杜旭飞

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

互通立交作为高等级公路连接其他高等级公路或地方道路的重要控制节点，是一个复杂和系统的工程，设计方案的优劣对公路运营安全、服务水平有着举足轻重的影响。互通立交方案比选是一个相当繁杂的综合优选过程，在设计阶段，互通立交相关设计指标、经济指标等定量化指标可进行直接比较，其他影响方案的诸多因素，比如使用性能、社会影响、环境影响等无法用一种约束条件来将其量化，导致无法进行充分比选，而这些因素中往往有着决定方案是否成立的因素。本文结合工作实例，总结多年工作经验将互通立交设计过程中的诸多影响因素总结归纳为技术指标、经济指标、使用指标、影响指标四大类以及诸多子项，采用层次分析法建立数学模型将定性指标进行量化，选定最优方案作为推荐方案[1]。

1 工程概况

沁水至临汾高速公路浮山至临汾段是山西省规划的高速公路S81（沁临高速）的第一阶段重点实施项目，临汾东枢纽设置于该项目终点，与长临高速相接，是该项目的控制性节点工程之一，分析该枢纽立交的重难点如下：

a）该枢纽位于G22青兰高速公路长治至临汾段临汾东互通位置处，通过改造既有临汾东单喇叭互通，实现各方向的交通流转换，长临高速公路通车仅两年，对其进行改造社会影响较大。

b）临汾东互通收费站及管理中心位于长临高速公路西侧约300 m，方案布设过程中既要保证既有收费站正常运营，还要确保不影响管理中心的使用，导致场地受限，方案布设困难，保通设计是重要环节。

c）项目区域有2趟550 kV超高压输电线路，不可避免要对其进行改迁，沟通协调难度大，周期长，如何在方案布设时将其影响降低到最小是其难点之一。

d）枢纽区域地形较为平坦，东高西低，因既有高速标高较低，枢纽设计过程中排水设计是难点。

鉴于该枢纽互通立交重难点分析，在设计过程中，综合考虑社会条件、交通条件、自然条件、用地和全寿命周期成本等因素，拟定3个方案进行比选。

1.1 方案一

该方案完全保留原单喇叭互通，新增T型枢纽实现浮山与长临高速公路的交通量转换，为3层枢纽组合方案。主线设高架桥上跨长临高速、原互通主匝道、原互通收费站后设置主线收费站，落地后接入临汾东连接线，需对临汾东互通收费站进行适当改造，同时设置辅道接临汾东连接线。浮山去往延安方向匝道（H匝道），从F匝道分流后下穿主线、F匝道、C匝道，上跨既有高速后接入长临高速公路。该方案线性指标较高，施工期间对既有互通正常运营及既有高速的干扰均较小，但在既有高速上连续设置出入口，驾驶人需要做出较多的判断，对既有高速安全运营存在较大影响，需对收费站进行部分调整，该方案整体规模较大，占地大，投资多。方案一平面图见图1。

图1 方案一平面图

1.2 方案二

该方案采用变异苜蓿叶型方案，项目主线下穿长临高速公路，因既有跨线桥跨径小（跨线桥为16 m+20 m+16 m现浇连续箱梁桥），需将其进行拆除。临汾至长治方向及延安至临汾方向匝道采用环形匝道设计，连续进出口间距较小，为减少对长临高速公路延安往长治方向直行车辆的影响，在既有高速东侧加宽路基设置集散车道，设置单一的出入口，提高通行的安全性，其余匝道采用定向或半定向匝道。因设置集散车道需加宽既有高速河大桥，加宽长度150 m。该方案整体造型较好，不对既有收费站及管理中心进行改造，但设置集散车道导致施工期间对既有高速干扰时间较长，存在一定的安全隐患。

图2 方案二平面图

1.3 方案三

方案三是在方案二基础上的优化方案，主要是考虑到方案二设置集散车道，在施工期间对长临高速公路通行安全影响较大。该方案将其中一个环形匝道分离出来（B匝道），从主线分流后设置环形匝道上跨主线、C匝、D匝后接入D匝道去往长治方向。方案三最大的优势是不需要在长临高速公路延安至长治方向一侧设置集散车道，对既有高速的改造长度大大缩短，同时也避免了对既有高速一座大桥局部加宽，施工期间对既有高速通行干扰较小。该方案整体美观造型较方案二稍差，桥梁规模基本相当。

图3 方案三平面图

1.4 各方案指标及工程量

各方案的主要技术指标及主要工程数量见表1。

表1 各方案主要技术指标及主要工程数量表

2 应用层次分析法分析研究

层次分析法是一种层次权重分析方法，是对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析之后，利用较少的定量信息，把决策的思维过程数学化、定量化，将决策问题分解成目标、准则、方案3个层次，构建层次结构模型及其判断矩阵，求解多准则或无结构特性的复杂决策问题[1]。

2.1 建立层次结构模型

依据层次分析法的原理，最高目标层为决策的目的、需要解决的问题，在该项目中为互通立交推荐方案；中间准则层为需要考虑的因素、决策的准则依据等，结合多年实际工作经验，尽可能覆盖各项影响因素，拟定4项准则层，分别是技术指标、经济指标、使用指标、影响指标，并拟定子准则层以便综合确定准则层权重，各子准则层分别影响对应的准则层指标[2-4]；最低方案层为决策时的各方案，该次设计中共拟定3个方案。层次模型见图4。

图4 层次结构模型

2.2 构造判断矩阵

判断矩阵是层次分析法进行权重计算的重要依据，采用矩阵的形式来表述每一层中各元素相对其上层元素的相对重要程度，使各元素之间进行两两对照得到量化的判断矩阵，并按其重要性程度评定等级。

表2 比例标度表

根据多年的工作经验，中间准则层B对最高目标层A的两两比较判断矩阵如下：

最低方案层C对中间准则层B的4个比较判别矩阵如下：

2.3 层次排序及一致性检验

针对已构建比较判断矩阵，求出其最大特征值及其对应的特征向量，将特征向量归一化后，即可得到相应层次排序的相对重要权重向量，以及一致性指标CI和一致性比例CR。当构建的矩阵计算所得CR＜0.1时，认为其不一致程度可以接受，一致性通过检验，否则应对构建的判断矩阵进行修正。

层次排序分为层次单排序和层次总排序，并应分别对其一致性进行检验，同时通过检验方可进行实际应用。

2.3.1 层次单排序及一致性检验

最大特征值 λmax=1/4×（1.940/0.482+1.093/0.272+0.631/0.158+0.354/0.088）=4.015。

该矩阵为 4阶矩阵，查得 RI=0.94，CR=CI/RI=0.005/0.94=0.005。

同理计算其余判断矩阵，计算结果见表3。

表3 互通立交推荐方案的计算结果

由表3可知，所有5个层次单排序的CR值均小于0.1，一致性通过检验。

2.3.2 层次总排序及一致性检验

a）由表3可知中间准则层B相对最高目标层A的排序向量及最低方案层C对中间准则层B的排序向量，则最低方案层对最高目标层的排序权重向量为：

b）层次总排序一致性检验。

CR=（0.482×0.003+0.272×0.027+0.158×0.009+0.088×0.019）/0.58=0.020.

层次总排序CR=0.020＜0.1，总排序一致性通过检验。

2.4 最优方案

临汾东枢纽互通立交推荐方案总目标，所考虑3个方案的权重分别为：方案一权重0.242；方案二权重0.336；方案三权重0.422。

根据上述分析结果，方案三权重最大，即最优方案为方案三，故选择方案三作为临汾东枢纽的推荐方案。

3 结语

在互通立交方案比选过程中，设计人员及专家从不同角度对方案的优劣进行判定，最终选定最优方案作为推荐方案，但在方案比选过程中设计人员及专家的主观倾向不同，考虑的侧重点不同，特别是对无法量化的指标，每个人的意见偏差较大，导致推荐方案结果可能存在完全相左的结果。本文采用层次分析法进行互通立交方案比选，在准则层设定多层准则层，针对不同的方案层层剖析，赋予各项指标相应权重，通过计算得到最优结果，比选过程简洁明了，层次清晰，可充分提高我们的实际工作效率，是一种科学合理的方法。同时，该方法也可用于对已完成的互通立交项目进行评定，为后期的工作提供指导。

层次分析法优点很多，但也存在一些缺点，例如权重分配时定性分析较多、判定因素多时数据统计计算量大，这就要求我们在平时工作中注意总结归类，将方案比选过程中各分项指标进一步统计归纳，逐步完善，综合确定一个可满足各类互通立交方案比选的层次分析模型，以选出满足交通功能要求、适合现场条件、工程量小、投资省的最优互通立交方案。