模糊理论在库格铁路阿尔金山越岭方案研究中的应用

段荣成

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

传统的铁路方案比选采用工程经济指标法,并结合社会、环境、地质、施工等因素的定性分析,方案取舍常因着眼点不同而结论各异；当各方案的工程经济比较差异较小时,方案的取舍主要依赖于设计者的经验和立场。模糊评价理论首先抽取影响方案决策的因素作为评价对象,建立以评价对象为参数、最优方案为目标的函数模型；然后由工程师根据经验对参数进行量化赋值,通过并不复杂的计算进行排序,最终确定最优方案。

2 库格铁路的概况

新建铁路库尔勒至格尔木线是西部地区重要的路网性干线。西起南疆线库尔勒站,途径尉犁县、农二师三十一至三十六团、若羌县、青海油田重镇茫崖行委后引入青藏铁路格尔木站,是一条西部客货共线的单线电气化铁路。阿尔金山横亘在青海与新疆交界处,是本线必须翻越的天然屏障。越岭垭口位置、隧道长度及越岭高程的选择,直接影响本线线路长度和工程投资。

3 阿尔金山越岭方案传统法比选分析

3.1 越岭地段地形、地质条件及线路方案控制因素的分析

图1 阿尔金山越岭垭口位置示意

阿尔金山山脉呈NE向一字形展开,南部柴达木盆地海拔2 800 m,北部塔里盆地为800 m,本线经过区域垭口高程为3 050～3 700 m(图1)。山体总宽度120～160 km,其中中部山岭区宽度20～40 km,地形陡峻复杂；山岭两侧洪积扇群发育,尤以北坡为重,宽度达10～100 km,自然坡度为6%～10%,洪积扇区地形较为整齐,有利于线路展线。

3.2 越岭方案简述

自北向南共研究了拉配泉垭口、金雁山垭口、巴什考供垭口、霄克垭口等4个垭口的多个越岭线路方案,其中拉配泉、金雁山两垭口已经在宏观走向方案中比选后予以放弃,以下就巴什考供垭口、霄克垭口沿米兰河方案、霄克垭口沿若羌河方案等3个垭口的越岭线路方案进行比选。

3.2.1 巴什考供垭口CK方案(经红柳沟)

线路翻越岭垭口后可以利用巴什考供盆地和红柳沟展线研究该哑口方案,线路从依吞布拉克站引出,与新315国道走向一致,穿索尔库尔山间盆地,再沿山前洪积扇以足坡向上展线,最高至海拔3 283 m处,以16.96 km隧道穿越阿尔金山巴什考供垭口,后线路折向西沿红柳沟上游宽谷区展线而下,以最长4.06 km短隧道群穿越红柳沟南山,再沿山北洪积扇足坡展线而下至米兰镇,设米兰站,沿315国道南侧西行,至比较终点。方案比选示意见图2，方案工程经济比较见表1。

图2 阿尔金山越岭垭口方案比选示意

表1 阿尔金山线路越岭方案工程经济比较

3.2.2 霄克垭口沿米兰河ICK方案

线路翻垭口后可以沿米兰河展线，研究了该方案,线路从依吞布拉克站引出,从乌苏肖湖南侧沿老315国道西行,线路行至霄克垭口处达最高3 226 m,抵米兰河上游,后顺米兰河河谷而下,以短隧道群穿越米兰河东侧山岭至阿尔金山北坡,先沿山前洪积扇向东展线,再迂回折向西,自东向西跨越米兰河,在若羌县城东6.0 km处设若羌站,至比较终点。

3.2.3 霄克垭口沿若羌河IICK方案

线路翻垭口后可以沿若羌河展线研究了该方案,线路与ICK方案相同,过霄克垭口离开米兰河上游向东,至若羌河上游,利用若羌河西岸山体和沟谷展线而下,进入山北洪积扇群区,迂回展线至比较终点。

3.3 传统方法比选研究及分析意见

3.3.1 从工程地质条件及工程安全可靠性分析

三方案都经索尔库尔盆地、阿尔金山山脉及阿尔金山北麓山前冲洪积扇,经过地层岩性主要为第四系、第三系、元古界蓟县系,岩性复杂,节理裂隙发育。

巴什考供垭口CK方案沿线断裂构造发育,但大多与线路走向大角度相交；红柳河南岸山体多陡峭,局部沟谷危岩、落石发育。索尔库尔盆地和巴什考供山间盆地地形地质条件较好,便于展线,工程安全可靠。

霄克垭口沿米兰河ICK方案通过索尔库尔盆地靠山边缘,发育有特大型泥石流沟,垂直宽度可达2 km；米兰河河床纵坡大,两岸山势陡峻,不良地质主要为危岩、落石,线路通过多条大型断裂构造带,线路小角度斜穿F19号断层,走行于断裂影响带内；工程地质条件较差,工程可靠性差。

霄克垭口沿若羌河IICK方案依吞布拉克至卡鲁巧卡ICK方案共线,地质条件相同；若羌河河床纵坡大,线路通过多条大型断裂构造带,工程地质条件较差。

综上所述,巴什考供垭口CK方案工程地质条件相对较好,霄克垭口沿米兰河ICK方案、沿若羌河IICK方案地质条件较差。

3.3.2 从与罗布泊至和田铁路的衔接关系分析

巴什考供垭口CK方案米兰至若羌段线位与规划罗和铁路走向一致,标准相同,该段59 km可与罗中-和田铁路并线,近期该段两线运量不大时罗和铁路可利用库格铁路,节省其近期投资约9亿元,从路网衔接分析巴什考供垭口CK方案路网匹配性好。

3.3.3 从工程设置对环境影响方面分析

各方案处于阿尔金山无人区,生态处于原始状态,ICK、C48K方案通过山区段落较长，需要对山体进行大开大挖,土石方工程巨大,铁路作为带状构筑物对原有生态系统造成新的切割,对阿尔金山地区的生态环境影响相对较大。而巴什考供垭口越岭CK方案山区地段长度短,工程地质条件好：且线路走向与G315线一致,形成了一个共同的交通走廊,对保护区基本不造成新的切割影响,对生态环境的整体影响较小。从工程设置对环境影响分析巴什考供垭口越岭CK方案影响较小。

3.3.4 从工程设置及经济性分析

巴什考供垭口CK方案较霄克垭口沿米兰河ICK方案线路长度长17.63 km,桥隧总长短16.81 km,静态投资省3.45亿元,较霄克垭口沿若羌河IICK方案线路长度短12.21 km,桥隧总长短35.95 km,静态投资省17.29亿元。在考虑30年运营费和机车车辆购置费后,巴什考供垭口CK方案综合效益最好,较霄克垭口沿米兰河ICK方案省0.08亿元,较霄克垭口沿若羌河IICK方案省19.98亿元。

综合分析,巴什考供垭口CK方案工程设置适当,工程投资最少,运营费较低,与规划的罗布泊至和田铁路匹配好,对周边生态环境的破坏小,对自然保护区的影响不大,综合效益显著,因此,各方案中巴什考供垭口CK方案最优。

4 采用模糊理论优选方案的研究

4.1 指标体系的确定

针对3个垭口方案,现把静态投资、30年运营费现值、桥隧总长度、机车车辆购置费现值、线路长度、工程地质条件、路网匹配性和铁路施工与运营条件作为评价的对象。

首先设3个设计方案构成域,即U={X1(方案Ⅰ(巴什考供垭口CK方案)),X2(方案Ⅱ(霄克垭口沿米兰河ICK方案)),X3(方案Ⅲ(霄克垭口沿若羌河IICK方案))}。用U上的函数f(x)表示投资额作为目标函数,则如表2所示。

表2 目标函数

用U的模糊集合C1、C2、C3、C4、C5,表示静态投资、运营费现值、桥隧总长度、机车车辆购置费现值和线路长度。用C6、C7、C8和C9表示工程地质条件、路网匹配性、铁路施工与运营条件和工程设置对环境影响。再将各个方案被评价对象的基础数据进行量化(表3)。

表3 约束函数量化值

4.2 方案优选模糊集合的运算

由此得模糊集合C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8和C9为

所以最佳决策集合为

D=mf∩C1∩C2∩C3∩C4∩C5∩C6∩

4.3 方案优选模型的运算结果

由于X1对D的隶属程度最高,根据最大隶属原则,认为X1(方案CK)是最佳设计方案。

5 结语

通过采用传统的线路方案比选方法从地质、环境、铁路路网、工程经济指标等因素的分析比选研究确定巴什考供越岭垭口方案为最优方案；并在传统比选的基础上,选择模糊评价理论,对影响方案的诸多因素进行一一量化,确定目标函数和约束条件,从而构建起模糊优选的模型,也得出该方案为最佳设计方案。

研究表明,通过对模糊综合评价理论方法在该方案研究中的应用,认为该方法是合理的和可行的,有较好的实用价值。在影响方案的因素较多,不能只靠工程投资为主要因素来确定方案的项目中可以应用。

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