張紅偉

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

引言

山區(qū)鐵路在選線過(guò)程中常常面臨越嶺方案的比選問(wèn)題，如張鵬[1]研究衢寧鐵路政和至寧德越嶺段線路方案時(shí)，綜合考慮了與周邊路網(wǎng)匹配性、車站設(shè)置、環(huán)境保護(hù)、工程地質(zhì)條件、工程難度及工程投資等因素；季備[2]詳細(xì)分析新建西寧至成都鐵路拉脊山越嶺段的主要工程地質(zhì)問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及深孔鉆探等方法，鑒別中-新生代不同膠結(jié)、結(jié)構(gòu)特征砂巖水穩(wěn)性的差異，提出越嶺段的地質(zhì)選線原則；展志成[3]結(jié)合伊寧至阿克蘇鐵路南天山越嶺區(qū)域的地形、地質(zhì)條件，綜合考慮路網(wǎng)規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)、環(huán)保、國(guó)防要求、越嶺工程實(shí)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(fēng)險(xiǎn)、工程設(shè)置條件、工程投資等方面對(duì)不同隧道線路方案進(jìn)行了分析與比選；侯淼[5]針對(duì)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(zhì)條件，重點(diǎn)就線路走向與地方經(jīng)濟(jì)點(diǎn)合理關(guān)系、文物保護(hù)、不良地質(zhì)分布關(guān)系、工程施工風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題進(jìn)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(wěn)性、斷層破碎帶突涌水和水環(huán)境生態(tài)3個(gè)水文地質(zhì)問(wèn)題，綜合分析熱地層巖性及水文地質(zhì)特征，提出了復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的選線原則；尹士清[7]針對(duì)向莆鐵路戴云山脈越嶺隧道群沿線不良地質(zhì)發(fā)育、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等因素，比選和優(yōu)化了越嶺隧道群線位和隧址，合理規(guī)避了各類工程風(fēng)險(xiǎn)。上述研究均結(jié)合越嶺地區(qū)的地形地質(zhì)特點(diǎn)，先從各方面對(duì)不同方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行定性或定量對(duì)比分析，再?gòu)闹芯C合選出最優(yōu)線路方案。越嶺地段地形地質(zhì)條件常常較為復(fù)雜，影響線路方案比選的因素眾多，當(dāng)不同方案優(yōu)缺點(diǎn)均較突出時(shí)，采用常規(guī)評(píng)價(jià)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(xué)的評(píng)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(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，以及模糊綜合評(píng)價(jià)法可實(shí)現(xiàn)定性指標(biāo)的定量化評(píng)價(jià)，故兩種方法在線路方案評(píng)價(jià)和比選中已得到了較多應(yīng)用。齊方舟[8]從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)四方面選取具體指標(biāo)，結(jié)合黃土溝壑區(qū)選線特點(diǎn)，選取層次分析法確定權(quán)重的改進(jìn)密切值法，構(gòu)建了黃土溝壑區(qū)線路方案優(yōu)選模型；蘇生瑞等[9]進(jìn)行山區(qū)高速鐵路選線研究時(shí)，考慮工程地質(zhì)、野外調(diào)查、室內(nèi)數(shù)據(jù)分析，提出影響線路方案的6種評(píng)價(jià)因子，并用層次分析法計(jì)算了評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值；張明威，楊昌睿等[10-12]將層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合，用于確定線路方案比選中的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重；李遠(yuǎn)富等[13-14]將線路方案優(yōu)選視為多目標(biāo)決策系統(tǒng)模糊優(yōu)化問(wèn)題，建立了系統(tǒng)模糊優(yōu)化模型，研制了鐵路線路方案綜合優(yōu)選決策系統(tǒng)軟件。還有學(xué)者嘗試將層次分析法和模糊數(shù)學(xué)方法結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，如楊文昕，曾祥等[15-19]分別將其應(yīng)用于客貨共線單線鐵路、京滬高速鐵路、沙漠地區(qū)鐵路、冰川泥石流地區(qū)、動(dòng)車組走行線的線路方案比選中，取得了良好效果。山區(qū)鐵路線路方案優(yōu)選是復(fù)雜的多目標(biāo)決策問(wèn)題[20]，它涉及因素眾多，既有定量指標(biāo)，又有定性指標(biāo)，因而，可以層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合應(yīng)用于方案優(yōu)選。

為此，在研究解決某山區(qū)鐵路折多山越嶺線路方案優(yōu)選問(wèn)題時(shí)，將結(jié)合AHP-FCE方法，首先，對(duì)折多山區(qū)域地形地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行深入分析，并對(duì)不同越嶺線路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)闡述；然后，建立合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用層次分析法確定各層評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重；最后，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法把定性評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)結(jié)果，并最終實(shí)現(xiàn)折多山越嶺線路方案的綜合評(píng)價(jià)。

1 折多山越嶺方案

該山區(qū)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(shì)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(qū)域地形地質(zhì)條件主要特點(diǎn)如下。

(1)地形地貌。折多山地形落差極大，東側(cè)支溝自然坡度均大于70‰，西側(cè)稍緩，自然縱坡約20‰；幾個(gè)主要埡口與附近經(jīng)濟(jì)點(diǎn)直線距離均在20，35 km以內(nèi)，而高差卻達(dá)1 800，700 m。

(2)區(qū)域地質(zhì)。折多山地處鮮水河、龍門山以及安寧河3條深大活動(dòng)斷裂交匯的“Y”形區(qū)域，地殼作用強(qiáng)烈、地震活動(dòng)頻發(fā)、地?zé)岱植紡V泛。

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

(4)地質(zhì)構(gòu)造?；顒?dòng)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(dòng)斷裂。

(5)高地溫和高溫?zé)崴Ｊ芑顒?dòng)斷裂與地下水共同作用，區(qū)域內(nèi)地溫異常區(qū)廣泛分布，沿雅拉河斷裂的雅拉河、榆林河河谷內(nèi)有多處溫泉群出露，高地溫和地下高溫?zé)崴畬?duì)線路方案的控制作用非常顯著。

(6)高地應(yīng)力。與區(qū)域活動(dòng)斷裂、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)伴生大量應(yīng)力高度集中的地質(zhì)環(huán)境，硬脆圍巖發(fā)生巖爆、軟質(zhì)圍巖發(fā)生大變形可能性較大，構(gòu)造強(qiáng)烈的區(qū)域，硬質(zhì)巖破碎帶也可能產(chǎn)生大變形。

綜上可知，折多山區(qū)域越嶺選線所面臨的重難點(diǎn)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(yīng)其自然縱坡，需采用隧道工程越嶺；區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，活動(dòng)斷裂、地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力、地下水等發(fā)育；不同平面位置、不同越嶺高程、不同長(zhǎng)度的隧道工程所處地質(zhì)環(huán)境、技術(shù)條件差異顯著，導(dǎo)致工程風(fēng)險(xiǎn)、工期、投資等差異較大。

結(jié)合地形地質(zhì)條件、線路走向、重點(diǎn)工程設(shè)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(diǎn)引出，進(jìn)隧道轉(zhuǎn)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(zhēng)取較好輔助坑道條件，前行至折多塘附近出洞，跨G318國(guó)道、折多河，而后線路折向北盡量在硬質(zhì)巖區(qū)域走行至靠近折多塘斷裂以南，轉(zhuǎn)向西與金龍寺—磨子溝、惠遠(yuǎn)寺—勒吉普及玉龍希斷裂正交，盡快通過(guò)由其構(gòu)成的地質(zhì)條件較差區(qū)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(shè)站，出站后線路取直穿折多山、跨立啟河支溝至終點(diǎn)。該方案線路長(zhǎng)66.72 km，橋隧比91.68%，折多山越嶺隧道總長(zhǎng)37.54 km(其中，1號(hào)隧道19.65 km，2號(hào)隧道17.89 km)。

1.2 越嶺方案2

線路自起點(diǎn)引出，進(jìn)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(shè)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(zhuǎn)向西沿水橋河至麥巴村附近設(shè)站，出站后繼續(xù)西行至終點(diǎn)。該方案線路長(zhǎng)60.9 km，橋隧比90.4%，折多山越嶺隧道總長(zhǎng)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(diǎn)引出，進(jìn)折多山隧道轉(zhuǎn)向西與色拉哈-康定斷裂大角度相交，之后折向西南避開(kāi)橫向深大裂隙盡量走行至折多河下游以縮短斜井長(zhǎng)度，而后線路轉(zhuǎn)向西北走行，盡量靠近水橋河下游以優(yōu)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(xù)西行至方案比較終點(diǎn)。該方案線路長(zhǎng)50.64 km，橋隧比97.55%，折多山隧道長(zhǎng)34.43 km。

1.4 越嶺方案4

線路自起點(diǎn)引出，進(jìn)折多山隧道取直向西，與折多塘、玉龍希2條主要活動(dòng)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(xù)西行至方案比較終點(diǎn)。該方案線路長(zhǎng)46.03 km，橋隧比96.57%，折多山隧道長(zhǎng)34.46 km。

2 指標(biāo)體系建立

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

折多山區(qū)域地形地質(zhì)條件復(fù)雜，在評(píng)選越嶺線路方案時(shí)，應(yīng)盡可能規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，爭(zhēng)取良好的隧道工程條件，控制工程規(guī)模，合理匹配工期，并為列車運(yùn)營(yíng)提供良好條件。因而，將工程地質(zhì)條件、隧道工程條件、隧道施工工期、工程規(guī)模、運(yùn)營(yíng)條件作為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，在工程地質(zhì)條件方面，由于折多山區(qū)域地層巖性十分復(fù)雜，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，活動(dòng)性斷裂數(shù)量較多，高地溫和地下高溫?zé)崴畬?duì)線路方案控制作用非常顯著，高地應(yīng)力環(huán)境引起軟巖變形的問(wèn)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(gòu)造條件、隧道穿越活動(dòng)性斷裂數(shù)量、高地溫風(fēng)險(xiǎn)、軟巖大變形地段占比、巖性條件及突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)作為其二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)；在隧道工程條件方面，應(yīng)盡可能降低施工風(fēng)險(xiǎn)，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(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)；越嶺隧道工期可通過(guò)總工期和工期風(fēng)險(xiǎn)2個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)表示；工程規(guī)模可利用線路長(zhǎng)度、橋隧占比及工程投資等二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)反映；而運(yùn)營(yíng)條件一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)不再細(xì)分。上述評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

表1 折多山越嶺方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 各層權(quán)重的確定

在越嶺方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)線路方案的優(yōu)選貢獻(xiàn)度不同，需確定同層次指標(biāo)的相對(duì)重要性并進(jìn)行量化。采用AHP方法確定越嶺方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。具體步驟為：確定越嶺方案評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)后，結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)重要度專家調(diào)查結(jié)果構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算確定各層評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值，并對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(1)構(gòu)建判斷矩陣

應(yīng)用標(biāo)度法對(duì)越嶺方案同一層評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比，容易得到表示各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間重要性關(guān)系的判斷矩陣W，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中，wij為越嶺方案同級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于上級(jí)指標(biāo)的重要性比例標(biāo)度，數(shù)值一般取為 1～9，見(jiàn)表2；n為判斷矩陣階數(shù)。

表2 判斷矩陣的標(biāo)度含義

(2)確定各層評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

根據(jù)得到的判斷矩陣W，采用常用的方根法確定各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值ai，見(jiàn)式(2)。

(2)

則Ai=(a1，a2，…，an)T為矩陣W的特征值。

相應(yīng)的最大特征值可由式(3)計(jì)算。

(3)

式中，(WA)i為矩陣WA的第i個(gè)分量。

(3)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

按照式(4)計(jì)算判斷矩陣一致性比例Cb。若Cb<0.1，則認(rèn)為判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

(4)

式中，Cz矩陣一致性指標(biāo)；Cp為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可由表3得到。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值

根據(jù)越嶺線路方案評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性專家意見(jiàn)調(diào)查結(jié)果，依據(jù)上述原理和步驟，可以得到各級(jí)指標(biāo)權(quán)重，其中，二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重矩陣為A1～A5，一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重矩陣為A。

3 方案評(píng)價(jià)

3.1 各層權(quán)重確定隸屬矩陣

通過(guò)對(duì)比分析折多山越嶺地段4種線路方案及相關(guān)設(shè)計(jì)資料，并與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行充分討論，得到二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)層各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)取值，如表4所示。

表4 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)取值

從表4可知，越嶺方案二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)中既包括定量指標(biāo)又包括定性指標(biāo)，且各因素指標(biāo)的含義、單位各不相同，因此，首先需對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化處理。對(duì)于定性指標(biāo)的評(píng)價(jià)值可按照表5所示賦值標(biāo)準(zhǔn)給出。

表5 定性指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)

最終，可得到二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)矩陣R1～R5。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

將評(píng)價(jià)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(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集為Ai，可通過(guò)式(5)計(jì)算得到不同方案對(duì)應(yīng)的各一級(jí)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)集，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

Ei=Ai×Ri

(5)

表6 一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)集

進(jìn)一步將一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)值按行依次排列，組成最高級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的綜合評(píng)價(jià)矩陣R，如式(6)所示。

R=(R1，R2，…，Rn)T

(6)

于是，可得到二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)集，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)集

(7)

由表7可知，二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)最大值為1.164，相對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)集元素為“選用越嶺方案2”，此優(yōu)選結(jié)果與采用傳統(tǒng)定性分析方法比選方案得到的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

(1)對(duì)類似折多山復(fù)雜越嶺線路方案進(jìn)行優(yōu)選時(shí)，可從工程地質(zhì)條件、隧道工程條件、越嶺隧道工期、工程規(guī)模、運(yùn)營(yíng)條件等5個(gè)方面建立相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用穿越宏觀構(gòu)造條件、隧道穿越活動(dòng)性斷裂數(shù)量等14個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行方案優(yōu)選工作。

(2)在專家調(diào)查法的基礎(chǔ)上，利用層次分析法合理確定各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，其中，工程地質(zhì)條件、隧道工程條件、越嶺隧道工期、工程規(guī)模、運(yùn)營(yíng)條件等5個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)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(duì)某山區(qū)鐵路折多山地段4個(gè)越嶺方案進(jìn)行模糊綜合優(yōu)選，確定采用越嶺方案2作為推薦方案，與傳統(tǒng)定性分析方法分析得出的結(jié)論一致，說(shuō)明文中提出的AHP-FCE模型適用于復(fù)雜山區(qū)越嶺地段的方案比選。