多目标协调设计在喀斯特地区公路选线中的应用

韦世明，古鹏翔，罗 竟

(1.广西桂山高速公路有限公司，广西 都安 530700；2.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

多目标协调设计在喀斯特地区公路选线中的应用

韦世明1，古鹏翔1，罗 竟2

(1.广西桂山高速公路有限公司，广西 都安 530700；2.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

喀斯特地区修建高速公路选线是关键。线路的合理性需要从不同角度，利用目标综合分析，协调设计。文章以多目标协调设计为原则，公路功能为主线，地质、生态选线优先，灵活运用技术指标，平衡处理及高速公路建设安全、经济、美观、舒适的关系。这些技术应用在河池至都安高速公路选线中，使其成为广西首条喀斯特地区典型示范工程。

喀斯特；地区；公路；多指标；选线

0 引言

广西是我国著名的喀斯特地貌分布区，喀斯特面积97 725 km2，占广西全区土地面积的41%。从地貌形态上，峰林、峰丛、残丘、漏斗与洼地、溶洞与暗河等广布其中，形成了广西独有的喀斯特地貌形态。

喀斯特地区地形、地质、生态、景观构成了高速公路建设的自然环境约束。沿线城镇布局、历史文化、民族风情，则构成了高速公路建设的社会环境约束。而功能、安全、经济、环保、舒适、美观则是高速公路建设的内在目标。这些环境约束条件，是喀斯特地区高速公路路线方案布设和技术指标灵活运用方法中需要协调的多个目标，对于控制高速公路建设项目的投资和促进高速公路与环境的协调具有关键性作用。

河池至都安高速公路(以下简称“河都高速公路”)将多目标协调设计纳入典型示范工程研究内容之一，立项研究，并指导河都高速设计，降低了工程造价，取得了明显的社会效益。

1 喀斯特地区高速公路多目标协调设计理念

喀斯特地区高速公路设计理念是公路设计人员，在喀斯特地区特殊地质、地貌、生态等自然环境和少数民族文化、人文历史遗存等社会环境条件的约束下，经过长期公路设计与建设实践，所确立的高速公路设计指导思想和设计哲学观点。

课题[7]在总结广西近年来在喀斯特地区修筑高速公路经验基础上，提出喀斯特地区高速公路设计的理念：以多目标协调设计为原则，以公路功能为主线，地质、生态选线优先，灵活运用技术指标，平衡处理安全、经济、美观、舒适的关系，促进公路建设科学、可持续发展。这一理念，在河都高速公路的建设中得到检验。

2 公路多目标协调设计理念与目标

2.1 多目标协调设计理论分析

按照一般的设计理论，设计是一个有目的的人的主动行为，它可以表达为[7]：

G=C(P)

(1)

式中：G——设计的目标；

P——设计过程；

C——对P过程的控制、约束。

公路设计的过程，从用户使用需求，确定设计目标的最终方案，整个过程产生系列思维成果。整个思维过程表现为一系列设计步骤，称之为设计阶段或设计环节，逐渐精化，由需求空间(设计目标)向特征空间的转化。而在这一转化的过程中，设计方案逐步转换和收敛，最终形成最佳方案。上述过程可用以下模型表示：

M={I，P，Q，O，C，φ}

(2)

式中：I/O——输入输出集；

P——过程集，它包含子过程元素P={P1，P2，P3}；

Q——状态集，它包含子状态元素Q={Q1，Q2，Q3，…}；

C——约束集，它包含子约束元素C={C1，C2，C3…}；满足一定约束的状态Qi|Ci与Pi对应；

φ——映射集，φi：Qi|Ci→Qi+1|Ci+1，它包含有子映射元素φ={φ1，φ2，φ3，…}；满足一定约束的状态经过映射发生转换，表现为子过程，即：

(3)

子过程的有机合成形成设计过程：P=∑Pi；输入经过设计过程得到输出：I×P→O。

综上所述，公路设计可分为问题分析、转换、收敛三个阶段，如图1所示。

图1 公路设计过程的时间顺序结构示意图

2.2 路线设计目标分析

公路路线设计目标包括安全(交通安全和结构安全)、经济(工程经济和运营经济)、环保、功能、美观、交通质量(通行能力、服务水平及舒适)等六个主要方面。公路路线设计目标是相互平衡、协调的关系，有时又相互矛盾，甚至冲突，不可能将某一目标最大化而不降低其它目标。

高速公路所承担的干线功能是主线。路线设计中，喀斯特地质和路域石漠化趋势成为重要的控制因素，因而应以地质(结构安全)、环保优先，兼顾交通安全、经济、美观和交通质量等设计目标。从公路路线设计角度，公路设计各目标之间、设计目标与设计方案(设计要素)以及人、车、道路要素之间存在着直接或间接的影响关系，如图2所示。

图2 设计目标与设计要素关系图

多目标决策，就是寻求工程经济、交通安全、公路景观等各个设计目标的平衡点。

3 多指标协调设计协调方法与应用

3.1 公路使用功能为主控

我国《公路工程技术标准》(JTGB01-2014)在公路等级划分时，强调功能、路网规划与交通量等因素。其中功能是关键，突出了以功能作为选用公路等级和确定设计目标的理念。因此，在设计中要做到以功能为主控，确定设计的公路功能定位。公路的功能可以划分为连接(干线)功能、集散功能、出入功能。功能分类体系间关系见图3。

图3 功能分类体系间关系图

河都高速公路是《国家高速公路网规划》中兰州至海口(纵八)和国道主干线重庆至湛江公路在广西区境内的重要组成部分，也是规划“五纵八横八支线”中南丹至东兴公路的重要路段，是联系广西桂西北与桂西南经济区重要的干线公路，是西南地区最便捷的出海通道。因此，项目功能定位为干线公路。

3.2 地质选线优先

地质选线的目的是选择经济合理的公路路线设计方案，避免路线通过严重地质不良地段和防止发生严重工程地质病害，使公路路线方案在地质环境好(即喀斯特地质现象发育比较弱)的区域内，以规避重大工程风险，确保公路建设项目技术可行、安全可靠。地质选线的关键是：通过大范围的地质条件对比分析和路线方案合理布设与比选，选择既满足公路交通需求又满足地质条件约束的路线方案，实现公路交通的可持续发展。

广西地区的喀斯特地区，喀斯特作为主要地质条件，对路线方案的选择具有突出的控制作用，包括：(1)喀斯特水的侵袭；(2)喀斯特洞穴对工程稳定性的影响；(3)松软堆积物的坍塌；(4)喀斯特区覆盖层大面积的塌陷，威胁建筑物的安全等。

根据调查的地质条件，喀斯特地区高速公路地质选线优先的要点包括以下几个方面。

(1)路线避开碳酸盐岩与非碳酸盐岩的接触带。碳酸盐岩与非碳酸盐岩之间存在厚薄不一的接触带，集聚着地下水。而水的化学、物理作用强烈，促使喀斯特发育。平面上沿接触带走向分布有串珠状的各种喀斯特形态，地下水多具有承压性，且常发育与接触带走向一致的纵向暗河，并与碳酸盐岩一侧的横向暗河相连。为避免喀斯特水和洞穴的危害，线路应避免设在接触带及其附近，必要时应以大交角穿过。碳酸盐与非碳酸盐接触面附近的路线剖面图见图4。

图4 碳酸盐岩与非碳酸盐岩接触面附近的路线剖面图

(2)路线避开有利于岩溶发育的构造破碎带。构造破碎带往往是喀斯特发育的结果。断裂带如为张性易于富集、传导地下水；如为压性则因阻水而使地下水富集于一侧；当为扭性时两种可能兼有。向斜轴以及断裂交叉处更有利于地下水富集、传导。上述地带喀斯特水循环交替强烈，喀斯特作用亦剧烈，常发育有地下大厅及暗河等。路线位置力求避开或不与其靠近，必要时以大交角通过。河都高速公路顺安至高岭段水文地质平面情况见图5。

图5 河都高速公路顺安至高岭段水文地质平面图

图5所示地段位于岩溶谷地内，高程处于区域侵蚀基准面附近，N线方案与NK66+700以前与北东向断裂带平行或相交，其后顺背斜翼部展线，不利于避让有利于岩溶发育的构造带。K线方案斜切北西向宽缓背斜，较好地避开了有利于岩溶发育的构造带。沿线岩溶不甚发育，路基工程地质条件良好。最终采用K线，实际施工与预判结果相吻合。

(3)路线避开岩溶发育的极强地区。喀斯特发育的极强地区，无论对勘测、设计、施工和运营都会造成很大困难。因此，一般以绕避为宜，将路线选在喀斯特发育相对轻微的地区。

图6为河都高速加洋隧道平面图。地质勘察隧道区岩溶极其发育，主要发育有溶隙、溶沟、溶洞、落水洞，勘察区内有一地下河通过，规模大，地下河基本与隧道方向平行。从水文地质图分析，路线范围内，断层发育，部分路段路线与断层平行，工程地质环境较差。

设计时将隧道线位尽可能地向远离大溶洞与地下河方向偏移，同时抬高设计标高。受限于前后地形，偏离的距离有限，施工中河池端(大溶洞出露端)虽成功避岩溶发育区，但都安端仍穿越厅堂式大溶洞，隧道穿越溶洞填充物，致使隧道基底承载力不足。

图6 河都高速公路加洋隧道平面图

(4)路线绕避网状洞穴和厅堂式空洞区。在可溶性碳酸盐岩地层中，产状平缓、质纯、层厚、断裂密集或交叉的地带，或地形切割剧烈，且地表与暗河有水力联系的地段，往往存在网状洞穴、厅堂式溶洞。大洞穴在地表常有“天窗”、冒雾气、塌陷及落水洞等特征。因此，应在勘测的基础上，将路线移到岩溶发育程度相对轻微的地段上，以避开网状洞穴或巨大空洞。

图7为河都高速公路谢家峒隧道地质平面图。隧址区岩溶发育较强烈，岩溶形态表现为落水洞、地下河出口洞、溶洞及溶蚀裂隙，其进出洞口及ZK28+000～ZK28+150段冲沟内岩溶发育密度及规模相对较大。实际施工中，多次遇到厅堂式大溶洞，给整治带来困难。

图7 河都高速公路谢家峒隧道路段地质平面图

3.3 环保优先

“不破坏就是最大的保护”的设计理念始终贯彻在整个设计过程。欲将公路建设对周边环境的破坏程度降低到最小程度，就要把工程防护与生态防护结合起来，把设计作为改善环境的促进因素，摒弃先破坏、后恢复的陋习，实现环境保护与公路建设并举、公路发展与自然环境相和谐，努力建成环保之路、景观之路、生态之路。

协调环境与其它目标的关系要做到：生态设计；形式灵活；师法自然；和谐统一。

河都高速桥隧比高的主要因素就是环保优先的设计理念——“宁架桥勿高填，宁隧道无深挖”。将自然景观，骆越、铜鼓文化，瑶族特色、植被恢复作为环保建设的重要组成部分。

3.4 设计指标的灵活运用

标准规范中对指标的规定，是综合考虑诸多因素，制定出的各地适用的最大公约值。就喀斯特地区而言，不仅分布广，而且各地实际情况千差万别。因此，实际设计中，要灵活运用规范、标准：强调每一个公路建设项目都具有唯一性，涵盖项目所在地区的地理位置、地形地貌、地质条件、气候气象、社会环境、不同的文化传统、风俗习惯、审美观特点以及公路使用者的需求、面临的挑战与机遇等。这些都构成不同地区特有的公路景观环境，在功能、安全与周围自然和社会环境之间寻求协调和平衡。

(1)灵活运用技术指标的基本原则。技术指标灵活运用基本原则是：严格执行强制性指标，灵活掌握非强制性指标，最大限度避免合法不合理的综合整体评价指标，突破指标需要论证使用。

(2)超标设计的论证。实际设计中，即使使用最低标准、指标，也会导致对环境、生态的破坏，并且工程造价居高不下。这种情况下，应考虑非标准设计，即重新评估设计方案，论证使用小于极限指标的非标准设计，即允许超标设计。

非标准允许的超标设计并不意味着将使公路处于危险或不安全状态。非标准允许的超标设计的认可，并不意味着允许危险公路的投入使用。并且，标准、规范永远是动态。因此，综合考虑项目的所有约束条件和设计目标，经充分的论证和评估后，才能采用非标准允许的超标设计。

河都高速公路设计按照指标山区特点，设计时速仅100km。指标的灵活运用，充分体现在线形的连续、均衡、舒适。实施超标设计的基本程序见图8。

图8 实施超标设计的基本程序图

3.5 平衡安全、经济、美观、舒适的关系

公路的功能、安全、经济、环保、美观和交通质量等多个公路设计目标的关系，多数情况下是相互矛盾，甚至冲突的。应认真分析研究项目所在区域的自然条件、人文条件，灵活运用技术指标，使路线顺应地形，合理利用山坡台地、缓地等有利地形布线，避让不利地形，避免高填深挖，减轻公路对原有地貌景观的破坏和不良影响。

这些指标，不仅着眼于建设期的投资，更要考虑今后营运期间可能发生的地质灾害、运行安全、社会运输性价比的最大化。

4 喀斯特地区高速公路协调性设计程序

喀斯特地区地形、地质、自然景观、水环境和生态环境具有独一无二的特点，公路设计应充分考虑其特殊性，协调环境与公路建设的关系。公路设计过程是多目标协调的过程，为满足公路设计的目标，协调公路与设计约束条件(自然环境、社会环境及技术标准等)的关系，公路设计尤其是公路路线设计需要分层次逐步进行。

图9 喀斯特地区高速公路协调性设计程序图

结合我国现行公路设计程序，喀斯特地区高速公路环境协调性设计程序如图9所示。图中表示了对环境问题的考虑应从规划阶段开始，贯穿于工程可行性研究、初步设计、施工图设计、施工乃至营运、养护阶段，也应重视环境保护问题。高速公路环境协调性应贯穿于高速公路的全寿命周期，由路网规划阶段的区域生态风险分析，到预可和工可阶段的走廊带环境敏感性分析，至初步设计阶段路域环境影响评价，施工图设计阶段敏感点环境影响分析，反映了由区域至局部、由粗到细的过程，相应地环境保护设计也由区域环境影响评估到公路环境影响评价、公路环境保护方案设计至公路环境补偿设计逐步深入和细化。

5 结语

河都高速公路主线全长92.315km，处于桂北大石山区，地形复杂，山岭绵亘，岩溶发育，洼地密布，素称“千山万弄”，属举世闻名的中国西南喀斯特地区之一。全线设置桥梁8 804.7m/54座，其中特大桥1 087.7m/1座，大桥5 498.5m/20座，中桥2 189m/32座(含6座天桥)，小桥29.5m/1座；隧道27道共20 372.8m。整个项目的桥隧比达31.7%。整个项目路线设计应用了课题成果之一“多目标协调设计”。

河都高速公路项目的实践证明，喀斯特地区公路路线设计各设计目标之间具有矛盾性和不可调和性。因此，采用现代数学方法和系统理论，评估各目标的权重，定量地解决多目标决策，是今后岩溶地区公路路线设计理论研究的方向。

[1]周 洲，郑志华.喀斯特地貌公路建设项目环境影响评价[J].上海船舶运输科学研究所学报，2007，30(2)：110-112.

[2]吴华金，张林洪.山区公路选线[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3]霍 明.山区高速公路勘察设计指南[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4]交通运输部公路司.新理念公路设计指南(2005)版[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5]杨宏志，许金良.基于约束描述的公路路线设计过程模型[J].重庆交通学院学报，2005，24(1)：37-40.

[6]广西壮族自治区交通规划勘察设计院.河池至都安高速公路两阶段初步设计说明书[R].南宁，2009.

[7]广西桂山高速公路有限公司.喀斯特地区典型示范工程成套技术管理研究[R].南宁，2014.

Application of Multi-objective Coordinated Design in Highway Route Selection in Karst Area

WEI Shi-ming1，GU Peng-xiang1，LUO Jing2

(1.Guangxi Guishan Expressway Co.，Ltd.，Du’an，Guangxi，530700；2.Guangxi Vocational and Technical College of Communications，Nanning，Guangxi，530023)

The route selection is the key for expressway construct in karst area.The rationality of the route needs the comprehensive analysis from different angles and by using the target，with coordinated design.This article takes the multi-objective coordinated design as the principle，with the highway function as the main line，the geology and ecology route selection as the priority，and through the flexible use of technical indexes，the balanced treatment was conducted regarding the relationship among expressway construction safety，economy，beauty and comfort.These technologies were used in Hechi-Du’an Expressway route selection，making it the first demonstration project in karst area in Guangxi.

Karst；Region；Highway；Multi-index；Route selection

韦世明(1968—)，高级工程师，主要从事高速公路工程技术管理工作；

古鹏翔(1977—)，高级工程师，主要从事高速公路工程技术管理工作；

罗 竟(1964—)，教授，从事公路工程建设技术研究工作。

广西交通科技项目“喀斯特地区典型示范工程成套技术管理研究”(项目编号：〔2011〕54-28)

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.11.005

1673-4874(2016)11-0024-06

2016-10-26