岩溶区铁路综合选线及辅助决策技术研究

俎保峰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

我国岩溶地貌分布广、面积大，分布总面积91～130万km2，占我国国土面积的10%以上，其中以广西、贵州、云南和四川东部等分布最为广泛。目前已建成通车的岩溶铁路项目主要有宜万铁路、渝利铁路、贵广高铁、沪昆客专、云桂铁路、渝黔二线、黔张常铁路、怀衡铁路等，规划岩溶铁路项目有渝怀二线、安张衡铁路等等。可以预见在将来的中长期铁路网规划中，还将涌现出一大批岩溶区铁路项目。

黔张常铁路位于重庆、湖北和湖南三省市交界地带，线路全长约336.26 km，设计时速200 km、客货共线铁路。该项目线路穿越岩溶广为发育的武陵山区，在岩溶区通行总长度132.70 km，占线路总长的39%；岩溶隧道总长度82.42 km，占隧道总长的49%，为典型的岩溶区铁路。该项目于2014年12月开工建设，2019年12月建成通车。

国内外学术界及工程界对于岩溶区地质特征、选线理论及决策手段均进行了大量研究。原铁道部第二勘测设计院主编的铁路岩溶工程地质专著《岩溶工程地质》[1]作为较早的岩溶工程地质专著，对岩溶区工程地质特征进行了系统论述，对于指导岩溶铁路勘察设计具有重大意义。陆玉珑[2]对南昆铁路岩溶区选线特点进行了总结，论述了岩溶区各类地质条件下的选线设计原则和工程措施。蒋忠信[3]对南昆铁路岩溶地质灾害进行了系统研究，拟订相应的防治工程措施并提出了岩溶区选线原则。邓谊明[4]在分析岩溶发育特征的前提下，提出了枝万线岩溶区选线原则。谷永磊[5]采用灰色模糊综合评判模型，对新建田德铁路岩溶塌陷的风险性进行综合评判，进而指导优化线路方案。黄树标[6]根据岩溶地质灾害对铁路工程产生的影响，归纳总结了岩溶区铁路工程地质选线的特点。张广泽等[7]从水文地质条件分析角度，提出了丽香铁路莲花山岩溶隧道安全可行的隧道选线原则。苏贵芬[8]从地质分析角度对云桂铁路广南段线路方案进行了比选和优化。王军伟[9]从地质选线角度提出了岩溶地区选线原则。乔平等[10]将铁路地质选线涉及的主要问题(滑坡、泥石流、风沙、岩溶)归纳、总结并建立了信息库，为铁路选线提供地质依据。李远富等[11]基于多目标模糊综合优选模型，研制开发了铁路线路设计方案综合优选决策系统，较好地解决了传统方法在各方案定量与定性指标出现交叉时难以评优问题。陈永贵等[12]建立了铁路线路方案综合评价指标体系，采用层次分析法确定各因素的权重，并根据模糊数学理论建立模糊综合评判，从而确定最优的线路方案。孔德华[13]建立了铁路选线质量综合评价模型，探讨了将铁路选线中遇到的不确定因素转化为费用指标——风险概算费用，直观地进行线路方案比选的方法。毛邦燕等[14]建立了地质选线评价的GRC模型，确立了地质选线评价指标体系及各指标体系的权重值，并对沪昆客专黄果树至北盘江段进行了方案评价。美国成立了岩溶水研究所，有效推进了岩溶研究，提出了岩溶区有关工程问题的解决方案，并在西弗吉尼亚州为国家水资源的利用和保护建立了专家鉴定系统和数据库。德国水文地质学家关于岩溶水文地质创立了垂向分带的概念模型，以指导岩溶地质勘察。

依托已建成通车的黔张常铁路勘察设计，在吸纳前人研究成果的基础之上，借鉴以宜万铁路、渝利铁路为代表的既有岩溶铁路施工过程中发生的地质灾害类型、产生原因、造成后果以及治理措施等相关资料[15-17]，进一步归纳总结具有普遍适用性的岩溶区选线、设计原则，通过建立数学模型以实现岩溶区选线的辅助决策，并对计算机辅助决策系统进行探索性研究。

1 岩溶区铁路选线、设计原则总结

(1)岩溶区铁路技术标准尤其是限制坡度选择，应充分结合岩溶特殊地质条件，为尽量规避岩溶风险，有条件前提下应推荐采用大坡度标准。

(2)线路应尽量绕避三叠(T)、二叠(P)、奥陶(O)、寒武(∈)系等可溶岩地层或尽可能短距离通过。

(3)线路应尽量绕避向斜构造(特别是大型向斜储水构造)，绕避困难时宜设明线通过。

(4)对于断裂构造带，如有条件线路应予以绕避；如无绕避条件，线路应短距离、大角度与之交叉通过且应尽量设置明线工程。

(5)对于大型溶蚀洼地，线路应以绕避为原则，如不具备绕避条件或绕避后造成单体岩溶隧道过长，则宜拔高线路以明线通过洼地区域；如无条件绕避也无条件抬高线路，则应于洼地范围边缘地带以隧道形式通过，且隧道长度不应过长(一般不宜超过6 km)。

图1为桑植站进站前线路以长度为5 058 m桑植隧道通过卧云界溶蚀洼地边缘地带。

图1 桑植进站前线路绕避卧云界大型溶蚀洼地示意

(6)对于暗河、溶洞、岩溶大泉、漏斗、落水洞等岩溶发育形态，以平面绕避为首选原则；如无绕避条件，则尽量设明线通过；若以隧道工程通过，应探明其发育高程范围，线路高程应高于其发育高程；线路不宜设隧道下穿岩溶形态集中分布区域。

图2为武陵山隧道洞身线路绕避岩溶发育形态。

图2 武陵山隧道洞身线路绕避岩溶发育形态示意

(7)在强烈下切河谷两岸设置隧道工程时线路高程应尽量高于侵蚀基准面高程；侵蚀基准面高程范围可按常水位～百年水位。

图3为澧水南源两岸隧道高程与侵蚀基准面(336～347 m)关系示意。

图3 澧水南源两岸隧道高程与侵蚀基准面关系示意

(8)对于岩溶强烈发育区长大隧道段线路，在保证隧道适当埋深的前提下，宜平行、临靠沟谷布线，一则可减轻岩溶水的危害，二则施工过程中一旦发生岩溶地质灾害，便于短距离打通横向排水通道进行治理。

图4为大坪隧道段线路基本平行于阿蓬江支流朗溪沟布线示意。

图4 大坪隧道段线路临靠沟谷布线示意

(9)对于岩溶强烈发育长隧道越岭地段，如果区域内存在多套暗河系统、多处排泄基准面，无法准确判释地下水分水岭的情况下，线路宜走行于地表分水岭附近，以尽量减轻隧道洞身可能承受的岩溶水压力。

图5为武陵山越岭长隧道段线路于张三溪附近四组地表局部高点(图中粉红色封闭曲线代表局部高点区域；数字为地表高程，单位为m)附近布线示意。

图5 武陵山越岭隧道段线路走行于地表分水岭附近示意

(10)纵断面设计：应尽可能拔高线路，尽量使隧道位于水平循环带及季节变动带以上的垂直渗流带范围内；争取利用沟谷出露，缩短隧道长度，减小隧道埋深；隧道纵断面宜设计为“人”字坡，以利排水、救援。

(11)工程设置：岩溶发育区宜多设置路基、桥梁等明线工程，少设置隧道，尤应避免设置长大岩溶隧道(一般按6 km、10 km两级控制)。

2 岩溶铁路选线辅助决策技术研究

2.1 综合评价指标体系

通过对黔张常铁路岩溶发育特征、规律的深入研究，结合项目地质勘察资料以及既有岩溶区铁路选线设计经验、教训[15-17]，构建岩溶区线路方案的综合评价指标体系(图6)。

图6 岩溶区线路方案综合评价指标体系构成

2.2 评价指标权重

(1)引入的理论和方法

①风险理论；

②1～9级标度法；

③专家调查法。

(2)评价指标权重

通过发放专家调查表，进行多轮专家调查，汇总、整理调查表，对调查结果进行分析处理，并达成一致意见后构建判断矩阵[18-20]。

应用矩阵相乘公式：Wi=αj·wi，可得指标层(C)相对于目标层(O)的权重向量如下

W=(W1，W2，W3，…，W12)=

(0.123，0.069，0.036，0.069，0.036，0.055，

0.055，0.105，0.105，0.055，0.105，0.187)

(1)

对计算结果进行一致性检验如下

(2)

可见，计算结果具有较好的一致性。

2.3 模糊层次分析法数学模型

(1)引入的理论和方法

①模糊数学理论；

②层次分析法[18-20]。

(2)模糊层次分析法数学模型

根据上述研究确定的综合评价指标权重向量，可得用于岩溶区线路方案综合评价的模糊层次分析法数学模型如下

B=W∘R=(0.123，0.069，0.036，0.069，0.036，0.055，0.055，0.105，0.105，0.055，0.105，0.187)∘

(3)

其中，B为综合评价结果；W为综合评价指标权重向量；R为相对优属度矩阵；“∘”为模糊合成算子；bj为方案dj的综合优越度，根据最大优属度原则，可根据bj的数值对于各个线路方案进行优选排序，选取数值最大的方案作为推荐线路方案。

2.4 计算机辅助决策

结合上述岩溶区线路方案综合评价理论与方法，整合地形高程、人工设施(地物)、地质条件(含岩溶形态、地质构造等)三类数据，基于GIS系统，应用ArcGIS软件将选定的工程及地质因子转换为选线决策分析所需的空间数据结构(包括栅格、矢量、TIN)并建立数据库(图7)。

图7 岩溶区地形、地质综合数据库示意

提供人机交互操作的友好界面，在勘察设计过程中，不断录入工程、水文地质信息，不断更新、充实、完善数据库；利用ArcGIS二次开发功能，编译建立智能化方案决策的相关程序及插件宏按钮[21]。通过设置判别属性，对各类因素进行度与量的统一化处理，赋予相应的成本值，并叠加生成线路成本格栅，利用ArcGIS成本路径分析功能，获得理论成本最低路径(即“成本最优路径”)，为线路方案决策提供参考、借鉴。

选取一组黔张常铁路典型岩溶区线路走向比选方案：经水沙坪溶蚀洼地(CK)或经茨岩塘溶蚀洼地(C2K)方案，应用本系统进行辅助决策的情况见图8。

图8 理论成本最优路径与实际线路方案对比示意

通过对比分析理论成本最优路径与不同方案线路走向可得如下结论。

(1)前半段最优路径与C2K方案一致性较高，说明该段落内综合考虑工程本身成本及岩溶风险成本C2K方案相对更优，但受选取地势较低的水沙坪溶蚀洼地出露以分割长大岩溶隧道、降低跨越深切沟谷桥梁高度等因素控制，未推荐C2K方案。

(2)后半段最优路径先是位于茨岩塘、水沙坪两处大型溶蚀洼地之间，以规避溶蚀洼地对于隧道工程的岩溶风险为首要原则；通过溶蚀洼地后偏离CK方案并出现大角度转折，主要取决于工程设置条件，选取平缓地形、设置简易工程布线，但展线系数过大，明显不合理；说明后半段成本栅格有待优化或成本参数赋值与实际偏差较大；同时也说明该区域地形复杂，线路需以桥隧相连的形式通过，工程比较艰巨；由于后半段CK方案线位更为接近最优路径，故推荐采用CK方案是合理的。

(3)后半段最优路径部分位于茨岩塘、水沙坪之间，虽在平面上绕避了大型溶蚀洼地，但结合纵断面设计，须设置长度大于10 km的特长岩溶隧道工程，根据岩溶铁路建设经验，其施工风险往往难以控制，故缺乏科学性、合理性。

(4)计算机辅助决策技术具有较大局限性，其不具备独立思考能力，不能完全代替工程技术人员进行分析、决策。

3 研究成果推广应用情况

上述研究成果同步应用于黔张常铁路各阶段勘察设计，黔张常铁路已于2019年12月建成通车，施工过程中无突水、突泥地质灾害发生，也未造成施工人员伤亡，运营至今工程安全可靠，运营通畅稳定，直接证明了上述研究成果具有一定的实用性和科学性。

此外，中铁一院在2012至2015年度参与的岩溶区铁路项目竞标过程中，上述研究成果得到了广泛应用，并发挥了一定作用。应用上述成果辅助选线参与竞标的项目主要有：张家界经吉首至怀化铁路(线路长度约250 km)、南宁至凭祥铁路(线路长度约195 km)、黄桶至百色铁路(线路长度约290 km)、柳州经贺州至韶关铁路(线路长度约475 km)和防城港经崇左至百色铁路(线路长度约340 km)等等，线路长度合计约1 550 km。其中，成功中标防城港经崇左至百色铁路勘察设计项目。

4 研究成果创新点

(1)总结出“大坡度、高线位、隧道人字坡、傍沟布线”等具有普遍适用性的岩溶区选线、设计原则，其中“岩溶强烈发育区长大隧道段线路宜平行、临靠沟谷布线，如施工过程中发生突水、突泥地质灾害，以利打通横向排水通道”“无法准确判释地下水分水岭的情况下，隧道宜设置于地表分水岭附近以减轻岩溶危害”等岩溶区选线设计原则属于国内首创。

(2)定量化线路方案评价：通过构建综合评价指标体系及模糊层次分析法数学模型，实现岩溶区线路方案的综合优越度评分，根据评分高低对方案进行优劣排序，初步实现了将方案比选的定性问题转化为定量化处理。定量化方案评价是对于岩溶区选线技术手段的探索性革新，在推动岩溶区选线技术进步方面具有一定意义。

(3)岩溶区选线的多因素计算机辅助决策：基于GIS系统建立岩溶区地形、地质综合数据库，借助GIS系统“成本最优路径分析法”研究提出的计算机辅助决策技术，可供选线决策参考、借鉴，为推动岩溶区选线技术手段革新提供了一种研究方向和思路。

5 结论

通过消化吸收现有岩溶区选线理论资料、辅助决策资料等，借鉴宜万、渝利等既有岩溶区铁路的建设经验、教训，分析研究黔张常铁路初、定测等各阶段地质资料、技术标准及线路方案比选资料，归纳总结出具有普遍适用性的岩溶区选线、设计原则，提出的部分原则属国内首创。通过构建综合评价指标体系、模糊层次分析法数学模型，初步实现了岩溶区线路方案的定量化评价；但该方法主要基于专家主观经验，具有一定的主观性和不确定性，未来可考虑结合实际工程应用情况，组织专家研讨，不断总结经验、教训，持续修正各评价指标权重值，必要时，补充完善综合评价指标体系，以期不断提高该方法的工程适用性和科学性。借助GIS系统“成本最优路径分析法”研究提出的计算机辅助决策系统，可为岩溶区选线决策提供参考、借鉴，但由于计算机辅助决策技术本身的局限性以及该系统的不完善性，距离实际应用、实现“自动化选线”尚有较大差距，但对于岩溶区选线技术手段革新提供了一种研究方向和思路。

黔张常铁路工程实践表明，总结提出的岩溶区选线、设计原则可有效规避岩溶风险；基于模糊层次分析法构建的岩溶区线路方案评判数学模型具有一定的实用性和科学性。研究提出的理论和方法工程实践效果良好，对于岩溶区铁路及高速公路选线决策具有一定的指导意义和借鉴作用。