复杂条件下山区高速公路枢纽互通方案研究_周忠德.pdf

：复杂条件下山区高速公路枢纽互通方案研究收稿日期：作者简介：周忠德（），男，高级工程师，从事铁路、轨道交通及公路市政等工程勘察设计研究；王彦虎（），男，硕士，工程师，从事铁路、高速公路、互通立交线路设计工作 通信作者：林 安（），男，硕士，工程师，从事铁路、高速公路、互通立交线路设计工作周忠德，林 安，王彦虎（中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳）摘 要：枢纽互通是实现高速公路之间交通转换的重要节点，其方案的选择是高速公路设计中的重要环节。结合金仁桐高速公路甫家湾枢纽互通设计实例，首先采用传统的指标分析方法对本枢纽互通方案进行比选，最终确定，匝道下穿川黔铁路双 型方案为推荐方案。其次采用灰色理论建立多目标比选模型，从技术条件、经济指标两方面进行多目标比选。经过比较可知灰色理论模型与传统指标法结论一致，可作为枢纽互通设计辅助方法。关键词：枢纽互通；方案比选；控制因素；灰色关联度；双 型方案中图分类号：文献标识码：文章编号：（）近年来我国高速公路网日益完善，促进了各省份之间的交流，推动了经济的持续发展。在公路建设的设计阶段，路线方案的选择至关重要，其中制约选线的关键因素之一是互通位置及方案，尤其是承担高速间交通转换的枢纽互通。枢纽互通方案设计应在结合地形、地质、水文等自然因素的前提下，更加重视运营安全、通行能力和环境适应性等因素。一个科学、合理、便捷的设计方案能充分发挥枢纽互通在路网交通快速转换的作用，提高行车安全及舒适度，从而进一步提高社会效益。本文结合西南山区金沙经仁怀至桐梓高速公路（以下简称金仁桐高速）甫家湾枢纽互通设计实例，首先采用传统设计方法对甫家湾枢纽互通方案进行比选，然后基于灰色关联度法建立方案比选模型，对互通方案进行多目标比选，用以辅助设计。工程概况金仁桐高速公路是贵州省加密规划网中 条强化路网衔接的高速公路之一，属于地方高速公路项目，是对贵州省高速公路网的补充和完善，其中仁怀至桐梓段是遵义规划二环高速路的重要组成部分，是推动黔中经济区的发展，缩短贵州西部毕节、六盘水、安顺与重庆的时空距离，构建黔中经济区与成渝经济区的重要通道。项目起于播州区泮水镇稻场坝，止于桐梓县杉坪村，与规划拟建的桐梓至新蒲高速公路衔接。甫家湾枢纽互通位于金仁桐高速公路与桐梓至新蒲高速公路的衔接处，是金仁桐高速的重要控制节点，实现金仁桐高速与兰海高速的交通转换。根据工程可行性研究报告及交通量预测报告，本互通交通量分布图如图 所示。由图 可知，主交通流为重庆金沙（年预测交通量 ），次交通流为金沙遵义（年预测交通量 ），其余方向交通流较小。重庆新蒲15 641（774）22 624（1 120）金沙遵义8 738（433）2 655（131）6 083（301）16 227（803）图 1甫家湾枢纽互通交通量分布图金仁桐高速公路和兰海高速公路采用的主要技术指标如表 所示。表 主要技术指标技术指标名称金仁桐高速公路采用值兰海高速公路采用值车道数双向四车道双向四车道设计速度 路基宽度整体式 分离式 经过现场详细勘察，枢纽互通范围内地质情况如表 所示。表 甫家湾枢纽互通地质情况地形地貌地层岩性地质构造水文地质主要工程地质问题位于大娄山系 尧 龙 山脉，地 形 起伏较大人工填土、卵石土、软土、黏土、碎石土、块石土、碎石土、块石土、灰岩、页岩、灰岩夹页岩枢纽区发育断裂 条水热同季，雨量充沛，干、湿季明显，无霜期长工程区发育不良地质为顺层、岩溶、危岩落石，特殊岩土为软土 主要控制因素本枢纽互通控制因素较多，主要有以下三个因素，如图，图 所示。）兰海高速。被交路兰海高速桐梓服务区和桐梓互通对本互通的布设影响较大，且需在施工期间做好兰海高速的保通工作，减少施工对兰海高速运营的干扰。第 卷 第 期 年 月 山西建筑 遵义金仁桐高速川黔铁路桐梓互通重庆桐梓服务区兰海高速杉坪景区新蒲新区金沙图 2甫家湾枢纽互通主要控制因素图 3甫家湾枢纽互通主要控制因素现场图川黔铁路杉坪景区兰海高速）川黔铁路。甫家湾枢纽互通范围内存在既有川黔铁路，目前该线开行列车对数相对较多，匝道与川黔铁路交叉，施工干扰较大。）杉坪景区。本枢纽互通从遵义市桐梓县 级杉坪景区边缘通过，对互通的布设有一定的制约性。枢纽互通方案比选研究 枢纽互通方案比选基于枢纽互通预测交通量和主要控制因素，结合地形、地质、工程投资、通行能力和运营安全等因素，提出了 个方案进行比选。）方案：，匝道上跨川黔铁路双 型方案（初步设计方案）。方案 为初步设计方案，采用双 型方案连接金仁桐高速和兰海高速，如图 所示。其中，匝道（进出服务 区 匝 道）平 曲 线 最 小 半 径 ，最 大 纵 坡，设计速度 ，匝道（匝道贯通服务区）平曲线最小半径 ，最大纵坡 ，设计速度 ，匝道平、纵线形指标较高。金仁桐高速上跨川黔铁路川黔铁路桐梓互通重庆E 匝道贯穿服务区桐梓服务区九级边坡兰海高速杉坪景区新蒲新区遵义金沙图 4方案 1 示意图）方案：，匝道上跨川黔铁路双 型方案（改移兰海高速）。由于方案 中 匝道与兰海高速平行段（）右侧山体较高且较陡，最大挖方边坡高度约 ，挖方数量约 万，施工难度和施工安全风险均较高，故提出兰海高速改移方案。方案 在方案 的基础上，局部改移既有兰海高速，将 匝道 段左侧兰海高速向远离山一侧平移约 ，改移长度约 ，同时调整段加大中央分隔带宽度，满足上跨兰海高速匝道桥在中央分隔带设置桥墩的要求，从而减小桥梁跨径。金仁桐高速端将主线与川黔铁路间，匝道向主线左侧偏移，取消部分匝道桥，具体详见图。金仁桐高速取消部分匝道桥川黔铁路兰海高速重庆方案 2取消高边坡方案 1杉坪景区新蒲新区遵义金沙图 5方案 2 示意图）方案：，匝道下穿川黔铁路双 型方案。方案 如图 所示，匝道下穿川黔铁路，采用 便梁架空线路顶进施工，同时在满足交通流转换的前提下，采用较低的平纵指标，金仁桐高速主要交通流方向（匝道，匝道）采用 的平纵线形指标，次要交通流方向（匝道，匝道）采用 的平纵线形指标；兰海高速主要交通流方向（匝道、匝道）采用 的平纵线形指标，次要交通流方向（匝道，匝道）采用 的平纵线形指标。金沙金仁桐高速川黔铁路重庆下穿川黔铁路兰海高速杉坪景区新蒲新区遵义图 6甫家湾枢纽方案 3 示意图 枢纽互通方案总体评价三个方案的优缺点比较表如表 所示。方案 和方案 平纵线形指标较高，匝道上跨川黔铁路桥采用转体施工，对铁路运营干扰相对较小。但互通与桐梓服务区间距较近，车流量交织严重，且 匝道需同时承担高速主要交通流方向及进出桐梓服务区车流，运营期间存在一定行车安全风险。方案 匝道部分段落平纵指标相对较低，同时，匝道采用 便梁架空线路顶进施工，对川黔铁路运营干第 卷 第 期 年 月 山西建筑 扰较大。但互通与桐梓服务区的净距大于 ，运营安全风险较小，并且互通结构形式紧凑，工程规模适当，施工难度较小。从经济性分析，方案 较方案，方案 分别节省 万元、万元。综上，甫家湾枢纽互通推荐采用方案。表 甫家湾枢纽互通方案优缺点对比表影响因素方案 方案 方案 合规性与桐梓服务区间距较近，不满足规范要求与桐梓服务区间距较近，不满足规范要求与桐梓服务区的净距大于 ，满足规范要求安全性主流匝道（匝道）从服务区通过且车辆交织，安全性差主流匝道（匝道）从服务区通过且车辆交织，安全性差无交织，安全性好匝道平面指标最小平曲线半径，平面指标较高最小平曲线半径，平面指标较高最小平曲线半径，平面指标较低对铁路干扰上跨川黔铁路采用转体施工，对川黔铁路运营干扰较小上跨川黔铁路采用转体施工，对川黔铁路运营干扰较小下穿川黔铁路采用顶进施工，同时需对接触网迁改，对川黔铁路干扰较大对兰海高速干扰兰海高速加宽长度较大，且在服务区增加贯通匝道，对兰海高速干扰较大兰海高速改移约 ，且在服务区增加贯通匝道，对兰海高速干扰较大兰海高速加宽长度相对较短，且不在服务区增加贯通匝道，对兰海高速干扰较小经济效益征地、拆迁和工程规模较大，投资较高征地、拆迁和工程规模较大，投资较高征地、拆迁和工程规模相对较少，投资较低社会效益拆迁数量较大，从娄山关镇穿过，不利于地方发展拆迁数量较大，从娄山关镇穿过，不利于地方发展拆迁数量较少，从娄山关镇边缘穿过，有利于地方发展施工难度 右侧挖方较高（），且靠近兰海高速，施工难度较大兰海高速侧取消高边坡，施工难度相对较小兰海高速靠山侧挖方高度约 ，施工难度适中 枢纽互通方案多目标比选高速公路互通方案选择经常采用多目标比选的方法，该方法首先需要构建评价指标体系，然后通过特定的数理统计工具建立指标体系的层次结构模型，再采用适当的指标筛选方法对指标进行筛选，本次多目标比选采用灰色系统理论下的关联度分析。灰色关联度比选模型灰色关联度简介灰色关联度是通过不同的方法分析各种因素之间的关系，找出主要因素，确定主要问题。该方法是将研究对象及影响因素的因子值视为一条线上的点，与待识别对象及影响因素的因子值所绘制的曲线进行比较，比较它们之间的贴近度，并逐一量化处理，计算研究目标与待识别目标各影响因素之间的相互关系，通过比较各关联度的大小来判断待识别目标对研究目标的影响程度大小。灰色关联度原理及方法简介灰色关联度的计算步骤为：原始数据变换计算关系系数求关联度排关联序列关联矩阵计算关联度。）原始数据变换。常采用标准化变换，先分别求出各个序列的平均值和标准差，然后将各个原始数据减去平均值后再除以标准差，这样得到的新数据序列即为标准化序列。工程中经常对定性指标进行量化处理，采用百分制专家打分法。）求关联度系数：参考数列与比较数列的灰色关联系数（）。所谓关联程度，实质上是曲线间几何形状的差别程度，差值越小关联程度越大。）求关联度。关联系数是比较数列与参考数列在各个时刻（即曲线中的各点）的关联程度值，所以它的数不止一个，而信息过于分散不便于进行整体性比较。值越接近，说明相关性越好。）关联度排序。因素间的关联程度，用关联度大小表示但不仅限于此。将制定数量的子序列对同一母序列的关联度按大小顺序排列，组成了关联序，记为，它反映了对于母序列来说各子序列的“优劣”关系。若 ，则称对于同一母序列优于，记为 ；其中表示第 个子序列对母数列特征值。）列关联矩阵。枢纽互通方案多目标比选确定评价指标体系评价指标体系的结构分为目标层、准则层和子准则层，本枢纽互通以技术条件和经济条件为准则层构建模型，然后采用灰色关联度进行计算，完成多目标比选。通过对本枢纽互通方案影响因素进行分析，确定目标层为选择最优方案，准则层为技术条件和经济条件，子准则层如表 所示。表 子准则层准则层：技术条件准则层：经济条件土石方数量建安工程费最小平曲线半径兰海高速施工配合相关费用桥梁长度铁路局施工配合相关费用征地数量拆迁数量对既有铁路干扰对既有高速干扰合规性及安全性指标体系数据处理根据本互通枢纽确定的准则层建立的多评价指标体系，对影响枢纽互通的方案的因素进行量化处理，采用专家打分法。即通过咨询公路领域内多位权威专家意见并进行打分，满分 分，去掉最高分和最低分后取均值作为定性指标的评价参量，分数越高说明该方案在这个指标上的优势越明显，三个方案的指标见表。方案多目标比选根据以上比选模型及指标，设计程序利用 软件进行计算。计算得三方案关联度系数如下：（方案）；第 卷 第 期 年 月 周忠德等：复杂条件下山区高速公路枢纽互通方案研究（方案）；（方案）。，最接近，方案 最优，方案 和方案 相当。表 评价指标指标体系准则层子准则层技术条件土石方数量最小平曲线半径桥梁长度征地数量拆迁数量对既有铁路干扰对既有高速干扰合规性及安全性经济条件建安工程费兰海高速施工配合相关费用铁路局施工配合相关费用原始数据单位方案 方案 方案 程度小小较大程度大较小较小程度较好较好好万元 万元万元处理后数据单位方案 方案方案分分分分分分分分分分分 通过以上模型计算可得，方案 最优，与传统方法比选结论一致。但该模型中子准则层各因素赋值需要一定的经验，所以模型的作用仅仅在于通过一种方法去权衡和评价比选方案的合理性和最优性，但是其中影响因素的权重还是人为的去考虑，权重系数的不同会导致结果的不同。结论本文分别采用传统设计方法和数理统计方法比选甫家湾枢纽互通的三个方案，初步得出以下结论：）三个方案中，匝道下穿川黔铁路双 型方案（方案）最优，作为推荐方案。）互通方案受周边地形、地物等因素限制时，方案设计应尽量不突破规范要求，以确保建成后运营安全。）在枢纽互通立交设计中，不能刻意追求较高的平纵线形指标，应结合交通量和现场条件，选择合适的平纵线形指标，以实现较好的经济效益和社会效益。）在既有高速上设置互通时，应结合施工安全、施工难度、运营干扰及工程投资等因素，考虑改移既有高速的可行性。）建立的基于灰色关联决策法多目标比选模型，可评价多因素比选方案的优劣，可用于设计评价和参考。参考文献：刘子剑 互通式立体交叉设计原理与应用 北京：人民交通出版社股份有限公司，鄢启和，廖朝华 多肢复杂立体交叉设计方法探讨 公路，（）：中华人民共和国交通部 公路工程技术标准：北京：人民交通出版社，中华人民共和国交通部 公路路线设计规范：北京：人民交通出版社，中华人民共和国交通部 公路立体交叉设计细则：北京：人民交通出版社，罗 党，刘思峰 灰色关联决策方法研究 中国管理科学，（）：罗成海，何斌 复合式枢纽互通立交布设研究 公路，（）：李秀红 基于灰色关联度的多目标决策模型与应用 山东大学学报（理学版），（）：，吴小萍，詹振炎 基于灰色和模糊集理论的铁路方案多目标综合评价方法及模型研究 铁道学报，（）：赵红星 层次分析法在铁路工程评标指标权重中的应用 铁道工程学报，（）：，（，）：，：，：；第 卷 第 期 年 月 山西建筑