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。

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 815pcu/d，远超公路设计交通量，将会严重影响道路服务水平。

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

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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, 2, 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。

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 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

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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, 7, 8]}。

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

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

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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。

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。

《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

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

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

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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。

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]。

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, 12, 13]}，见表 4。

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。

(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。

由式(1)计算各行元素平均值：

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可得到各指标权重：W=(0.16,0.09,0.17,0.09,0.38,0.11)^T。

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)：

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

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(1)m=1

若I₁>f₁₁，则u₁₁=1,u₁₂=u₁₃=u₁₄=0；

若I₁≤f₁₄，则u₁₄=1,u₁₁=u₁₂=u₁₃=0；

若f_1n≥I₁≥f_1(n+1)(n∈^{[1, 2, 3]})，则有：

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若I₁≥r₁₁，则${\bar u}$₁₁=1，${\bar u}$₁₂=${\bar u}$₁₃=${\bar u}$₁₄=0；

若I₁≤r₁₄，则${\bar u}$₁₄=1，${\bar u}$₁₁=${\bar u}$₁₂=${\bar u}$₁₃=0；

若r_1n≥I₁≥r_1(n+1)(n∈^{[1, 2, 3]})，则有：

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

若I_m≤f_m1，则u_m1=1, u_m2= u_m3=u_m4=0；

若I_m≥f_m4，则u_m4=1,u_m1=u_m2=u_m3=0；

若f_mn≤I_m≤f_m(n+1)(n∈^{[1, 2, 3]})，则有：

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若I_m≤r_m1，则${\bar u}$_m1=1，${\bar u}$_m2=${\bar u}$_m3=${\bar u}$_m4=0；

若I_m≥r_m4，则${\bar u}$_m4=1，${\bar u}$_m1=${\bar u}$_m2=${\bar u}$_m3=0；

若r_mn≤I_m≤r_m(n+1)(n∈^{[1, 2, 3]})，则有：

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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[u_n]，n∈^{[1, 2, 3, 4]}，并经均值化处理得到U_n(R_n)，见式(10)。

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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 R_n级。

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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。

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

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。

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：

(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。