单喇叭形互通式立体交叉改扩建方案研究与评价

张 利

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

经过30余年的发展，国内四通八达的高速公路网已基本形成。随着交通强国战略的提出，我国高速公路发展已由追求速度规模向更加注重质量效益转变，路网优化与补充成为当前高速公路建设的主要方向。互通式立体交叉作为高速公路网的重要组成部分，部分已建成的互通式立体交叉需根据路网优化调整情况进行改扩建，选择合理的改扩建方案对于构建安全、便捷、高效、绿色、经济的高速公路网至关重要。本文对某建成的三路交叉单喇叭型互通改扩建为四路交叉的枢纽式互通立交方案进行研究，并建立评价指标体系对不同方案进行综合评价。

1 方案分析

根据相关统计资料，我国已建成高速公路中一般互通式立体交叉常用形式中喇叭形互通使用率约为72%，其中单喇叭形互通使用率约为46%，双喇叭形互通使用率约为26%[1]；由此可见，喇叭形互通尤其是单喇叭形互通是一般互通式立体交叉的主要形式[2]。本文中所用案例为山西省较早修建的青银、京昆两条高速公路交叉设置的A型单喇叭互通式立体交叉，如图1所示。

图1 运营中的A形单喇叭互通式立体交叉

青银高速公路及京昆高速公路设计速度均为120 km/h，采用双向六车道高速公路技术标准，路基宽度为28.5 m，两条高速公路间交通流转换采用了A形单喇叭互通，A匝道上跨主线，考虑到通行能力要求，该方案中除环形匝道外，其他匝道均采用了双车道匝道标准建设[3]。

为进一步优化路网结构，释放城市发展空间，规划新建一条纵向高速公路，建设起点拟与运营中的A形单喇叭互通相接，根据新建纵向高速公路线形指标和运营互通现状，共研究布设了两个互通改扩建方案，方案一（图2所示）和方案二（如图3所示）。

图2 A形单喇叭互通改扩建方案一

1.1 方案一

方案一采用完全利用原有互通匝道的变异苜蓿叶互通方案，图中实线为原有A形单喇叭互通，点划线为改扩建后新增加的6条匝道,其中XHZ和XHY作为新建纵向高速公路主线，设计速度采用80 km/h，分离式路基宽度为12.75 m，其他新建匝道设计速度均采用60 km/h，单向单车道匝道路基宽度9.0 m，单向双车道匝道路基宽度为10.5 m。方案一共新建（含加宽）桥梁5 377 m/13座，利用桥梁71.48 m/1座，设置涵洞14道，通道1道（完全利用），总占地约935亩，其中原有公路用地556亩，新增用地379亩。方案一的优点为完全利用原有互通匝道，不改变原有通行习惯，建设过程中几乎不需要中断交通，功能完全满足要求且总体建设规模适中。方案一的缺点是用地规模偏大。

1.2 方案二

方案二采用部分利用原有互通匝道的变异苜蓿叶方案，在保留部分原有互通匝道的前提下，采用纵向主线贯通的方式，增设6条匝道改造为全互通枢纽，如图3所示，方案二中D匝道需完全拆除后新建环形匝道，E匝道部分段落需改建。方案二中完全利用匝道设计速度为60 km/h，路基宽度为10.5 m，新建环形匝道设计速度采用50 km/h，其他匝道采用60 km/h，单向单车道匝道路基宽度采用9.0 m，单向双车道匝道路基宽度采用10.5 m。方案二共设置新建（含加宽）桥梁3 444.761 m/11座，设置涵洞15道，通道1道（完全利用）。该枢纽总占地约862亩，其中原有公路用地545亩，新增用地317亩。

图3 义望互通改扩建方案二

方案二的优点是纵向主线贯通，行车顺畅，用地规模较小，功能满足使用需要，规模适中。缺点是没有完全利用原有A形单喇叭互通匝道，建设中需要中断交通，增设保通方案，对高速公路运营产生一定的影响。

2 方案评价方法

近年来，国内外的专家对工程方案评价进行了大量的研究，提出了多种方案评价方法，如灰色关联分析法、层次分析法及模糊综合评价法，部分方法已在工程中得到应用，但是仍然存在适应性不足等问题，依然有很多问题亟需解决。

方案排队法是根据系统工程学原理建立的一种解有限个方案的多目标决策方法。将初拟的互通改造方案在各个评价指标下进行比较，然后根据综合评价结果对不同方案按优先次序进行排队，从而选出最优方案[1]。

方案排队法的指标对比仅需要做定性判断，该方法适用于在初拟各种可能的方案后的比较选择，比较的方法是利用矩阵列出两两方案之间的优先关系[1]。

进行方案比较时，同时有多个评价指标需要考虑，对每一个评价指标按式（1）列出关系矩阵，然后将每个矩阵的结果聚合起来，建立新的优化关系矩阵，以得出综合比较结果[1]。

式中：m为方案数；矩阵中的元素rij（i，j=1，2…，m）表示方案xi和方案xj间的优先关系，取值规定为方案xi优于 xj时 rij取 1；方案 xi劣于 xj时 rij取 0；xi与 xj效用相同时，视为xi优于xj和xi劣于xj同时存在，rij取0。

聚合的方法是先对选取的每个评价指标赋权值，指标越重要，则权值越大。权值大小根据互通式立体交叉的工程特点确定。本文中选取安全、功能、环境、用地和成本5个指标进行评价，其中安全从出口一致性、线形连续性、视距以及车辆交织情况评价；功能从通行能力和绕行距离进行评价；环境从与地形的适应性、避开不良地质情况和拆迁情况进行评价；用地从占地总量和占用基本农田数量进行评价；成本估算从养护管理难度进行评价。本文中安全、功能、环境、用地和成本 5个指标赋权值分别为：0.35、0.30、0.10、0.15、0.10。

λ（xi＞xk）为 n 个指标中，所有 xi＞xk的评价指标的加权值之和；

λ（xi＜xk）为 n 个指标中，所有 xi＜xk的评价指标的加权值之和；

λ（xi～xk）为 n 个指标中，所有 xi～xk的评价指标的加权值之和；

σ为效用等值系数，反映了决策人对λ(xi～xk)的重视程度，如σ=0，则认为该项可以忽略不计。

方案的最后排队即基于聚合的优先关系矩阵，确定各方案排列次序的依据为该矩阵求出的位置指示值。对于方案xi，位置指示值为：

V（xi）=p（xi）-q（xi），

V（xi）值越大，方案xi越排在前面。

3 方案评价结果

根据方案排队法的基本原理，本文中互通式立体交叉改扩建共布设两个方案，因此m=2，该次评价共选取安全、功能、环境、用地和成本5个评价指标，因此n=5。各评价指标的优先关系矩阵如下：

综合优先关系指示值 ：Aφ(x1＞x2)=（0.35+0.30+0.10+0.10）/0.30+0.15=1.89，聚合优先关系矩阵中r12取值为1。

方案排序指示值V(x1)=1,V(x2)=-1。

根据方案排队评价结果，方案一优于方案二，最终选择方案一作为推荐方案。

4 结语

长期以来，互通式立体交叉的方案比较以采用技术经济指标加定性评价的方法为主，对于复杂项目以及改扩建项目难以得出科学、全面和客观的评价结论。本文案例作为改扩建项目，互通改造方案复杂，采用方案排队法进行评价初步获取了较优方案，评价结论与一般使用的技术经济指标加定性评价方案结论一致。本文中所述的方案排队法共选取了5个评价指标进行综合评价，且5个指标中包含了多个分项指标，虽然所采用的评价指标较全面地囊括了互通方案的影响因素，但评价指标的权值取值还需进行深入研究，以便更精准、全面、合理地对方案进行综合评价。