城市道路横断面设计及评价比选

冯 雨

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

某地外环路项目为城市主干道,目前为一幅路形式,拟定对其进行改造,将其改造成四幅路形式。

经现场岩土工程勘察,该外环路所在位置的地层结构为人工填土层、新近沉积层、一般第四纪沉积层(自上向下)。其中人工填土层以砂质粉土素填土为主,新近沉积层以砂质粉土、粉质黏土、黏质粉土为主,一般第四纪沉积层以粉质黏土及黏质粉土为主。地下水以潜水及层间水为主,潜水位埋深为9.70～14.50 m,水位标高为6.86～12.74 m。层间水,水位埋深为16.40～17.90 m,水位标高4.22～6.19 m,具有承压性。

1 方案设计

根据现场地质条件,在遵循技术可行、投资合理、满足建设进度要求等原则的基础上,对道路横断面进行设计,使近远期工程充分结合,最小化远期改造工程量。

方案一:考虑到该道路远期作为城市主干道,车流量、人流量均较大,为确保通行畅通度及安全性,道路两侧分别设计连续主、辅路系统,其中辅路系统可优化两侧地块交通出行,既能实现该道路交通服务功能,也可降低对主路系统的干扰,使主路具备更好的通行能力[1]。横断面采用四幅路型式,具体布置(由南向北)为:3 m(人行道)+1.5 m(行道树设施带)+6.5 m(辅路)+2.5 m(分隔带)+8 m(机动车道)+2 m(中央分隔带)+8 m(机动车道)+2.5 m(分隔带)+6.5 m(辅路)+1.5 m(行道树设施带)+3 m(人行道)=45 m。

方案二:考虑到当地居民日常短距离出行多采取非机动车方式,故方案二取消了两侧辅路系统,改为独立的非机动车道,优化了非机动车出行条件,弱化了机动车出行条件,这样可有效防止机动车、非机动车及行人之间可各行其道,以防干扰[2]。横断面采用四幅路型式,具体布置(由南向北)为:3 m(人行道)+1.5 m(行道树设施带)+3.5 m(非机动车道)+2.5 m(分隔带)+8 m(机动车道)+3 m(中央分隔带)+8m(机动车道)+2.5 m(分隔带)+3.5 m(非机动车道)+1.5 m(行道树设施带)+3 m(人行道)+5 m(绿化带)=45 m。

2 基于层次分析法对方案进行评价比选

为选出最佳横断面方案,采用层次分析法对上述两个设计方案进行评价分析,确定评价指标权重值及相应指标的相对比隶属度,根据评价结果确定最优横断面方案。

2.1 层次分析法

2.1.1 原理

层次分析法是一种通过定性与定量相结合来评价分析非定量事件的方法,尤其是在分析评价多目标、多层次等复杂问题中效果良好。使用层次分析法对问题进行评价分析时,对于那些无法测量的指标,只要合理引用标度,便能够确定各指标的相对重要性,为决策提供科学依据。层次分析法评价模型建立的步骤如下:根据各评价指标构建出相对隶属度矩阵,根据隶属度矩阵构建出评价指标的权重判断矩阵,进行对比分析。

2.1.2 相对隶属度矩阵

相对隶属度概念来自于模糊评价函数,通过模糊评价可对多因素影响的事件进行全面有效评价,且评价结果并不是完全的肯定或否定,而是通过一个模糊集来进行表达。相对隶属度矩阵构建可通过模糊评价矩阵来表示,根据实际评价指标建立模糊评价指标体系,从中确定越大越优型指标[3],可通过公式(1)来表达:

rij=xij/(xmaxij+xminij)

(1)

确定越小越优性指标,表达式如下:

rij=(xmaxij+xminij-xij)/(xmaxij+xminij)

(2)

确定越中越优型指标,表达式如下:

(3)

式(1)、(2)、(3)中,rij为标准化处理后的评价指标值,xij为指标值,xmaxij为方案集中第i行的最大值,xminij为方案集中第i行的最小值。

通过上述3个公式可计算得出模糊评价矩阵,表达式如下:

(4)

式(4)中,R为模糊评价矩阵,r11、r1m、rn1、rnm为评价指标值。

2.1.3 评价指标权重矩阵

在模糊评价矩阵的基础上可进一步确定各评价指标值的权重判断矩阵。对于模糊评价而言,其是对指标优选的一个过程,如果某一个评价指标的样本系列与区域统计值及模型预测值之间的差值变化程度比其他方案高,说明该评价指标所能传递的评价信息是优于其他方案的。由此可知,可利用评价指标与区域统计值及模型预测值之间的差值(即样本标准差)来表达评价指标对评价结果的实际影响程度,可构建出权重判断矩阵,具体表达式如下:

(5)

式(5)中,bij为权重判断矩阵,s(i)为样本i的标准差,s(j)为样本j的标准差,smax为样本系列的最大值,smin为样本系列的最小值,bm为相对重要性程度参数值。

基于权重判断矩阵,采用规范平均法对所有列向向量做归一化处理,计算得出平均值,进而得出矩阵的权重向量近似解,并做一致性检验,根据权重值及相关评价指标相对隶属度值计算出综合评价指标值[4],具体公式如下:

z(j)=∑wir(i,j),j=1～m

(6)

式(6)中,z(j)为综合评价指标值,该值越大说明第j各方案越优,wi为评价指标的权重值,r(i,j)为评价指标的相对隶属度值。

2.2 方案评价及比选

横断面方案比选中,采用层次分析根据方案设计内容明确相关指标的相对隶属度矩阵,在相对隶属度矩阵的基础上建立权重判断矩阵,确定方案评价的权重值,对方案进行比选。经计算得出两种方案的评价指标及相对隶属度,如表1所示。

根据表1数据可知,序号2、10、12、14指标是越大越优型指标,序号11、15指标是越中越优型指标,序号13指标是越小越优型指标。可得出两种横断面方案的模糊评价矩阵,具体如下:

计算其样本标准差s(i),结果如下:

S(i)=(0.006,0.072,0.015,0.577,0.083,0.297,0.255,0.020,0.218,0.083,0.167,0.132,0.315,0.134)

通过规范平均法对模糊评价矩阵的权重向量进行计算,对判断矩阵的所有列向量做归一化处理及平均,得出权重向量的近似解,以便做进一步的一致性检验。权重向量近似解结果如下:

W=(0.006,0.012,0.014,0.007,0.261,0.016,0.261,0.083,0.065,0.006,0.008,0.052,0.016,0.036)

计算最大特征根结果为:λm=19.786。

对一致性指标进行计算,结果如下:

一致性符合要求,即判断矩阵是相容的,求得的权重向量可作为方案判断的权重向量。

根据上述权重向量对两种横断面设计方案进行评价,得出具体的评价值,如表2所示。

表2 两种横断面设计方案评价结果Tab.2 Evaluation results of two cross-sectional design schemes

从表2可以得出,在道路规划红线宽度既定的情况下,两个横断面设计方案中,权重占比较大的指标为分隔带宽度,权重占比较小的指标包括车道数量、机动车道宽度及车道通行能力等。这是因为在确定好道路红线宽度之后,机动车道数量、机动车道宽度及车道通行能力等在方案设计中差别不大,对道路通行能力影响较小,所占权重较小。城市道路项目设计中,单位造价对横断面设计方案决策的敏感度相对较低,故其权重较小。由此可知,城市道路横断面方案设计需要重点考虑行人、非机动车、机动车是不是有效分离、路权是不是非常明确及横断面布局时管线位置是否合理等因素。综合评价值是通过横断面设计方案评价指标的权重值及相对隶属度相乘并累加得出的,所以横断面设计方案的综合评价值越高,则说明该方案的优越性、可行性越好。结合表2综合评价值可知,方案一的综合评价值为0.481,大于方案二的综合评价值0.386,因此横断面设计方案最终确定采用方案一。

横断面设计是城市道路项目建设的前期工作,层次分析法在道路横断面方案设计比选中有着良好的适用性,可为决策提供科学依据。