高速公路改扩建条件评价体系研究

马晓宁，王选仓，张　涛

(1.长安大学　公路学院，陕西　西安　701164；2.山西省交通科学研究院，山西　太原　030006)



高速公路改扩建条件评价体系研究

马晓宁1，王选仓1，张涛2

(1.长安大学公路学院，陕西西安701164；2.山西省交通科学研究院，山西太原030006)

摘要：为了研究高速公路是否已达到改扩建的条件，采用了理论研究与工程实际相结合的方法，以京沪高速公路莱芜至临沂段改扩建工程为依托，根据交通运输部关于高速公路改扩建的相关意见分析了依托工程改扩建较新建第二通道的优越性。基于国内已完成改扩建工程客货混行情况提出将45%货车比例作为高速公路改扩建条件，结合新版公路工程技术标准确定了高速公路应满足的线形指标与服务水平要求。综上，建立了高速公路改扩建条件评价体系，采用九级标度法进行了评价指标权重划分，基于属性数学得出了评价目标属性测度区间，建立了高速公路改扩建条件评价公式。应用评价体系进行实例分析，结果表明：京沪高速公路莱芜至临沂段比较符合高速公路改扩建条件，与分析结果一致。

关键词：道路工程；高速公路改扩建条件评价体系；属性数学；货车比例；线形指标；服务水平

0引言

截至2015年初，我国已建成高速公路十万余公里，细密的路网结构为各地区间交通运输提供了极大的便利，不仅吸引个体家庭的短途自驾，也吸引着许多商家的大型运输货车，给高速公路带来了较大压力。而许多早期建成的高速公路在设计时无法预测到近十年来如此迅速的交通增长，导致了道路服务水平的下降与养护费用的增加。介于此，我国已普遍展开高速公路改扩建工作，目前已完成改扩建工程40余项，在建工程近10余项，共计约7 000 km。而我国改扩建时机的选择暂无行业标准，通常都是迫于道路严重不能满足交通需求时才进行的，导致了施工期间较大的交通组织难度与较多的安全隐患。因此，在道路服务水平尚满足交通需求时即应进行高速公路改扩建条件评价，如评价结果比较符合条件则应及时展开改扩建工作。本文分析了原有高速公路在路网中的作用、客货混行现状，对比了新旧行业标准对道路线形及服务水平的不同要求，以新建复线方案较旧路拓宽方案优越性、货车比例、旧路线形与新标准不匹配程度、不良线形组合路段数、最大服务交通量与基本通行能力之比、以及运行速度与设计速度之差为评价指标，建立了高速公路改扩建条件评价体系，并以京沪高速公路莱芜至临沂段(下文简称“京沪高速”)为依托验证了体系的合理性，为今后高速公路改扩建时机的确定提供依据。

1原有高速公路在路网中的作用

作为国家高速公路网和山东省高速公路网的重要组成部分(见图1)，京沪高速对山东境内的国省干线起到了较大的分流作用。而随着交通量逐年激增，全线已接近饱和状态，2025年预测交通量为83 815 pcu/d，远超公路设计交通量，将会严重影响道路服务水平。

交通运输部《关于高速公路改扩建工程中有关技术问题处理的若干意见》中指出，应结合国家路网规划，论证改扩建对交通与安全的影响，最终确定对已有高速公路进行旧路扩建还是路网加密[1-3]。

经系统分析不难得出，京沪高速应采用旧路改扩建方案。

(1)山东省交界的江苏省已将京沪高速江苏段改扩建工作列入江苏省交通发展规划，因此进行京沪高速公路山东段原路改扩建比另辟复线更为恰当。

(2)旧路改扩建可对原有服务区及收费站进行改造或扩建，充分利用已有资源，避免了重复建设占地面积较大、造价高的弊端。

(3)旧路改扩建可根据沿线实际在不同路段分别选择拼接加宽或分离加宽的扩建方案，有效避开沿线居民区与沿线水库等自然景观，降低征地费用及对环境的破坏。

(4)旧路改扩建可通过系统完善的交通组织与施工组织避免或降低由于原路拓宽造成的交通阻塞与事故。

(5)在旧路基础上进行改扩建可有效缓解沿线交通压力，进一步促进经济发展。

2客货混行因素

以往的高速公路建设未设置货车专用道，客车与货车共同分享行车道，而随着我国高速公路路网的不断完善，陆运的便捷与较低费用使货车运输成为许多商家优选的运输方案，导致了货车比例的逐年升高。其中，中、重型货车由于载重、车辆尺寸较大，活动不如客车灵活，行驶速度较慢，严重降低客车行车速度与行车安全，如遇特殊路段，客车与货车间行车速度差有可能会引起不可避免的严重交通事故，导致人员伤亡与交通堵塞[4-5]。

我国已完成改扩建的高速公路中，旧路货车比例均达到45%以上，较为严重的如京港澳高速公路安新段货车比例高达70%，极大降低了行车舒适性、通达效果与道路服务水平。因此，当高速公路服务水平较低且货车比例达到或超过45%时，应考虑进行改扩建。

根据山东省对京沪高速交通调查与汇总可得出历年客、货比例，见图2，客车比例在2009年达到最大值，随后保持逐年降低的趋势，而货车比例在2007年达到最大值64%，随后有较大缩减后又逐年回升，增加的货车类型也偏向于大型、特大型。

图1　京沪高速所在地区路网图示Fig.1　Road network around Beijing-Shanghai expressway

图2　京沪高速历年客车与货车比例Fig.2　Annual proportions of passenger cars and trucks on Beijing-Shanghai expressway

根据所得趋势与京沪高速沿线所需车辆类型的转变，得到京沪高速公路客、货车比例预测情况，见图3、图4。随着时间的推移，客车比例逐年减少，货车比例不断增加，到2016年货车比例为58.6%，2030年增至59.2%，远超45%，需进行改扩建。针对本路段较高货车比例，也可考虑设置货车专用车道，硬性分离客、货车辆，根除由于客、货混行引起的重大交通事故[6-8]。

图3　客车比例预测Fig.3　Prediction for proportion of passenger cars

图4　货车比例预测Fig.4　Prediction for proportion of trucks

3线形指标因素

由于我国公路工程技术标准与公路路线设计规范不断修订，早期建设完成的高速公路线形指标已不能满足现有规范要求，因此有必要展开改扩建。京沪高速公路路线设计依据为《公路工程技术标准》(JTJ01—88)，而该标准经多次修订后形成了《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)(下文简称“新标准”)，新标准将高速公路最低设计速度规定为80 km/h，统一了不同设计速度下右侧硬路肩宽度，增设了不设超高最小半径与平曲线长度最小长度，取消了对最小坡长及竖曲线最小半径一般值的规定，并根据设计速度与最大超高共同确定了圆曲线最小半径[9-10]。

4个路段旧路设计速度分别为80，100，100，120 km/h，改扩建后设计速度统一为120 km/h，根据现行标准，京沪高速公路各路段线形指标应作出调整见表1。

表1　京沪高速公路线形指标调整表

除此之外，路段3多处纵坡长度超出900 m，在改扩建时也应进行合理调整。

同时，长陡坡或长直线内竖曲线数量较多等平、纵线形的不合理组合会导致驾驶员对线形的错误理解，形成事故多发段，因此应严格控制一定里程内不良线形组合出现的次数，在保证公路线形指标符合规范要求的基础上进行组合优化。

4服务水平因素

《公路工程技术标准》(JTG B01—2003)对高速公路服务水平进行了分级(见图5～图7)，将二级服务水平作为高速公路设计最低要求。据统计，在我国已完成高速公路改扩建工程中，大多数旧路服务水平已达到二级下线或三级，部分旧路如京津塘高速由于交通严重超负荷已达三级服务水平下线，均尝试通过改扩建提升至二级[9]。

图5　高速公路服务水平等级划分Fig.5　Classification of expressway service level

图6　最大行车密度Fig.6　Maximal traffic density

图7　高速公路最低行车速度Fig.7　Lowest driving speed on expressway

2015年起施行的新标准则进一步细化了高速公路服务水平，如表2所示。

表2　高速公路服务水平分级

新标准规定高速公路设计服务水平应不低于三级，因此应在服务水平降至三级下限之前制定改扩建方案。2014年京沪高速全线平均日交通量约为42 461 pcu/d，各路段服务水平已低至三级或四级上限水平，实际交通量远超最大服务交通量，更难以满足新标准规定高速公路年平均日交通量宜大于15 000 veh小客车的要求。

同时，新标准规定公路设计应采用运行速度进行检验。相邻路段运行速度之差应小于20 km/h，统一路段运行速度与设计速度之差宜小于20 km/h。根据近年已有交通数据收集，并依据设计速度与实际运行速度对京沪高速公路进行了分段，见表3。四段相邻路段实际速度之差均远小于20 km/h，符合要求；但除路段1外，其他3个路段设计速度与实际运行速度之差较大，其中路段4两速度相差30 km/h，路段3两速度相差高达35 km/h，远超出20 km/h 50%及75%，严重不符要求[10]。

表3　京沪高速公路实际行车速度对比分析(单位:km/h)

5高速公路改扩建条件评价体系

5.1评价指标与目标

本文基于高速公路改扩建4种影响因素确定了6个改扩建条件评价指标[11-13]，见表4。

表4　高速公路改扩建条件评价指标

本文以高速公路改扩建条件符合程度作为评价目标，根据是否需要改扩建及改扩建迫切程度分为4个等级，见表5，其中当评价结果为R1，R2时没有改扩建必要，当评价在R3，R4范围内时应及时开展改扩建工作，改善道路通行能力。

5.2评价指标分级与权重划分

(1)评价指标分级

结合已有研究及新标准对高速公路线形及服务水平等方面的要求，本文根据目标层高速公路改扩建条件符合程度4个等级对6项评价指标分别进行了赋值，见表6。

(2)评价指标权重划分

根据评价体系中评价指标间重要性比较，采用九级标度法[14]建立了判断矩阵，见表7。

表5　高速公路改扩建条件评价目标

由式(1)计算各行元素平均值：

(1)

表7　高速公路改扩建条件评价指标权重判断矩阵

(2)

可得到各指标权重：

W=(0.16,0.09,0.17,0.09,0.38,0.11)T。

5.3高速公路改扩建条件评价体系

基于属性数学建立以F(F1,F2,F3,F4,F5,F6)为评价指标、R(R1,R2,R3,R4)为评价目标的分级标准矩阵[15-16]，见式(3)：

R1R2R3R4F1f11,r11[]f12,r12[]f13,r13[]f14,r14[]F2f21,r21[]f22,r22[]f23,r23[]f24,r24[]F3f31,r31[]f32,r32[]f33,r33[]f34,r34[]F4f41,r41[]f42,r42[]f43,r43[]f44,r44[]F5f51,r51[]f52,r52[]f53,r53[]f54,r54[]F6f61,r61[]f62,r62[]f63,r63[]f64,r64[]

，

(3)

式中，f11>f12>f13>f14，fm1r12>r13>r14，rm1

记各指标实际取值为Im，对应评价目标Rn的属性测度区间为[umn]，表达式见式(4)：

(4)

(1)m=1

若f1n≥I1≥f1(n+1)(n∈[1,2,3])，则有：

(5)

若r1n≥I1≥r1(n+1)(n∈[1,2,3])，则有：

(6)

(2)m=2,3,4,5,6

若fmn≤Im≤fm(n+1)(n∈[1,2,3])，则有：

(7)

若rmn≤Im≤rm(n+1)(n∈[1,2,3])，则有：

(8)

据此便可由式(9)分别计算得出具有R1，R2，R3，R4的属性测度区间[un]，n∈[1,2,3,4]， 并经均值化处理得到Un(Rn)，见式(10)。

(9)

(10)

综上，依据置信度准则判定已建高速公路改扩建条件符合程度，设置置信度为0.8，判定公式为式(11)，计算结果n即表示改扩建条件符合程度为Rn级。

(11)

6京沪高速公路改扩建条件评价

根据高速公路改扩建条件评价体系，本文针对京沪高速实际进行了分析，得到了单项指标值与评价结论，以路段3为例，见表8。

表8　京沪高速各指标实际取值与分级标准矩阵

由式(4)～式(8)计算得出京沪高速公路路段3Im对应Rn的属性测度区间 [umn]，见表9。

表9　京沪高速[umn]计算结果汇总表

由式(9)计算得出[u1]=[0,0.056 7]，[u2]=[0.056 7,0.611 8]，[u3]=[0.611 8,0.263 6]，[u4]=[0.331 5,0.067 9]，根据式(10)得到U1=0.028 3，U2=0.334 3,U3=0.437 7,U4=0.199 7，选择置信度为0.8时，依据式(11)，不难得出n=3,则该路段高速公路改扩建条件评价结果为R3，比较符合改扩建条件，应及时组织展开改扩建工作，该结论与前文对京沪高速公路现状分析结果相同，验证了该评价体系的科学合理性。

7结论

本文综合分析了高速公路改扩建条件影响因素，根据现行行业标准，以新建复线方案较旧路拓宽方案优越性、货车比例、旧路线形与新标准不匹配程度、不良线形组合路段数、V/C及│C运行-C设计│为评价指标建立了高速公路改扩建条件评价体系，并以京沪高速公路莱芜至临沂段为依托，验证了该评价体系的可行性。主要结论如下：

(1)基于九级标度法确定了6项评价指标权重：0.16，0.09，0.17，0.09，0.38，0.11。

(2)基于属性数学提出了高速公路改扩建条件评价公式：

式中n即表示改扩建条件符合程度为Rn级，若n=3，4则应及时开展改扩建工作。

(3)京沪高速改扩建条件进行的评价结果与道路现状分析结论一致，验证了该评价体系的科学合理性，可为今后高速公路改扩建时机的确定提供依据。

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Study of Expressway Reconstruction and extension Condition Evaluation SystemMA Xiao-ning1, WANG Xuan-cang1, ZHANG Tao2

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an Shannxi 710064, China；2.Shanxi Transport Research Institute, Taiyuan Shanxi 030006, China)

Abstract：In order to research whether an expressway has meet the conditions of reconstruction and extension, the study method combining with theoretical analysis and engineering practice is adopted. Based on the reconstruction and extension project of Laiwu-Linyi section of Beijing-Shanghai expressway, the superiority of expressway reconstruction and extension over building the second channel is analyzed according to the suggestions of ministry of transport. Based on the mixed traffic situations of dominant reconstruction and extension completed already, 45% proportion of trucks is chosen as one of the expanding condition. Combining with the newly revised and published highway engineering technology standards, the requirements of alignment indicators and service level that the expressway should meet are determined. With all the researches above, expressway reconstruction and extension condition evaluation system is established. The weights division of the evaluation indicators is obtained with nine-grade scaling method, the attribute measurement intervals of the evaluation target are calculated based on attribute mathematics theory, and the formula for expressway reconstruction and extension condition evaluation is finally presented. The construction example is evaluated with the evaluation system. The result shows that the researched road section is in accordance with the reconstruction and extension conditions to a large extent, which is in consistent with the analysis result.

Key words：road engineering; condition evaluation system for expressway reconstruction and extension; attribute mathematics; proportion of truck; alignment indicator; service level

中图分类号：U412.36+6

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)04-0052-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.009

作者简介：马晓宁(1990-)，女，安徽灵璧人，博士.(782535821@qq.com)

基金项目：交通运输部建设科技项目(2013318J08220)

收稿日期：2015-04-21