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[海峽（福建）交通工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 福州350000]

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，貨運(yùn)鐵路已成為城市間貨物運(yùn)輸?shù)闹匾~帶。然而鐵路建設(shè)受到社會(huì)環(huán)境、工程投資和自然環(huán)境等多重因素的共同影響，因而鐵路選線是一個(gè)多目標(biāo)、多因素組成的復(fù)雜的系統(tǒng)性工程[1]。在傳統(tǒng)的鐵路選線中，設(shè)計(jì)人員往往將經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為衡量選線方案優(yōu)劣的重要指標(biāo)，在方案較多，各方案優(yōu)勢(shì)各異，經(jīng)濟(jì)上差別不大的情況下，很難根據(jù)各方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)定量指標(biāo)和社會(huì)環(huán)境影響定性指標(biāo)來(lái)確定出最優(yōu)方案[2]。通過研究大量文獻(xiàn)和工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)，充分利用專業(yè)眼光和經(jīng)驗(yàn)，利用層次分析法，綜合考慮多種影響因素，能夠有效提高鐵路選線方案選擇的合理性和準(zhǔn)確性。

福州港口后方鐵路通道位于福建省東部、福州市北部，由杜塢至樟林段、戰(zhàn)坂至透堡段和透堡至樟林聯(lián)絡(luò)線三部分組成。杜塢至樟林段西起峰福鐵路杜塢站，向東北下穿福州國(guó)家森林公園至戰(zhàn)坂村設(shè)戰(zhàn)坂線路所，轉(zhuǎn)向東南接入既有福州鐵路樞紐樟林站，形成福州樞紐貨車外繞線，該段為福州鐵路樞紐的貨車外繞線，為Ⅱ級(jí)雙線鐵路；戰(zhàn)坂至透堡段自戰(zhàn)坂線路引出，向東北經(jīng)貴安、丹陽(yáng)至透堡站，與可門港鐵路支線連通，為Ⅱ級(jí)單線鐵路。福州港后方鐵路是一條服務(wù)于福州港港口發(fā)展和臨港產(chǎn)業(yè)落地的集疏運(yùn)通道，以及聯(lián)通福州港口與干線鐵路的后方貨物運(yùn)輸鐵路，有助于實(shí)現(xiàn)福州中心城區(qū)“客貨分流”，推動(dòng)福州現(xiàn)代物流城的建設(shè)與發(fā)展。

1 港口后方通道選線特點(diǎn)

1.1 港口后方通道功能定位及意義

福州港口后方鐵路通道是一條服務(wù)于福州港港口發(fā)展和臨港產(chǎn)業(yè)落地的集疏運(yùn)通道，是福州現(xiàn)代物流城的重要支撐，是聯(lián)通福州港口與干線鐵路的后方貨物運(yùn)輸鐵路，是一條實(shí)現(xiàn)福州中心城區(qū)“客貨分流”的貨車外繞線。

福州港口后方鐵路的修建解決了可門港鐵路運(yùn)輸瓶頸的歷史問題，完善了福州港口貨物運(yùn)輸通道，提升了福州港口鐵路運(yùn)輸質(zhì)量，降低了貨運(yùn)鐵路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化了福州貨運(yùn)樞紐的運(yùn)輸路徑，完善了海峽西岸貨運(yùn)鐵路網(wǎng)絡(luò)布局。

1.2 港口后方通道地形特征

福州港口后方鐵路位于福建省福州市區(qū)、閩侯縣及連江縣境內(nèi)，線路總體西南東北走向，經(jīng)過的主要水系有閩江、敖江及其支流，兩岸發(fā)育平坦的階地。

線路經(jīng)過區(qū)域地形總體上呈現(xiàn)兩端低、中間高的形態(tài)，地貌以丘陵區(qū)、低山區(qū)為主，間夾河流階地。低山丘陵區(qū)山勢(shì)陡峻，地形起伏較大，高程200～700m，植被發(fā)育；沖積平原區(qū)，地形較開闊平坦，河網(wǎng)、道路密布，城鎮(zhèn)密集。

1.3 港口后方通道工程地質(zhì)特征

沿線分布的主要地層有第四系殘坡積、沖洪積、坡洪積、海積成因松散地層，局部分布有滑坡堆積、人工填土層；下伏基巖為白堊系、侏羅系火山碎屑巖、燕山期侵入巖等。

沿線分布的特殊巖土主要為不同成因類型的軟土、松軟土以及人工填土。線路沿途經(jīng)過閩江、敖江等河流階地，表層多分布流塑狀的淤泥、淤泥質(zhì)黏土，厚度一般超過10m，最厚可達(dá)近25m；沿線丘間谷地及高階地坳谷區(qū)發(fā)育，表面多分布淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）黏土，厚度約1～5m。軟土具含水量高、強(qiáng)度低、壓縮性大等特性，使得施工難度較大。上述的特殊工程地質(zhì)對(duì)鐵路選線有較大的影響。

1.4 港口后方通道環(huán)境敏感性特征

福州港口后方鐵路地處福州城區(qū)及周邊地區(qū)，福州市四周被群山峻嶺所環(huán)抱，氣候適宜，植被發(fā)育，主城區(qū)雖建設(shè)強(qiáng)度較大，但周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保存較好，自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、森林公園及歷史文化資源豐富，線路沿線有多處水源保護(hù)區(qū)、地?zé)崽锛吧鷳B(tài)保護(hù)紅線，這些因素也會(huì)對(duì)鐵路選線產(chǎn)生較大的影響。

2 港口后方通道選線分析

福州港口后方鐵路通道由杜塢至樟林段、戰(zhàn)坂至透堡段、透堡至樟林聯(lián)絡(luò)線三部分組成。對(duì)杜塢至樟林段北頭嶺隧道出口段線路方案、杜塢站上行疏解線蘭花山隧道縱坡方案，進(jìn)行了多方面比選。

2.1 北頭嶺隧道出口段線路方案及專家推薦意見

2.1.1 方案介紹

方案一：線路方案起點(diǎn)位于北頭嶺附近，下穿北二通道后向南行進(jìn)，下穿登云水庫(kù)上游漫坡地段（為淺埋段），并在漫坡附近再次下穿北二通道至其西側(cè)，后并行公路隧道向南，至水廠儲(chǔ)泥塘北側(cè)，以雙洞單線形式從園中互通匝道橋不同孔跨下穿園中互通至線路終點(diǎn)。

方案二：線路方案起點(diǎn)位于北頭嶺附近，下穿北二通道后向南靠山行進(jìn)至登云水庫(kù)上游漫坡（即規(guī)劃登云生態(tài)城地塊）東側(cè)，避開水庫(kù)上游漫坡不良地質(zhì)地段，后線路折向登云生態(tài)城南側(cè)，以單洞雙線形式下穿園中互通至線路終點(diǎn)。

上述方案平面比選示意圖如圖1 所示。

圖1 北頭嶺隧道出口段線路方案比選示意圖

2.1.2 專家推薦意見

專家組對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了細(xì)致的分析與綜合討論，從線路長(zhǎng)度、隧道長(zhǎng)度、四電工程、工程投資、投資差額五個(gè)方面對(duì)線路方案進(jìn)行對(duì)比（對(duì)比內(nèi)容見表1）。

表1 北頭嶺隧道出口段線路方案對(duì)比表

由表1 可知，方案二雖然線路長(zhǎng)度稍長(zhǎng)，但沿線地質(zhì)條件好，對(duì)規(guī)劃登云生態(tài)城地塊無(wú)影響，對(duì)園中互通的影響相對(duì)較小，工程投資相對(duì)較少，因此采用方案二，即繞避登云水庫(kù)不良地質(zhì)地段和水廠儲(chǔ)泥塘方案。

2.2 蘭花山隧道縱坡方案及專家推薦意見

2.2.1 方案介紹

方案一：蘭花山隧道出口端采用3‰ 坡度方案。由于蘭花山隧道出口標(biāo)高受在建橫五路標(biāo)高限制（鐵路上跨公路），因此該段縱坡從控制點(diǎn)處反向設(shè)計(jì)。線路上跨在建橫五線后，以緊坡下至隧道出口外（最低點(diǎn)在洞外），然后以3‰的坡度向小里程方向上坡下穿公路隧道，之后與隧道進(jìn)口端的人字坡銜接。

方案二：蘭花山隧道出口端采用V 坡加橫向排水洞方案。線路上跨在建橫五線后，以下坡進(jìn)入北頭嶺隧道（最低點(diǎn)在洞內(nèi)，距洞口800m），然后以3‰的坡度向小里程方向上坡下穿公路隧道，之后與隧道進(jìn)口端的人字坡銜接。鐵路隧道拱頂與公路隧道仰拱底之間的凈距達(dá)8.26m。為解決隧道V 坡排水問題，根據(jù)地形情況，在V 坡最低點(diǎn)左側(cè)設(shè)置橫向排水洞，排水洞洞徑為3.6m，最低點(diǎn)處軌面標(biāo)高為69.313m，橫向排水洞出口處標(biāo)高為66m（百年水位為65.5m）。

上述方案縱斷面如圖2、圖3 所示。

圖2 蘭花山隧道出口端采用3‰坡度方案縱斷面

2.2.2 專家推薦意見

專家組從規(guī)范符合性、隧道長(zhǎng)度、排水要求等方面進(jìn)行對(duì)比（對(duì)比內(nèi)容見表2）。

表2 蘭花山隧道縱坡方案對(duì)比表

由表2 可知，方案二下穿在建公路，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)及實(shí)施難度相對(duì)較小、可以滿足隧道排水功能，透樟聯(lián)絡(luò)線縮短較多，總工程投資較少，因此推薦采用方案二，即蘭花山隧道出口端采用V 坡加橫向排水洞方案。

3 考慮多因素融合的層次分析模型建立

在方案比選過程中，各專業(yè)專家對(duì)線路推薦方案常常產(chǎn)生明顯差異[3]。為更加客觀地評(píng)價(jià)各線路方案的優(yōu)劣，建立考慮多因素融合的層次分析模型，借助層次分析法進(jìn)行分析。

為提高港口后方通道線路方案的比選效率，將項(xiàng)目中的北頭嶺隧道出口段線路方案作為目標(biāo)層Z，將影響線路走向的工程造價(jià)、施工難易程度、拆遷面積、規(guī)范符合性、與周邊設(shè)施兼容性（分別用A～E 表示）5 個(gè)主要因素作為判斷層P1，結(jié)合專家意見，將方案一、方案二作為方案層P2（分別用F、G 表示），所建立的層次分析模型如圖4 所示。

圖4 考慮多因素融合的層次分析模型

3.1 構(gòu)建判斷矩陣

考慮到該項(xiàng)目涉及評(píng)價(jià)專業(yè)較多，為獲得綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，根據(jù)福州港口后方通道的功能定位及工程執(zhí)行情況，同時(shí)結(jié)合多位專家的審查意見，采用專家打分法，基于工程造價(jià)、拆遷面積、規(guī)范符合性、施工難易程度、與周邊設(shè)施兼容性五類評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立線路方案判斷層對(duì)比矩陣，如表3 所示。

表3 判斷層評(píng)價(jià)矩陣表

根據(jù)上表3 構(gòu)建如下比較矩陣：

利用MATLAB 計(jì)算得到判斷層各影響因素對(duì)方案層的相對(duì)權(quán)重，其權(quán)向量為=(0.155,0.056,0.553,0.102,0.135)，CR=0.089<1，滿足一致性檢驗(yàn)。

為更加直觀地對(duì)比分析不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，建立模糊評(píng)價(jià)等級(jí)表，如表4 所示。

表4 模糊評(píng)價(jià)等級(jí)表

根據(jù)模糊評(píng)價(jià)等級(jí)表4，結(jié)合專家組評(píng)審意見，對(duì)方案層的各類指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)賦值，結(jié)果如表5 所示。

表5 方案層判斷矩陣

根據(jù)表5 分別構(gòu)建各方案與工程造價(jià)、拆遷面積、規(guī)范符合性、施工難易程度、與周邊設(shè)施兼容性五個(gè)因素的方案判斷層對(duì)比矩陣，得到結(jié)果如下：

根據(jù)上述矩陣，分別計(jì)算方案層對(duì)各判斷層的相對(duì)權(quán)重，經(jīng)計(jì)算得到：

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

式（1）中：Z為目標(biāo)層綜合計(jì)算得分；為判斷層各影響因素對(duì)方案層的相對(duì)權(quán)重；為方案層對(duì)各判斷層的相對(duì)權(quán)重[4]。

根據(jù)公式計(jì)算得出，北頭嶺隧道出口段線路方案一對(duì)北頭嶺隧道出口段線路方案的權(quán)重為0.278，方案二對(duì)北頭嶺隧道出口段線路方案的權(quán)重為0.6829。同理，計(jì)算蘭花山隧道縱坡方案一、二權(quán)重，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，如表6 所示。

表6 各方案層權(quán)重值

由表6 可知，北頭嶺隧道出口段線路方案二的權(quán)重值明顯高于方案一，說明綜合考慮工程造價(jià)、拆遷面積、規(guī)范符合性、施工難易程度、與周邊設(shè)施兼容性五類因素，方案二明顯優(yōu)于方案一，與專家評(píng)審意見一致；蘭花山隧道縱坡方案的方案二權(quán)重值高于方案一，說明蘭花山隧道縱坡方案二優(yōu)于方案一，與專家評(píng)審意見一致，進(jìn)一步印證了考慮多因素融合層次分析模型的合理性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

以福州港口后方通道為背景，探討了下穿和繞避登云水庫(kù)不良地質(zhì)地段和水廠儲(chǔ)泥塘兩種北頭嶺隧道出口段線路方案，以及采用3‰坡度和V 坡加橫向排水洞兩種蘭花山隧道縱坡方案，利用層次分析法，考慮了工程造價(jià)、拆遷面積、規(guī)范符合性、施工難易程度、與周邊設(shè)施兼容性五類影響因素，建立了考慮多因素融合的層次分析模型，綜合衡量各方面因素，最終確定了較優(yōu)選線方案，結(jié)果與專家評(píng)審及線路方案綜合比選結(jié)論一致，印證了考慮多因素融合的層次分析模型的合理性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，考慮多因素融合的層次分析模型將定性與定量相結(jié)合，有效提高了選線方案的客觀性和可靠性。

雖然通過建立多因素融合的層次分析模型，使方案論證更加客觀科學(xué)，但在專家打分階段仍需要專家定性分析，不夠客觀，今后將通過建立方案數(shù)據(jù)庫(kù)的方式，融合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，直接根據(jù)道路線形計(jì)算出相關(guān)指標(biāo)的分值，使方案線路比選更加客觀、準(zhǔn)確。