單喇叭形互通式立體交叉改擴建方案研究與評價

張 利

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

經過30余年的發展，國內四通八達的高速公路網已基本形成。隨著交通強國戰略的提出，我國高速公路發展已由追求速度規模向更加注重質量效益轉變，路網優化與補充成為當前高速公路建設的主要方向。互通式立體交叉作為高速公路網的重要組成部分，部分已建成的互通式立體交叉需根據路網優化調整情況進行改擴建，選擇合理的改擴建方案對于構建安全、便捷、高效、綠色、經濟的高速公路網至關重要。本文對某建成的三路交叉單喇叭型互通改擴建為四路交叉的樞紐式互通立交方案進行研究，并建立評價指標體系對不同方案進行綜合評價。

1 方案分析

根據相關統計資料，我國已建成高速公路中一般互通式立體交叉常用形式中喇叭形互通使用率約為72%，其中單喇叭形互通使用率約為46%，雙喇叭形互通使用率約為26%[1]；由此可見，喇叭形互通尤其是單喇叭形互通是一般互通式立體交叉的主要形式[2]。本文中所用案例為山西省較早修建的青銀、京昆兩條高速公路交叉設置的A型單喇叭互通式立體交叉，如圖1所示。

圖1 運營中的A形單喇叭互通式立體交叉

青銀高速公路及京昆高速公路設計速度均為120 km/h，采用雙向六車道高速公路技術標準，路基寬度為28.5 m，兩條高速公路間交通流轉換采用了A形單喇叭互通，A匝道上跨主線，考慮到通行能力要求，該方案中除環形匝道外，其他匝道均采用了雙車道匝道標準建設[3]。

為進一步優化路網結構，釋放城市發展空間，規劃新建一條縱向高速公路，建設起點擬與運營中的A形單喇叭互通相接，根據新建縱向高速公路線形指標和運營互通現狀，共研究布設了兩個互通改擴建方案，方案一（圖2所示）和方案二（如圖3所示）。

圖2 A形單喇叭互通改擴建方案一

1.1 方案一

方案一采用完全利用原有互通匝道的變異苜蓿葉互通方案，圖中實線為原有A形單喇叭互通，點劃線為改擴建后新增加的6條匝道,其中XHZ和XHY作為新建縱向高速公路主線，設計速度采用80 km/h，分離式路基寬度為12.75 m，其他新建匝道設計速度均采用60 km/h，單向單車道匝道路基寬度9.0 m，單向雙車道匝道路基寬度為10.5 m。方案一共新建（含加寬）橋梁5 377 m/13座，利用橋梁71.48 m/1座，設置涵洞14道，通道1道（完全利用），總占地約935畝，其中原有公路用地556畝，新增用地379畝。方案一的優點為完全利用原有互通匝道，不改變原有通行習慣，建設過程中幾乎不需要中斷交通，功能完全滿足要求且總體建設規模適中。方案一的缺點是用地規模偏大。

1.2 方案二

方案二采用部分利用原有互通匝道的變異苜蓿葉方案，在保留部分原有互通匝道的前提下，采用縱向主線貫通的方式，增設6條匝道改造為全互通樞紐，如圖3所示，方案二中D匝道需完全拆除后新建環形匝道，E匝道部分段落需改建。方案二中完全利用匝道設計速度為60 km/h，路基寬度為10.5 m，新建環形匝道設計速度采用50 km/h，其他匝道采用60 km/h，單向單車道匝道路基寬度采用9.0 m，單向雙車道匝道路基寬度采用10.5 m。方案二共設置新建（含加寬）橋梁3 444.761 m/11座，設置涵洞15道，通道1道（完全利用）。該樞紐總占地約862畝，其中原有公路用地545畝，新增用地317畝。

圖3 義望互通改擴建方案二

方案二的優點是縱向主線貫通，行車順暢，用地規模較小，功能滿足使用需要，規模適中。缺點是沒有完全利用原有A形單喇叭互通匝道，建設中需要中斷交通，增設保通方案，對高速公路運營產生一定的影響。

2 方案評價方法

近年來，國內外的專家對工程方案評價進行了大量的研究，提出了多種方案評價方法，如灰色關聯分析法、層次分析法及模糊綜合評價法，部分方法已在工程中得到應用，但是仍然存在適應性不足等問題，依然有很多問題亟需解決。

方案排隊法是根據系統工程學原理建立的一種解有限個方案的多目標決策方法。將初擬的互通改造方案在各個評價指標下進行比較，然后根據綜合評價結果對不同方案按優先次序進行排隊，從而選出最優方案[1]。

方案排隊法的指標對比僅需要做定性判斷，該方法適用于在初擬各種可能的方案后的比較選擇，比較的方法是利用矩陣列出兩兩方案之間的優先關系[1]。

進行方案比較時，同時有多個評價指標需要考慮，對每一個評價指標按式（1）列出關系矩陣，然后將每個矩陣的結果聚合起來，建立新的優化關系矩陣，以得出綜合比較結果[1]。

式中：m為方案數；矩陣中的元素rij（i，j=1，2…，m）表示方案xi和方案xj間的優先關系，取值規定為方案xi優于 xj時 rij取 1；方案 xi劣于 xj時 rij取 0；xi與 xj效用相同時，視為xi優于xj和xi劣于xj同時存在，rij取0。

聚合的方法是先對選取的每個評價指標賦權值，指標越重要，則權值越大。權值大小根據互通式立體交叉的工程特點確定。本文中選取安全、功能、環境、用地和成本5個指標進行評價，其中安全從出口一致性、線形連續性、視距以及車輛交織情況評價；功能從通行能力和繞行距離進行評價；環境從與地形的適應性、避開不良地質情況和拆遷情況進行評價；用地從占地總量和占用基本農田數量進行評價；成本估算從養護管理難度進行評價。本文中安全、功能、環境、用地和成本 5個指標賦權值分別為：0.35、0.30、0.10、0.15、0.10。

λ（xi＞xk）為 n 個指標中，所有 xi＞xk的評價指標的加權值之和；

λ（xi＜xk）為 n 個指標中，所有 xi＜xk的評價指標的加權值之和；

λ（xi～xk）為 n 個指標中，所有 xi～xk的評價指標的加權值之和；

σ為效用等值系數，反映了決策人對λ(xi～xk)的重視程度，如σ=0，則認為該項可以忽略不計。

方案的最后排隊即基于聚合的優先關系矩陣，確定各方案排列次序的依據為該矩陣求出的位置指示值。對于方案xi，位置指示值為：

V（xi）=p（xi）-q（xi），

V（xi）值越大，方案xi越排在前面。

3 方案評價結果

根據方案排隊法的基本原理，本文中互通式立體交叉改擴建共布設兩個方案，因此m=2，該次評價共選取安全、功能、環境、用地和成本5個評價指標，因此n=5。各評價指標的優先關系矩陣如下：

綜合優先關系指示值 ：Aφ(x1＞x2)=（0.35+0.30+0.10+0.10）/0.30+0.15=1.89，聚合優先關系矩陣中r12取值為1。

方案排序指示值V(x1)=1,V(x2)=-1。

根據方案排隊評價結果，方案一優于方案二，最終選擇方案一作為推薦方案。

4 結語

長期以來，互通式立體交叉的方案比較以采用技術經濟指標加定性評價的方法為主，對于復雜項目以及改擴建項目難以得出科學、全面和客觀的評價結論。本文案例作為改擴建項目，互通改造方案復雜，采用方案排隊法進行評價初步獲取了較優方案，評價結論與一般使用的技術經濟指標加定性評價方案結論一致。本文中所述的方案排隊法共選取了5個評價指標進行綜合評價，且5個指標中包含了多個分項指標，雖然所采用的評價指標較全面地囊括了互通方案的影響因素，但評價指標的權值取值還需進行深入研究，以便更精準、全面、合理地對方案進行綜合評價。