黃百鐵路紫云高低站位線路方案多方法優(yōu)選

王彥虎

（中鐵二院貴陽勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴陽 550002）

鐵路選線設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的功能需求，結(jié)合所經(jīng)地區(qū)的社會、自然和生態(tài)環(huán)境，以經(jīng)濟(jì)、安全、舒適、快捷、環(huán)保為目標(biāo)，從大面積著手，由面到帶、由帶到線，逐步細(xì)化、逐步逼近，確定線路空間位置、協(xié)調(diào)布設(shè)各種建筑物的決策過程。選線設(shè)計(jì)是在主客觀約束下從設(shè)計(jì)空間可能方案中搜索出在評價指標(biāo)集上最優(yōu)的多目標(biāo)決策過程，具有數(shù)據(jù)源廣泛、整體性強(qiáng)、知識面廣、度和量的統(tǒng)一、方案特征和實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。

針對鐵路選線方法，朱穎［1］等通過大量工程實(shí)例總結(jié)了傳統(tǒng)鐵路選線理念；楊立國［2］、郭海東［3］等基于模糊數(shù)學(xué)、層次分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GIS、灰色關(guān)聯(lián)度等數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具探究了鐵路選線的新方法；隨著BIM技術(shù)和智能系統(tǒng)的應(yīng)用；易思蓉［4］、劉威［5］等在智能選線方面做了相關(guān)研究。本文以黃桶至百色鐵路（以下簡稱“黃百鐵路”）鎮(zhèn)寧至石屯段線路方案為背景，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、基于ArcGIS軟件和層次分析法對該段線路方案進(jìn)行綜合比選，旨在探索鐵路選線新方法。

1 概況

1.1 黃百鐵路概況

黃百鐵路位于貴州省西南部地區(qū)的安順市、黔西南州和廣西百色市境內(nèi)，為國家規(guī)劃西部陸海新通道的輔助通道，如圖1所示。線路自既有滬昆鐵路黃桶站引出，呈南北向經(jīng)普定縣、六枝特區(qū)、鎮(zhèn)寧縣、紫云縣、望謨縣、樂業(yè)縣和凌云縣后，接入南昆鐵路永樂站，后通過永樂至百色增建南昆鐵路二線引入南昆鐵路百色站。正線建筑長度312.626 km，貴州省境內(nèi)長173.847 km，廣西自治區(qū)境內(nèi)長138.779 km。

圖1 西部陸海通道各線示意圖

1.2 紫云高低站位方案介紹

黃百鐵路鎮(zhèn)寧至石屯段線路位于貴州省鎮(zhèn)寧、紫云和望謨?nèi)h境內(nèi)，紫云縣城位于鎮(zhèn)寧至望謨航空線東側(cè)約20 km、海拔1 100～1 300 m的高原面上（以下簡稱“縣城臺地”）。縣城南側(cè)的火花鎮(zhèn)一帶分布有寬1 000～2 500 m，長25 km，海拔750～850 m的平緩低洼槽谷（以下簡稱“火花槽谷”）?？h城臺地與火花槽谷高差較大（平均高差約450 m），地勢陡。

若在距離縣城較近（約6 km）、海拔較高的縣城臺地設(shè)站（以下簡稱“紫云高站位方案”），則線路較長，地形起伏較大；在海拔較低的火花槽谷內(nèi)設(shè)紫云站（以下簡稱“紫云低站位方案”），線路較順直，地勢起伏較小，但距離縣城較遠(yuǎn)（約25 km），故需對紫云高站位方案和低站位方案進(jìn)行綜合比選（以下簡稱“紫云高低站位比選”）。

1.3 主要控制因素

鎮(zhèn)寧至石屯段線路主要控制因素如表1所示。

表1 線路主要控制因素表

2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法比選

2.1 方案簡介

紫云高站位方案：線路自鎮(zhèn)寧站引出，向東南經(jīng)江龍后沿槽谷向東行進(jìn)，穿越五指山，跨越六志河，而后經(jīng)白石巖鄉(xiāng)南側(cè)于彭家院設(shè)紫云站，出站后折向南，設(shè)白石巖隧道、羊架河特大橋，經(jīng)交洞、邊饒后至比較終點(diǎn)石屯。線路長96.79 km，橋隧比為78.4%。

紫云低站位方案：線路自鎮(zhèn)寧站引出，向東南經(jīng)募役、黃花哨后跨越紅辣河于紫云縣城南側(cè)8 km的火花鎮(zhèn)平寨村設(shè)紫云站，出站后折向南，經(jīng)交平、邊饒后至比較終點(diǎn)石屯。線路長90.90 km，橋隧比為83.5%。兩方案比選示意如圖2所示。

圖2 紫云高低站位方案比選示意圖

2.2 方案比選

（1）從線路長度及工程投資分析

紫云高低站位兩方案主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)對照表

由表2可知，從本線工程分析，紫云低站位方案線路長度較紫云高站位方案短5.935 km，且特殊高橋少、隧道及輔助坑道短，工程投資省8.85億元；從貴興鐵路引入工程分析，紫云高站位方案貴興鐵路較紫云低站位方案雙線短5.028 km，單線短15.70 km，工程投資省19.877億元；從紫云站通站道路分析，紫云低站位距離縣城較遠(yuǎn)，交通不便，需修建長約14.5 km通站道路，投資約7.3億元，而紫云高站位方案車站距離縣城近，且有規(guī)劃白云大道連接。綜合分析，紫云高站位方案較低站位方案總投資省18.25億元，紫云高站位方案稍優(yōu)。

（2）從工程地質(zhì)條件分析

該段線路沿線以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等可溶巖為主，部分為砂巖、泥巖等，兩方案主要工程地質(zhì)情況對照表如表3所示。由表3可知，紫云低站位方案較高站位方案：巖溶水隧道長3.3 km、低瓦斯隧道長 1.3 km、不良工程地質(zhì)多3處，且線路經(jīng)過可溶巖段標(biāo)高較低，位于地下水季節(jié)變動帶以下隧道較長，施工和運(yùn)營風(fēng)險較高，故從工程地質(zhì)條件分析，紫云高站位方案更優(yōu)。

表3 主要工程地質(zhì)情況對照表

（3）從帶動地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展分析

紫云低站位方案車站位于縣城南側(cè)火花鎮(zhèn)槽谷，海拔較低，距縣城航空距離約8 km，交通不便，需新建通站道路14.5 km，投資約7.3億元，且車站與城區(qū)發(fā)展方向不符，對地方經(jīng)濟(jì)的帶動作用較小。紫云高站位方案車站位于縣城西北側(cè)，距縣城航空距離約 7 km，與紫云縣城規(guī)劃及發(fā)展方向相符，且車站同縣城同處于紫云高原面上，通站道路有規(guī)劃的白云大道，交通方便，有利于居民出行，可較好地帶動沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

（4）從重大工程條件分析

站位工程條件：紫云低站位方案車站位置雖地勢開闊，但局部地形起伏較大，土石方量較大；紫云高站位方案車站位置地勢平坦，土石方量小，工程較簡單。從站位條件分析，紫云高站位方案較優(yōu)。

隧道工程條件：紫云低站位方案6 km以上的長大隧道2座，分別為紫云隧道（7.695 km）、喜王隧道（7 680 km），隧道輔助坑道總長3.2 km，條件較好；紫云高站位方案6 km以上的長大隧道2座，分別為白石巖隧道（6.8 km）、喜旺隧道（7.45 km），輔助坑道總長8.38 km，條件稍差。

橋梁工程條件：紫云低站位方案大于50 m特殊橋4座，長2.24 km，最大橋高102 m。紫云高站位方案大于50 m特殊橋8座，長6.28 km，最大橋高133 m。

（5）從環(huán)境保護(hù)方面分析

本段線路與鎮(zhèn)寧白馬湖縣級森林公園、紫云板母地下水飲用水源保護(hù)區(qū)有干擾，但兩方案均予以繞避，對環(huán)境保護(hù)區(qū)均無影響。

（6）從其他方面分析

線路廊道內(nèi)王二河水庫等重大工程設(shè)施不控制方案，兩方案沿線文物保護(hù)單位、軍事保護(hù)區(qū)等均按繞避原則進(jìn)行繞避。

2.3 比選結(jié)論

紫云高低站位方案對廊道內(nèi)風(fēng)景名勝區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、文物古跡及重大工程設(shè)施等均距離較遠(yuǎn)或予以繞避，兩方案相當(dāng)。紫云低站位方案線路短5.935 km，工程投資略省8.85億元，重難點(diǎn)工程較少，但貴興鐵路引入段投資較紫云高站位方案增加19.8億元，且站位距離縣城較遠(yuǎn)，對地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動作用較小，社會經(jīng)濟(jì)效益較差，新設(shè)通站道路需增加7.3億元投資。紫云高站位方案線路略長，投資略高，重難點(diǎn)工程稍多，但貴興鐵路引入投資省，車站距離縣城較近，與縣城規(guī)劃發(fā)展方向相吻合，有利于城市綜合開發(fā)和產(chǎn)業(yè)布局，社會經(jīng)濟(jì)效益較好。綜上分析，推薦采用紫云高站位方案。

3 基于ArcGIS軟件的地質(zhì)專項(xiàng)比選

在復(fù)雜的地質(zhì)情況下鐵路線路應(yīng)盡量選擇在工程地質(zhì)條件較好的區(qū)域通過，既要保證工程安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，又要盡量減少工程對環(huán)境的影響。該段線路方案地質(zhì)條件較為復(fù)雜，存在危巖落石、巖堆、巖溶、瓦斯等眾多突出工程地質(zhì)問題，工程地質(zhì)條件成為方案比選的難點(diǎn)和主控因素，而其余因素如環(huán)境敏感點(diǎn)、文物、軍事設(shè)施、重大工程等均為次要因素，故本節(jié)采用ArcGIS軟件對兩方案工程的地質(zhì)條件進(jìn)行專項(xiàng)比選。

3.1 方案地質(zhì)比選模型的建立

鐵路工程地質(zhì)資料具有多源、多類、多量、多維等特點(diǎn)，各種地質(zhì)數(shù)據(jù)在精確度、分辨率、數(shù)量、質(zhì)量等方面也存在很大的差異。為了保證信息的有效性和準(zhǔn)確性，本節(jié)借助ArcGIS軟件的最優(yōu)路徑分析和費(fèi)用選擇技術(shù)，建立方案地質(zhì)比選模型對紫云高、低站位兩方案進(jìn)行綜合地質(zhì)評價?；贏rcGIS最優(yōu)路徑分析技術(shù)的選線方法流程如圖3所示。

圖3 ArcGIS最優(yōu)路徑分析流程圖

通過調(diào)查、勘探、物探及鉆探等手段，對區(qū)域內(nèi)影響線路方案的工程地質(zhì)因素進(jìn)行分析，確定主要影響因素，各影響因素的權(quán)重通過專家打分的形式確定，過程中需保證專家群體思維收斂，專家意見不一致時，進(jìn)一步分析確定，如表4所示。

表4 影響因素及權(quán)重表

基于鐵路選線費(fèi)用分析模型，利用ArcGIS軟件的最優(yōu)路徑算法和費(fèi)用選擇技術(shù)，計(jì)算紫云高低站位兩個方案行經(jīng)不同地區(qū)的累計(jì)費(fèi)用成本，篩選出費(fèi)用成本最小方案，即是單因素影響下的最優(yōu)線路方案，將各個因素按照一定的權(quán)重值疊加，生成綜合因素成本圖層，建立地質(zhì)比選模型，如圖4所示。

圖4 方案地質(zhì)比選模型圖

3.2 高低站位地質(zhì)專項(xiàng)比選及結(jié)論

通過以上基于ArcGIS軟件建立的方案地質(zhì)比選模型，輸入影響因素及權(quán)重，模型比選紫云高低站位兩個方案的最優(yōu)費(fèi)用。計(jì)算可得，紫云高站位方案費(fèi)用較紫云低站位方案低，單從地質(zhì)條件分析，紫云高站位方案為較優(yōu)方案。

4 基于AHPF法的方案比選

4.1 層次分析法（AHP）簡介

層次分析法是指將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。層次分析法是將決策問題按總目標(biāo)、各層子目標(biāo)、評價準(zhǔn)則直至具體方案的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重，最后再用加權(quán)和的方法歸并各方案對總目標(biāo)的綜合評判值，評判值最大者即為最優(yōu)方案，本節(jié)利用層次分析法對紫云高低站位方案進(jìn)一步分析比選［6］。

4.2 構(gòu)建層析結(jié)構(gòu)模型

（1）構(gòu)建指標(biāo)體系

線路方案進(jìn)行多目標(biāo)指標(biāo)比選時，首先需要構(gòu)建評價指標(biāo)體系，指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層。本段線路方案以技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件為準(zhǔn)則層，以技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件的子準(zhǔn)則層構(gòu)建模型，如表5所示。

表5 分析指標(biāo)體系表

（2）構(gòu)造判斷矩陣

首先對同一層次的指標(biāo)兩兩比較其相對重要性，得出相對權(quán)值的比值，以此構(gòu)造判斷矩陣為n×n的方陣，其中主對角線均為1，判斷矩陣如式（1）所示。

上式滿足i，j=1，2，3....，i和j兩因素相對權(quán)值的比值，可按照相關(guān)要求，采用1～9比例標(biāo)度法對其重要性賦值。

（3）權(quán)值計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

各影響因素的權(quán)重需要以專家打分的形式確定，利用確定的權(quán)重構(gòu)建特征向量。當(dāng)用分散化思維處理這類問題時，會導(dǎo)致問題求解的失敗。因此完成權(quán)重計(jì)算后，需要對一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，一致性檢驗(yàn)可通過式（2）確定。當(dāng)CI＜0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受。

式中：CI——一致性指標(biāo)；

A——比較矩陣；

Y——特征向量；

n——因素個數(shù)。

4.3 方案比選及結(jié)論

通過建立的多目標(biāo)比選模型及理論，利用Matlab軟件編制程序進(jìn)行層次分析計(jì)算，降低手動計(jì)算誤差，提高比選準(zhǔn)確度。根據(jù)以上分析指標(biāo)體系構(gòu)建判斷矩陣，經(jīng)過多次循環(huán)求解，并經(jīng)一致性檢驗(yàn)，得紫云高低站位方案綜合評價值如表6所示。

表6 綜合評價值表

由表6可知，黃百鐵路鎮(zhèn)寧至石屯段紫云高、低站位方案均有一定的可行性，但紫云高站位方案綜合評價值ZP大于紫云低站位方案，綜合評價較優(yōu)，可作為推薦方案，這與前述兩種方法分析結(jié)論一致。

5 結(jié)束語

本文采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)比選、基于ArcGIS軟件建立模型地質(zhì)專項(xiàng)比選和層次分析法綜合評價3種方法，對黃百鐵路鎮(zhèn)寧至石屯段紫云高低站位方案進(jìn)行了綜合比選，結(jié)果表明：3種方法確定的最優(yōu)方案均為紫云高站位方案，論證了傳統(tǒng)方法的準(zhǔn)確性；基于ArcGIS軟件和層次分析法的選線方法能夠客觀、全面地綜合考慮多因素對鐵路走向的影響，對線路方案設(shè)計(jì)有一定的參考價值，提高選線效率。