巖溶區(qū)鐵路綜合選線及輔助決策技術(shù)研究

俎保峰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

我國巖溶地貌分布廣、面積大，分布總面積91～130萬km2，占我國國土面積的10%以上，其中以廣西、貴州、云南和四川東部等分布最為廣泛。目前已建成通車的巖溶鐵路項(xiàng)目主要有宜萬鐵路、渝利鐵路、貴廣高鐵、滬昆客專、云桂鐵路、渝黔二線、黔張常鐵路、懷衡鐵路等，規(guī)劃巖溶鐵路項(xiàng)目有渝懷二線、安張衡鐵路等等。可以預(yù)見在將來的中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中，還將涌現(xiàn)出一大批巖溶區(qū)鐵路項(xiàng)目。

黔張常鐵路位于重慶、湖北和湖南三省市交界地帶，線路全長約336.26 km，設(shè)計(jì)時速200 km、客貨共線鐵路。該項(xiàng)目線路穿越巖溶廣為發(fā)育的武陵山區(qū)，在巖溶區(qū)通行總長度132.70 km，占線路總長的39%；巖溶隧道總長度82.42 km，占隧道總長的49%，為典型的巖溶區(qū)鐵路。該項(xiàng)目于2014年12月開工建設(shè)，2019年12月建成通車。

國內(nèi)外學(xué)術(shù)界及工程界對于巖溶區(qū)地質(zhì)特征、選線理論及決策手段均進(jìn)行了大量研究。原鐵道部第二勘測設(shè)計(jì)院主編的鐵路巖溶工程地質(zhì)專著《巖溶工程地質(zhì)》[1]作為較早的巖溶工程地質(zhì)專著，對巖溶區(qū)工程地質(zhì)特征進(jìn)行了系統(tǒng)論述，對于指導(dǎo)巖溶鐵路勘察設(shè)計(jì)具有重大意義。陸玉瓏[2]對南昆鐵路巖溶區(qū)選線特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，論述了巖溶區(qū)各類地質(zhì)條件下的選線設(shè)計(jì)原則和工程措施。蔣忠信[3]對南昆鐵路巖溶地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了系統(tǒng)研究，擬訂相應(yīng)的防治工程措施并提出了巖溶區(qū)選線原則。鄧誼明[4]在分析巖溶發(fā)育特征的前提下，提出了枝萬線巖溶區(qū)選線原則。谷永磊[5]采用灰色模糊綜合評判模型，對新建田德鐵路巖溶塌陷的風(fēng)險性進(jìn)行綜合評判，進(jìn)而指導(dǎo)優(yōu)化線路方案。黃樹標(biāo)[6]根據(jù)巖溶地質(zhì)災(zāi)害對鐵路工程產(chǎn)生的影響，歸納總結(jié)了巖溶區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線的特點(diǎn)。張廣澤等[7]從水文地質(zhì)條件分析角度，提出了麗香鐵路蓮花山巖溶隧道安全可行的隧道選線原則。蘇貴芬[8]從地質(zhì)分析角度對云桂鐵路廣南段線路方案進(jìn)行了比選和優(yōu)化。王軍偉[9]從地質(zhì)選線角度提出了巖溶地區(qū)選線原則。喬平等[10]將鐵路地質(zhì)選線涉及的主要問題(滑坡、泥石流、風(fēng)沙、巖溶)歸納、總結(jié)并建立了信息庫，為鐵路選線提供地質(zhì)依據(jù)。李遠(yuǎn)富等[11]基于多目標(biāo)模糊綜合優(yōu)選模型，研制開發(fā)了鐵路線路設(shè)計(jì)方案綜合優(yōu)選決策系統(tǒng)，較好地解決了傳統(tǒng)方法在各方案定量與定性指標(biāo)出現(xiàn)交叉時難以評優(yōu)問題。陳永貴等[12]建立了鐵路線路方案綜合評價指標(biāo)體系，采用層次分析法確定各因素的權(quán)重，并根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論建立模糊綜合評判，從而確定最優(yōu)的線路方案。孔德華[13]建立了鐵路選線質(zhì)量綜合評價模型，探討了將鐵路選線中遇到的不確定因素轉(zhuǎn)化為費(fèi)用指標(biāo)——風(fēng)險概算費(fèi)用，直觀地進(jìn)行線路方案比選的方法。毛邦燕等[14]建立了地質(zhì)選線評價的GRC模型，確立了地質(zhì)選線評價指標(biāo)體系及各指標(biāo)體系的權(quán)重值，并對滬昆客專黃果樹至北盤江段進(jìn)行了方案評價。美國成立了巖溶水研究所，有效推進(jìn)了巖溶研究，提出了巖溶區(qū)有關(guān)工程問題的解決方案，并在西弗吉尼亞州為國家水資源的利用和保護(hù)建立了專家鑒定系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫。德國水文地質(zhì)學(xué)家關(guān)于巖溶水文地質(zhì)創(chuàng)立了垂向分帶的概念模型，以指導(dǎo)巖溶地質(zhì)勘察。

依托已建成通車的黔張常鐵路勘察設(shè)計(jì)，在吸納前人研究成果的基礎(chǔ)之上，借鑒以宜萬鐵路、渝利鐵路為代表的既有巖溶鐵路施工過程中發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害類型、產(chǎn)生原因、造成后果以及治理措施等相關(guān)資料[15-17]，進(jìn)一步歸納總結(jié)具有普遍適用性的巖溶區(qū)選線、設(shè)計(jì)原則，通過建立數(shù)學(xué)模型以實(shí)現(xiàn)巖溶區(qū)選線的輔助決策，并對計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行探索性研究。

1 巖溶區(qū)鐵路選線、設(shè)計(jì)原則總結(jié)

(1)巖溶區(qū)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尤其是限制坡度選擇，應(yīng)充分結(jié)合巖溶特殊地質(zhì)條件，為盡量規(guī)避巖溶風(fēng)險，有條件前提下應(yīng)推薦采用大坡度標(biāo)準(zhǔn)。

(2)線路應(yīng)盡量繞避三疊(T)、二疊(P)、奧陶(O)、寒武(∈)系等可溶巖地層或盡可能短距離通過。

(3)線路應(yīng)盡量繞避向斜構(gòu)造(特別是大型向斜儲水構(gòu)造)，繞避困難時宜設(shè)明線通過。

(4)對于斷裂構(gòu)造帶，如有條件線路應(yīng)予以繞避；如無繞避條件，線路應(yīng)短距離、大角度與之交叉通過且應(yīng)盡量設(shè)置明線工程。

(5)對于大型溶蝕洼地，線路應(yīng)以繞避為原則，如不具備繞避條件或繞避后造成單體巖溶隧道過長，則宜拔高線路以明線通過洼地區(qū)域；如無條件繞避也無條件抬高線路，則應(yīng)于洼地范圍邊緣地帶以隧道形式通過，且隧道長度不應(yīng)過長(一般不宜超過6 km)。

圖1為桑植站進(jìn)站前線路以長度為5 058 m桑植隧道通過臥云界溶蝕洼地邊緣地帶。

圖1 桑植進(jìn)站前線路繞避臥云界大型溶蝕洼地示意

(6)對于暗河、溶洞、巖溶大泉、漏斗、落水洞等巖溶發(fā)育形態(tài)，以平面繞避為首選原則；如無繞避條件，則盡量設(shè)明線通過；若以隧道工程通過，應(yīng)探明其發(fā)育高程范圍，線路高程應(yīng)高于其發(fā)育高程；線路不宜設(shè)隧道下穿巖溶形態(tài)集中分布區(qū)域。

圖2為武陵山隧道洞身線路繞避巖溶發(fā)育形態(tài)。

圖2 武陵山隧道洞身線路繞避巖溶發(fā)育形態(tài)示意

(7)在強(qiáng)烈下切河谷兩岸設(shè)置隧道工程時線路高程應(yīng)盡量高于侵蝕基準(zhǔn)面高程；侵蝕基準(zhǔn)面高程范圍可按常水位～百年水位。

圖3為澧水南源兩岸隧道高程與侵蝕基準(zhǔn)面(336～347 m)關(guān)系示意。

圖3 澧水南源兩岸隧道高程與侵蝕基準(zhǔn)面關(guān)系示意

(8)對于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)長大隧道段線路，在保證隧道適當(dāng)埋深的前提下，宜平行、臨靠溝谷布線，一則可減輕巖溶水的危害，二則施工過程中一旦發(fā)生巖溶地質(zhì)災(zāi)害，便于短距離打通橫向排水通道進(jìn)行治理。

圖4為大坪隧道段線路基本平行于阿蓬江支流朗溪溝布線示意。

圖4 大坪隧道段線路臨靠溝谷布線示意

(9)對于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育長隧道越嶺地段，如果區(qū)域內(nèi)存在多套暗河系統(tǒng)、多處排泄基準(zhǔn)面，無法準(zhǔn)確判釋地下水分水嶺的情況下，線路宜走行于地表分水嶺附近，以盡量減輕隧道洞身可能承受的巖溶水壓力。

圖5為武陵山越嶺長隧道段線路于張三溪附近四組地表局部高點(diǎn)(圖中粉紅色封閉曲線代表局部高點(diǎn)區(qū)域；數(shù)字為地表高程，單位為m)附近布線示意。

圖5 武陵山越嶺隧道段線路走行于地表分水嶺附近示意

(10)縱斷面設(shè)計(jì)：應(yīng)盡可能拔高線路，盡量使隧道位于水平循環(huán)帶及季節(jié)變動帶以上的垂直滲流帶范圍內(nèi)；爭取利用溝谷出露，縮短隧道長度，減小隧道埋深；隧道縱斷面宜設(shè)計(jì)為“人”字坡，以利排水、救援。

(11)工程設(shè)置：巖溶發(fā)育區(qū)宜多設(shè)置路基、橋梁等明線工程，少設(shè)置隧道，尤應(yīng)避免設(shè)置長大巖溶隧道(一般按6 km、10 km兩級控制)。

2 巖溶鐵路選線輔助決策技術(shù)研究

2.1 綜合評價指標(biāo)體系

通過對黔張常鐵路巖溶發(fā)育特征、規(guī)律的深入研究，結(jié)合項(xiàng)目地質(zhì)勘察資料以及既有巖溶區(qū)鐵路選線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)[15-17]，構(gòu)建巖溶區(qū)線路方案的綜合評價指標(biāo)體系(圖6)。

圖6 巖溶區(qū)線路方案綜合評價指標(biāo)體系構(gòu)成

2.2 評價指標(biāo)權(quán)重

(1)引入的理論和方法

①風(fēng)險理論；

②1～9級標(biāo)度法；

③專家調(diào)查法。

(2)評價指標(biāo)權(quán)重

通過發(fā)放專家調(diào)查表，進(jìn)行多輪專家調(diào)查，匯總、整理調(diào)查表，對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析處理，并達(dá)成一致意見后構(gòu)建判斷矩陣[18-20]。

應(yīng)用矩陣相乘公式：Wi=αj·wi，可得指標(biāo)層(C)相對于目標(biāo)層(O)的權(quán)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)

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)如下

(2)

可見，計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性。

2.3 模糊層次分析法數(shù)學(xué)模型

(1)引入的理論和方法

①模糊數(shù)學(xué)理論；

②層次分析法[18-20]。

(2)模糊層次分析法數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述研究確定的綜合評價指標(biāo)權(quán)重向量，可得用于巖溶區(qū)線路方案綜合評價的模糊層次分析法數(shù)學(xué)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為綜合評價結(jié)果；W為綜合評價指標(biāo)權(quán)重向量；R為相對優(yōu)屬度矩陣；“°”為模糊合成算子；bj為方案dj的綜合優(yōu)越度，根據(jù)最大優(yōu)屬度原則，可根據(jù)bj的數(shù)值對于各個線路方案進(jìn)行優(yōu)選排序，選取數(shù)值最大的方案作為推薦線路方案。

2.4 計(jì)算機(jī)輔助決策

結(jié)合上述巖溶區(qū)線路方案綜合評價理論與方法，整合地形高程、人工設(shè)施(地物)、地質(zhì)條件(含巖溶形態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造等)三類數(shù)據(jù)，基于GIS系統(tǒng)，應(yīng)用ArcGIS軟件將選定的工程及地質(zhì)因子轉(zhuǎn)換為選線決策分析所需的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(包括柵格、矢量、TIN)并建立數(shù)據(jù)庫(圖7)。

圖7 巖溶區(qū)地形、地質(zhì)綜合數(shù)據(jù)庫示意

提供人機(jī)交互操作的友好界面，在勘察設(shè)計(jì)過程中，不斷錄入工程、水文地質(zhì)信息，不斷更新、充實(shí)、完善數(shù)據(jù)庫；利用ArcGIS二次開發(fā)功能，編譯建立智能化方案決策的相關(guān)程序及插件宏按鈕[21]。通過設(shè)置判別屬性，對各類因素進(jìn)行度與量的統(tǒng)一化處理，賦予相應(yīng)的成本值，并疊加生成線路成本格柵，利用ArcGIS成本路徑分析功能，獲得理論成本最低路徑(即“成本最優(yōu)路徑”)，為線路方案決策提供參考、借鑒。

選取一組黔張常鐵路典型巖溶區(qū)線路走向比選方案：經(jīng)水沙坪溶蝕洼地(CK)或經(jīng)茨巖塘溶蝕洼地(C2K)方案，應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行輔助決策的情況見圖8。

圖8 理論成本最優(yōu)路徑與實(shí)際線路方案對比示意

通過對比分析理論成本最優(yōu)路徑與不同方案線路走向可得如下結(jié)論。

(1)前半段最優(yōu)路徑與C2K方案一致性較高，說明該段落內(nèi)綜合考慮工程本身成本及巖溶風(fēng)險成本C2K方案相對更優(yōu)，但受選取地勢較低的水沙坪溶蝕洼地出露以分割長大巖溶隧道、降低跨越深切溝谷橋梁高度等因素控制，未推薦C2K方案。

(2)后半段最優(yōu)路徑先是位于茨巖塘、水沙坪兩處大型溶蝕洼地之間，以規(guī)避溶蝕洼地對于隧道工程的巖溶風(fēng)險為首要原則；通過溶蝕洼地后偏離CK方案并出現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)折，主要取決于工程設(shè)置條件，選取平緩地形、設(shè)置簡易工程布線，但展線系數(shù)過大，明顯不合理；說明后半段成本柵格有待優(yōu)化或成本參數(shù)賦值與實(shí)際偏差較大；同時也說明該區(qū)域地形復(fù)雜，線路需以橋隧相連的形式通過，工程比較艱巨；由于后半段CK方案線位更為接近最優(yōu)路徑，故推薦采用CK方案是合理的。

(3)后半段最優(yōu)路徑部分位于茨巖塘、水沙坪之間，雖在平面上繞避了大型溶蝕洼地，但結(jié)合縱斷面設(shè)計(jì)，須設(shè)置長度大于10 km的特長巖溶隧道工程，根據(jù)巖溶鐵路建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，其施工風(fēng)險往往難以控制，故缺乏科學(xué)性、合理性。

(4)計(jì)算機(jī)輔助決策技術(shù)具有較大局限性，其不具備獨(dú)立思考能力，不能完全代替工程技術(shù)人員進(jìn)行分析、決策。

3 研究成果推廣應(yīng)用情況

上述研究成果同步應(yīng)用于黔張常鐵路各階段勘察設(shè)計(jì)，黔張常鐵路已于2019年12月建成通車，施工過程中無突水、突泥地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，也未造成施工人員傷亡，運(yùn)營至今工程安全可靠，運(yùn)營通暢穩(wěn)定，直接證明了上述研究成果具有一定的實(shí)用性和科學(xué)性。

此外，中鐵一院在2012至2015年度參與的巖溶區(qū)鐵路項(xiàng)目競標(biāo)過程中，上述研究成果得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮了一定作用。應(yīng)用上述成果輔助選線參與競標(biāo)的項(xiàng)目主要有：張家界經(jīng)吉首至懷化鐵路(線路長度約250 km)、南寧至憑祥鐵路(線路長度約195 km)、黃桶至百色鐵路(線路長度約290 km)、柳州經(jīng)賀州至韶關(guān)鐵路(線路長度約475 km)和防城港經(jīng)崇左至百色鐵路(線路長度約340 km)等等，線路長度合計(jì)約1 550 km。其中，成功中標(biāo)防城港經(jīng)崇左至百色鐵路勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

4 研究成果創(chuàng)新點(diǎn)

(1)總結(jié)出“大坡度、高線位、隧道人字坡、傍溝布線”等具有普遍適用性的巖溶區(qū)選線、設(shè)計(jì)原則，其中“巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)長大隧道段線路宜平行、臨靠溝谷布線，如施工過程中發(fā)生突水、突泥地質(zhì)災(zāi)害，以利打通橫向排水通道”“無法準(zhǔn)確判釋地下水分水嶺的情況下，隧道宜設(shè)置于地表分水嶺附近以減輕巖溶危害”等巖溶區(qū)選線設(shè)計(jì)原則屬于國內(nèi)首創(chuàng)。

(2)定量化線路方案評價：通過構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系及模糊層次分析法數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)巖溶區(qū)線路方案的綜合優(yōu)越度評分，根據(jù)評分高低對方案進(jìn)行優(yōu)劣排序，初步實(shí)現(xiàn)了將方案比選的定性問題轉(zhuǎn)化為定量化處理。定量化方案評價是對于巖溶區(qū)選線技術(shù)手段的探索性革新，在推動巖溶區(qū)選線技術(shù)進(jìn)步方面具有一定意義。

(3)巖溶區(qū)選線的多因素計(jì)算機(jī)輔助決策：基于GIS系統(tǒng)建立巖溶區(qū)地形、地質(zhì)綜合數(shù)據(jù)庫，借助GIS系統(tǒng)“成本最優(yōu)路徑分析法”研究提出的計(jì)算機(jī)輔助決策技術(shù)，可供選線決策參考、借鑒，為推動巖溶區(qū)選線技術(shù)手段革新提供了一種研究方向和思路。

5 結(jié)論

通過消化吸收現(xiàn)有巖溶區(qū)選線理論資料、輔助決策資料等，借鑒宜萬、渝利等既有巖溶區(qū)鐵路的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)，分析研究黔張常鐵路初、定測等各階段地質(zhì)資料、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及線路方案比選資料，歸納總結(jié)出具有普遍適用性的巖溶區(qū)選線、設(shè)計(jì)原則，提出的部分原則屬國內(nèi)首創(chuàng)。通過構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系、模糊層次分析法數(shù)學(xué)模型，初步實(shí)現(xiàn)了巖溶區(qū)線路方案的定量化評價；但該方法主要基于專家主觀經(jīng)驗(yàn)，具有一定的主觀性和不確定性，未來可考慮結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，組織專家研討，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)，持續(xù)修正各評價指標(biāo)權(quán)重值，必要時，補(bǔ)充完善綜合評價指標(biāo)體系，以期不斷提高該方法的工程適用性和科學(xué)性。借助GIS系統(tǒng)“成本最優(yōu)路徑分析法”研究提出的計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)，可為巖溶區(qū)選線決策提供參考、借鑒，但由于計(jì)算機(jī)輔助決策技術(shù)本身的局限性以及該系統(tǒng)的不完善性，距離實(shí)際應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)“自動化選線”尚有較大差距，但對于巖溶區(qū)選線技術(shù)手段革新提供了一種研究方向和思路。

黔張常鐵路工程實(shí)踐表明，總結(jié)提出的巖溶區(qū)選線、設(shè)計(jì)原則可有效規(guī)避巖溶風(fēng)險；基于模糊層次分析法構(gòu)建的巖溶區(qū)線路方案評判數(shù)學(xué)模型具有一定的實(shí)用性和科學(xué)性。研究提出的理論和方法工程實(shí)踐效果良好，對于巖溶區(qū)鐵路及高速公路選線決策具有一定的指導(dǎo)意義和借鑒作用。