建設前期，路線方案的設計及對比是設計單位的重點工作內容，考慮到我國高速公路建設速度和規模的不斷增大，路線設計除了考慮最基本的經濟成本因素之外，還需要綜合分析沿線的生態環境破壞，避免給周圍生態空間造成嚴重的干擾。傳統的高速公路建設模式往往是追求高速度高能耗，這就會導致項目出現先污染后治理的態勢。可持續發展理念的引入就需要高速公路路線設計實現綠色化，綠色化公路建設理念就需要公路路線設計從安全、生態環境、技術、資源、經濟等多因素進行綜合比選分析，繼而實現全方面的協調統一。

1 高速公路選線的控制因素

高速公路設計選線的影響因素較多，主要分為以下幾類，公路設計的使用性質及其在國防政治經濟上的功能；公路規劃設計中的交通量指標，設計人員需要結合合理的數學模型及當前交通量觀測數據對設計公路的遠景交通量進行預測；行車速度時公路設計關聯性較高的技術標準，當道路交通量小、氣候條件溫和且駕駛員行車主要受到公路條件既有狀況限制下能夠安全舒適行駛的速度，行車速度和公路開放運營時限制速度設置密切相關；高速公路選線往往穿越了大部分的山嶺重丘區域，地形的限制對路線設計至關重要，平原地域對路線影響較小，山嶺重丘地域則會對路線設計造成數量較大的土石方和施工成本；地質因素在一些復雜設計路段是考慮最多的，尤其在一些山嶺重丘區域，地質情況多變，軟黏土地質、富含地下水土層等不利條件都會導致滑坡、崩塌、泥石流等危險災害情況的發生，路線設計時，需要盡可能避免這些惡劣環境，也可以采取一定的路基加固、邊坡加固措施進行有效的規避；生態環境及能源消耗是綠色化路線設計的考慮重點，前者主要表現在路線設計中沿線水土、動植物、環境水系等生態因素對項目的影響，后者則主要針對路線設計中要優化不同公路技術指標，合理選優路線方案，以此盡可能降低車輛正常情況下形式的成本及效率。

2 高速公路路線方案評價體系構建

2.1 技術指標評價

技術指標是高速公路路線設計的關鍵，技術指標和項目的施工難度、投資概預算、行車安全舒適性、項目運營穩定性等都有著緊密聯系，在路線設計方案的初期和后續的比選階段，技術指標需要進行重點考慮，其主要包括如下幾個方面，首先是路線長度，高速公路路線長度包括路線設計起點到設計終點的實際距離，路線長度對于項目的總投資、土方工程量、路線沿線生態環境和農業水利工程等都有著現實影響，路線方案中路線長度的確定和眾多因素關聯性密切，在綜合對經濟實用性進行分析的基礎上，也要考慮環保可持續性和行車安全穩定性；路基土石方，路線設計往往跨越了不同的地形地質環境，路基挖填方量的大小和公路項目施工成本、進度、質量密切相關，土石方量的多少是路線設計的重要比選指標；橋隧總長，隧道橋梁是公路工程的重要建筑結構物，尤其對于地形地質較為復雜的山丘重嶺區域，隧道橋梁的建設能規避掉很多路線設計風險，橋隧總長直接影響了路線方案選擇的經濟技術可行性，且方案設計過程中，一般以橋隧比例來表征其構造長度；占地拆遷面積，其控制則需要對沿線的地質情況和資源進行詳細勘察，依據當地交通規劃和產業布局、農業水利灌溉等進行路線的合理選取，對荒地和山體則要優化利用，盡量減少耕地農田的占用；每公里造價，該技術指標則決定了路線方案的直接施工成本。

2.2 安全性評價

安全性評價主要為了確保行車安全，實施安全性評價機制能夠有效降低交通安全事故。在一些復雜山區路段，安全性評價具有不可忽視的作用，高速公路安全指標主要包括以下內容，圓曲線半徑需要設置護理，在一些地形受限嚴重的情況下，需要采取較大的圓曲線半徑，以便提升行車安全；最大縱坡作為路段縱斷面設計的關鍵性指標，在全線路段要注意不同縱坡的平緩銜接，盡量采取大縱坡。這極容易影響行車視角，一般縱坡需要控制在3%以內；平縱線型的協調也會影響行車安全性，不恰當的平縱組合會使得行車車輛出現難以預料的安全事故，引發駕駛員過分緊張或者放松的現象；行車視距的核實范圍能夠確保駕駛員行車過程中的合理控制時間，避免出現安全風險，一般最短行車視距需要得到有效保障，在一些不良路段尤其要加強重視，行車視距和路線設計優劣密切相關。

2.3 經濟性評價

經濟性指標主要包括路線設計項目需要考慮的經濟凈現值、經濟內部收益率、經濟投資回收期三個方面。經濟凈現值主要表征了在使用周期內公路運行的經濟社會收益，將運營周期內的年現金流通量進行一定的折現計算現值，國內的折現率一般控制在12%以上，通過將計算得出的現金流出和現金流入的值進行代數和，即得到公路運營周期內的凈現值，以ENPV表示；經濟內部收益率則表征公路項目在周期內當經濟凈現值達到0時的折現率，以EIRR表示；經濟投資回收期則主要表征項目投建開始起到獲取項目的凈收益達到初始投資金額的計算年限。

2.4 示范性評價

示范性評價主要表征了綠色公路設計的理念，為有效明確高速公路的項目特征及定位，就需要進行有品位、有亮點的高速公路設計，示范性評價需要充分結合既有建設環境，主要包含以下幾個二級指標，如方案展現，路線設計方案關聯指標較多，其選取需要結合多方單位的技術論證和比選，對于路線設計的創新性則是比選階段的重要考慮內容，路線方案是否具備創新和獨具，需要滿足其在公路項目基本功能和使用性質的基礎上能夠實現推廣示范；綜合利用隧道棄渣固廢，對于隧道內部的廢棄物要實現再度利用，及時消化，平衡處理；推廣鋼橋技術，路線設計中盡量加強鋼結構橋梁、鋼混橋梁的方案論證工作，并且根據現場實際施工特點、造價、技術開展難度、交通情況等，科學合理選取鋼混、鋼結構橋梁形式。

2.5 環境及節能評價

項目建設中需要考慮環境評價指標，高速公路施工和周圍生態環境密切相關，環境的評價包含地貌地質結構的改變、水土流失嚴重性、空氣風吹雪、水環境及項目噪聲污染。地貌結構的改變，考慮到丘陵、平原、山嶺建設情況的區別，且路線設計對于行車技術指標要求較為嚴格的情況下，現場則會對一些溝壑、丘陵山地進行必要的切削、開挖填筑處理，繼而產生地貌地形的改變，當地表產生過多大的變化時，就會造成原有土壤產生流失侵蝕及原有生態環境的破壞，在一些陡峭地形，斷面處理極容易造成滑坡、泥石流等災害；水土流失影響，路線設計沿線氣候降雨情況嚴重，且地質多集中強風化、膠結強度較小的巖石，巖層開挖造成的較多碎粒由于雨水沖刷而不斷沖走，地表水夾雜大量粉粒沖向下游河床，當水流速度下降時，粉粒則容易造成淤泥堵塞河床，對路線路基造成極大的破壞；水環境污染，路線設計全線就會產生大量的挖填方，造成邊坡破壞、固廢堆積，外表面的土體裸露則會在雨水沖刷之后帶著懸浮物質流入路線附近的溝渠、河流，混有大量污染物的土質結構會對當地水質造成惡劣的影響，影響當地的農業水利灌溉和生活用水；空氣污染影響，路線施工及運營期間，大量超載重載車輛產生的廢氣就會破壞當地的生態，如一氧化碳、一氧化氮、碳氫化合物等造成路線局部的空氣質量下降，對附近的農作物和土壤造成嚴重污染，為此，路線設計中需要采取柔性防護措施，控制后續的污染情況；噪聲及風吹雪影響，項目施工階段，現場大量施工設備在不同單位工程中就會產生大量的噪聲污染，對周圍的景區、居民住宅、工廠造成惡劣影響。風吹雪主要產生在北方嚴寒地區公路項目中，尤其在一些深邊坡位置，惡劣天氣產生的風吹雪會造成深路塹產生交通堵塞、道路淹沒等情況，為此，風吹雪在局部路段的規避則需要對路線設計方向進行優化處理，一般在北方易產生風吹雪區域，路線走向需要和嚴寒氣流主風向相互平行，且盡量減少路塹的設計，平緩化道路縱坡。

節能評價和環境評價具有較高的關聯性，節能評價指標表征對于路線設計技術指標、走向等因素對車輛行駛能耗排放、效率的影響，為優化高速公路建設環保節能要求，在項目建設階段和運營階段，尤其需要重視能耗的加強控制，實現節能最大化的要求。

3 路線方案評價模型分析

高速公路路線設計方案涉及6個一級評價指標，即技術指標、安全指標、經濟指標、示范性指標、節能指標、環境指標，其中所包含的二級指標數量較多，方案評價體系的構建需要對其進行不同層級的分類歸納，各個一級指標可分為23個二級指標，整個評價結構體系包含指標盡量要完整詳細，以便為建設單位提供客觀定量的評價結果，本文建立的方案評價模型主要依據模糊綜合評判和層次分析方法相互結合的方式，利用層次分析方法對各個指標的權重進行分析，并且進行模糊綜合評判法隸屬度及綜合評判的確定。其中，二級模糊評判為一級指標相對方案的評判，一級模糊評判則為二級指標相對方案的評判。

3.1 層次分析法確定權重

層次分析法主要是對既有的兩個指標之間的重要性進行相互比較，在前期消除指標權重的主觀性影響，層次分析法開展流程如下，首先對對象開展層次結構分析，對其內部影響因素進行層次的分類歸納，一般分為三個層級，目標層、準則層、指標層，其中準則層包含一級指標，指標層包含二級指標；其次需要構建判斷矩陣，主要是依賴各個指標的相對重要性進行數據化表現，如在判斷矩陣中元素qij表征第i元素相對j元素的重要性；再次開展權重求解工作，判斷矩陣的特征向量λmax為不同因素的權重值，權重值代表了單一層級下不同因素的相對重要性，權重值的計算可以借助于數據軟件(MATLAB)進行；判斷矩陣一致性檢驗工作的進行主要歸因于判斷矩陣是由標度法進行獲取，為此具備一定的人為主觀偏好，本文采取的一致性計算公式如下：

(1)

當計算公式分子為0時，則說明矩陣具備一致性，但是考慮到CI往往會隨著矩陣階數的不同而發生變化，判斷矩陣一致性的檢驗還需要引入指標RI，該指標為平均隨機一致性指標，RI和矩陣階數n之間的關系見表1，另外還需要引入一致性比例指標CR=CI/RI，當CR<0.1時，則認為達到了一致性，否則需要對判斷矩陣中的重要度進行必要的調整。

表1 RI和n關系表

3.2 基于層次分析法的模糊綜合分析

考慮到本文對路線設計進行二級指標的層次分類，所以需要進行一二級模糊綜合評判工作，這里主要開展二級模糊綜合評判以做參考，其主要流程開展如下，首先構建評價因素集如下：U=(u1,u2…un)，Ui=(ui1,ui2…uim)，前者表針具備n個一級評價指標；后者表征m個二級評價指標構成了第i個評價指標；其次需要構建評價對象的評判等級合集V=(v1,v2…vn)及因素權重集A=(a1,a2…an)；再者需要構建模糊評價矩陣，如式2，其中各個元素rij代表了i個指標的評分值進行隸屬函數uj的代入計算值。

(2)

最后再進行模糊綜合評判工作，根據已經計算出來的指標隸屬度和權重值來獲取模糊評判結論，B=A×R=(b1,b2…bn)；對一級指標進行評判結果綜合則可以得到二級模糊評判結果。綜合評判結論則需要指標bj最大值vi對應的等級來獲取。

4 結束語

高速公路的大規模建設能夠促進不同區域的經濟動力，隨著當前綠色環保理念的深入，在高速路線方案設計階段需要嚴格進行各個指標評價工作，設計人員不僅需要考慮簡單的道路使用性質及功能，如何將可持續發展設計思路應用到高速公路設計路線當中是當前需要重點關注的事項。