复杂条件下山区高速公路枢纽互通方案研究

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 550002)

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[1]。

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[2]。

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。

1 工程概况

金仁桐高速公路是贵州省加密规划网中12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1所示。由图1可知，主交通流为重庆←→金沙(2042年预测交通量803 pcu/h)，次交通流为金沙←→遵义(2042年预测交通量433 pcu/h)，其余方向交通流较小。

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1所示。

表1 主要技术指标

经过现场详细勘察，枢纽互通范围内地质情况如表2所示。

表2 甫家湾枢纽互通地质情况

2 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2,图3所示。

1)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。

2)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。

3)杉坪景区。本枢纽互通从遵义市桐梓县4A级杉坪景区边缘通过，对互通的布设有一定的制约性。

3 枢纽互通方案比选研究

3.1 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3个方案进行比选。

1)方案1：A，B匝道上跨川黔铁路双T型方案(初步设计方案)。

方案1为初步设计方案，采用双T型方案连接金仁桐高速和兰海高速，如图4所示。其中，G,H,I匝道(进出服务区匝道)平曲线最小半径125 m，最大纵坡3.97%，设计速度40 km/h，A,B,C,D,E,F匝道(E匝道贯通服务区)平曲线最小半径150 m，最大纵坡3.98%，设计速度60 km/h，匝道平、纵线形指标较高。

2)方案2：A，B匝道上跨川黔铁路双T型方案(改移兰海高速)。

由于方案1中B匝道与兰海高速平行段(BK0+090～BK0+400)右侧山体较高且较陡，最大挖方边坡高度约90 m，挖方数量约22万m3，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2在方案1的基础上，局部改移既有兰海高速，将B匝道BK0+090～BK0+400段左侧兰海高速向远离山一侧平移约15 m，改移长度约1.3 km，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A，B匝道向主线左侧偏移，取消部分匝道桥，具体详见图5。

3)方案3：A，B匝道下穿川黔铁路双T型方案。

方案3如图6所示，A，B匝道下穿川黔铁路，采用D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(A匝道，D匝道)采用60 km/h的平纵线形指标，次要交通流方向(B匝道，C匝道)采用40 km/h的平纵线形指标；兰海高速主要交通流方向(A匝道、E匝道)采用50 km/h的平纵线形指标，次要交通流方向(B匝道，F匝道)采用40 km/h的平纵线形指标[3-5]。

3.2 枢纽互通方案总体评价

三个方案的优缺点比较表如表3所示。方案1和方案2平纵线形指标较高，A,B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E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。

表3 甫家湾枢纽互通方案优缺点对比表

方案3匝道部分段落平纵指标相对较低，同时A,B匝道采用D便梁架空线路顶进施工，对川黔铁路运营干扰较大。但互通与桐梓服务区的净距大于1 000 m，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3较方案1,方案2分别节省3 303万元、2 826万元。综上，甫家湾枢纽互通推荐采用方案3。

4 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。

4.1 灰色关联度比选模型

4.1.1 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[6-7]。

4.1.2 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。

1)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。

2)求关联度系数：参考数列与比较数列的灰色关联系数ξ(Xi)。

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。

3)求关联度Ri。

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。Ri值越接近1，说明相关性越好。

4)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{X}，它反映了对于母序列来说各子序列的“优劣”关系。若R0i>R0j，则称{Xi}对于同一母序列{X0}优于{Xj}，记为{Xi}>{Xj}；其中X0i表示第i个子序列对母数列特征值[8-9]。

5)列关联矩阵。

4.2 枢纽互通方案多目标比选

4.2.1 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4所示[10]。

表4 子准则层

4.2.2 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100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5。

表5 评价指标

4.2.3 方案多目标比选

根据以上比选模型及指标，设计程序利用Matlab软件进行计算。

计算得三方案关联度系数如下：

R1(方案1)=0.869 5;

R2(方案2)=0.887 5；

R3(方案3)=0.932 3。

R3>R2>R1，R3最接近1，方案3最优，方案2和方案1相当。

通过以上模型计算可得，方案3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。

5 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：1)三个方案中A,B匝道下穿川黔铁路双T型方案(方案3)最优，作为推荐方案。2)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。3)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。4)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。5)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。