基于层次分析法的包鄂高铁黄河桥位线路方案研究

彭建锁

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

随着我国高速铁路网的建设,跨越长江、黄河等大江大河工程也越来越普遍。对于铁路等线形工程,重点桥渡选址在很大程度上决定了线路的走向方案。因此,对重点桥渡的选址方案进行多方案论证,并选择合理的桥位方案,成为项目前期研究决策的一个重要内容。

在以往的重点桥位方案研究中,通常采用传统的定性分析方法,对提出的几个桥位方案进行多角度的分析论证并确定推荐方案,如张旭峰从工程实施对外部条件的影响、工程经济合理性、运营风险及养护维修等方面分析后,推荐沿西部快速干道隧道过江方案[1];徐洪权从工程建设条件、社会经济、交通以及涌潮、港口航道及生态环境等等对通甬高铁跨杭州湾4个桥位方案进行论证选择[2]。

为避免传统定性分析方法受到人为主观因素的影响,近年来已有学者提出对线路方案进行定量评价,并进行多种不同评价理论的研究[3-6],如赵笑然等研究云模型-累积前景理论[7];李广婧、秦宝来等研究价值工程原理[8-9];陈凯伦等研究风险偏好行为[10];杨昌睿等研究TOPSIS决策方法[11-12];杨文昕等分别研究模糊评价法、因素分析法等[13-14]。以上研究成果较多侧重于理论分析原理、评价模型或评价体系的研究,却较少用于指导线路方案的决策。以下引入层次分析方法,在对包鄂高铁黄河桥各桥位方案定性分析基础上,将各影响因素赋予不同的比值权重,并加权计算各方案得分情况,以客观判别各方案的优劣程度,使各桥位方案的合理性得到更直观的体现。

1 项目概况

包头至鄂尔多斯高速铁路(简称“包鄂高铁”)位于内蒙古自治区西部,线路北起包头市包头东站,向南跨越黄河,经鄂尔多斯市辖达拉特旗、东胜区、康巴什区,终至鄂尔多斯站,线路长125 km。项目北接京包高铁,南接延榆鄂高铁,是国家“八纵八横”高速铁路主通道之包(银)海通道的重要组成部分,是一条承担中长途客流为主,兼顾城际客流的高速铁路干线,对加快构筑国家“八纵八横”高速铁路主通道和国家综合立体交通网主骨架,支撑黄河流域生态保护和高质量发展等国家战略,推动呼包鄂榆城市群高质量发展具有重要意义[15]。包鄂高铁在包头枢纽至达拉特旗段跨越黄河典型弯曲型河道,河道水文复杂,周边控制因素较多,黄河桥位通道的选择及桥跨桥式的拟定是项目研究的重难点。

2 黄河桥位处各影响因素分析

2.1 河段自然地理概况

(1)河道、水文

包鄂高铁在包头城区以南跨越黄河,跨越黄河处位于昭君坟至头道拐河段。该河段发育为弯曲型河道,其河床演变表现为凹岸的淘刷和凸岸边滩的淤长,常冲刷滩地及堤防,险情不断。该河段河宽1 200～5 000 m,上段较宽,平均宽约3 000 m,下段较窄,平均宽约2 000 m,主槽宽400～900 m,平均宽约600 m,河道比降0.125‰。

(2)地质、地貌

该河段属黄河冲积平原地貌,由河漫滩和一级阶地组成,一级阶地高出河漫滩1～2 m,前缘陡坎不明显,地形平坦,局部土壤盐碱化严重;在其上分布有湿地,并形成有积水洼地和沼泽化湿地等微观地貌。河谷冲积平原为黄河冲积形成,分布于黄河河谷及其两侧,由第四系全新统冲洪积地层组成,微向下游倾斜,岩性以壤土、细砂、砂砾石、中粗砂、砂壤土为主。

(3)洪水、冰情

黄河宁蒙河段洪水主要来自兰州以上河段,由降雨形成,汛期为6月～10月。年最大流量多发生在7月或9月,洪水涨落平缓,历时45 d。

黄河上游宁蒙河段冬季结冰期长达4～5个月,受气温和流量变化以及河道边界条件的影响,易形成冰塞、冰坝等凌情,常给该地区造成凌汛灾害。拟建大桥桥位附近河段自有记录以来发生过数次冰堆、冰坝险情,平均每年约4次[16]。

桥位跨河点应尽量选在河道稳定、主槽宽度窄、水文地质条件好的地方。桥墩设置应考虑洪水、冰情情况,并减小对河道主流变化的影响,桥梁轴线应与洪水主流流向正交,主河槽孔跨≮100 m。

2.2 河段既有桥梁概况

依据《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准(试行)》有关规定,为减少桥梁建设对河势演变、河道防洪、工程管理等的影响,不同河段容许的桥梁间距一般应不小于桥梁壅水长度的1.5～2倍,黄河宁蒙河段桥梁容许间距≮4 km。

该段自西向东既有及在建黄河桥有：在建包茂高速公路昭君黄河桥、包西铁路黄河特大桥、包神铁路包头黄河铁路大桥、包头黄河公路一号大桥、包头黄河公路二号大桥。各桥主桥孔跨及桥间距等基本情况见表1。

表1 既有及在建黄河大桥间距

由表1可知,包神铁路黄河桥、包头黄河公路一号、二号大桥间距小于1 km,若选择新桥位需开展论证;满足4 km容许间距的桥位宜选择在包西铁路、包神铁路黄河桥之间或包头黄河公路二号大桥下游。

2.3 环境及城市规划影响

黄河河道段主要分布有南海子自然保护区、包头黄河国家湿地公园、黄河鲶国家级水产种质资源保护

区等环境敏感点,桥位选择应该考虑环境敏感点影响因素。该段线路走行于包头城市规划区,线路选线应尽量减少对规划的影响。

2.4 包头枢纽引入方案

根据包头铁路枢纽总体规划,包鄂高铁接轨于包头东站西端咽喉,出站后转向南跨越黄河,并在达拉特旗设站,包头枢纽内曲线半径应结合线路运行速度选取[17]。

2.5 东河机场电磁及限高影响

包头东河机场位于包头东站西南约2 km处,机场跑道呈西北至东南向布置。线路自包头东站引出后需绕避东河机场转向南跨越机场高速公路,该段线路平纵断面需满足民用机场航空无线电导航台电磁环境要求、民用机场飞行区技术标准等[18]。

3 黄河桥位方案研究

3.1 方案概述

根据该段黄河河道及水文条件,结合与既有桥梁间距、包头枢纽引入方案、与东河机场位置关系、包头市国土空间总体规划及环境敏感区分布等因素,在该河段范围内自东向西共研究南海子桥位方案、画匠营子桥位方案、并行G210公路桥位方案、小白河桥位方案、并行包西铁路桥位方案等5个方案(见图1)。

图1 黄河桥位方案示意Fig.1 Sketch map of the Yellow River bridge location schemes

①南海子桥位方案(方案一)

线路自包头东站引出,绕避机场后折向南跨越黄河,至包达高速公路东侧、迎宾大街南侧设达拉特旗站,出站后向南至比较终点。新建线路长48.2 km,静态投资80.24亿元,该黄河桥位距离G210公路黄河二桥4 km。

②画匠营子桥位方案(方案二)

线路自包头东站引出,绕避机场后折向南,经画匠营子东侧跨越黄河,至包达高速公路东侧、迎宾大街南侧设达拉特旗站,出站向南至比较终点。新建线路长48.03 km,静态投资87.36亿元,该黄河桥位距离G210公路黄河二桥2 km。

③并行G210公路桥位方案(方案三)

线路自包头东站引出,并行国道G210跨越黄河,至包达高速公路东侧、迎宾大街南侧设达拉特旗站,出站向南至比较终点。新建线路长50.34 km,静态投资82.88亿元,该黄河桥位与G210公路黄河二桥并行。

④小白河桥位方案(方案四)

线路自包头东站引出,并行包兰铁路至万水泉站,折向南沿城市道路走行,经黄河国家湿地公园(小白河片区)跨越黄河,沿罕台川东侧走行,至达拉特旗西侧设站,出站后向东南至比较终点。新建线路长59.08 km,静态投资96.05亿元,该黄河桥位距离包神铁路黄河桥4 km,距离包西铁路黄河桥5 km。

⑤并行包西铁路桥位方案(方案五)

线路自包头东站引出,并行包兰铁路至包头站,折向南沿包西铁路走行,跨越黄河后引入既有达拉特西站,出站向南经响沙湾东侧至比较终点。新建线路长66.12 km,静态投资107.25亿元,该黄河桥位与包西铁路黄河桥并行。

3.2 各方案定性分析

5个桥位方案中,线路长度、河道情况、主桥方案、上下游桥间距及工程投资对比分析见表2。

表2 黄河桥位方案综合分析比较

由表2可知,对各桥位方案定性分析比较如下。

并行包西铁路桥位方案桥位不满足黄委会最小桥间距4 km的规定,需进行专项论证,穿环境保护区及规划区较长,线路长度最长。

小白河桥位方案虽桥位满足黄委会最小桥间距4 km规定,但穿环境保护区及规划区较长,线路长度较长。该两方案运营距离及时间较长,增加投资较多,达拉特旗站位距离城区远。

并行G210公路桥位方案河道较为顺直,主河槽摆动范围最小,主桥长度最短,投资最省,但与G210公路黄河大桥及包头水文站间距不满足黄委会要求,对行洪尤其是冰凌爆破影响最大,论证通过难度大。

画匠营子桥位方案线路长度最短,对城市规划影响较小,达拉特旗站距离城区较近,但主河槽摆动范围最大,主桥最长,投资较高,不满足黄委会最小桥间距4 km的规定,需专项论证。

南海子桥位方案河道较为顺直,主河槽摆动范围较小,桥位与既有桥梁及水文断面间距满足黄委会要求,穿越黄河鲶国家级水产种质资源保护区实验区,环境影响相对较小,穿越中心城区规划区长度最短,对城市规划影响最小,达拉特旗站距离城区较近,线路长度较短,工程投资最省。

4 方案评价

4.1 决策矩阵

为直观判断各方案的优劣程度,建立各影响因素及备选方案的决策矩阵模型(见表3)。

表3 决策矩阵模型

4.2 权重分配

决策矩阵模型中,根据各控制因素对方案的影响程度赋予不同的权重。目前常用的赋权方法有专家评分法、层次分析法、熵权法、CRITIC法等。层次分析法简称AHP,是一种采用多维度数量经济学的现代咨询方法,较为适用于多目标复杂决策分析[19-20]。将线路长度及投资、桥位处河道水文条件、与既有桥的间距、环境保护、城市总体规划影响作为评价准则层(各方案均引入包头东站,且均满足东河机场电磁防护及净高要求,因此不参与评价),各因素两两进行比较(两因素相比时,同等重要、稍微重要、明显重要、强烈重要、极端重要分别赋值1、3、5、7、9,介于以上强度中间值时赋值2、4、6、8,若两因素比较结果相反则采用对应的倒数表示)得到比较矩阵,见表4。

表4 各影响因素比较矩阵

为了检验各元素重要度之间的协调性,须对比较矩阵进行一致性检验：λmax=5.098,CR=0.0219<0.1,满足要求。对比较矩阵进行归一化处理后得到各权重,各影响因素权重见表5。

表5 各影响因素权重

4.3 分值确定及计算排序

按照前文中的定性分析,对每个方案各影响因素的优劣程度进行打分,最优方案90～100分,较好方案70～80分,较差方案60分,最后根据权重加权计算得到总分,各方案影响因素分值及总分见表6。

表6 各方案影响因素分值及总分

通过决策矩阵计算结果可知,分数由高到低排序为：方案一、方案三、方案二、方案四、方案五,与前述定性分析结论相符,说明采用层次分析法进行权重定量比较,结果客观合理。

4.4 推荐意见

根据定性及定量分析结果,推荐方案一(即南海子桥位方案)作为贯通方案,该方案线路长度短,工程投资省,对河道排洪、行凌影响最小,满足《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准(试行)》宁蒙段桥梁间距≮4 km的要求,符合城市规划,对环境敏感区域的影响可控。

5 结语

跨越重大河流桥位的选择影响项目的走向方案,桥位选择应根据各控制因素,选取多个桥位进行比选论证,并从河道、水文、线型、环保、投资多角度分析,最终合理确定桥位及两端引线,即“以桥定线”。对于长江、黄河等桥位资源较为稀缺的重点河流,还应征求河道管理部门、地方政府等意见,必要时还应研究公铁合建、隧道下穿等方案。在本黄河桥位各方案分析比较中,采用定性分析与定量分析相结合的方法,使各控制因素的影响程度和比较结果有了更为直观的体现,避免传统定性分析中人为主观因素影响,比选结果客观合理,为包鄂高铁黄河重大桥位的确定提供了较好的决策依据。