考慮多因素融合的福州港口后方通道鐵路選線研究

高盟

[海峽（福建）交通工程設計有限公司，福建 福州350000]

0 引言

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，貨運鐵路已成為城市間貨物運輸?shù)闹匾~帶。然而鐵路建設受到社會環(huán)境、工程投資和自然環(huán)境等多重因素的共同影響，因而鐵路選線是一個多目標、多因素組成的復雜的系統(tǒng)性工程[1]。在傳統(tǒng)的鐵路選線中，設計人員往往將經(jīng)濟指標作為衡量選線方案優(yōu)劣的重要指標，在方案較多，各方案優(yōu)勢各異，經(jīng)濟上差別不大的情況下，很難根據(jù)各方案的技術經(jīng)濟定量指標和社會環(huán)境影響定性指標來確定出最優(yōu)方案[2]。通過研究大量文獻和工程實例發(fā)現(xiàn)，充分利用專業(yè)眼光和經(jīng)驗，利用層次分析法，綜合考慮多種影響因素，能夠有效提高鐵路選線方案選擇的合理性和準確性。

福州港口后方鐵路通道位于福建省東部、福州市北部，由杜塢至樟林段、戰(zhàn)坂至透堡段和透堡至樟林聯(lián)絡線三部分組成。杜塢至樟林段西起峰福鐵路杜塢站，向東北下穿福州國家森林公園至戰(zhàn)坂村設戰(zhàn)坂線路所，轉(zhuǎn)向東南接入既有福州鐵路樞紐樟林站，形成福州樞紐貨車外繞線，該段為福州鐵路樞紐的貨車外繞線，為Ⅱ級雙線鐵路；戰(zhàn)坂至透堡段自戰(zhàn)坂線路引出，向東北經(jīng)貴安、丹陽至透堡站，與可門港鐵路支線連通，為Ⅱ級單線鐵路。福州港后方鐵路是一條服務于福州港港口發(fā)展和臨港產(chǎn)業(yè)落地的集疏運通道，以及聯(lián)通福州港口與干線鐵路的后方貨物運輸鐵路，有助于實現(xiàn)福州中心城區(qū)“客貨分流”，推動福州現(xiàn)代物流城的建設與發(fā)展。

1 港口后方通道選線特點

1.1 港口后方通道功能定位及意義

福州港口后方鐵路通道是一條服務于福州港港口發(fā)展和臨港產(chǎn)業(yè)落地的集疏運通道，是福州現(xiàn)代物流城的重要支撐，是聯(lián)通福州港口與干線鐵路的后方貨物運輸鐵路，是一條實現(xiàn)福州中心城區(qū)“客貨分流”的貨車外繞線。

福州港口后方鐵路的修建解決了可門港鐵路運輸瓶頸的歷史問題，完善了福州港口貨物運輸通道，提升了福州港口鐵路運輸質(zhì)量，降低了貨運鐵路運營安全風險，優(yōu)化了福州貨運樞紐的運輸路徑，完善了海峽西岸貨運鐵路網(wǎng)絡布局。

1.2 港口后方通道地形特征

福州港口后方鐵路位于福建省福州市區(qū)、閩侯縣及連江縣境內(nèi)，線路總體西南東北走向，經(jīng)過的主要水系有閩江、敖江及其支流，兩岸發(fā)育平坦的階地。

線路經(jīng)過區(qū)域地形總體上呈現(xiàn)兩端低、中間高的形態(tài)，地貌以丘陵區(qū)、低山區(qū)為主，間夾河流階地。低山丘陵區(qū)山勢陡峻，地形起伏較大，高程200～700m，植被發(fā)育；沖積平原區(qū)，地形較開闊平坦，河網(wǎng)、道路密布，城鎮(zhèn)密集。

1.3 港口后方通道工程地質(zhì)特征

沿線分布的主要地層有第四系殘坡積、沖洪積、坡洪積、海積成因松散地層，局部分布有滑坡堆積、人工填土層；下伏基巖為白堊系、侏羅系火山碎屑巖、燕山期侵入巖等。

沿線分布的特殊巖土主要為不同成因類型的軟土、松軟土以及人工填土。線路沿途經(jīng)過閩江、敖江等河流階地，表層多分布流塑狀的淤泥、淤泥質(zhì)黏土，厚度一般超過10m，最厚可達近25m；沿線丘間谷地及高階地坳谷區(qū)發(fā)育，表面多分布淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）黏土，厚度約1～5m。軟土具含水量高、強度低、壓縮性大等特性，使得施工難度較大。上述的特殊工程地質(zhì)對鐵路選線有較大的影響。

1.4 港口后方通道環(huán)境敏感性特征

福州港口后方鐵路地處福州城區(qū)及周邊地區(qū)，福州市四周被群山峻嶺所環(huán)抱，氣候適宜，植被發(fā)育，主城區(qū)雖建設強度較大，但周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保存較好，自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)、森林公園及歷史文化資源豐富，線路沿線有多處水源保護區(qū)、地熱田及生態(tài)保護紅線，這些因素也會對鐵路選線產(chǎn)生較大的影響。

2 港口后方通道選線分析

福州港口后方鐵路通道由杜塢至樟林段、戰(zhàn)坂至透堡段、透堡至樟林聯(lián)絡線三部分組成。對杜塢至樟林段北頭嶺隧道出口段線路方案、杜塢站上行疏解線蘭花山隧道縱坡方案，進行了多方面比選。

2.1 北頭嶺隧道出口段線路方案及專家推薦意見

2.1.1 方案介紹

方案一：線路方案起點位于北頭嶺附近，下穿北二通道后向南行進，下穿登云水庫上游漫坡地段（為淺埋段），并在漫坡附近再次下穿北二通道至其西側(cè)，后并行公路隧道向南，至水廠儲泥塘北側(cè)，以雙洞單線形式從園中互通匝道橋不同孔跨下穿園中互通至線路終點。

方案二：線路方案起點位于北頭嶺附近，下穿北二通道后向南靠山行進至登云水庫上游漫坡（即規(guī)劃登云生態(tài)城地塊）東側(cè)，避開水庫上游漫坡不良地質(zhì)地段，后線路折向登云生態(tài)城南側(cè)，以單洞雙線形式下穿園中互通至線路終點。

上述方案平面比選示意圖如圖1 所示。

圖1 北頭嶺隧道出口段線路方案比選示意圖

2.1.2 專家推薦意見

專家組對項目進行了細致的分析與綜合討論，從線路長度、隧道長度、四電工程、工程投資、投資差額五個方面對線路方案進行對比（對比內(nèi)容見表1）。

表1 北頭嶺隧道出口段線路方案對比表

由表1 可知，方案二雖然線路長度稍長，但沿線地質(zhì)條件好，對規(guī)劃登云生態(tài)城地塊無影響，對園中互通的影響相對較小，工程投資相對較少，因此采用方案二，即繞避登云水庫不良地質(zhì)地段和水廠儲泥塘方案。

2.2 蘭花山隧道縱坡方案及專家推薦意見

2.2.1 方案介紹

方案一：蘭花山隧道出口端采用3‰ 坡度方案。由于蘭花山隧道出口標高受在建橫五路標高限制（鐵路上跨公路），因此該段縱坡從控制點處反向設計。線路上跨在建橫五線后，以緊坡下至隧道出口外（最低點在洞外），然后以3‰的坡度向小里程方向上坡下穿公路隧道，之后與隧道進口端的人字坡銜接。

方案二：蘭花山隧道出口端采用V 坡加橫向排水洞方案。線路上跨在建橫五線后，以下坡進入北頭嶺隧道（最低點在洞內(nèi)，距洞口800m），然后以3‰的坡度向小里程方向上坡下穿公路隧道，之后與隧道進口端的人字坡銜接。鐵路隧道拱頂與公路隧道仰拱底之間的凈距達8.26m。為解決隧道V 坡排水問題，根據(jù)地形情況，在V 坡最低點左側(cè)設置橫向排水洞，排水洞洞徑為3.6m，最低點處軌面標高為69.313m，橫向排水洞出口處標高為66m（百年水位為65.5m）。

上述方案縱斷面如圖2、圖3 所示。

圖2 蘭花山隧道出口端采用3‰坡度方案縱斷面

2.2.2 專家推薦意見

專家組從規(guī)范符合性、隧道長度、排水要求等方面進行對比（對比內(nèi)容見表2）。

表2 蘭花山隧道縱坡方案對比表

由表2 可知，方案二下穿在建公路，隧道施工風險及實施難度相對較小、可以滿足隧道排水功能，透樟聯(lián)絡線縮短較多，總工程投資較少，因此推薦采用方案二，即蘭花山隧道出口端采用V 坡加橫向排水洞方案。

3 考慮多因素融合的層次分析模型建立

在方案比選過程中，各專業(yè)專家對線路推薦方案常常產(chǎn)生明顯差異[3]。為更加客觀地評價各線路方案的優(yōu)劣，建立考慮多因素融合的層次分析模型，借助層次分析法進行分析。

為提高港口后方通道線路方案的比選效率，將項目中的北頭嶺隧道出口段線路方案作為目標層Z，將影響線路走向的工程造價、施工難易程度、拆遷面積、規(guī)范符合性、與周邊設施兼容性（分別用A～E 表示）5 個主要因素作為判斷層P1，結(jié)合專家意見，將方案一、方案二作為方案層P2（分別用F、G 表示），所建立的層次分析模型如圖4 所示。

圖4 考慮多因素融合的層次分析模型

3.1 構建判斷矩陣

考慮到該項目涉及評價專業(yè)較多，為獲得綜合評價指數(shù)，根據(jù)福州港口后方通道的功能定位及工程執(zhí)行情況，同時結(jié)合多位專家的審查意見，采用專家打分法，基于工程造價、拆遷面積、規(guī)范符合性、施工難易程度、與周邊設施兼容性五類評價指標，建立線路方案判斷層對比矩陣，如表3 所示。

表3 判斷層評價矩陣表

根據(jù)上表3 構建如下比較矩陣：

利用MATLAB 計算得到判斷層各影響因素對方案層的相對權重，其權向量為=(0.155,0.056,0.553,0.102,0.135)，CR=0.089<1，滿足一致性檢驗。

為更加直觀地對比分析不同方案的優(yōu)缺點，建立模糊評價等級表，如表4 所示。

表4 模糊評價等級表

根據(jù)模糊評價等級表4，結(jié)合專家組評審意見，對方案層的各類指標進行評價賦值，結(jié)果如表5 所示。

表5 方案層判斷矩陣

根據(jù)表5 分別構建各方案與工程造價、拆遷面積、規(guī)范符合性、施工難易程度、與周邊設施兼容性五個因素的方案判斷層對比矩陣，得到結(jié)果如下：

根據(jù)上述矩陣，分別計算方案層對各判斷層的相對權重，經(jīng)計算得到：

3.2 計算結(jié)果分析

式（1）中：Z為目標層綜合計算得分；為判斷層各影響因素對方案層的相對權重；為方案層對各判斷層的相對權重[4]。

根據(jù)公式計算得出，北頭嶺隧道出口段線路方案一對北頭嶺隧道出口段線路方案的權重為0.278，方案二對北頭嶺隧道出口段線路方案的權重為0.6829。同理，計算蘭花山隧道縱坡方案一、二權重，并對相關數(shù)據(jù)進行匯總，如表6 所示。

表6 各方案層權重值

由表6 可知，北頭嶺隧道出口段線路方案二的權重值明顯高于方案一，說明綜合考慮工程造價、拆遷面積、規(guī)范符合性、施工難易程度、與周邊設施兼容性五類因素，方案二明顯優(yōu)于方案一，與專家評審意見一致；蘭花山隧道縱坡方案的方案二權重值高于方案一，說明蘭花山隧道縱坡方案二優(yōu)于方案一，與專家評審意見一致，進一步印證了考慮多因素融合層次分析模型的合理性和準確性。

4 結(jié)論

以福州港口后方通道為背景，探討了下穿和繞避登云水庫不良地質(zhì)地段和水廠儲泥塘兩種北頭嶺隧道出口段線路方案，以及采用3‰坡度和V 坡加橫向排水洞兩種蘭花山隧道縱坡方案，利用層次分析法，考慮了工程造價、拆遷面積、規(guī)范符合性、施工難易程度、與周邊設施兼容性五類影響因素，建立了考慮多因素融合的層次分析模型，綜合衡量各方面因素，最終確定了較優(yōu)選線方案，結(jié)果與專家評審及線路方案綜合比選結(jié)論一致，印證了考慮多因素融合的層次分析模型的合理性和準確性。同時，考慮多因素融合的層次分析模型將定性與定量相結(jié)合，有效提高了選線方案的客觀性和可靠性。

雖然通過建立多因素融合的層次分析模型，使方案論證更加客觀科學，但在專家打分階段仍需要專家定性分析，不夠客觀，今后將通過建立方案數(shù)據(jù)庫的方式，融合機器學習算法，直接根據(jù)道路線形計算出相關指標的分值，使方案線路比選更加客觀、準確。