模糊理論在庫格鐵路阿爾金山越嶺方案研究中的應用

段榮成

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

傳統的鐵路方案比選采用工程經濟指標法,并結合社會、環境、地質、施工等因素的定性分析,方案取舍常因著眼點不同而結論各異；當各方案的工程經濟比較差異較小時,方案的取舍主要依賴于設計者的經驗和立場。模糊評價理論首先抽取影響方案決策的因素作為評價對象,建立以評價對象為參數、最優方案為目標的函數模型；然后由工程師根據經驗對參數進行量化賦值,通過并不復雜的計算進行排序,最終確定最優方案。

2 庫格鐵路的概況

新建鐵路庫爾勒至格爾木線是西部地區重要的路網性干線。西起南疆線庫爾勒站,途徑尉犁縣、農二師三十一至三十六團、若羌縣、青海油田重鎮茫崖行委后引入青藏鐵路格爾木站,是一條西部客貨共線的單線電氣化鐵路。阿爾金山橫亙在青海與新疆交界處,是本線必須翻越的天然屏障。越嶺埡口位置、隧道長度及越嶺高程的選擇,直接影響本線線路長度和工程投資。

3 阿爾金山越嶺方案傳統法比選分析

3.1 越嶺地段地形、地質條件及線路方案控制因素的分析

圖1 阿爾金山越嶺埡口位置示意

阿爾金山山脈呈NE向一字形展開,南部柴達木盆地海拔2 800 m,北部塔里盆地為800 m,本線經過區域埡口高程為3 050～3 700 m(圖1)。山體總寬度120～160 km,其中中部山嶺區寬度20～40 km,地形陡峻復雜；山嶺兩側洪積扇群發育,尤以北坡為重,寬度達10～100 km,自然坡度為6%～10%,洪積扇區地形較為整齊,有利于線路展線。

3.2 越嶺方案簡述

自北向南共研究了拉配泉埡口、金雁山埡口、巴什考供埡口、霄克埡口等4個埡口的多個越嶺線路方案,其中拉配泉、金雁山兩埡口已經在宏觀走向方案中比選后予以放棄,以下就巴什考供埡口、霄克埡口沿米蘭河方案、霄克埡口沿若羌河方案等3個埡口的越嶺線路方案進行比選。

3.2.1 巴什考供埡口CK方案(經紅柳溝)

線路翻越嶺埡口后可以利用巴什考供盆地和紅柳溝展線研究該啞口方案,線路從依吞布拉克站引出,與新315國道走向一致,穿索爾庫爾山間盆地,再沿山前洪積扇以足坡向上展線,最高至海拔3 283 m處,以16.96 km隧道穿越阿爾金山巴什考供埡口,后線路折向西沿紅柳溝上游寬谷區展線而下,以最長4.06 km短隧道群穿越紅柳溝南山,再沿山北洪積扇足坡展線而下至米蘭鎮,設米蘭站,沿315國道南側西行,至比較終點。方案比選示意見圖2，方案工程經濟比較見表1。

圖2 阿爾金山越嶺埡口方案比選示意

表1 阿爾金山線路越嶺方案工程經濟比較

3.2.2 霄克埡口沿米蘭河ICK方案

線路翻埡口后可以沿米蘭河展線，研究了該方案,線路從依吞布拉克站引出,從烏蘇肖湖南側沿老315國道西行,線路行至霄克埡口處達最高3 226 m,抵米蘭河上游,后順米蘭河河谷而下,以短隧道群穿越米蘭河東側山嶺至阿爾金山北坡,先沿山前洪積扇向東展線,再迂回折向西,自東向西跨越米蘭河,在若羌縣城東6.0 km處設若羌站,至比較終點。

3.2.3 霄克埡口沿若羌河IICK方案

線路翻埡口后可以沿若羌河展線研究了該方案,線路與ICK方案相同,過霄克埡口離開米蘭河上游向東,至若羌河上游,利用若羌河西岸山體和溝谷展線而下,進入山北洪積扇群區,迂回展線至比較終點。

3.3 傳統方法比選研究及分析意見

3.3.1 從工程地質條件及工程安全可靠性分析

三方案都經索爾庫爾盆地、阿爾金山山脈及阿爾金山北麓山前沖洪積扇,經過地層巖性主要為第四系、第三系、元古界薊縣系,巖性復雜,節理裂隙發育。

巴什考供埡口CK方案沿線斷裂構造發育,但大多與線路走向大角度相交；紅柳河南岸山體多陡峭,局部溝谷危巖、落石發育。索爾庫爾盆地和巴什考供山間盆地地形地質條件較好,便于展線,工程安全可靠。

霄克埡口沿米蘭河ICK方案通過索爾庫爾盆地靠山邊緣,發育有特大型泥石流溝,垂直寬度可達2 km；米蘭河河床縱坡大,兩岸山勢陡峻,不良地質主要為危巖、落石,線路通過多條大型斷裂構造帶,線路小角度斜穿F19號斷層,走行于斷裂影響帶內；工程地質條件較差,工程可靠性差。

霄克埡口沿若羌河IICK方案依吞布拉克至卡魯巧卡ICK方案共線,地質條件相同；若羌河河床縱坡大,線路通過多條大型斷裂構造帶,工程地質條件較差。

綜上所述,巴什考供埡口CK方案工程地質條件相對較好,霄克埡口沿米蘭河ICK方案、沿若羌河IICK方案地質條件較差。

3.3.2 從與羅布泊至和田鐵路的銜接關系分析

巴什考供埡口CK方案米蘭至若羌段線位與規劃羅和鐵路走向一致,標準相同,該段59 km可與羅中-和田鐵路并線,近期該段兩線運量不大時羅和鐵路可利用庫格鐵路,節省其近期投資約9億元,從路網銜接分析巴什考供埡口CK方案路網匹配性好。

3.3.3 從工程設置對環境影響方面分析

各方案處于阿爾金山無人區,生態處于原始狀態,ICK、C48K方案通過山區段落較長，需要對山體進行大開大挖,土石方工程巨大,鐵路作為帶狀構筑物對原有生態系統造成新的切割,對阿爾金山地區的生態環境影響相對較大。而巴什考供埡口越嶺CK方案山區地段長度短,工程地質條件好：且線路走向與G315線一致,形成了一個共同的交通走廊,對保護區基本不造成新的切割影響,對生態環境的整體影響較小。從工程設置對環境影響分析巴什考供埡口越嶺CK方案影響較小。

3.3.4 從工程設置及經濟性分析

巴什考供埡口CK方案較霄克埡口沿米蘭河ICK方案線路長度長17.63 km,橋隧總長短16.81 km,靜態投資省3.45億元,較霄克埡口沿若羌河IICK方案線路長度短12.21 km,橋隧總長短35.95 km,靜態投資省17.29億元。在考慮30年運營費和機車車輛購置費后,巴什考供埡口CK方案綜合效益最好,較霄克埡口沿米蘭河ICK方案省0.08億元,較霄克埡口沿若羌河IICK方案省19.98億元。

綜合分析,巴什考供埡口CK方案工程設置適當,工程投資最少,運營費較低,與規劃的羅布泊至和田鐵路匹配好,對周邊生態環境的破壞小,對自然保護區的影響不大,綜合效益顯著,因此,各方案中巴什考供埡口CK方案最優。

4 采用模糊理論優選方案的研究

4.1 指標體系的確定

針對3個埡口方案,現把靜態投資、30年運營費現值、橋隧總長度、機車車輛購置費現值、線路長度、工程地質條件、路網匹配性和鐵路施工與運營條件作為評價的對象。

首先設3個設計方案構成域,即U={X1(方案Ⅰ(巴什考供埡口CK方案)),X2(方案Ⅱ(霄克埡口沿米蘭河ICK方案)),X3(方案Ⅲ(霄克埡口沿若羌河IICK方案))}。用U上的函數f(x)表示投資額作為目標函數,則如表2所示。

表2 目標函數

用U的模糊集合C1、C2、C3、C4、C5,表示靜態投資、運營費現值、橋隧總長度、機車車輛購置費現值和線路長度。用C6、C7、C8和C9表示工程地質條件、路網匹配性、鐵路施工與運營條件和工程設置對環境影響。再將各個方案被評價對象的基礎數據進行量化(表3)。

表3 約束函數量化值

4.2 方案優選模糊集合的運算

由此得模糊集合C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8和C9為

所以最佳決策集合為

D=mf∩C1∩C2∩C3∩C4∩C5∩C6∩

4.3 方案優選模型的運算結果

由于X1對D的隸屬程度最高,根據最大隸屬原則,認為X1(方案CK)是最佳設計方案。

5 結語

通過采用傳統的線路方案比選方法從地質、環境、鐵路路網、工程經濟指標等因素的分析比選研究確定巴什考供越嶺埡口方案為最優方案；并在傳統比選的基礎上,選擇模糊評價理論,對影響方案的諸多因素進行一一量化,確定目標函數和約束條件,從而構建起模糊優選的模型,也得出該方案為最佳設計方案。

研究表明,通過對模糊綜合評價理論方法在該方案研究中的應用,認為該方法是合理的和可行的,有較好的實用價值。在影響方案的因素較多,不能只靠工程投資為主要因素來確定方案的項目中可以應用。

[1] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路庫爾勒至格爾木線預可行性研究總說明書[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

[2] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路庫爾勒至格爾木線可行性研究總說明書[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011.

[3] 詹振炎.鐵路選線設計的現代理論與方法[M].北京：中國鐵道出版社,2003.

[4] 陸亞軍,李遠富,方案優選模型的研究及應用[J].鐵道勘察,2007.

[5] 吳小萍,詹振炎.基于灰色和模糊集理論的鐵路方案多目標綜合評價方法及模型研究[J].鐵道學報,2001(5).

[6] 中華人民共和國鐵道部.GB50090—2006 鐵路線路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TBT1407—1998 列車牽引計算計算規程[S].北京：中國鐵道出版社，1998.

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB 10082—2005 鐵路軌道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[9] 中華人民共和國鐵道部.鐵路工程設計技術手冊[M].北京：中國鐵道出版社,1994.