（道路与铁道工程专业论文）山区高速公路螺旋展线方案与线形研究.pdf

摘要 随着社会经济的发展，高速公路向山区纵深延伸，当采用自然展线无法克服路线控 制点间的高差时，因螺旋展线具有更好的线形条件和满足山区高速公路线形指标的潜 能，开始受到重视。但螺旋展线在山区高速公路中的应用还处于探索阶段，在山区高速 公路选线中如何运用螺旋展线、把握技术指标、保障行车安全，需要进行深入研究。 本文首先定义了螺旋展线的概念，归纳出了螺旋展线的特征，分析了适合螺旋展线 的有利地形，并根据山区高速公路螺旋展线路段特殊的自然条件和路线特点，运用全寿 命周期成本的理念，建立了一套相对完善的适用于螺旋展线路段特殊自然条件下的路线 方案评价指标体系，并根据这一指标体系提出了较为合理的方案评价方法，从技术性、 安全性、经济性和环保性等方面论证了螺旋展线在山区高速公路中的合理性。 其次，根据高速公路螺旋展线的线形特点，研究了隧道内外的平纵线形设计指标。 这些指标对于高速公路螺旋展线具有指导意义。并在确定高速公路螺旋展线线形指标的 基础上，研究了螺旋展线的线形设计原则以及线形设计方法，对螺旋展线设计应注意的 问题提出创造性建议。 最后，根据螺旋展线路段的线形特点，对指南中的评价方法进行细化，对其不 足进行补充。提出了基于运行速度的螺旋展线路段安全性评价方法，并提出了考虑长大 纵坡路段、隧道路段的安全性评价方法，使运行速度的评价方法能够适用于螺旋展线路 段，提高螺旋展线路段的安全性。 关键词：山区高速公路，螺旋展线，层次分析法，方案评价，线形指标，线形设计， 安全评价，运行速度 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a la n de c o n o m i c ，h i g h w a ye x t e n d st ot h em o u n t a i nd e p t h w h e nu s i n gn a t u r a ld e v e l o p m e n tu n a b l et oo v e r c o m et h ee l e v a t i o nd if f e r e n c eb e t w e e nt h e c o n t r o lp o i n t s ，h e l i xl i n ed e v e l o p m e n tb e g i n st or e c e i v ea t t e n t i o nb e c a u s ei th a sb e t t e rl i n e c o n d i t i o n st h a nb a c kd e v e l o p m e n ta n dt h ep o t e n t i a lo fm e e tm o u n t a i nh i g h w a ya l i g n m e n t b u tt h ea p p l i c a t i o no fh e l i xl i n ed e v e l o p m e n ti nm o u n t a i nh i g h w a yi ss t i l li nt h ee x p l o r a t o r y s t a g e ，i nt h em o u n t a i nh i g h w a yr o u t es e l e c t i o n ，i tn e e d sf o ri n d e p t hs t u d yi nt h eu s eo fh e l i x l i n ed e v e l o p m e n ta n di t st e c h n i c a li n d i c a t o r st op r o t e c tt r a f f i cs a f e t y t h i sp a p e rf i r s t l yd e f i n e st h ec o n c e p to fh e l i xl i n ed e v e l o p m e n t ，c o n c l u d e si t sf e a t u r e s a n df a v o r a b l et e r r a i n a n db a s e do nt h es p e c i a ln a t u r a la n dr o u t ec h a r a c t e r i s t i c so fh e l i xl i n e d e v e l o p m e n ti nm o u n t a i nh i g h w a y , u s e dt h ei d e ao fl i f ec y c l ec o s t ，i tb u i l d sar e l a t i v l y p r o g r a me v a l u a t i o ns y s t e mw h i c hi ss u i t a b l ef o rs p e c i a ln a t u r a lc o n d i t i o n so fh e l i xl i n e d e v e l o p m e n t ，d e m o n s t r a t e si t sr a t i o n a l i t yi nm o u n t a i n sh i g h w a yf r o mt h et e c h n i c a l ，s a f e t y , e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h eh i g h w a yh e l i xl i n ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e r w o r k so u tt h ed e s i g ni n d i c a t o r sc o n s i d e r i n gt h ei n s i d ea n do u t s i d eo ft h et u n n e l t h e s e i n d i c a t o r sh a v eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei nt h eh e l i xl i n ed e v e l o p m e n t m o r e o v e r , o nt h eb a s i so f d e t e r m i n i n gh i g h w a yh e l i xl i n ed e v e l o p m e n ti n d i c a t o r s ，t h i sp a p e rs t u d i e si t sd e s i g n p r i n c i p l e s ，m e t h o do fa l i g n m e n td e s i g nl i n e a r , p r o p o s e ss o m ec r e a t i v es u g g e s t i o n st ot h e p r o b l e m si nh e l i xd e v e l o p m e n td e s i g n f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e l i xl i n ed e v e l o p m e n t ，t h i sp a p e rs t u d i e s r e s e a r c h e st h er e s u l t so fl i n es a f e t ye v a l u a t i o na th o m ea n da b r o a d ，r e f i n e dt h ee v a l u a t i o n m e t h o d si nt h e ”g u i d e l i n e sf o rs a f e t ya u d i to fh i g h w a y ”，c o m p l e m e n t si t s i n s u f f i c i e n c y t h e ni tp u t sf o r w a r dt h ee v a l u a t i o nm e t h o db a s e do nt h eo p e r a t i o ns p e e d ，t h el o n gv e r t i c a l s l o p ea n dt h et u n n e ls e c t i o n ，e n a b l e st h ee v a l u a t i o nm e t h o db a s e do nt h eo p e r a t i o ns p e e dt ob e s u i t a b l ef o rt h eh e l i xd e v e l o p m e n t ，a n de n h a n c e st h e s e c u r i t yo f i t k e yw o r d s ：m o u n t a i nh i g h w a y , h e l i xl i n ed e v e l o p m e n t , a h e , p r o g r a me v a l u a t i o n ， i n d i c a t o r sl i n e a r , l i n e a rd e s i g n ，s a f e t ye v a l u a t i o n ，o p e r a t i n gs p e e d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 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。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 强讲 枷岳年月斗日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文储虢免，柳 导师签名： 年月日 矿寥年月华目 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着西部大开发战略的实施，高速公路的建设由平微区向山岭区延伸。云南建设山 区高速公路面临的最大问题是高原山区独特的地形、地质、水文、气候、生态等自然环 境，决定了高原山区选线、布线的复杂性。云南水富麻柳湾高速公路地处云贵滇东高 原北部倾斜地带，地势南高北低，沿线地形复杂陡峻，山高谷深，气候呈立体垂直分布， 风剥雨蚀，坡陡流急，是典型的高山峡谷地形地貌。这些地区滑坡、泥石流、滑塌等不 良地质现象分布较广。在高差较大、地质情况复杂的条件下，若无可利用的适宜地形时， 高速公路路线将无法依靠自然展线延长距离克服高差或利用自然展线将付出巨大的经 济、安全及环境代价。面对这种复杂的条件，如何实现路线布设和克服高差，既能保证 工程经济性、安全性，又保证行车安全、舒适，且满足环境保护的要求，是山区高速公 路建设中急待解决的关键技术问题。 螺旋展线是为了将路线在局部地域集中地提高或降低某一高度，路线以同一转向 ( 顺时针或逆时针) 连续盘旋来延展距离克服高差，且前后路线上下交叉，相交路线以 隧道或跨线桥形成分离式立体交叉的展线方式。螺旋展线一般多在山脊利用山包盘旋， 以旱桥或隧道跨线；也有在峡谷内路线就地迂回，利用建桥跨沟、跨线。它比回头展线 具有线形较好，避免路线重叠的优点，但需修建隧道或高桥、长桥，造价较高，在低等 级公路中较少采用。随着社会经济的发展，社会经济实力的增强，山区的公路等级在不 断提高，高速公路在向山区纵深延伸，当自然展线和同时利用长大隧道都无法克服路线 控制点间的高差，螺旋展线由于具有比回头展线更好的线形条件和满足山区高速公路线 形指标的潜能，而开始受到设计者的重视。同时，随着桥梁和隧道建设技术水平的不断 提高，螺旋展线在山区高速公路布设中将成为一种很好的选择，发挥其自身的价值。 水富麻柳湾高速公路建设项目老堡山段工程，经多方案比选后采用螺旋展线方 案。水麻高速公路一期工程太平( k 2 8 + 4 0 0 ，h d = 4 7 2 米) 凉风凹隧道( k 4 5 + 4 5 0 ， h d = 1 1 3 0 米) ，海拔高差达6 5 8 米。为了大幅缩短凉风凹隧道的长度，尽早实现沿溪布 线，充分利用复兴河谷底以上1 0 3 0 米范围以内的有利地形，避免大量穿越悬崖断壁和 跨越松散岩堆及扰动危岩吊块，减少环境破坏和保障运营安全，路线利用老堡山较整齐 的山嘴进行螺旋展线。该方案在规划和设计阶段进行了经济性、安全性及可实施性等方 面的比选论证，并对螺旋展线的形式、线形、技术指标、安全性保障以及螺旋展线交叉 1 第一章绪论 位置、形式及构造物形式等方面进行了初步探索。但螺旋展线在我国山区高速公路中是 第一次使用，在山区高速公路建设中的应用还处于探索阶段。山区高速公路选线中如何 运用螺旋展线、如何采用螺旋展线路段的技术指标、螺旋展线路段行车的安全性评价、 螺旋展线路段应采用的交通安全保障措施等关键技术还需要进行深入研究，为今后山区 高速公路的建设和螺旋展线的应用提供技术支持。 1 2 螺旋展线的应用情况 在国内，螺旋展线由于受到公路建设投资的影响，在我国低等级公路的越岭线中较 少使用，据不完全统计仅有几例，只作为回头展线的比较方案，采用的技术指标均较低。 在高速公路和城市快速路中，螺旋线主要应用于互通式立交的环形匝道，在城市桥梁引 道中也有应用，如上海黄浦大桥引道，重庆涪陵乌江二桥的引导但这些工程所处位置的 地形、地质条件均较简单，采用螺旋线主要是为了集中克服道路间的高差，只要考虑路 线长度和线形组合即可，布设比较简单。在我国铁路选线中，由于铁路所采用的最大纵 坡远较公路为小，当遇到相对高差较大的地形时，螺旋展线常成为山区铁路越岭线展线 的一种选择，如宝成铁路和内昆铁路，其选线和线形设计方法对山区高速公路的设计有 一定借鉴作用，但铁路路基宽度远比高速公路窄，地形限制的影响相对较小。在国外， 特别是瑞士阿尔比斯山山区高速公路，采用螺旋展线并非是新鲜事物，取得了良好的使 用效果【1 j 。 我国此前建设的高速公路主要位于平原微丘区和相对高差较小的山区，螺旋展线没 有在山区高速公路应用的先例。自从高速公路进入了山区，山区独特复杂的自然地理条 件，对高速公路的设计提出了更高的要求，同时也要求设计理念从传统的经济思维模式 转变过来，树立全局观念和公路建设可持续发展的思想，均衡协调处理山区公路设计中 的各种矛盾。因此，除了水富麻柳湾高速公路建设项目老堡山段工程螺旋展线这种特 殊的公路展线方式以外，这种展线形式也在我国其他一些高速公路设计中逐渐被采用。 例如雅安西昌高速为克服1 2 3 5 公里7 2 9 米的高差和避开断裂带、季节性冰冻带，建造 了世界罕见的两个隧道平面线型为单一圆曲型，曲线半径6 0 0 米，全隧道均为上坡的双 螺旋小半径曲线隧道。再如g 0 4 5 线赛里木湖至果子沟口段公路改建工程越岭段，该项 目位于高纬度、高海拔的严寒地区，生态环境极其脆弱，一旦破坏极难恢复，越岭段地 形地貌复杂，地势险峻，地质构造复杂，滑坡等地址灾害集中，直线距离段( 3 5 k m ) 而相对高差大( 2 8 0 m ) ，由于该项目是山区高速公路，降坡不能采用回头曲线，所以为 2 长安大学硕上学位论文 了实现在狭窄的区域内降低高差，不得不采用螺旋线。该项目的螺旋线最突出的段落位 于果子沟大桥后至将军沟隧道出口段，这段螺旋线由7 个同向曲线相连接为卵形曲线而 实现螺旋降坡，为了保证隧道内外线形的连续性，将军沟隧道内线形也是采用的卵形曲 线【2 1 。 1 3 相关领域研究现状 目前，国内尚未开展关于螺旋展线在山区高速公路上的应用研究。由于高速公路上 的螺旋展线关键技术涉及山区高速公路的路线方案选择，路线选择，路线的几何技术指 标，隧道内及两端的线形、曲线隧道的横断面形式、侧向余宽、隧道内的路面形式，安 全性评价、交通安全措施等方面，这些已有的研究成果为螺旋展线在山区高速公路应用 提供了相关的研究方法和思路，为进行螺旋展线关键技术研究奠定了良好的工作基础。 本文主要参考的研究成果有： 1 山区高速公路选线适应性研究； 2 秦岭山区高速公路建设生态保护技术研究的子项目“山区高速公路设计保障 技术 ： 3 标准修订专题项目公路隧道分类及其平纵面技术指标； 4 标准修订专题项目公路隧道横断面宽度； 5 龙丽丽龙高速公路( 一级改高速路段) 交通安全性评价与交通工程对策措施研 究。 1 4 研究的主要内容、目的 本文旨在根据云南高原山区独特的地形、地质、水文、气候、生态等自然环境的特 点，以调查和现场实验资料为基本依据，数理统计、数值分析和理论分析相结合，以工 程应用评价为手段，对螺旋展线在水麻高速公路布设中的应用，包括螺旋展线的合理性 研究以及螺旋展线路段的技术指标研究等方面进行系统研究，为云南山区高速公路的建 设提供技术支持，也为全国山区高速公路应用螺旋展线提供良好的经验。同时螺旋展线 关键技术的研究也可为我国公路工程技术标准( 以下简称标准) 和公路路线设 计规范( 以下简称规范) 中增加螺旋展线的有关内容提供重要的参考。 3 第二章螺旋屣线路段方案合理性研究 第二章螺旋展线路段方案合理性研究 螺旋展线是高原山区越岭展线中不常用的一种基本思路，由于社会经济的发展，认 识观念等多种因素影响，制约和限制了螺旋展线的发展和应用。现在，随着社会经济的 发展，桥梁和隧道建设技术水平的提高，螺旋展线其自身的优越性也逐渐体现了出来， 为道路设计者们提供了更多选择的余地。 本章通过对水麻高速公路以及国内外其他高速公路螺旋展线的应用情况，研究适合 螺旋展线设计的客观条件，并通过目前比较合理的方案比选方法，总结出决定采用螺旋 展线方案的综合影响因素。 2 1 螺旋展线的适用条件 2 1 1山区地形、地质、气候对公路的影响 山区的地形特点是山高谷深，丘陵起伏，在短距离内的标高变化很大；山坡陡峻， 溪流湍急，有的流量虽小而冲刷力很大；沟谷多而曲折，地形错综复杂。这就迫使公路 路线弯急、坡陡、转折起伏频繁。 山区的地质特点是土层薄、岩石多，地质层理和地壳性质在短距离内变化大，侵蚀 作用强烈，多滑坡、崩塌、泥石流等地质不良地段。由于路基的稳定决定于所在地段的 地质稳定性，所以，岩石的种类、层理的走向和倾斜度、地下水位等都影响路线的位置。 山区的气候特点是气温较低而变化剧烈，夏季多暴雨，冬季积雪严重，河流水位变 幅大，海拔高处空气稀薄、气压低。暴雨引起山洪对路基造成冲刷，温差大与冰雪对路 面路基引起破坏，气压低、积雪、结冰、大雾等均对行车安全有不利的影响。 2 1 2 适合螺旋展线的有利地形 螺旋展线的关键在于适应地形特征，使上、下线在交叉处有足够的高差，具有建桥 或修隧道的条件。适合螺旋展线的有利地形一般有平缓的山包、山脊和山谷。 1 利用山包螺旋展线 直径较大、横坡较缓、相邻有较低鞍部的山包是螺旋展线的有利地形。如图2 2 所 示为上线架桥通过垭口，绕山包转一圈后在桥下通过，继续展线降坡。 山包螺旋展线的上、下线之间通过高架桥交叉，利用平缓而宽大的山包修筑路基， 可以大大减少工程数量，上下线也没有重叠。如果山包的直径较大，曲线的半径可相应 4 长安大学硕士学位论文 增大。主曲线段视距可能存在不良，所以绕山包时最好设计成较浅的路堑。 图2 2 山包螺旋展线 2 利用山脊螺旋展线 头部直径较大、横坡较缓、有较瘦腰部的山脊是螺旋展线的有利地形。如图2 3 ， 上线走山脊，绕过宽阔的山脊头部以后，下线选择较瘦的山脊腰部以隧道穿越，继续展 线降坡。 山脊螺旋展线的上下线之间是通过隧道交叉，为了缩短隧道长度，隧道位置应选择 在山脊腰部较瘦的地方通过。如果山脊头部的直径较大，曲线的半径可相应增大。为了 避免主曲线段视距不良，路基最好设计成较浅的路堑。 3 利用山谷螺旋展线 入口较窄、腹地宽大、沟内横坡较缓的山谷是螺旋展线的有利地形，如图2 4 。上 线从山脊降坡至狭窄的谷口后，以跨线桥通过谷口，顺山逆水而行，至沟底后盘旋至山 谷另一面山坡顺水而下，下线穿过谷口，继续展线降坡。 山谷螺旋展线的上下线之间是通过跨线桥交叉，主曲线直径受山谷形状的影响较 大。但大部分平曲线均为明弯，视距较好。 图2 3山脊螺旋展线图2 4山谷螺旋展线 5 郁一螺m 线踏段方寨。拌i t q 究 4 利州山体隧道腱线 当体地质条件好，且符含路线大致止柚，可考虑采f j l f l 体隧道进行展线。 雅( 安) 西( 吕) 高速公路住拖乌山为克服1 23 5 公里7 2 9 米的高差和避丌断裂带、 季节性冰冻带，设计建设双螺旋小半径曲线隧道。隧道半面线型为单一圆曲线型，曲线 半径6 0 0 米，全隧道均为上坡。( 图25 ) 2 2 螺旋展线方案评价研究 图2 5 山体隧道展线 山区高速公路路段方案的最终确定，需要把建设过程和使用过程二者结合起来束判 断一个路线方案是否合理。所以，方案比选时应该采川全寿命周期成本的思想，把规划、 设训、麓工、养护、运营各阶段所产生的影响因素进行技术性、安全性、经济性和环保 性等方面的比较。 因此，根据国内儿条山k 高速公路对螺旋展线方案确定的思想，通过建立一套采用 全寿命周期思想且适合1 i l l 区高速公路的方案评价指标体系，通过合适的评价方法米确 定出最终状定采用螺旋展线方案的影响成因。 221 山区高速公路路段方案评价指标的建立 1 指标建立的原则 路段方案的评价足一个多层次多目标决策问题，涉及的影响冈索众多，既有工程数 量、工程费用、运营支出等定量指标，又有工程地质条什、施工技术设施、施工环境条 件等定性指标。方案的综台评价指标的选定具有重要的意义，不同的评价指标。会产生 长安大学硕上学位论文 不同的评价结果。因此，评价指标的建立应遵循一定的原则，以获得最佳的评价效果。 对于公路路段方案评价问题，主要应该考虑以下几个原则： 1 ) 科学客观性原则 评价指标体系必须具有科学的理论依据，即指标本身要具有科学性，单个指标在理 论上应比较完备，指标与数据的计算必须以科学理论为依据。也就是说，指标应能客观 合理地、科学地反映出系统的信息。在选取决策指标时，也应坚持客观公正、实事求是 的态度，力求所选取指标能够客观反映出路段方案综合评价的特点，既要考虑到公路线 形设计指标符合规范要求，又要充分认识到路段方案经济性的程度，还要考虑到路线方 案与环境的协调问题。 2 ) 系统全面性原则 由于路段方案评价系统是一个涵盖多因素、多目标的复杂系统，评价指标体系应力 求全面的反映路段方案的综合情况，既能反映系统的内部结构与功能，又能合理评估系 统与外部环境的关联，既能反映直接效果，也能反映间接影响，以保证评价的全面性和 可靠性。为了更好的探讨路线方案评价问题，必须兼顾以下几个方面： ( 1 ) 定量与定性指标相兼顾，如既要考虑工程费用、运营费用、工程数量、工程 条件、运营条件等定量指标，也要强调重视施工条件、环境保护、路线走廊合理度等定 性指标。 ( 2 ) 直接影响与间接影响指标相兼顾，如既要考虑方案涉及的各种影响方案的直 接影响指标( 如工程数量、投资金额等) ，也要考虑到间接影响指标( 如对生态环境、 历史名胜的影响等) 。 ( 3 ) 近期与远期指标相兼顾，利用全寿命周期的思想既要考虑方案涉及的各个方 面的近期影响指标( 如施工技术条件、工期、工程费用等) ，也要考虑到其远期影响指 标( 如养护及运营的成本、难易性等) 。 3 ) 非相容性与协调性原则 在路段方案评价指标体系中应排除指标之间的相容性，即在完全相同的或者一个指 标乘以系数即可得到另一个指标时，则只取其中一个，而非相容性并不排除相关性，有 些指标之间虽然不完全相容，但也不完全独立，而具有一定的相关性。如路段的路线长 度既反映工程数量，又反映运营条件。综合评价的指标与指标之间应是相互补充的、协 调的，充分考虑指标之间的相关性关系，避免指标之间的重复与冲突，实现指标体系的 最优化。 7 第二章螺旋碰线路段方案合理性研究 4 ) 实用性原则 评价指标体系应尽量达到层次清晰、指标精炼、方法简洁，使之具有实际应用与推 广价值。为此，选取的指标要具有可操作性，指标应含义明确且易于被理解，指标量化 所需资料收集方便，能够用现有方法和模型求解。 2 山区高速公路路段方案评价指标体系 山区高速公路路段方案评价的内容主要从备选方案的技术性、安全性、经济性、环 境性四个角度分别选取评价指标，从而根据指标选取的原则建立一套相对合理而完整的 评价指标体系。 1 ) 方案比选技术性评价指标 公路设计的最初阶段首先是要确定路线走廊带，所以应该选取一组能够评价走廊带 的合理性的指标，这些指标既有地质、地形这样的地理条件指标，又有路线增长系数这 样的能够反映走廊带快捷、直达的综合指标。其次，在走廊带确定后，还应分析在其施 工、养护、运营阶段的可行性，从这一角度选取评价指标。因此，山区高速公路方案评 价的技术性主要是从方案的可实旌性角度来建立评价指标体系，可以总结出如下一些指 标： ( 1 ) 走廊带选择的合理程度 地形难易程度( a 1 ) ：该指标可以通过统计方案走廊带穿越的有利地形和复杂 地形等地貌单元里程长度占总规模的百分比。 穿越不良地质面积( a 2 ) ：该指标可以根据走廊带可能通过的诸如断层、滑坡 等不良地质区域的面积评价方案的可行性。 走廊带内其他线形工程数量( a 3 ) ：该指标主要调查走廊带可能干扰路线方案 通过的其他线形工程( 如管道、电力线、其他等级公路等) 与路段方案交叉的数量。 路线里程及其延长系数( a 4 ) - 该指标比较方案与“航空线”的关系反映走廊带 运输的快捷性和直达性。 克服高差与路线长度( a 5 ) ：该指标可以反映路段方案的平均展线坡度，从而 判断方案对车辆上下坡行驶的影响。 ( 2 ) 路段路线方案实施的合理性 施工进场条件( a 6 ) ：该指标分析进入施工场地的保通性以及其他构造物对施 工进场的干扰程度等。 建造工期长短( a 7 ) ：该指标统计设计方案从施工到投入使用的时间。时间越 8 长安大学硕士学位论文 长，工程建设的技术性要求越高。 养护维修的方便性( a s ) ：该指标根据方案沿线的路况、设施、控制工程的维 修时所采用方法的技术复杂度进行评价。 运营管理的难度( a 9 ) ：该指标评价方案管理的控制工程、交通安全设施等所 采用相关措施的技术复杂度。 2 ) 方案比选安全性评价指标 山区高速公路由于其选线位置的局限性，导致在设计过程中会使用一些不利于行车 安全的线形指标，同时，由于山区地质的复杂性，也会给公路的施工带来不安全的因素， 这些安全隐患都会给山区高速公路在后期运营的时候带来更多的负担。因此，如何使公 路在投入使用后能够尽可能的保障驾驶员生命安全已经在进行山区高速公路方案比选 时成为了一项重要的评价指标。公路方案的安全性评价指标不仅要从设计方面确定，还 应从投入运营后的使用方面进行综合评价。根据这一要求，结合山区高速公路在各阶段 的实际情况建立如下安全性评价指标体系。 ( 1 ) 平面线形安全性指标 平均曲率( c c r ) ( b 1 ) ：c c r 的过大或过小表明了单曲线半径和路线整体线 形的差距大、不一致。 c c r ：旦 ( 2 1 ) a r 式中：r 为单曲线半径；a r 为平均半径。 平均转角( b 2 ) ：转角是体现路线顺直的一种技术指标。转角平均数按下式计 算： 口， 口= 生 ( 2 2 ) 刀 式中：口为转角平均度数( 。) ；口f 为任一转角的度数( 。) 。 ( 2 ) 纵断面线形安全性指标 连续长大下坡平均纵坡与长度( b 3 ) ：这两项指标反映了对车辆制动性能的影 响。平均纵坡值越大，长度越长，车辆制动器的性能下降的越快，对行车不利。 爬坡车道设置里程( b 4 ) ：该指标反映了对车辆动力性能的影响。爬坡车道里 程越长，表明对车辆的动力性要求越高，汽车行驶速度无法得到提升。 ( 3 ) 平纵面线形安全性指标 q 第二章螺旋展线路段方案合理性研究 速度协调性( b 5 ) ：公路线形设计的最终目的就是为了保证道路平纵面线形的 连续性，目前评价平纵面线形连续性的主要方法就是根据运行速度确定的速度协调性情 况来判断公路线形的连续性。可根据备选方案中速度协调性不良的路段里程占总里程的 百分比来评价平纵面线形的安全性。比值越高，连续性差的路段越多，对行车的安全性 影响越大。 停车视距( s s d ) 满足度( b 6 ) ：该指标根据道路横净距以及竖曲线所需要的 ， 视距与停车视距的比较来判断平纵线形的安全性。自然满足停车视距要求的路段数量越 多，对行车越有利。 ( 4 ) 交通安全设施安全性指标 完备且合理的交通安全设施设置数量( b 7 ) ：公路在投入使用后要通过各种交 通安全设施来提示驾驶员道路的状况。交通安全设施应根据道路可能存在的各种安全性 隐患来进行完备且合理的设置，因此，交通安全设施的数量越多，说明路段存在安全隐 患的可能性越大。 3 ) 方案比选经济性评价指标 由于资源的稀缺以及全社会对于可持续发展理念的重视，人们对公路工程经济性的 要求已经不仅仅局限于工程造价等设计阶段所产生的成本，而且还对公路在使用后由于 质量、服务等方面所产生成本的经济性提出了更高的要求。这就要求公路设计者在决策 和设计阶段根据寿命周期成本的思想，充分考虑到工程在设计、开发、建造、维修和报 废等过程中所产生的成本。图2 6 就是按照寿命周期成本的思想构成的各阶段成本比例 f 4 1 。 寿 命 周 期 成 本 时间 图2 6 公路寿命周期成本组成图 按照这一思想，根据山区高速公路设计过程中实际考虑的经济性因素建立一套经济 l o 长安人学硕士学位论文 性指标体系。 ( 1 ) 项目建设过程经济性指标 工程总造价( c 1 ) ：该指标充分考虑到工程从建设到使用过程中可能需要投资 的总费用，因此可以较为宏观的评价方案的经济性。 土石方费用( c 2 ) ：该指标可以反映出路段方案对沿线自然环境的破坏情况。 防护工程费用( c 3 ) ：该指标费用的多少可以反映方案沿线不良路段对公路的 影响。 排水工程费用( c 4 ) ：该指标对于保障公路结构物的使用寿命和行车的通畅、 安全具有十分重要的作用。 控制工程建造费用( c 5 ) ：控制性工程包括长大隧道、技术复杂大桥、桥隧比 例较高( 5 0 以上) 路段等组成【1 1 。对于山区高速公路，绝大多数路段基本上都由一些 控制工程组成，因此其费用为评价方案经济性的主要指标。 施工临时工程和设施修建费用( c 6 ) ：临时工程和设施包括施工便道、便桥、 临时电力电讯设施、生产生活房屋等，该指标是间接为建设工程服务的，其特点是公路 工程建成后应全部拆除，并恢复原来生态面貌，可以体现出工程施工的难易性以及对环 境的影响程度。 施工筑路材料运输费用( c 7 ) ：该指标可以体现工程原材料与施工场地的距离， 并可以体现使用各种机械运输原材料的运输成本。 施工弃渣处置费用( c 8 ) ：由于山区高速公路中主要以挖方为主，因此会产生 大量的弃渣，这笔费用在施工过程中也占很大的比例。 交通安全设施建设费用( c 9 ) ：该指标给出了因安装完备且合理的交通安全设 施所消耗的成本。 ( 2 ) 运营及维护期经济性指标 车辆油耗费用( c 1 0 ) ：该指标主要与汽车本身的结构以及汽车的使用条件两方 面有关。从道路设计的角度，减少单位运输中的燃油消耗量，可以降低运输成本。因此， 该指标通常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行 驶的里程来衡量。 养护工程费用( c 1 1 ) ：该指标反映了公路投入使用后因对路面、控制性工程、 道路附属设施等的维修所消耗费用的总和。在对方案进行比选的阶段，可先预先估计可 能对道路产生不良影响的路段及对应的所采用维修措施的费用，综合评价养护费用。 11 第二章螺旋展线路段方案合理性研究 日常运营费用( c 1 2 ) ：该指标反映了对投入使用后的控制性工程如长大隧道内 有关监控、通风等设施，以及部分交通安全设施的运营费用。 4 ) 方案比选环境性评价指标 重视保护公路沿线的环境，实现公路建设与环境保护的协调发展，已经成为公路建 设可持续发展的重要组成部分。因此，从环境的角度评价公路选线的可行性是高速公路 方案综合评价的重要环节。 土地与耕地占用( d 1 ) ：该指标主要统计方案沿线可能占用的农田特别是高产、 稳产农田的面积以及其他未用作耕地的土地面积的总和。 环境敏感区面积( d 2 ) ：该指标主要统计生态价值较高的例如湿地、自然保护 区，包含珍稀动植物资源的林地等的面积总和。 水资源影响面积( d 3 ) ：该指标主要统计沿线可能影响的河流、水源( 特别是 饮水水源) 、湖泊等的面积总和。 空气影响指数( d 4 ) ：公路投入运营后，车辆所排放的污染物会对人体、动植 物及其赖以生存的水、土等环境均有不利的影响。该指标主要包括一氧化碳、氮氧化物 的现场监测和预测评价、总悬浮颗粒物的现状监测与评价、总烃的排放总量计算。 走廊带水土流失( d 5 ) ：高速公路建设项目在施工建设与生产运营过程中，将 不同程度地改变、损坏、压埋原有地貌及植被，有时还会破坏沿线的水土保持设施，将 不可避免地产生新增人为水土流失。该指标可统计公路沿线对土壤各种侵蚀强度的加权 面积之和。 公路景观效应( d 6 ) ：该指标体现了公路的造型与自然环境的协调程度。 2 2 2 方案评价方法的确立 本文在对螺旋展线以及自然展线进行方案评价时，并不针对具体某条采用螺旋展线 的山区高速公路进行多方案比较，所以不能采用某一具体项目的样本数据进行评价，这 就需要通过综合考虑目前螺旋展线在国内外山区高速公路上的实际应用情况，通过总结 各个评价指标的权重值来判断影响螺旋展线作为最优方案的决定因素。 目前国内外路线方案综合评价确定权重的方法主要包括德尔菲法( d e l p h i ) 、层次分 析法( 灿 p ) 、熵值法以及模糊聚类分析法。 因此，与其他方法比较，层次分析法的特点是不需要具备样本数据，专家仅凭对评 价指标内涵与外延的理解即可做出判断，适用范围较广，特别是对于一些定性的模糊指 1 2 长安大学硕上学位论文 标，仍可做出判断，且在判断中吸纳更多的信息，使得各指标之间的相对重要程度的分 析更具逻辑性，刻画的更详细，再加上数学上的处理，其可信度更高。当然，层次分析 法在一定程度上存在主观性，这就需要在采用专家的判断时，通过一定的方法来提高专 家选择的可信度【5 】。 层次分析法( a n a l y t i c a lh i e r a r c h y p r o c e s s ，a h p 法) 是由美国运筹学家t l s a a t y 最 早提出的一种实用的多准则决策方法，即把一个复杂的问题表示为有序的递阶层次结 构，通过人们对决策方案的判断，进行优劣排序。这种方法能够统一处理决策中定性和 定量因素，具有实用性、系统性、简捷性等优点，已广泛应用于各个领域【5 1 。 a h p 方法的基本原理是：首先将复杂问题分成若干层次，以同一层次的各要素按照 上一层要素为准则进行两两判断，比较其重要性，以此计算各层要素的权重，最后根据 组合权重并按最大权重原则确定重要的元素。 1 构造比较矩阵 层次分析法要求决策者对每一层的元素的相对重要性给出判断，也就是本层的元素 对上层某元素进行重要性程度的两两比较，给予合适的标值，以此构成比较矩阵： 彳= 口盯g n ) = a na 1 2 口2 l口2 2 a ia 2 口l a 2 h ： a 3 口m ( 2 - 3 ) 构造比较矩阵的关键是利用何种标度来表示元素之间两两比较结果，美国的运筹学 家s a a t y 建议采用1 9 标度比例标度来表征其重要性，见表： 表2 11 - - - 9 比例标度 标率值含义 1 两个冈素相比，具有同样的重要性 3 两个因素相比，i 比j 因素稍微重要 5 两个囚素相比，i 比i 冈素明显重耍 7 两个冈素相比，i 比j 冈素强烈重要 9 两个冈素相比，i 比j 因素绝对重要 2 、4 、6 、8 两相邻比率的中值 对于比较矩阵各元素来说，显然有： a u = l ；口i 2i 1 ( 吼2 ，刀) ；( = 1 ，2 ，一，以) ( 2 4 ) a u 是根据资料与条件，由专家与设计人员共同研究选定。 2 权重的计算 1 3 第二章螺旋展线路段方案合理性研究 层次分析法的基本原理是将一个复杂的被评价系统，按其内在的逻辑关系，以评价 指标( 因素) 为代表构成一个有序的层次结构，然后针对每一层的指标( 或某一指标域) ， 运用专家的知识、经验、信息和价值观，对同一层或同一域的指标进行两两比较对比， 并按规定的标度值构造比较判断矩阵a = a u ，再由组织者计算比较判断矩阵a 的最 大特征根k ，并由k 解特征方程： a x = k x ( 2 5 ) 得到对应k 的特征向量x = 慨，x ：，x 。) ，最后将特征向量归一化，得到指标的 权重向量w = 翥，翥，善x x , h 11 2 x i i = 1 川 玎 ， 一 ， 开 i l ， ， ，7 玎j 置x ， f 互lf = l 3 相容性检验 在计算权重向量之前需对彳作一致性检验。 一般来说，判断矩阵中的元素不一定具有传递性，即不出现a # a i k = a 腑等式成立，如 果此式成立，则该判断矩阵是完全相容的。事实上，由于人的判断的多样性，不可能准 确地判断出a 甜的值，只能对它进行估计，使得估计误差影响到特征向量出现偏差。a h p 中并不要求判断矩阵完全相容，允许存在一定的偏差，但要求判断的趋势大体具有一致 性( 即相容性) ，也就是不能出现对评价准则而言，彳。比彳：重要，4 比4 重要，而4 又比4 重要的逻辑错误。 为防止相容性偏差过大而影响评价结果，必须检验判断矩阵的相容性。检验时，在 计算出判断矩阵的最大特征值k 后，则相容性指标c a r 为 c i ：生二!( 2 6 ) 刀一1 一般地，若c i 如1 0 时认为判断矩阵具有良好的相容性，可以接受；否则不能接 受，需要重新设计判断矩阵。 在得到了各评价指标的权重之后还应对其进行筛选，将其中的弱权重指标剔除掉。 比较矩阵满足一致性要求，表明评估者在两两循环比较中判断偏差很小，由特征向 量法求解的归一化后的指标相对权重值均为 0 ，1 】范围内的确定实数，最大特征值 k = n( ，l 为矩阵的阶数) 。根据评价指标集中指标个数的多少以及各相对指标权重 值间的差别选择指标取舍权数，进行指标筛选，可以达到减少评价指标数量和避免指标 1 4 长安大学硕士学位论文 因素过多而导致评估者出现判断上的失误的目的。指标取舍权数的选取标准，应依据评 价指标集的大小而定。t l s a a t y 认为，大多数人对不同事物在相同属性上的分辨能力在 0 - 9 级之间，并建议某一准则下的指标个数不宜超过9 个，据此选取指标取舍权数乒0 1 较为合适。但对于多数公路工程类评估决策问题，由于其评价指标集较大，所以指标取 舍权数应当小一些【9 1 。 4 综合权重计算 综合权重计算是求出各级诸因素关于系统总体的重要度。设彳级m 个因素 彳。，彳2 ，a 。它们关于系统总体的权重分别为a l , a 2 ，a ，。a 级的下一级b 级有以个因 素马，b 2 ，最，它们关于4 的权重向量为b = ( 6 ：，噬，) r ，则b 级的因素曰，的综合 权重为 b j = d ，彰 j = 1 ，2 ，聆 ( 2 7 ) b 级全部因素的综合权重如表2 2 所示。 表2 2 综合权重 一 彳l 彳24 彳m 口l口2口3口m b j 、 r t l 墨研砰研口，b l = e a ，6 f j = l 埘 岛b ；酲酲口；b ：= z a ，b i ，= l 岛6 j6 3 26 3 3 霹b ，= 口f 硝 i = l b n巩砰霸口j ：|巩- - e , , ，玩 f - l 2 2 3螺旋展线方案合理性影响因素研究 1 螺旋展线与自然展线的比较 1 ) 自然展线 当沟谷与山脊间的坡面有较整齐的长段山坡，无较大割裂地形而地质又稳定时，路 线以适当的坡度，顺着自然地形，绕山咀、侧沟展线而克服高差，叫自然展线。在越岭 线的布局中，充分利用自然地形展线是首先应予考虑的方法。常见的自然展线形式有： 1 5 第二章螺旋展线路段方案合理性研究 ( ，1 ) 跨沟线：沿山谷地形展线，一般从沟的一岸傍山逆水而下，到接近沟底时， 跨沟沿另一岸依山顺水降坡。布线时，要注意平、纵、横三面的配合以及充分利用地形 条件，恰当地选定桥涵位置和高度等。 ( 2 ) 绕山咀展线：当路线顺沟而下，转入另一个山沟时，常常要绕两沟之间突出 的山咀。在绕山咀时，一般视距较差，为了提高路线标准，应避免使用过小的平曲线半 径，并注意到小半径平曲线段的纵坡折减问题，保证行车视距的要求。 ( 3 ) 鸡爪地形地带的展线：鸡爪形地带，一般是深沟瘦山咀所组成的地形。当路 线要求的标准较高时，只能考虑前后的填挖大致平衡，以直线或较大半径平曲线穿山咀、 跨深沟。当路线的等级较低时，应通过技术经济比较来确定路线是按地形绕进绕出，还 是直穿山咀和直跨深沟。从局部工程数量上看，可能以按地形绕进绕出为小些，特别是 在山咀较肥和山沟比较开阔的地形：但其总工程量，由于受技术标准的限制，路线距离 增长，使工程加大( 包括开挖视距台等) 以及产生填