（道路与铁道工程专业论文）互通式立交方案综合量化评价方法的研究.pdf

摘要 互通式立交方案综合评价是立体交叉设计中的基础性工作，也是联结不同 设计阶段之间的重要纽带。互通式立交设计的好坏，关键是方案选择的合理与否。 本文首先分析互通式立交方案比选所需考虑的因素，然后在研究现有立交方案评 价指标体系的基础上，建立了新的综合评价指标体系。该指标体系基本概括了立 交的交通安全、交通功能、经济效益、环境影响、施工等方面的需要。然后详细 阐述了各个指标的量化方法。 通过对主观赋权法和客观赋权法特点的分析，提出了基于改进的层次分析 法和熵值法的组合赋权法。接着分析了现有层次分析法中1 - - - 9 标度法的不足，提 出采用e 叫5 8 巧标度法作为两两比较的准则，改进层次分析法。客观赋权法则采用 熵值法，然后采用线性加权组合法综合主、客观权重。 论文分析了常用的两种综合评价方法模糊综合评价法和灰色关联分析 法的原理和优缺点。然后根据互通式立交方案评价中定性与定量结合、模糊性和 灰色性并存的特点，提出了一种将模糊综合评价法和灰色关联分析法结合起来的 新的综合评价方法。最后通过上磺互通式立交方案评价的实例应用检验该综合量 化评价方法的可行性和适用性。 关键字：互通式立交；综合评价；组合赋权；模糊综合评价；灰色关联分析法 a b s t r a c t c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fi n t e r c h a n g es c h e m e si sn o to n l yab a s i cw o r ko f i n t e r c h a n g e d e s i g n ，b u ta l s oa ni m p o r t a n tl i n kb e t w e e nd i f f e r e n td e s i g np h a s e s a c t u a l l y , t h es u c c e s so fi n t e r c h a n g ed e s i g nd e p e n d so ns c h e m e ss e l e c t i o n ，ab a d s c h e m ew i l ll e a dt oab a di n t e r c h a n g e t h i sp a p e rf i r s ta n a l y s e sf a c t o r sw h i c hs h o u l d b ec o n s i d e r e dd u r i n gs c h e m e ss e l e c t i o n ，t h e np u t sf o r w a r dan e wi n d e xs y s t e mo f c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nb a s e do ns t u d i n gt h ee x i s t i n ge v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m so f i n t e r c h a n g es c h e m e s t h ei n d e xs y s t e mb a s i c a l l ys u m m a r i z e st h en e e do ft r a f f i cs a f e t y , t r a n s p o r tf u n c t i o n ，e c o n o m i ce f f i c i e n c y , e n v i r o n m e n t a li m p a c t ，c o n s t r u c t i o na n ds oo n t h em e t h o d st oc a l c u l a t i n gt h ei n d e x e sa r ea l s op r e s e n t e d t h r o u g ha n a l y s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fo b j e c t i v ew e i g h t i n ga n ds u b j e c t i v e w e i g h t i n g ，t h i sp a p e rm a k e so u tac o m b i n a t i o nw e i g h r i n gb a s e do ni m p r o v e da n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) a n de n t r o p yv a l u em e t h o d a f t e rs t u d i n gt h ed i s a d v a n t a g eo f 1 9s c a l ei ne x i s t i n ga h p , t h i sp a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e da h pb a s e do nt h es c a l e o fe 盼8 巧i tu t i l i z e se n t r o p yv a l u em e t h o da so b j e c t i v ew e i g h t i n g ，t h e nc o m b i n e s s u b j e c t i v ew e i g h t sa n do b j e c t i v ew e i g h t s t h r o u g hl i n e a rw e i g h t e dm e t h o d t h i sp a p e ra n a l y s e st h e p r i n c i p l e s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft w o c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm e t h o d s c o m m o n l yu s e d ，f u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n ( f c e ) a n dg r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s ( g r a ) i tp o i n t so u tt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fi n t e r c h a n g es c h e m e se v a l u a t i o n ，q u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v ec o m b i n e d ，f u z z i n e s s a n dg r e yc o e x i s t ；t h e nan e w c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o dc o m b i n e df c ea n d g r ai sp r o p o s e d a tl a s t ，a ne x a m p l ei sg i v e nt o t e s tt h ef e a s i b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t y o ft h et h e o r y k e y w o r d s ：i n t e r c h a n g e ；c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；c o m b i n a t i o nw e i g h t i n g ； f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；g r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 博渺 日期：砂矿年4 - 月厂日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 蹲涉 日期：炒9 年q - 月厂e l 指导教师签名：百马最导矽 日期：刀谚年丘月占e 1 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 互通式立交是利用跨线构造物使道路与道路在不同标高相互交叉，且上、下 道路之间有匝道连接，以供转弯车辆行驶的交叉方式。互通式立交是高速公路、 城市快速路等重要交通干道连接的枢纽和控制出入的重要交通设施，在路网中的 占有极其重要的地位。它使上、下道路的车辆可以转弯行驶，全部或部分消灭了 冲突点，各方向行车相互干扰较小，但耗资巨大，动辄几千万，高则数亿，占地 较广，往往需要几十亩甚至上百亩的土地。 上个世纪8 0 年代末期以来，随着改革开放的进一步深化和经济的快速发展， 我国高速公路建设事业以前所未有的速度快速增长，截至2 0 0 7 年底，我国高速公 路通车里程已达5 3 6 万公里。作为高速公路必不可少的组成部分，互通式立交自 然也大量应运而生。同时，由于城市化进程的加快和人民收入的提高，机动车保 有量快速增长，给城市交通带来了巨大的压力。为了缓解频繁的交通堵塞，很多 城市修建了许多样式繁多的互通式立交。 然而，许多互通式立交在建成之后，其使用效果并不理想，不仅未能有效缓 解交通压力，反而成为路网中的交通瓶颈，频繁出现交通阻塞，如上海修建的高 架路，在运行一、二年后便出现频繁的交通阻塞，尤以各出入口为最，出现地面 的车辆上不去，高架上的车辆下不来的局面。也有一些立交虽然冲突点比平交大 大减少，但安全水平并未见显著提高，交通事故频发。还有一些立交，与周围的 景观格格不入，破坏了城市美观，成为城市建设的败笔。近年来，北京、天津等 许多大城市陆续拆掉了这样一些“问题 立交。这些问题的出现，原因有很多， 但很重要的一个原因是不重视立交方案评价，或者是评价的深度不够。互通式立 交方案评价是立交规划设计过程中的基本环节与步骤，它包括可行性评价和综合 评价。前者是对规划方案是否可行的研究，后者则是在此基础上，综合考虑社会 经济、交通功能、环境景观等因素，进行初步设计的多方案比较分析，为决策者 选择最优方案。 许多城市修建立交存在一定的盲目性，仅将它视为城市交通现代化的标志， 形式上标新立异，为了所谓的“气派”、“城市现代化”，一味追求“大手笔”、“大 立交”，甚至出现了某一个领导说了算的现象，而不是从该立交的功能、性质出发， 详细分析各方案的交通适应性、环境适应性、技术特征和经济效益等，综合考虑 确定立交方案。因此，有必要对互通式立交设计过程中的方案评价进行研究，为 第一章绪论 2 方案选择提供依据，让决策更加科学，也为今后再建这类交通设施时提供借鉴， 使它们能更好地发挥作用。 1 2 研究的目的和意义 互通式立交的型式复杂，变化多样，影响方案选择的因素也很多，诸如社会 经济、地质地形、环境景观等等。对于不同的立交，主要影响因素往往也不同。 对于一个立交，合适的型式也不止一个，即使同一个型式，采用1 i 同的布置方案， 也会产生不同的效果。如何判别方案的优劣? 如何确定最佳方案? 这需要利用互 通式立交方案综合评价体系来解决。 互通式立交方案综合评价是立体交叉设计中的基础性工作，也是联结不同设 计阶段之间的重要纽带。对于互通式立交，一旦其方案确定以后，很多的设计要 素也就跟着确定下来了，后续设计只能在这基础上进行细化，亦即设计的灵活性 将受到极大的限制。互通式立交方案的不同对其功能造价等因素的影响要远大于 施工图设计中几个细节变化所产生的影响，因此可以说，互通式立交设计的好坏， 关键是方案选择的合理与否，一个不合理的互通式立交方案，其细节设计得再好， 最终设计结果也是不能令人满意得。 互通式立交方案综合评价的目的是通过方案的综合评价，寻求在交通功能、 交通安全、经济效益、环境景观、施工管理上达到最佳平衡的立交形式，使立交 在道路网中发挥更大的社会效益和经济效益。其作用一是可以有效避免因更改方 案而造成的人力、物力、财力的浪费，缩短了设计周期；二是为高质量的施工图 设计打下了良好的基础，为修建立交功能的发挥提供了前提保障条件；三是可使 立交方案评价从以往人为的定性评价，逐步过渡到科学的定量评价，使立交殴计 朝着科学化、自动化的方向发展，四是方案评价结果也可为领导和决策部门提供 可靠的决策依据。 以往在立交方案评价中主要是考虑技术经济因素，这在以前是适用的。但随 着生活水平的提高，人们对交通出行提出了更高的要求，不仅仅是经济快速，还 要安全、环保、舒适、和谐，这就要求我们转变设计理念，提高设计水平。为此， 交通部提出了“六个坚持、六个树立”的勘察设计新理念，要求在公路勘察设计 中做到以人为本、安全至上、环保优先。因此，在立交方案评价中，应从驾乘人 员和附近居民的角度出发，更多的考虑安全、环保等方面的因素，以保证选出来 的立交方案在满足出行需求和安全需求的同时，能与周围的人文自然环境相和谐， 有利于环保，有利于公路建设行业的可持续协调发展。 虽然截至2 0 0 7 年底，我国高速公路通车里程已达5 3 6 万公里，但按照国 第一章绪论 家高速公路网规划，到2 0 2 0 年国家高速公路网要建成8 5 万公里，再加上地方 规划的高速公路，到时总里程将达到十几万公里，因此未来十几年还将要修建大 量的高速公路，伴随其中将是数以千计的互通式立交。另外，随着家用轿车继续 普及，未来一段时间各大城市的机动车保有量仍将持续快速增长，为了缓解由此 带来的巨大交通压力，可以预见还将有大量的互通式立交需要修建。期望通过本 文的分析与实践，能为今后我国立交的修建提供一些帮助，使新建的立交在路网 中更好的发挥作用，尽量避免“问题 立交的出现， 1 3 国内外研究概况及存在的问题 1 3 1 国内外立交发展概况 互通式立体交叉是利用跨线构造物使两条道路在不同平面上相互交叉，并设 置匝道将上、下道路连接起来，以供转弯车辆行驶的交叉方式。相对于平面交叉， 立交具有通行能力大、行车速度高、时间延误小和安全性好等优点。互通式立交 的发展是一个从构想到现实，从平面到空间，发源于城市，发展于高速公路的逐步 演变的过程 国外互通式立交的发展 2 0 世纪2 0 年代初，随着汽车开始在城市普及，道路交通量迅速增长，平面交 叉口通行能力小、安全性差等缺点开始凸现出来，于是人们寻求解决之道。1 9 2 2 年，建筑大师、著名的城市规划专家勒柯布西耶( l e c o r b u s i e r ) 在他的明 日城市一书中率先提出了立体交叉的构想。德国在1 9 2 5 年将这一构想变成了现 实，修建了世界第一座公路立体交叉。美国则在1 9 2 8 年于新泽西州修建了第一座 全苜蓿叶式立体交叉。随后，瑞典、加拿大等国也相继修建了多座立交。二战结 束后，立交迎来了大发展时期，特别是从上世纪5 0 年代中期起，美、英、法、德、 日等国掀起了建设高速公路的热潮，仅美国就修建了将近9 万公里的高度公路， 各式各样的立交大量涌现。进入6 0 年代后，澳大利亚、西班牙、墨西哥以及一些 发展中国家也加入到大量修建立交的行列。目前，发达国家由于道路交通网络已 趋完善，放缓了建设立交的步伐，而很多发展中国家借助于经济持续高速增长， 修建立交正是方兴未艾。 国内互通式立交的发展 我国修建立交起步较晚，5 0 年代初，乌鲁木齐市巧用地形在火车站前建成了 完整的环形立交，揭开了建设城市立交的序幕。1 9 5 6 年，北京开始在京密引水滨 河路修建了三处半首稽叶形部分互通式立交。此后的二十多年，我国互通式立交 的修建速度比较缓慢，主要集中在城市，型式也比较简单，以满足主要道路的交 第一章绪论 4 通流畅为目的，对周围道路的互通性要求不高。进入8 0 年代，城市机动车开始大 量增加，互通式立交建设速度开始加快。由于非机动车交通量较大，此时修建的 立交，往往需要将机动车与非机动车分层处理，或建造人行天桥，以消除相互干 扰，其型式以环形、首稽叶形立交为主。如北京建成的我国第一座机动车与非机 动车分行的三层首稽叶形立体交叉一建国门立体交叉。9 0 年代以后，城市机动车 增长更迅猛，许多大城市中主要道路的交通趋于饱和，机动车的行驶速度明显下 降。在这种情况下，很多城市丌始大量修建快速路，互通式立交的建设速度随之 突飞猛进，立交的型式也更加丰富多样，更注重互通、快速、大通行能力。 公路方面，1 9 8 8 年，我国第一条高速公路沪嘉高速公路建成通车，全线 共设3 座互通式立交，从此，我国高速公路建设开始迎来快速发展期，公路上的 互通式立交也大量应运而生。不久，“神州第一路”沈大高速公路全线建成通车， 全长3 7 5 k m ，共设立交2 5 座。1 9 9 8 年，中央决定实施积极的财政政策，采取加快 基础设施建设的决策，我国高速公路建设进入了一个前所未有的迅猛发展时期， 年均通车里程超过, 1 0 0 0 公里。截至2 0 0 7 年底，我国高速公路通车里程已达5 3 6 万公里。以立交平均问距l o k m 计算，则单单高速公路上的立交数量就超过5 0 0 0 座。型式上以喇叭形为主，兼有苜蓿叶形、半定向涡轮形等等，不一而足。 1 3 2 国内外研究概况 迄今为止，虽然我们修建了大量的互通式立交，但在立交规划设计过程中仍存 在一些不尽如人意的地方，其中一点就是对立交方案的评价仍旧停留在传统的专 家评议法。这是一种定性讨论的方法，也叫专家打分法。即邀请一些专家组成评审 小组，对不同的立交方案发表各自的看法。这种方法具有直观、简便的优点，但它 过于依赖专家的经验，比较重视单一性的指标，且往往因人不同导致对一些指标 看法差异很大，无法形成统一意见。在专家评审中主观定性的成份比较多，而科 学量化的成份很少。 除了专家评议法，目前在实际中应用较广泛的还有技术经济比较法和综合评 分法： 技术经济比较法。这种方法直接计算待评方案的主要技术、经济和运营指 标，用综合分析的方法进行比较，选择相对较优的方案作为最佳方案。方法简便、 直观，但由于未进行比较指标的综合量化，故带有很大的经验性，人为主观因素 影响较大。 综合评分法。该方法对每个方案各项指标的优劣进行分项评分，然后确定 各项指标的权重系数，最后按权重系数与分项评分的乘积进行累计的总分作为评 笫一章绪论 价方案的优劣的标准，一般分数最高的为最佳方案。综合评分法计算简单，评价 全面，突出重点，兼顾一般。缺点是权重系数和各分项评分由评价者人为确定， 主观性较大。 以上这几种是传统的非量化评价方法，很难对立交方案进行准确的评价。为 了改变这种状况，国内外不少专家学者进行了研究，提出了一些综合量化评价方 法。具有代表性的有如下几种： 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) ，简称a h p 。其特点足将人对 复杂系统的决策思维过程进行易于理解的层次化、数量化，所需定量数据少，计 数方便，可解决多目标、多层次、多准则的决策问题。应用层次分析法进行立交 方案评价的主要步骤如下： 1 ) 建立多级递阶结构模型； 2 ) 通过两两比较，得出各因素相对重要性，建立评判矩阵； 3 ) 计算相对重要度，即权重，并检验判断矩阵的相容性； 4 ) 综合重要度计算； 层次分析法的局限性主要有：( 1 ) 它在很大程度上依赖于人们的经验，主观 因素的影响很大，它至多只能排除思维过程中的严重非一致性，却无法排除决策 者个人可能存在的严重片面性。( 2 ) 比较、判断过程较为粗糙，不能用于精度要 求较高的决策问题。 模糊综合评价法。模糊综合评价法最早是由我国学者汪培庄提出，其实质 就是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑被评价目标的主要因素或多个影 响冈素，对其所作出的综合评价。模糊综合评价法的理论基础是模糊数学，这是 处理模糊不确定性的有效方法。模糊综合评价既可用于主观指标的综合评价，又 可用于客观指标的综合评价，还可以使定性的指标量化，定量的指标向精确值逼 近，使评价方法更具科学性。模糊综合评价法的基本步骤是： 1 ) 确立评价指标体系，即因素论域； 2 ) 设计隶属函数，确定指标隶属度； 3 ) 确定指标因素的权重： 4 ) 建立模糊评判矩阵，计算评判结果矩阵； 灰色关联分析法。灰色关联分析法的思路是：在许多客观事物之间、因素 之间，相互关系比较复杂，人们在认识、分析、决策时，得不到全面、足够的信 息，不容易形成明确的概念。因为这些都是灰色因素、灰色关联性在起作用，所以 对灰色系统进行分析和研究时，要解决如何从随机性的时间序列中，找到关联性和 关联性的度量值，以便进行因素分析，为系统决策提供依据。灰色关联分析法根据 目标值( 参考数据列) 与影响因素( 比较数据列) ：之间发展态势的相似或相异程度来 第一章绪论 6 确定两者之间的关联度，然后通过关联度的排序，寻求最佳方案。灰色关联分析 法的基本步骤是： 1 ) 建立比较数据列，即各备选方案数据列； 2 ) 确定参考数据列，即最优方案数据列； 3 ) 确定各指标因素的权重； 4 ) 计算比较数据列与参考数据列的关联度，确定最佳方案； 灰色关联分析法对样品方案数量没有太高要求，分析时也不需要典型的分布 规律，可以从众多因素中提炼影响系统的主要因素和因素问系统影响的差异。缺 点是参考数列需要人为建立。 1 3 3 现有互通式立交方案评价方法存在的不足 虽然国内外已经提出不少的互通式立交方案综合评价方法，但这些方法都不 同程度上存在一些问题有待进一步研究： 参数确定比较随意。目前很多重要参数仍需依靠经验人为确定，因此在评 价过程中人的主观性和随意性因素仍占很大比例； 指标体系不尽合理。很多评价指标体系或过细，难以操作；或过简，遗漏 一些重要指标：且不少指标划分不当，相互之间关联性较大，独立性不足； 指标量化缺乏。很多指标的量化过于粗略，也有一些指标的量化方法不够 精确、科学，其所依据的理论过于陈旧，没有反映最新的研究成果，与实际情况 有相当大的差距； 理论与应用脱节。虽然目前已有很多种互通式立交方案综合量化评价方法， 但这些方法大都未能在实际中大规模应用，主要是评价方法的实用性、科学性、 可信性、可靠性还有待提高。 鉴于以上评价方法中所存在的局限性与缺点就可以知道，单独强调某种技术 是不太可能解决立交方案评价这样复杂的问题，必须取长补短，将各种评价方法 融合起来，共同解决立交方案综合评价问题。因此，很有必要研究开发出一种新 的、实用的、集成交叉学科的综合评价方法，以此使评价决策更加精确、客观、 高效和可靠，从而为整个设计过程中后续的详细设计工作打下坚实的基础。 1 4 本课题研究目标和主要内容 互通式立交方案的评价一般包含几个部分：评价指标体系、指标量化方法、 权重集以及评价模型。本论文主要对这几个方面进行研究，期望能在阅读大量国 内外有关立交方案评价的资料和文献的基础之上，建立一种互通式立交方案的综 第一章绪论7 合量化评价方法，其有效地集成了模糊数学、灰色理论、层次分析法与熵值法等 理论知识与技术，能对方案进行全面、准确的评价，为方案选择提供依据。本文 的主要内容有： 分析在互通式立交方案评价中需考虑的各个因素以及现有的评价指标体 系，然后根据指标体系的构架原则，从中选取合适的因素建立一套科学、实用的 评价指标体系。 详细分析互通式立交评价指标量化的方法，以运行速度、交通量等为参数 计算行程时间、油耗等指标和评价立交方案的安全性。 分析现有层析分析法在确定评价指标权重中的缺陷，引入指数标度对其进 行改进。介绍熵值法计算指标权重的过程，然后根据组合赋权法综合确定各指标 的权重，建立权重集，以降低赋权中的主观因素影响： 详细介绍模糊综合评价法和灰色关联分析法，分析它们的特点和适用条件， 然后根据立交方案评价指标的组成和特征提出新的综合量化评价方法，并进行实 例应用以验证方法的有效性和实用性。 第二章影响立交方案选择的因素分析 第二章影响互通式立交方案选择的因素分析 互通式立交方案综合评价是一个多目标、多层次的策分析过程，它涉及到对 方案的功能、社会和环境等诸多因素的综合分析和比较。这些因素基本上可以分 为几个大的方面，首先是立交的交通功能。互通式立交作为一种交通基础设施， 其首要功能就是满足相关的交通需求，即为经过此点的车辆行人提供高效舒适的 通行服务，因此在互通式立交方案评价中应重点考虑交通功能。 除了交通功能，立交的安全性也不容忽视。互通式立交除了要满足高效舒适 的基本要求外，还应具有较好的安全性。以往的立交方案评价往往缺乏对安全方 面的重视，也很难准确全面地反映立交方案的安全性。随着人们对交通安全的日 益关注，以及设计理念中“以人为本、安全至上”意识的不断加强，一个优秀的 立交方案已不再简单满足于达到规范要求，还应结合项目具体要求，进一步优化 线形，力求在设计阶段即消除或减少事故隐患，提高立交的安全性。在这种情况 下，有必要在立交方案评价中给予安全性更多的指标，以确保胜出的方案具有较 高的安全性。 此外，还应考虑经济、环境、管理这几个方面。工程造价等经济指标是衡量 方案的一个重要因素。互通式立交本身投资巨大，不同的方案其工程造价往往差 别又很大，为了避免造成不必要的浪费，有必要对各方案进行仔细的权衡。立交 的设计应在满足交通功能要求的前提下，降低工程造价，而不应片面追求大规模， 高标准。互通式立交不仅仅具有交通设施的功能，同时还是景观的有机组成部分， 甚至是标志性的景观。在立交的设计过程中，要尽量避免对生态环境的破坏，力 求美化自然，使立交区与自然环境有机地结合在一起，浑然一体达到最大限度 的与原有地形地貌的统一。同时，一个好的立交方案还应该是管理简单、方便及 管理费用较低的。 2 1 交通功能因素 交通功能因素一般包括以下几个方面： 行程时间 立交线形的好坏对立交交通功能的发挥具有极大的影响，在方案选择中应该 重点考虑。以往多用匝道最小半径、最大纵坡值等极限指标来评价立交线形的质 量，这是不够全面，也不够准确的，因为这些极限指标只能反映立交某些点的线 形情况，无法说明立交的整体线形质量。行程时问是一个能很好评价线形优劣的 指标。行程时间是车辆通过立交所花费时间，它反映了立交的便捷性。一般而言， 第二章影响立交方案选择的因素分析 9 不同方案直行交通的行程时间相差不大，差别较大的是通过匝道的行程时间。匝 道的行程时间主要取决于匝道行驶速度和行驶距离： 1 ) 行驶速度 互通式立交中主线与被交叉道路，其行驶速度理应符合各自道路功能要求， 但往往因为互通式立交的设置而受到影响。每一条匝道的车速，受其采用的平面 指标、纵断面指标及平纵组合不同而异。互通式立交中实际的行驶速度高低，不 仅影响行车效益和通行能力，在某种程度上还影响社会效益。因此，方案选择应 充分考虑行驶速度的重要性，尽量选择有较高线形指标的方案以达到较高的行驶 速度。 2 ) 行驶距离 有较高的行驶速度不一定就有较短的行程时间，还要考虑行驶距离。互通匝 道布设往往会出现车辆绕行行驶，但也有不需绕行或绕行较少的，它随互通型式 和地形地物不同而异。互通匝道绕行程度，影响到车辆行驶距离、行驶时问以及 由此产生的营运支出。因此从缩短车辆的行程时间，更大地发挥立交的效用考虑， 互通方案应最大程度地减少车辆在匝道上的绕行距离，特别是减少主要流向上的 绕行距离。 通行能力 立交通行能力主要指匝道上的通行能力，在立交的整体运行中只要有一条匝 道的通行能力不能满足该方向交通量的要求时，就会干扰或影响整个立交的正常 运行。 匝道设计通行能力，由以下3 个数值中的最小值决定。 1 ) 匝道与主线连接部分的通行能力： 2 ) 匝道本身的通行能力： 3 ) 匝道与辅道连接部分的通行能力。 通常匝道与主线连接部分的通行能力同匝道本身的通行能力相比是很小的， 所以匝道通行能力可以说是由匝道终点的通行能力决定的。 服务水平 立交的通行能力分析计算离不开交通运行质量，通行能力的分析必须与服务 水平一起进行。互通式立交服务水平是指使用者从道路状况、交通条件、道路环 境等方面可能得到的服务程度或服务质量，它是描述交通流之间的运行条件及其 对汽车驾驶者和旅客感觉的一种质量测定标准，其反映的要素是速度、行驶时间、 驾驶自由度、交通间断、舒适、方便以及安全等。不同的服务水平允许通过的交 通量不同，服务水平等级高的道路车速快，驾驶员开车的自由度大，舒适性与安 全性好，但相应的通过量小；反之，允许的服务交通量大，则服务水平低。 第二章影响立交方案选择的因素分析 1 0 美国将服务水平分为a 至f 六级，我国则将公路服务水平分为四级，一级相 当于美国的a ，b 级，二、三级相当于美国的c 级及d 级，四级则相当于美国的e ， f 级。这些划分主要是针对非中断性交通流的公路设施的，作为公路设施重要组成 部分的立交，其作用就是代替平交顺畅交通流，因此，立交的服务水平可按以上 标准。在一般情况下，人们最感兴趣的是车流正常运行条件下的服务通行能力， 因此立交原则上采用b 级以上服务水平，即使在用地特别紧张、流量大的环城高 速公路上一般也不能低于c 级。如果立交服务水平过低，会波及相交道路，降低 路网的服务水平。 行车舒适性 道路是汽车行驶的载体，在道路上行驶的每一辆汽车，都是由驾驶员、汽车、 道路以及环境等组成的一个相互协调的系统，其中任何一个部分正常的机能受到 破坏，都会影响行车的安全舒适。影响乘坐舒适性的因素有很多，本文只考虑立 交线形方面的因素： 1 ) 直线 直线具有以最短的距离连接两目的地，以及线形最容易选定的优点，在地形 允许的情况下，可以敷设直线，但在长直线的使用上应该慎重。尤其应避免陡坡 与长直线组合。过长的直线会使驾驶员对连续而单调的路面感到疲倦，只有在道 路所指方向明显无障碍，地形适宜而又符合经济原则时，才允许采用长直线段。 而过短的直线会妨碍线形的连续和圆滑，尤其是相互通视的同向曲线间的直 线长度，不能过短，使驾驶员产生线形变化很突然的感觉，影响行车的舒适性。 目前我国没有对直线长度作出具体的规定，从安全上来讲，满足视觉舒顺的直线 长度宜为：6 v l 2 0 v 。其中，通视的同向曲线问长度宜大于6 v ，如无法满足这 个长度，则应设计成卵形曲线、复曲线或加一些遮挡物，如植树等。 2 ) 圆曲线半径和长度 圆曲线是平面曲线中的主要组成部分，具有易于地形相适应、可循性好、线 形美观、易于测设等优点，使用十分普遍。行驶在圆曲线上的汽车，由于受到离 心力的作用，其稳定性和舒适性也相应的受到影响，而离心力的大小与半径密切 相关，半径愈小愈不利，所以基于舒适性的考虑，在选择平曲线半径时应尽可能 采用较大的值，但圆曲线最大半径不宜超过1 0 0 0 0 米。 3 ) 缓和曲线 缓和曲线是为了缓和汽车驶入曲线部分时，驾驶人员感到的不舒适，以期让 车辆平顺行驶而使用的一种曲线。设计适当的缓和曲线，不仅给驾驶员提供了一 个自然而且易于跟踪的路线，而且给合理布置超高缓和段提供了方便，对提高驾 驶员的舒适性有很大作用。 第二章影响立交方案选择的因素分析 4 ) 坡度和坡长 道路纵坡度的大小及其坡长对汽车的正常行驶影响很大。纵坡越陡，坡长越 长，对汽车的影响也就越大。不同类型的车辆具有不同的动力特性和制动性能， 其上坡时的爬坡能力和下坡时的制动效能也各不相同。按照道路上行驶的车辆类 型及其所具有的动力特性来确定汽车在设计速度下的爬坡能力和下坡的安全性， 是确定道路最大纵坡的常用方法。 汽车沿陡坡行驶时，因克服升坡阻力和其它阻力需增大牵引力，车速便会降 低，若陡坡过长，将引起汽车水箱“丌锅 、气阻等情况，严重时，还可能使发动 机熄火，使驾驶条件恶化；若沿下坡行驶，因制动次数增多，制动器易发热而失 效，司机心理紧张，很容易引发交通事故。在这两种不利情况下，汽车行驶的安 全性能受到严重威胁，行车的舒适性也无法得到基本保证。 另一方面，最短坡长的限制主要是从汽车行驶平顺性的要求考虑的。若坡长 过短，势必会增加变坡点，变坡点过多，从行车来看，纵向起伏变化频繁，会使 车辆行驶在连续起伏的地段产生增重与失重的频繁变化，对驾驶员的身体带来严 重不良影响，车速愈高程度愈明显。因此，过短的坡长设计在很大程度上影响了 行车的舒适性。 5 ) 竖曲线半径和长度 设置于直线坡度转折点的竖曲线，改善了路线线形，增加了行车的安全性和 舒适性，是决定线形美观和行驶舒适的主要因素。为了缓和汽车在纵坡变化处所 产生的冲击、保证行车视距以及维持行车平稳顺适，要求竖曲线长度不宜过短， 那么在竖向坡差一定的情况下就必须使竖曲线半径足够大才能满足这个要求。在 纵断面的设计中，竖曲线的设计要素受到许多因素的限制。在确定竖曲线最小半 径和最小长度时主要考虑的因素有：缓和冲击、行驶时问不过短和保证视距。 离心力的作用将造成汽车在凸型竖曲线上失重和凹型竖曲线上增重现象，对 驾驶员身体会造成重力冲击，当重量的增减状况达到某种程度时，不仅对汽车的 悬挂系统产生不利影响，更会使乘客有不舒适的感觉，其不舒适的感觉随离心力 增加而增加。 汽车行驶在竖曲线上时，尽管竖曲线的半径取很大的值，如果竖曲线长度过 短，汽车在瞬间通过，在竖曲线上乘客就会有忽悠而过的不舒适感，也容易使司 机产生急促变坡的感觉。而且，从直坡道进入竖曲线和从竖曲线进入直坡道，很 短的时间内，就要经历两次加速度的突变，这也不利于行驶的舒适性。所以，在 竖曲线上的行驶时间也是影响行驶舒适性的一个重要的因素。 汽车行驶在凸型竖曲线上，如果半径较小，由于曲率的影响，行车前方路段 的隆起部分就会对驾驶员的视线产生阻碍。在凹型竖曲线上，同样存在视距问题， 第二章影响立交方案选择的因素分析 1 2 如在夜间行车时，竖曲线半径过小，汽车前灯照明的距离太近，驾驶员视线范围 受到限制，影响行车的速度和安全。这两种情况都易导致驾驶员心里紧张和操作 失误，对于时刻处于心理紧张状态的驾驶员来说，根本就没有行驶的舒适性可言。 所以说，竖曲线的长度和半径对行车的舒适性有很大的影响。竖曲线长度、 半径的设置应从舒适性角度考虑，满足行车舒适性的要求。 6 ) 平纵组合 在行车时，驾驶员不仅要了解前面的道路情况，还要不停的改变驾驶动作使 汽车适应新的线形。如果道路几何线形改变的过大，驾驶员在驾驶过程中就会缺 乏足够的思想准备，引起精神过分紧张和情绪上的不稳定，其结果不仅影响了行 驶的舒适性，还可能影响行车的安全，造成危险。 平纵线形组合设计是指在满足汽车运动学和动力学要求的前提下，使之与周 围的环境相适应，满足驾驶员视觉和心理上对连续性、舒适性的要求。平纵组合 的好坏直接关系到公路建成后汽车的行驶质量，为此，应在条件允许的情况下， 力求做到各种线形要素合理组合，尽量避免不利的组合。在道路设计中应该重点 注意避免以下几个不利组合：一是避免平曲线和竖曲线的大小不均衡，如果不均 衡，会使线形失去视觉平衡；二是避免在凸形竖曲线的顶部或凹形竖曲线的底部 插入小半径的平曲线，前种情况没有视线诱导，特别是在高填方路段，驾驶员好 像是在空中行车，会有不安全感，而且接近顶点时驾驶员才知道前方有曲线，有 时来不及操作或匆忙操作会导致事故，对于后者，在曲线点前后线形是扭曲的， 会使驾驶员产生坡度错觉，盲目加速而导致事故；三是避免在驾驶员的视域内出 现反复变化的线形，无论是平面线形的方向变化还是纵面线形的坡度变化，都会 使线形不连续，产生折断感，形成视觉盲区和错觉，使驾驶员产生紧张感，影响 行车舒适和安全；另外，要选择适当的合成坡度，使驾驶员不至于感到很大的离 心力的作用，以致影响行车的舒适性。 7 ) 车速 在行驶过程中，车速的突变尤其是相邻路段存在较大的速度差时，会使驾驶 员处于紧张状态，易使驾驶员因处理不当而导致事故。当车速过高时就会导致驾 驶员不能全面准确地判断车内外的情况，车速越快，驾驶员的动视力下降越快， 其注视点就越远，视野就越窄，对近处周围的情况就难以察觉。同时，驾驶员一 直处于高度紧张的状态，加快了其疲劳的进程。一旦有什么紧急情况发生，来不 急采取处理措施而导致交通事故，此时，对驾驶员而言，就没有舒适性可言了。 第二章影响立交方案选择的因素分析 2 2 交通安全因素 互通式立交是高速公路事故多发地，如何减少立交区交通事故，提高立交的 交通安全水平，是一个刻不容缓的问题。交通事故是在特定的交通环境下，由于 人、车、道路、环境诸要素配合失调偶然发生的。在处理事故进行责任认定时， 人们往往简单地认为是驾驶员的原因造成的，涉及机械与道路状况的很少。但作 为系统中的基础设施道路对交通安全确实有着非常重要的影响。据调查分析， 至少有4 0 以上的交通事故都是由于困难与不舒适的道路条件造成的【4 2 1 。本文主要 从道路条件的角度分析影响立交安全性的因素。 主线线形与交通安全 为了确保互通式立交主线上车辆顺畅运行要求，以及出入安全、便利，设置 互通式立交之处，道路主线应具有良好的平面线形、平缓的纵坡和开阔的视野。 如果主线平曲线半径较小，设在曲线外侧的出入匝道及加减速车道与主线的横坡 代数差较大，不但其连接部分不平坦易招致危险，而且超高过渡也有困难，因而， 主线横坡度应尽量控制在3 以下。纵面线形变化应小，纵坡坡度最好在3 以下。 互通式立交全部设在主线的大半径凹形竖曲线中且主线下穿相交道路时，有 助于主线上的车辆辨认立交位置和保持高速行车。同时，匝道是由高处至低处与 主线相接，当车辆由主线进入匝道后为上坡，有利于减速，而匝道上车辆进入主 线为下坡，有利于自然加速汇入高速行车道。但如果互通式立交设在主线小半径 凸型竖曲线上，或设在竖曲线之后时，互通式立交就可能全部或一部分被遮挡， 这是不安全的，因而，要求设立交处的主线凸形竖曲线半径较其它路段要大。 在布置立交时，应将主线的线形与立交一同考虑，原则上应服从主线的线形 要求。但由于地形条件限制，如果单纯考虑主线的线形，使立交不易布置或建筑 费用过于高昂，则有考虑改变主线线形的必要。 匝道线形与交通安全 匝道是互通式立交不可或缺的组成部分，其作用就是专供跨线桥构造物上、 下相交道路的转弯车辆行驶。对于互通式立交而言，匝道特别是左转匝道的形式 决定了立交的整体结构形式，而立交的整体性能也主要取决于各条匝道的形式及 其间距。匝道设计的合理与否，直接关系到立交工程功能的发挥、运营的经济和 行车安全等。所以，立交匝道的合理安排布置及使用合适的线形非常重要。 立交匝道在交通运用上来看，一般驾驶人员往往因在主线上习惯于高速行驶， 而要脱离主线进入匝道时，虽然已经减速，但一般均不易减至匝道所规定的设计 车速；同时，在立交匝道处，驾驶人员的脑海中时常被复杂的交通因素所困扰， 诸如：( 1 ) 行驶到分翁路口时，必须在很短的时间内做出判断，到底应该走哪条 第二章影响立交方案选择的因素分析 1 4 路。( 2 ) 由直线变为曲线或由大半径曲线变成小半径。( 3 ) 行驶速度由1 2 0 k m h 骤然变为4 0 k m h 。因此，行驶在高速公路上最容易发生事故的地方是立交匝道处。 根据日本、美国和英国已完成高速公路上事故发生的调查记录显示，在立交匝道 的事故率最高，尤其是环圈式匝道。 1 ) 匝道平面线形对行车安全的影响 车辆在匝道上行驶时发生的交通事故一般有以下几种类型：分流减速行驶过 程中容易发生汽车撞在前面突然减速车辆尾部的尾撞事故；驶出道口的出口端和 匀变速段的曲率半径最小点附近容易发生因减速不及而导致的恶性翻车事故；入 口端的驶入角比较大且通视条件不好时，容易发生与直行车辆碰撞的交通事故； 加速合流行驶过程中容易发生与直行车辆侧向挤撞事故。其中以出口和入口附近 翻车或碰撞事故对安全性影响最大，尤其是出口端的恶性事故应尽力避免发生。 根据容易发生交通事故的类型和性质，可以发现事故点及其附近的线形有一 定的关系。下面来分析事故多发地点的原因： a 、分流减速过程的尾撞事故 在互通式立交中，车辆以较高的速度离开主线进入较低速度的匝道上，车辆 在减速车道上完成全部减速过程，车速变化幅度较大，不利于分流车辆迅速驶离 主线，对直行车流干扰较大，易诱发尾追事故。因而减速车道的长度应考虑车辆 实际减速的需要。 b 、出口端或匀变速段的翻车事故 出口端及匀变速段的翻车事故，主要原因是减速不及而车速过高造成的，个 别情况是因误行来不及返回正线而在出口发生翻车事故。实际上，该处的翻车事 故与其之前的减速行驶有很大关系，减速车道的起点不能明确辨认、减速车道的 长度不够或出口附近的线形指标过小都会引起翻车事故，一般来说，当避免了出 口附近的翻车事故，其后匀变速段的事故率就会大大减少。由此可见，在正线上 ( 尤其是高速道路) 设置足够长度的减速车道，供分流后的车辆减速之用是非常 必要的：同时，减速车道的平面线形采用直线对减速行驶更有有利，至少应保持 与j 下线相同的线形指标；另外，出口处的平面线形最好为直线，受条件限制时可 以设在缓和曲线内，但以靠近缓和曲线起始段落为宜，若设在缓园点附近或其后 圆曲线段落，相当于长直线尽头接以小半径平曲线的线形，则是最不利的平曲线 形元素组合，应尽力避免。 c 、加速合流过程的挤撞事故 在我国，载重车在公路上的车流中占有很大的比例它们的加速度一般较小， 如果要达到主线的车流速度，就需要有较长的一段距离来供其加速，且其车体较 长，寻找待机汇入的空隙就相对困难。这样使其在加速车道一k 滞留的时间较长， 第二章影响立交方案选择的冈素分析 或者还未加速完全就不得不强行汇入主线，从而引起尾追。 对于匝道中间部分的平面线形，只要出口处行车速度能降到匝道的计算行车 速度一下，一般来说，采用何种平面线形组合形式都是可行的，比如：单曲线、 卵形曲线、s 形曲线等。但从安全性考虑，不宜设计成同向曲线或反向曲线中间夹 较长直线的线形，以防止车辆在匝道直线上过早地加速，对安全合流带来不利。 d 、入口端的碰撞