黄百铁路白石岩隧道段线路方案因素评价体系及目标优选

2024-03-04张绪景

贵州科学 2024年1期

张绪景

(中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司,贵州贵阳 550002)

0 引言

铁路选线设计是根据设计项目的功能需求,结合所经过地区的社会环境、自然环境和生态环境,确定线路空间位置、协调布设各种建筑物的决策过程。为提高铁路选线工作的质量和效率,减轻设计人员的劳动强度,规避因固定思维导致的方案遗漏,线路设计人员相继把数值模拟、数理统计工具、优化方法、交互式图形、数据库相关技术、遥感和地理信息系统、虚拟现实以及BIM等技术引入选线领域。

针对数理统计工具在铁路选线领域的应用,国内外大量学者进行了全面的研究。杨立国[1]、郭海东[2]等基于模糊数学、层次分析法、BP神经网络、GIS、灰色关联度等数理统计工具探究了铁路选线的新方法。王登攀[3]采用层次分析法建立适用于南亚某国的铁路选线层次结构模型,客观合理地做好南亚某国家环线铁路的选线设计,为业主决策提供科学的依据。宋尊尧[4]利用BIM技术,基于在虚拟的立体地理环境中进行铁路选线设计的目标,构建了一个以立体地理环境为基础的铁路选线设计系统。

1 概述

1.1 黄百铁路概况

黄百铁路位于贵州省西南部地区的安顺市、黔西南州和广西百色市境内,为国家规划西部陆海新通道的辅助通道。线路自既有沪昆铁路黄桶站引出,呈南北向经普定县、六枝特区、镇宁县、紫云县、望谟县、乐业县和凌云县后,接入南昆铁路永乐站,后通过永乐至百色增建南昆铁路二线引入南昆铁路百色站,正线建筑长度312.626 km。

1.2 白石岩隧道段方案介绍

黄百铁路白石岩隧道段介于紫云车站与本寨车站之间,里程桩号为DK56+300-DK76+500,位于紫云县境内,地势南北高而中部平缓,东西两侧向外倾斜,平均海拔1000～1390 m,相对高差约390 m,自然横坡一般15°～45°,局部陡竣。区域属低中山剥蚀、溶蚀地貌,地形起伏较大,地面冲沟较发育,岩溶水较发育。线路主要呈南北走向,与自东向西的板母暗河交叉,主要分布可溶岩地层,岩溶发育强烈,富水性强,如图1所示。

图1 白石岩隧道段方案示意图

1.3 本段主要控制因素分析

1.3.1 地形条件

受地形条件的影响,白石岩隧道段线路方案自紫云车站引出后,紧坡下至边饶车站,如图2所示。该段线路长度约40 km,桥梁15座,线路标高直接影响后续桥隧工程的规模和投资,故紫云车站标高及后续桥隧工程是影响该段线路方案的一个控制性因素。

图2 本段线路纵断面示意图

为克服本段高差,线路设置了约40 km的紧坡地段,该段桥梁5.29 km/13座,其中特大桥1座,长2.4 km,桥高约117 m,隧道32.27 km/11座,桥隧占比高,故合理选用坡度折减系数,能够有效降低桥高,减少工程施工风险和投资。针对长大隧道坡度折减,李小伟[5]等做了进一步研究,除普遍套用《铁路线路设计规范》外,针对不同机车类型和牵引质量进行专题研究选用中,选用《规范》条文解释中系数的方法也已在大瑞线等工程中得以应用。故坡度折减方式也是该段线路方案的一个控制性因素。

1.3.2 地质条件

场区属低中山侵蚀、剥蚀地貌,地形起伏较大,地层岩性复杂,线路穿越区域性构造关山向斜和F1断层,次生构造发育,产状变化明显。主要工程地质问题为危岩落石、岩堆、岩溶,特殊岩土为软土,有害气体。区内发育有板母暗河,据钻探及物探揭示,常水位标高1050 m,铁路线路处季节变动带,流量740 L/s,如图3所示。经分析,影响该段线路的地质条件主要为地层岩性、岩溶暗河和断层。

图3 板母暗河与线位关系示意图

1.3.3 工程条件

铁路选线结合地形、水文和工程地质条件,绕避各类不良地质体,合理确定工程类型,保障工程施工和运营安全,不同的工程形式,决定了不同的工程投资,工程投资是线路方案的一个控制因素。该段线路控制工程为白石岩隧道,全长6755 m,单面下坡,受地形地质条件限制,满足本线工期、施工通风、弃渣及防灾救援等需要,隧道的施工工期是本段线路方案的控制因素。

1.3.4 其他条件

影响铁路选线的因素除地形、地质和工程条件外,还有环境敏感点、军事敏感区、文物、重大工程和交通设施及沿线地方政府和相关部门的意见等。本段线路方案受紫云板母水源保护区的影响较大,其余因素的影响较小。

2 建立方案因素评价体系

不同的因素影响铁路选线的因素和程度均有所不同,因此在评价时,一些对线路走向起控制性的重要因子作为评价指标。本文结合黄百铁路白石岩隧道段选线实例,以前节分析为基础,组织本项目线、路、桥、隧、地等专业专家研讨确定评价模型的影响因子,以地形条件、地质条件、工程条件和环境条件为一级因子,下分二级因子,然后经筛选、优化、赋值后确定分级评价因子。

评价因子一般分定性和定量因素,需要量化或分级描述,通过专家打分的方法确定的影响程度分级为4档,分别是Ⅰ级(好)、Ⅱ(较好)、Ⅲ(中等)、Ⅳ(差),如表1所示。通过偏最小二乘通径模型(PLS Path Model)进行优选评价,以最优方案为目标层,一级指标为隐变量,二级指标为显变量,建立铁路线路方案因素评价体系,如图4所示。

表1 评价因子级别表

图4 线路方案因素评价体系

3 基于PLS Path Model的线路方案目标优选

3.1 PLS Path Model模型简介

偏最小二乘通径模型(PLS Path Model)由Wold等人于20世纪80年代建立[6],是一种比较实用和有效的迭代求解一元或多元方程的线性统计建模方法,常用于多因素的目标抉择,广泛应用于人文科学和经济学等领域。在工程领域,岳鹏程[7]提出基于偏最小二乘回归计算高速公路运营期碳排放计量方法,朱信山等[8]提出偏最小二乘神经网络组合模型预测高速公路的交通量,张涛等[9]将该方法运用到岩溶洼地抽水蓄能库区的选址。PLS Path Model常用复数据表分析方法建立,由测量模型和结构模型组成,分别以显变量(Xij)和隐变量(Yi)表征,每个隐变量都有对应的多个显变量。

3.2 基于PLS Path Model的方案比选模型

基于前节建立的方案因素评价体系,将一级指标作为隐变量,二级指标作为显变量,如表2所示。

表2 隐变量和显变量

利用复数据表分析方法,建立基于PLS Path Model的线路方案优选模型,构建模型的隐变量与显变量,目标层与显变量之间的路径关系如图5所示。由图可知,以这种方式提取的隐变量M,一方面可以反映隐变量Y1～Y4所包含的信息,另一方面又与所有原始显变量之间具有较强的相关性,因此,M可以作为概括原始变量信息的综合指标,成为黄百铁路白石岩隧道段线路方案优选的依据。

图5 PLS路径分析图

利用PLS Path Model对所有显变量进行标准量化处理,利用Smart PLS软件进行建模并计算,求出隐变量与显变量对应的函数关系,如公式(1)和公式(2)所示。

(1)

M=0.328Y1+0.337Y2+0.538Y3+0.285Y4

(2)

3.3 基于PLS Path Model的线路方案比选

鉴于白石岩隧道段线路方案受控因素较多,本次研究结合地方城镇规划、城市建设现状、地形地质条件、工程条件、环境条件及地方意见,重点研究了幸福园村设站(方案Ⅰ)、彭家院设站(方案Ⅱ)及中心村设站(方案Ⅲ)三个方案,如图6所示。本段方案利用传统的线路方案比选得出的推荐方案已经通过了相关部门的审查,以下利用基于PLS Path Model的线路方案比选方法与传统线路方案比选方法进行比较,验证基于PLS Path Model的线路方案比选方法的正确性。

图6 白石岩隧道段方案比选示意图

传统线路方案比选方法首先是从线路长度和投资方面分析,方案Ⅰ距离县城略远,但整体线路长度最短,投资最省。从设站条件和城市发展方面分析,方案Ⅰ设站条件较好,既有X458县道可直达车站,且该方案与城市发展主轴方向一致,有利于紫云县整体规划发展。从地质方面分析,方案Ⅰ不良地质及特殊岩土较少,工程形式简单,地质条件稍好。从重难点工程方面分析,方案Ⅰ的桥隧工程规模较小。综上,故本段方案比选推荐采用幸福园村设站方案。

基于PLS Path Model的线路方案比选方法,对以上三个方案进行评价因素分级,如表3所示。通过建立PLS Path Model线路方案比选模型,进行评价因素的量化分级,并经一致性检验合格后带入回归方程进行计算,计算结果得M1=0.9672、M2=0.9252、M3=0.8954,可见M1(方案Ⅰ)>M2(方案Ⅱ)>M3(方案Ⅲ)。故通过PLS Path Model建立模型进行方案比选可得,白石岩隧道段方案Ⅰ最好,方案Ⅱ次之,方案Ⅲ最差,评判结论与传统线路方案比选方法分析一致。