基于AHP-FCE模型的山區鐵路越嶺方案優選

張紅偉

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

引言

山區鐵路在選線過程中常常面臨越嶺方案的比選問題，如張鵬[1]研究衢寧鐵路政和至寧德越嶺段線路方案時，綜合考慮了與周邊路網匹配性、車站設置、環境保護、工程地質條件、工程難度及工程投資等因素；季備[2]詳細分析新建西寧至成都鐵路拉脊山越嶺段的主要工程地質問題，通過現場調查及深孔鉆探等方法，鑒別中-新生代不同膠結、結構特征砂巖水穩性的差異，提出越嶺段的地質選線原則；展志成[3]結合伊寧至阿克蘇鐵路南天山越嶺區域的地形、地質條件，綜合考慮路網規劃、經濟據點、環保、國防要求、越嶺工程實施條件、工期、工程投資等因素，研究確定了伊阿線南天山最佳越嶺方案；李金城[4]為確定黔張常鐵路武陵山越嶺隧道群線路方案，從巖溶危害與工程風險、工程設置條件、工程投資等方面對不同隧道線路方案進行了分析與比選；侯淼[5]針對張家口至呼和浩特鐵路大尖山越嶺地段沿線地形及工程地質條件，重點就線路走向與地方經濟點合理關系、文物保護、不良地質分布關系、工程施工風險等問題進行綜合比選論證，最終提出了合理的線路越嶺走向方案；常帥鵬[6]考慮西寧至成都線熱貢越嶺段弱成巖地層的水穩性、斷層破碎帶突涌水和水環境生態3個水文地質問題，綜合分析熱地層巖性及水文地質特征，提出了復雜水文地質條件下的選線原則；尹士清[7]針對向莆鐵路戴云山脈越嶺隧道群沿線不良地質發育、地質構造復雜等因素，比選和優化了越嶺隧道群線位和隧址，合理規避了各類工程風險。上述研究均結合越嶺地區的地形地質特點，先從各方面對不同方案優缺點進行定性或定量對比分析，再從中綜合選出最優線路方案。越嶺地段地形地質條件常常較為復雜，影響線路方案比選的因素眾多，當不同方案優缺點均較突出時，采用常規評價方法比選方案可能存在一定困難，為此需建立一種更為科學的評選方法。

可用于方案比選的方法較多，其中，由于層次分析法可以較為客觀地確定評價指標權重，以及模糊綜合評價法可實現定性指標的定量化評價，故兩種方法在線路方案評價和比選中已得到了較多應用。齊方舟[8]從技術、經濟、環境、社會四方面選取具體指標，結合黃土溝壑區選線特點，選取層次分析法確定權重的改進密切值法，構建了黃土溝壑區線路方案優選模型；蘇生瑞等[9]進行山區高速鐵路選線研究時，考慮工程地質、野外調查、室內數據分析，提出影響線路方案的6種評價因子，并用層次分析法計算了評價因子的權重值；張明威，楊昌睿等[10-12]將層次分析法與熵權法相結合，用于確定線路方案比選中的相關評價指標權重；李遠富等[13-14]將線路方案優選視為多目標決策系統模糊優化問題，建立了系統模糊優化模型，研制了鐵路線路方案綜合優選決策系統軟件。還有學者嘗試將層次分析法和模糊數學方法結合起來應用，如楊文昕，曾祥等[15-19]分別將其應用于客貨共線單線鐵路、京滬高速鐵路、沙漠地區鐵路、冰川泥石流地區、動車組走行線的線路方案比選中，取得了良好效果。山區鐵路線路方案優選是復雜的多目標決策問題[20]，它涉及因素眾多，既有定量指標，又有定性指標，因而，可以層次分析法和模糊綜合評價法結合應用于方案優選。

為此，在研究解決某山區鐵路折多山越嶺線路方案優選問題時，將結合AHP-FCE方法，首先，對折多山區域地形地質特點進行深入分析，并對不同越嶺線路設計方案進行詳細闡述；然后，建立合理的評價指標體系，利用層次分析法確定各層評價指標權重；最后，應用模糊綜合評價法把定性評價結果轉化為定量評價結果，并最終實現折多山越嶺線路方案的綜合評價。

1 折多山越嶺方案

該山區鐵路呈東西走向，線路不可避免需穿越縱向展布的折多山脈，折多山山勢呈南北走向，整體北高南低，主峰海拔4 962 m，為岷沱江水系與金沙江水系的分水嶺。

折多山區域地形地質條件主要特點如下。

(1)地形地貌。折多山地形落差極大，東側支溝自然坡度均大于70‰，西側稍緩，自然縱坡約20‰；幾個主要埡口與附近經濟點直線距離均在20，35 km以內，而高差卻達1 800，700 m。

(2)區域地質。折多山地處鮮水河、龍門山以及安寧河3條深大活動斷裂交匯的“Y”形區域，地殼作用強烈、地震活動頻發、地熱分布廣泛。

(3)地層巖性。地表零星分布第四系，下伏基巖主要為變質巖和侵入巖。變質巖主要為三疊系砂板巖，侵入巖主要為花崗巖類。

(4)地質構造。活動斷裂主要有鮮水河斷裂之三分支斷裂(雅拉河斷裂、色拉哈-康定斷裂、折多塘斷裂)以及玉龍希斷裂等4支活動斷裂。

(5)高地溫和高溫熱水。受活動斷裂與地下水共同作用，區域內地溫異常區廣泛分布，沿雅拉河斷裂的雅拉河、榆林河河谷內有多處溫泉群出露，高地溫和地下高溫熱水對線路方案的控制作用非常顯著。

(6)高地應力。與區域活動斷裂、新構造運動伴生大量應力高度集中的地質環境，硬脆圍巖發生巖爆、軟質圍巖發生大變形可能性較大，構造強烈的區域，硬質巖破碎帶也可能產生大變形。

綜上可知，折多山區域越嶺選線所面臨的重難點在于：地形高差大，各主要支溝高程爬升快，線路最大坡度不適應其自然縱坡，需采用隧道工程越嶺；區域地質條件復雜，活動斷裂、地熱、高地應力、地下水等發育；不同平面位置、不同越嶺高程、不同長度的隧道工程所處地質環境、技術條件差異顯著，導致工程風險、工期、投資等差異較大。

結合地形地質條件、線路走向、重點工程設置條件、控制工程工期等因素，在折多山地段研究了4種越嶺方案，如圖1所示。

圖1 折多山越嶺方案示意(單位：m)

1.1 越嶺方案1

線路自起點引出，進隧道轉向西與色拉哈—康定斷裂大角度交叉后折向西南，保證與斷裂的橫向距離并沿折多河爭取較好輔助坑道條件，前行至折多塘附近出洞，跨G318國道、折多河，而后線路折向北盡量在硬質巖區域走行至靠近折多塘斷裂以南，轉向西與金龍寺—磨子溝、惠遠寺—勒吉普及玉龍希斷裂正交，盡快通過由其構成的地質條件較差區域至塘泥壩附近以3 790 m高程出洞，之后線路溯水橋河而下至麥巴村附近設站，出站后線路取直穿折多山、跨立啟河支溝至終點。該方案線路長66.72 km，橋隧比91.68%，折多山越嶺隧道總長37.54 km(其中，1號隧道19.65 km，2號隧道17.89 km)。

1.2 越嶺方案2

線路自起點引出，進隧道與色拉哈—康定斷裂大角度相交后折向西南，確保與斷裂橫向間距的情況下盡量靠折多河走行，于折多塘附近出洞，設明線后線路折向西北再穿隧道取直爬升至奪讓卡附近以3 750 m高程出洞，而后線路轉向西沿水橋河至麥巴村附近設站，出站后繼續西行至終點。該方案線路長60.9 km，橋隧比90.4%，折多山越嶺隧道總長38.13 km(其中，康定隧道17.21 km，折多山隧道20.90 km)。

1.3 越嶺方案3

線路自起點引出，進折多山隧道轉向西與色拉哈-康定斷裂大角度相交，之后折向西南避開橫向深大裂隙盡量走行至折多河下游以縮短斜井長度，而后線路轉向西北走行，盡量靠近水橋河下游以優化輔助坑道條件，于額澤仲附近以3 620 m高程出洞，之后線路繼續西行至方案比較終點。該方案線路長50.64 km，橋隧比97.55%，折多山隧道長34.43 km。

1.4 越嶺方案4

線路自起點引出，進折多山隧道取直向西，與折多塘、玉龍希2條主要活動斷裂大角度相交，下穿水橋河至亞格龍附近以3 550 m高程出洞，而后線路繼續西行至方案比較終點。該方案線路長46.03 km，橋隧比96.57%，折多山隧道長34.46 km。

2 指標體系建立

2.1 評價指標的選擇

折多山區域地形地質條件復雜，在評選越嶺線路方案時，應盡可能規避地質風險，爭取良好的隧道工程條件，控制工程規模，合理匹配工期，并為列車運營提供良好條件。因而，將工程地質條件、隧道工程條件、隧道施工工期、工程規模、運營條件作為一級評價指標。其中，在工程地質條件方面，由于折多山區域地層巖性十分復雜，構造運動活躍，活動性斷裂數量較多，高地溫和地下高溫熱水對線路方案控制作用非常顯著，高地應力環境引起軟巖變形的問題突出，主要斷裂帶隧道施工遇突水涌泥可能性較大，為此選取穿越宏觀構造條件、隧道穿越活動性斷裂數量、高地溫風險、軟巖大變形地段占比、巖性條件及突水涌泥風險作為其二級評價指標；在隧道工程條件方面，應盡可能降低施工風險，而輔助坑道工程條件是影響隧道工程施工工期和安全的重要因素，因而，選用其作為二級評價指標；越嶺隧道工期可通過總工期和工期風險2個二級評價指標表示；工程規模可利用線路長度、橋隧占比及工程投資等二級評價指標反映；而運營條件一級評價指標不再細分。上述評價指標體系如表1所示。

表1 折多山越嶺方案評價指標體系

2.2 各層權重的確定

在越嶺方案評價指標體系中，各級評價指標對線路方案的優選貢獻度不同，需確定同層次指標的相對重要性并進行量化。采用AHP方法確定越嶺方案評價指標的權重。具體步驟為：確定越嶺方案評價指標層次結構后，結合評價指標重要度專家調查結果構建判斷矩陣，計算確定各層評價指標權重值，并對判斷矩陣進行一致性檢驗。

(1)構建判斷矩陣

應用標度法對越嶺方案同一層評價指標進行兩兩對比，容易得到表示各評價指標之間重要性關系的判斷矩陣W，見式(1)。

(1)

式中，wij為越嶺方案同級評價指標相對于上級指標的重要性比例標度，數值一般取為 1～9，見表2；n為判斷矩陣階數。

表2 判斷矩陣的標度含義

(2)確定各層評價指標權重值

根據得到的判斷矩陣W，采用常用的方根法確定各級評價指標權重值ai，見式(2)。

(2)

則Ai=(a1，a2，…，an)T為矩陣W的特征值。

相應的最大特征值可由式(3)計算。

(3)

式中，(WA)i為矩陣WA的第i個分量。

(3)判斷矩陣一致性檢驗

按照式(4)計算判斷矩陣一致性比例Cb。若Cb<0.1，則認為判斷矩陣通過一致性檢驗。

(4)

式中，Cz矩陣一致性指標；Cp為平均隨機一致性指標，可由表3得到。

表3 平均隨機一致性指標值

根據越嶺線路方案評價指標重要性專家意見調查結果，依據上述原理和步驟，可以得到各級指標權重，其中，二級評價指標權重矩陣為A1～A5，一級評價指標權重矩陣為A。

3 方案評價

3.1 各層權重確定隸屬矩陣

通過對比分析折多山越嶺地段4種線路方案及相關設計資料，并與設計人員進行充分討論，得到二級評價指標層各個評價指標取值，如表4所示。

表4 二級評價指標取值

從表4可知，越嶺方案二級評價指標中既包括定量指標又包括定性指標，且各因素指標的含義、單位各不相同，因此，首先需對其進行規范化處理。對于定性指標的評價值可按照表5所示賦值標準給出。

表5 定性指標賦值標準

最終，可得到二級評價指標對應的評價矩陣R1～R5。

3.2 評價結果

將評價集定為V={v1，v2，v3，v4}={選用越嶺方案1，選用越嶺方案2，選用越嶺方案3，選用越嶺方案4}。

若二級評價指標權重集為Ai，可通過式(5)計算得到不同方案對應的各一級指標的模糊綜合評價集，計算結果見表6。

Ei=Ai×Ri

(5)

表6 一級模糊綜合評價集

進一步將一級評價指標模糊綜合評價值按行依次排列，組成最高級模糊綜合評價的綜合評價矩陣R，如式(6)所示。

R=(R1，R2，…，Rn)T

(6)

于是，可得到二級模糊綜合評價集，計算結果見表7。

表7 二級模糊綜合評價集

(7)

由表7可知，二級模糊綜合評價指標最大值為1.164，相對應的綜合評價集元素為“選用越嶺方案2”，此優選結果與采用傳統定性分析方法比選方案得到的結論一致。

4 結論

(1)對類似折多山復雜越嶺線路方案進行優選時，可從工程地質條件、隧道工程條件、越嶺隧道工期、工程規模、運營條件等5個方面建立相關評價指標體系，采用穿越宏觀構造條件、隧道穿越活動性斷裂數量等14個二級評價指標進行方案優選工作。

(2)在專家調查法的基礎上，利用層次分析法合理確定各級評價指標權重，其中，工程地質條件、隧道工程條件、越嶺隧道工期、工程規模、運營條件等5個一級評價指標的權重分別為0.42，0.27，0.16，0.08，0.07。

(3)采用所建立的AHP-FCE模型，對某山區鐵路折多山地段4個越嶺方案進行模糊綜合優選，確定采用越嶺方案2作為推薦方案，與傳統定性分析方法分析得出的結論一致，說明文中提出的AHP-FCE模型適用于復雜山區越嶺地段的方案比選。