黄百铁路紫云高低站位线路方案多方法优选

王彦虎

（中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司，贵阳 550002）

铁路选线设计是根据设计项目的功能需求，结合所经地区的社会、自然和生态环境，以经济、安全、舒适、快捷、环保为目标，从大面积着手，由面到带、由带到线，逐步细化、逐步逼近，确定线路空间位置、协调布设各种建筑物的决策过程。选线设计是在主客观约束下从设计空间可能方案中搜索出在评价指标集上最优的多目标决策过程，具有数据源广泛、整体性强、知识面广、度和量的统一、方案特征和实践性强等特点。

针对铁路选线方法，朱颖［1］等通过大量工程实例总结了传统铁路选线理念；杨立国［2］、郭海东［3］等基于模糊数学、层次分析法、BP神经网络、GIS、灰色关联度等数理统计工具探究了铁路选线的新方法；随着BIM技术和智能系统的应用；易思蓉［4］、刘威［5］等在智能选线方面做了相关研究。本文以黄桶至百色铁路（以下简称“黄百铁路”）镇宁至石屯段线路方案为背景，采用传统设计方法、基于ArcGIS软件和层次分析法对该段线路方案进行综合比选，旨在探索铁路选线新方法。

1 概况

1.1 黄百铁路概况

黄百铁路位于贵州省西南部地区的安顺市、黔西南州和广西百色市境内，为国家规划西部陆海新通道的辅助通道，如图1所示。线路自既有沪昆铁路黄桶站引出，呈南北向经普定县、六枝特区、镇宁县、紫云县、望谟县、乐业县和凌云县后，接入南昆铁路永乐站，后通过永乐至百色增建南昆铁路二线引入南昆铁路百色站。正线建筑长度312.626 km，贵州省境内长173.847 km，广西自治区境内长138.779 km。

图1 西部陆海通道各线示意图

1.2 紫云高低站位方案介绍

黄百铁路镇宁至石屯段线路位于贵州省镇宁、紫云和望谟三县境内，紫云县城位于镇宁至望谟航空线东侧约20 km、海拔1 100～1 300 m的高原面上（以下简称“县城台地”）。县城南侧的火花镇一带分布有宽1 000～2 500 m，长25 km，海拔750～850 m的平缓低洼槽谷（以下简称“火花槽谷”）。县城台地与火花槽谷高差较大（平均高差约450 m），地势陡。

若在距离县城较近（约6 km）、海拔较高的县城台地设站（以下简称“紫云高站位方案”），则线路较长，地形起伏较大；在海拔较低的火花槽谷内设紫云站（以下简称“紫云低站位方案”），线路较顺直，地势起伏较小，但距离县城较远（约25 km），故需对紫云高站位方案和低站位方案进行综合比选（以下简称“紫云高低站位比选”）。

1.3 主要控制因素

镇宁至石屯段线路主要控制因素如表1所示。

表1 线路主要控制因素表

2 传统设计方法比选

2.1 方案简介

紫云高站位方案：线路自镇宁站引出，向东南经江龙后沿槽谷向东行进，穿越五指山，跨越六志河，而后经白石岩乡南侧于彭家院设紫云站，出站后折向南，设白石岩隧道、羊架河特大桥，经交洞、边饶后至比较终点石屯。线路长96.79 km，桥隧比为78.4%。

紫云低站位方案：线路自镇宁站引出，向东南经募役、黄花哨后跨越红辣河于紫云县城南侧8 km的火花镇平寨村设紫云站，出站后折向南，经交平、边饶后至比较终点石屯。线路长90.90 km，桥隧比为83.5%。两方案比选示意如图2所示。

图2 紫云高低站位方案比选示意图

2.2 方案比选

（1）从线路长度及工程投资分析

紫云高低站位两方案主要技术经济指标如表2所示。

表2 主要技术经济对照表

由表2可知，从本线工程分析，紫云低站位方案线路长度较紫云高站位方案短5.935 km，且特殊高桥少、隧道及辅助坑道短，工程投资省8.85亿元；从贵兴铁路引入工程分析，紫云高站位方案贵兴铁路较紫云低站位方案双线短5.028 km，单线短15.70 km，工程投资省19.877亿元；从紫云站通站道路分析，紫云低站位距离县城较远，交通不便，需修建长约14.5 km通站道路，投资约7.3亿元，而紫云高站位方案车站距离县城近，且有规划白云大道连接。综合分析，紫云高站位方案较低站位方案总投资省18.25亿元，紫云高站位方案稍优。

（2）从工程地质条件分析

该段线路沿线以灰岩、白云质灰岩等可溶岩为主，部分为砂岩、泥岩等，两方案主要工程地质情况对照表如表3所示。由表3可知，紫云低站位方案较高站位方案：岩溶水隧道长3.3 km、低瓦斯隧道长 1.3 km、不良工程地质多3处，且线路经过可溶岩段标高较低，位于地下水季节变动带以下隧道较长，施工和运营风险较高，故从工程地质条件分析，紫云高站位方案更优。

表3 主要工程地质情况对照表

（3）从带动地方经济发展分析

紫云低站位方案车站位于县城南侧火花镇槽谷，海拔较低，距县城航空距离约8 km，交通不便，需新建通站道路14.5 km，投资约7.3亿元，且车站与城区发展方向不符，对地方经济的带动作用较小。紫云高站位方案车站位于县城西北侧，距县城航空距离约 7 km，与紫云县城规划及发展方向相符，且车站同县城同处于紫云高原面上，通站道路有规划的白云大道，交通方便，有利于居民出行，可较好地带动沿线经济发展。

（4）从重大工程条件分析

站位工程条件：紫云低站位方案车站位置虽地势开阔，但局部地形起伏较大，土石方量较大；紫云高站位方案车站位置地势平坦，土石方量小，工程较简单。从站位条件分析，紫云高站位方案较优。

隧道工程条件：紫云低站位方案6 km以上的长大隧道2座，分别为紫云隧道（7.695 km）、喜王隧道（7 680 km），隧道辅助坑道总长3.2 km，条件较好；紫云高站位方案6 km以上的长大隧道2座，分别为白石岩隧道（6.8 km）、喜旺隧道（7.45 km），辅助坑道总长8.38 km，条件稍差。

桥梁工程条件：紫云低站位方案大于50 m特殊桥4座，长2.24 km，最大桥高102 m。紫云高站位方案大于50 m特殊桥8座，长6.28 km，最大桥高133 m。

（5）从环境保护方面分析

本段线路与镇宁白马湖县级森林公园、紫云板母地下水饮用水源保护区有干扰，但两方案均予以绕避，对环境保护区均无影响。

（6）从其他方面分析

线路廊道内王二河水库等重大工程设施不控制方案，两方案沿线文物保护单位、军事保护区等均按绕避原则进行绕避。

2.3 比选结论

紫云高低站位方案对廊道内风景名胜区、自然保护区、水源保护区、文物古迹及重大工程设施等均距离较远或予以绕避，两方案相当。紫云低站位方案线路短5.935 km，工程投资略省8.85亿元，重难点工程较少，但贵兴铁路引入段投资较紫云高站位方案增加19.8亿元，且站位距离县城较远，对地方经济发展推动作用较小，社会经济效益较差，新设通站道路需增加7.3亿元投资。紫云高站位方案线路略长，投资略高，重难点工程稍多，但贵兴铁路引入投资省，车站距离县城较近，与县城规划发展方向相吻合，有利于城市综合开发和产业布局，社会经济效益较好。综上分析，推荐采用紫云高站位方案。

3 基于ArcGIS软件的地质专项比选

在复杂的地质情况下铁路线路应尽量选择在工程地质条件较好的区域通过，既要保证工程安全可靠、经济合理，又要尽量减少工程对环境的影响。该段线路方案地质条件较为复杂，存在危岩落石、岩堆、岩溶、瓦斯等众多突出工程地质问题，工程地质条件成为方案比选的难点和主控因素，而其余因素如环境敏感点、文物、军事设施、重大工程等均为次要因素，故本节采用ArcGIS软件对两方案工程的地质条件进行专项比选。

3.1 方案地质比选模型的建立

铁路工程地质资料具有多源、多类、多量、多维等特点，各种地质数据在精确度、分辨率、数量、质量等方面也存在很大的差异。为了保证信息的有效性和准确性，本节借助ArcGIS软件的最优路径分析和费用选择技术，建立方案地质比选模型对紫云高、低站位两方案进行综合地质评价。基于ArcGIS最优路径分析技术的选线方法流程如图3所示。

图3 ArcGIS最优路径分析流程图

通过调查、勘探、物探及钻探等手段，对区域内影响线路方案的工程地质因素进行分析，确定主要影响因素，各影响因素的权重通过专家打分的形式确定，过程中需保证专家群体思维收敛，专家意见不一致时，进一步分析确定，如表4所示。

表4 影响因素及权重表

基于铁路选线费用分析模型，利用ArcGIS软件的最优路径算法和费用选择技术，计算紫云高低站位两个方案行经不同地区的累计费用成本，筛选出费用成本最小方案，即是单因素影响下的最优线路方案，将各个因素按照一定的权重值叠加，生成综合因素成本图层，建立地质比选模型，如图4所示。

图4 方案地质比选模型图

3.2 高低站位地质专项比选及结论

通过以上基于ArcGIS软件建立的方案地质比选模型，输入影响因素及权重，模型比选紫云高低站位两个方案的最优费用。计算可得，紫云高站位方案费用较紫云低站位方案低，单从地质条件分析，紫云高站位方案为较优方案。

4 基于AHPF法的方案比选

4.1 层次分析法（AHP）简介

层次分析法是指将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。层次分析法是将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体方案的顺序分解为不同的层次结构，然后用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再用加权和的方法归并各方案对总目标的综合评判值，评判值最大者即为最优方案，本节利用层次分析法对紫云高低站位方案进一步分析比选［6］。

4.2 构建层析结构模型

（1）构建指标体系

线路方案进行多目标指标比选时，首先需要构建评价指标体系，指标体系的结构分为目标层、准则层和子准则层。本段线路方案以技术条件和经济条件为准则层，以技术条件和经济条件的子准则层构建模型，如表5所示。

表5 分析指标体系表

（2）构造判断矩阵

首先对同一层次的指标两两比较其相对重要性，得出相对权值的比值，以此构造判断矩阵为n×n的方阵，其中主对角线均为1，判断矩阵如式（1）所示。

上式满足i，j=1，2，3....，i和j两因素相对权值的比值，可按照相关要求，采用1～9比例标度法对其重要性赋值。

（3）权值计算及一致性检验

各影响因素的权重需要以专家打分的形式确定，利用确定的权重构建特征向量。当用分散化思维处理这类问题时，会导致问题求解的失败。因此完成权重计算后，需要对一致性进行检验，一致性检验可通过式（2）确定。当CI＜0.1时，认为判断矩阵的一致性可以接受。

式中：CI——一致性指标；

A——比较矩阵；

Y——特征向量；

n——因素个数。

4.3 方案比选及结论

通过建立的多目标比选模型及理论，利用Matlab软件编制程序进行层次分析计算，降低手动计算误差，提高比选准确度。根据以上分析指标体系构建判断矩阵，经过多次循环求解，并经一致性检验，得紫云高低站位方案综合评价值如表6所示。

表6 综合评价值表

由表6可知，黄百铁路镇宁至石屯段紫云高、低站位方案均有一定的可行性，但紫云高站位方案综合评价值ZP大于紫云低站位方案，综合评价较优，可作为推荐方案，这与前述两种方法分析结论一致。

5 结束语

本文采用传统设计比选、基于ArcGIS软件建立模型地质专项比选和层次分析法综合评价3种方法，对黄百铁路镇宁至石屯段紫云高低站位方案进行了综合比选，结果表明：3种方法确定的最优方案均为紫云高站位方案，论证了传统方法的准确性；基于ArcGIS软件和层次分析法的选线方法能够客观、全面地综合考虑多因素对铁路走向的影响，对线路方案设计有一定的参考价值，提高选线效率。