黃百鐵路紫云高低站位線路方案多方法優選

王彥虎

（中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司，貴陽 550002）

鐵路選線設計是根據設計項目的功能需求，結合所經地區的社會、自然和生態環境，以經濟、安全、舒適、快捷、環保為目標，從大面積著手，由面到帶、由帶到線，逐步細化、逐步逼近，確定線路空間位置、協調布設各種建筑物的決策過程。選線設計是在主客觀約束下從設計空間可能方案中搜索出在評價指標集上最優的多目標決策過程，具有數據源廣泛、整體性強、知識面廣、度和量的統一、方案特征和實踐性強等特點。

針對鐵路選線方法，朱穎［1］等通過大量工程實例總結了傳統鐵路選線理念；楊立國［2］、郭海東［3］等基于模糊數學、層次分析法、BP神經網絡、GIS、灰色關聯度等數理統計工具探究了鐵路選線的新方法；隨著BIM技術和智能系統的應用；易思蓉［4］、劉威［5］等在智能選線方面做了相關研究。本文以黃桶至百色鐵路（以下簡稱“黃百鐵路”）鎮寧至石屯段線路方案為背景，采用傳統設計方法、基于ArcGIS軟件和層次分析法對該段線路方案進行綜合比選，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的安順市、黔西南州和廣西百色市境內，為國家規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，呈南北向經普定縣、六枝特區、鎮寧縣、紫云縣、望謨縣、樂業縣和凌云縣后，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，貴州省境內長173.847 km，廣西自治區境內長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

黃百鐵路鎮寧至石屯段線路位于貴州省鎮寧、紫云和望謨三縣境內，紫云縣城位于鎮寧至望謨航空線東側約20 km、海拔1 100～1 300 m的高原面上（以下簡稱“縣城臺地”）。縣城南側的火花鎮一帶分布有寬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”）。縣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設紫云站（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（約25 km），故需對紫云高站位方案和低站位方案進行綜合比選（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 傳統設計方法比選

2.1 方案簡介

紫云高站位方案：線路自鎮寧站引出，向東南經江龍后沿槽谷向東行進，穿越五指山，跨越六志河，而后經白石巖鄉南側于彭家院設紫云站，出站后折向南，設白石巖隧道、羊架河特大橋，經交洞、邊饒后至比較終點石屯。線路長96.79 km，橋隧比為78.4%。

紫云低站位方案：線路自鎮寧站引出，向東南經募役、黃花哨后跨越紅辣河于紫云縣城南側8 km的火花鎮平寨村設紫云站，出站后折向南，經交平、邊饒后至比較終點石屯。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經濟指標如表2所示。

表2 主要技術經濟對照表

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，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。

（2）從工程地質條件分析

該段線路沿線以灰巖、白云質灰巖等可溶巖為主，部分為砂巖、泥巖等，兩方案主要工程地質情況對照表如表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、不良工程地質多3處，且線路經過可溶巖段標高較低，位于地下水季節變動帶以下隧道較長，施工和運營風險較高，故從工程地質條件分析，紫云高站位方案更優。

表3 主要工程地質情況對照表

（3）從帶動地方經濟發展分析

紫云低站位方案車站位于縣城南側火花鎮槽谷，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，且車站與城區發展方向不符，對地方經濟的帶動作用較小。紫云高站位方案車站位于縣城西北側，距縣城航空距離約 7 km，與紫云縣城規劃及發展方向相符，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濟發展。

（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。

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）從環境保護方面分析

本段線路與鎮寧白馬湖縣級森林公園、紫云板母地下水飲用水源保護區有干擾，但兩方案均予以繞避，對環境保護區均無影響。

（6）從其他方面分析

線路廊道內王二河水庫等重大工程設施不控制方案，兩方案沿線文物保護單位、軍事保護區等均按繞避原則進行繞避。

2.3 比選結論

紫云高低站位方案對廊道內風景名勝區、自然保護區、水源保護區、文物古跡及重大工程設施等均距離較遠或予以繞避，兩方案相當。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，對地方經濟發展推動作用較小，社會經濟效益較差，新設通站道路需增加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，與縣城規劃發展方向相吻合，有利于城市綜合開發和產業布局，社會經濟效益較好。綜上分析，推薦采用紫云高站位方案。

3 基于ArcGIS軟件的地質專項比選

在復雜的地質情況下鐵路線路應盡量選擇在工程地質條件較好的區域通過，既要保證工程安全可靠、經濟合理，又要盡量減少工程對環境的影響。該段線路方案地質條件較為復雜，存在危巖落石、巖堆、巖溶、瓦斯等眾多突出工程地質問題，工程地質條件成為方案比選的難點和主控因素，而其余因素如環境敏感點、文物、軍事設施、重大工程等均為次要因素，故本節采用ArcGIS軟件對兩方案工程的地質條件進行專項比選。

3.1 方案地質比選模型的建立

鐵路工程地質資料具有多源、多類、多量、多維等特點，各種地質數據在精確度、分辨率、數量、質量等方面也存在很大的差異。為了保證信息的有效性和準確性，本節借助ArcGIS軟件的最優路徑分析和費用選擇技術，建立方案地質比選模型對紫云高、低站位兩方案進行綜合地質評價。基于ArcGIS最優路徑分析技術的選線方法流程如圖3所示。

圖3 ArcGIS最優路徑分析流程圖

通過調查、勘探、物探及鉆探等手段，對區域內影響線路方案的工程地質因素進行分析，確定主要影響因素，各影響因素的權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，進一步分析確定，如表4所示。

表4 影響因素及權重表

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

圖4 方案地質比選模型圖

3.2 高低站位地質專項比選及結論

通過以上基于ArcGIS軟件建立的方案地質比選模型，輸入影響因素及權重，模型比選紫云高低站位兩個方案的最優費用。計算可得，紫云高站位方案費用較紫云低站位方案低，單從地質條件分析，紫云高站位方案為較優方案。

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的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進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、各層子目標、評價準則直至具體方案的順序分解為不同的層次結構，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先權重，最后再用加權和的方法歸并各方案對總目標的綜合評判值，評判值最大者即為最優方案，本節利用層次分析法對紫云高低站位方案進一步分析比選［6］。

4.2 構建層析結構模型

（1）構建指標體系

線路方案進行多目標指標比選時，首先需要構建評價指標體系，指標體系的結構分為目標層、準則層和子準則層。本段線路方案以技術條件和經濟條件為準則層，以技術條件和經濟條件的子準則層構建模型，如表5所示。

表5 分析指標體系表

（2）構造判斷矩陣

首先對同一層次的指標兩兩比較其相對重要性，得出相對權值的比值，以此構造判斷矩陣為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兩因素相對權值的比值，可按照相關要求，采用1～9比例標度法對其重要性賦值。

（3）權值計算及一致性檢驗

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

式中：CI——一致性指標；

A——比較矩陣；

Y——特征向量；

n——因素個數。

4.3 方案比選及結論

通過建立的多目標比選模型及理論，利用Matlab軟件編制程序進行層次分析計算，降低手動計算誤差，提高比選準確度。根據以上分析指標體系構建判斷矩陣，經過多次循環求解，并經一致性檢驗，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，可作為推薦方案，這與前述兩種方法分析結論一致。

5 結束語

本文采用傳統設計比選、基于ArcGIS軟件建立模型地質專項比選和層次分析法綜合評價3種方法，對黃百鐵路鎮寧至石屯段紫云高低站位方案進行了綜合比選，結果表明：3種方法確定的最優方案均為紫云高站位方案，論證了傳統方法的準確性；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，對線路方案設計有一定的參考價值，提高選線效率。