基于層次分析法的包鄂高鐵黃河橋位線路方案研究

彭建鎖

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

隨著我國高速鐵路網(wǎng)的建設,跨越長江、黃河等大江大河工程也越來越普遍。對于鐵路等線形工程,重點橋渡選址在很大程度上決定了線路的走向方案。因此,對重點橋渡的選址方案進行多方案論證,并選擇合理的橋位方案,成為項目前期研究決策的一個重要內(nèi)容。

在以往的重點橋位方案研究中,通常采用傳統(tǒng)的定性分析方法,對提出的幾個橋位方案進行多角度的分析論證并確定推薦方案,如張旭峰從工程實施對外部條件的影響、工程經(jīng)濟合理性、運營風險及養(yǎng)護維修等方面分析后,推薦沿西部快速干道隧道過江方案[1];徐洪權(quán)從工程建設條件、社會經(jīng)濟、交通以及涌潮、港口航道及生態(tài)環(huán)境等等對通甬高鐵跨杭州灣4個橋位方案進行論證選擇[2]。

為避免傳統(tǒng)定性分析方法受到人為主觀因素的影響,近年來已有學者提出對線路方案進行定量評價,并進行多種不同評價理論的研究[3-6],如趙笑然等研究云模型-累積前景理論[7];李廣婧、秦寶來等研究價值工程原理[8-9];陳凱倫等研究風險偏好行為[10];楊昌睿等研究TOPSIS決策方法[11-12];楊文昕等分別研究模糊評價法、因素分析法等[13-14]。以上研究成果較多側(cè)重于理論分析原理、評價模型或評價體系的研究,卻較少用于指導線路方案的決策。以下引入層次分析方法,在對包鄂高鐵黃河橋各橋位方案定性分析基礎上,將各影響因素賦予不同的比值權(quán)重,并加權(quán)計算各方案得分情況,以客觀判別各方案的優(yōu)劣程度,使各橋位方案的合理性得到更直觀的體現(xiàn)。

1 項目概況

包頭至鄂爾多斯高速鐵路(簡稱“包鄂高鐵”)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部,線路北起包頭市包頭東站,向南跨越黃河,經(jīng)鄂爾多斯市轄達拉特旗、東勝區(qū)、康巴什區(qū),終至鄂爾多斯站,線路長125 km。項目北接京包高鐵,南接延榆鄂高鐵,是國家“八縱八橫”高速鐵路主通道之包(銀)海通道的重要組成部分,是一條承擔中長途客流為主,兼顧城際客流的高速鐵路干線,對加快構(gòu)筑國家“八縱八橫”高速鐵路主通道和國家綜合立體交通網(wǎng)主骨架,支撐黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展等國家戰(zhàn)略,推動呼包鄂榆城市群高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[15]。包鄂高鐵在包頭樞紐至達拉特旗段跨越黃河典型彎曲型河道,河道水文復雜,周邊控制因素較多,黃河橋位通道的選擇及橋跨橋式的擬定是項目研究的重難點。

2 黃河橋位處各影響因素分析

2.1 河段自然地理概況

(1)河道、水文

包鄂高鐵在包頭城區(qū)以南跨越黃河,跨越黃河處位于昭君墳至頭道拐河段。該河段發(fā)育為彎曲型河道,其河床演變表現(xiàn)為凹岸的淘刷和凸岸邊灘的淤長,常沖刷灘地及堤防,險情不斷。該河段河寬1 200～5 000 m,上段較寬,平均寬約3 000 m,下段較窄,平均寬約2 000 m,主槽寬400～900 m,平均寬約600 m,河道比降0.125‰。

(2)地質(zhì)、地貌

該河段屬黃河沖積平原地貌,由河漫灘和一級階地組成,一級階地高出河漫灘1～2 m,前緣陡坎不明顯,地形平坦,局部土壤鹽堿化嚴重;在其上分布有濕地,并形成有積水洼地和沼澤化濕地等微觀地貌。河谷沖積平原為黃河沖積形成,分布于黃河河谷及其兩側(cè),由第四系全新統(tǒng)沖洪積地層組成,微向下游傾斜,巖性以壤土、細砂、砂礫石、中粗砂、砂壤土為主。

(3)洪水、冰情

黃河寧蒙河段洪水主要來自蘭州以上河段,由降雨形成,汛期為6月～10月。年最大流量多發(fā)生在7月或9月,洪水漲落平緩,歷時45 d。

黃河上游寧蒙河段冬季結(jié)冰期長達4～5個月,受氣溫和流量變化以及河道邊界條件的影響,易形成冰塞、冰壩等凌情,常給該地區(qū)造成凌汛災害。擬建大橋橋位附近河段自有記錄以來發(fā)生過數(shù)次冰堆、冰壩險情,平均每年約4次[16]。

橋位跨河點應盡量選在河道穩(wěn)定、主槽寬度窄、水文地質(zhì)條件好的地方。橋墩設置應考慮洪水、冰情情況,并減小對河道主流變化的影響,橋梁軸線應與洪水主流流向正交,主河槽孔跨≮100 m。

2.2 河段既有橋梁概況

依據(jù)《黃河河道管理范圍內(nèi)建設項目技術(shù)審查標準(試行)》有關(guān)規(guī)定,為減少橋梁建設對河勢演變、河道防洪、工程管理等的影響,不同河段容許的橋梁間距一般應不小于橋梁壅水長度的1.5～2倍,黃河寧蒙河段橋梁容許間距≮4 km。

該段自西向東既有及在建黃河橋有：在建包茂高速公路昭君黃河橋、包西鐵路黃河特大橋、包神鐵路包頭黃河鐵路大橋、包頭黃河公路一號大橋、包頭黃河公路二號大橋。各橋主橋孔跨及橋間距等基本情況見表1。

表1 既有及在建黃河大橋間距

由表1可知,包神鐵路黃河橋、包頭黃河公路一號、二號大橋間距小于1 km,若選擇新橋位需開展論證;滿足4 km容許間距的橋位宜選擇在包西鐵路、包神鐵路黃河橋之間或包頭黃河公路二號大橋下游。

2.3 環(huán)境及城市規(guī)劃影響

黃河河道段主要分布有南海子自然保護區(qū)、包頭黃河國家濕地公園、黃河鯰國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護

區(qū)等環(huán)境敏感點,橋位選擇應該考慮環(huán)境敏感點影響因素。該段線路走行于包頭城市規(guī)劃區(qū),線路選線應盡量減少對規(guī)劃的影響。

2.4 包頭樞紐引入方案

根據(jù)包頭鐵路樞紐總體規(guī)劃,包鄂高鐵接軌于包頭東站西端咽喉,出站后轉(zhuǎn)向南跨越黃河,并在達拉特旗設站,包頭樞紐內(nèi)曲線半徑應結(jié)合線路運行速度選取[17]。

2.5 東河機場電磁及限高影響

包頭東河機場位于包頭東站西南約2 km處,機場跑道呈西北至東南向布置。線路自包頭東站引出后需繞避東河機場轉(zhuǎn)向南跨越機場高速公路,該段線路平縱斷面需滿足民用機場航空無線電導航臺電磁環(huán)境要求、民用機場飛行區(qū)技術(shù)標準等[18]。

3 黃河橋位方案研究

3.1 方案概述

根據(jù)該段黃河河道及水文條件,結(jié)合與既有橋梁間距、包頭樞紐引入方案、與東河機場位置關(guān)系、包頭市國土空間總體規(guī)劃及環(huán)境敏感區(qū)分布等因素,在該河段范圍內(nèi)自東向西共研究南海子橋位方案、畫匠營子橋位方案、并行G210公路橋位方案、小白河橋位方案、并行包西鐵路橋位方案等5個方案(見圖1)。

圖1 黃河橋位方案示意Fig.1 Sketch map of the Yellow River bridge location schemes

①南海子橋位方案(方案一)

線路自包頭東站引出,繞避機場后折向南跨越黃河,至包達高速公路東側(cè)、迎賓大街南側(cè)設達拉特旗站,出站后向南至比較終點。新建線路長48.2 km,靜態(tài)投資80.24億元,該黃河橋位距離G210公路黃河二橋4 km。

②畫匠營子橋位方案(方案二)

線路自包頭東站引出,繞避機場后折向南,經(jīng)畫匠營子東側(cè)跨越黃河,至包達高速公路東側(cè)、迎賓大街南側(cè)設達拉特旗站,出站向南至比較終點。新建線路長48.03 km,靜態(tài)投資87.36億元,該黃河橋位距離G210公路黃河二橋2 km。

③并行G210公路橋位方案(方案三)

線路自包頭東站引出,并行國道G210跨越黃河,至包達高速公路東側(cè)、迎賓大街南側(cè)設達拉特旗站,出站向南至比較終點。新建線路長50.34 km,靜態(tài)投資82.88億元,該黃河橋位與G210公路黃河二橋并行。

④小白河橋位方案(方案四)

線路自包頭東站引出,并行包蘭鐵路至萬水泉站,折向南沿城市道路走行,經(jīng)黃河國家濕地公園(小白河片區(qū))跨越黃河,沿罕臺川東側(cè)走行,至達拉特旗西側(cè)設站,出站后向東南至比較終點。新建線路長59.08 km,靜態(tài)投資96.05億元,該黃河橋位距離包神鐵路黃河橋4 km,距離包西鐵路黃河橋5 km。

⑤并行包西鐵路橋位方案(方案五)

線路自包頭東站引出,并行包蘭鐵路至包頭站,折向南沿包西鐵路走行,跨越黃河后引入既有達拉特西站,出站向南經(jīng)響沙灣東側(cè)至比較終點。新建線路長66.12 km,靜態(tài)投資107.25億元,該黃河橋位與包西鐵路黃河橋并行。

3.2 各方案定性分析

5個橋位方案中,線路長度、河道情況、主橋方案、上下游橋間距及工程投資對比分析見表2。

表2 黃河橋位方案綜合分析比較

由表2可知,對各橋位方案定性分析比較如下。

并行包西鐵路橋位方案橋位不滿足黃委會最小橋間距4 km的規(guī)定,需進行專項論證,穿環(huán)境保護區(qū)及規(guī)劃區(qū)較長,線路長度最長。

小白河橋位方案雖橋位滿足黃委會最小橋間距4 km規(guī)定,但穿環(huán)境保護區(qū)及規(guī)劃區(qū)較長,線路長度較長。該兩方案運營距離及時間較長,增加投資較多,達拉特旗站位距離城區(qū)遠。

并行G210公路橋位方案河道較為順直,主河槽擺動范圍最小,主橋長度最短,投資最省,但與G210公路黃河大橋及包頭水文站間距不滿足黃委會要求,對行洪尤其是冰凌爆破影響最大,論證通過難度大。

畫匠營子橋位方案線路長度最短,對城市規(guī)劃影響較小,達拉特旗站距離城區(qū)較近,但主河槽擺動范圍最大,主橋最長,投資較高,不滿足黃委會最小橋間距4 km的規(guī)定,需專項論證。

南海子橋位方案河道較為順直,主河槽擺動范圍較小,橋位與既有橋梁及水文斷面間距滿足黃委會要求,穿越黃河鯰國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)實驗區(qū),環(huán)境影響相對較小,穿越中心城區(qū)規(guī)劃區(qū)長度最短,對城市規(guī)劃影響最小,達拉特旗站距離城區(qū)較近,線路長度較短,工程投資最省。

4 方案評價

4.1 決策矩陣

為直觀判斷各方案的優(yōu)劣程度,建立各影響因素及備選方案的決策矩陣模型(見表3)。

表3 決策矩陣模型

4.2 權(quán)重分配

決策矩陣模型中,根據(jù)各控制因素對方案的影響程度賦予不同的權(quán)重。目前常用的賦權(quán)方法有專家評分法、層次分析法、熵權(quán)法、CRITIC法等。層次分析法簡稱AHP,是一種采用多維度數(shù)量經(jīng)濟學的現(xiàn)代咨詢方法,較為適用于多目標復雜決策分析[19-20]。將線路長度及投資、橋位處河道水文條件、與既有橋的間距、環(huán)境保護、城市總體規(guī)劃影響作為評價準則層(各方案均引入包頭東站,且均滿足東河機場電磁防護及凈高要求,因此不參與評價),各因素兩兩進行比較(兩因素相比時,同等重要、稍微重要、明顯重要、強烈重要、極端重要分別賦值1、3、5、7、9,介于以上強度中間值時賦值2、4、6、8,若兩因素比較結(jié)果相反則采用對應的倒數(shù)表示)得到比較矩陣,見表4。

表4 各影響因素比較矩陣

為了檢驗各元素重要度之間的協(xié)調(diào)性,須對比較矩陣進行一致性檢驗：λmax=5.098,CR=0.0219<0.1,滿足要求。對比較矩陣進行歸一化處理后得到各權(quán)重,各影響因素權(quán)重見表5。

表5 各影響因素權(quán)重

4.3 分值確定及計算排序

按照前文中的定性分析,對每個方案各影響因素的優(yōu)劣程度進行打分,最優(yōu)方案90～100分,較好方案70～80分,較差方案60分,最后根據(jù)權(quán)重加權(quán)計算得到總分,各方案影響因素分值及總分見表6。

表6 各方案影響因素分值及總分

通過決策矩陣計算結(jié)果可知,分數(shù)由高到低排序為：方案一、方案三、方案二、方案四、方案五,與前述定性分析結(jié)論相符,說明采用層次分析法進行權(quán)重定量比較,結(jié)果客觀合理。

4.4 推薦意見

根據(jù)定性及定量分析結(jié)果,推薦方案一(即南海子橋位方案)作為貫通方案,該方案線路長度短,工程投資省,對河道排洪、行凌影響最小,滿足《黃河河道管理范圍內(nèi)建設項目技術(shù)審查標準(試行)》寧蒙段橋梁間距≮4 km的要求,符合城市規(guī)劃,對環(huán)境敏感區(qū)域的影響可控。

5 結(jié)語

跨越重大河流橋位的選擇影響項目的走向方案,橋位選擇應根據(jù)各控制因素,選取多個橋位進行比選論證,并從河道、水文、線型、環(huán)保、投資多角度分析,最終合理確定橋位及兩端引線,即“以橋定線”。對于長江、黃河等橋位資源較為稀缺的重點河流,還應征求河道管理部門、地方政府等意見,必要時還應研究公鐵合建、隧道下穿等方案。在本黃河橋位各方案分析比較中,采用定性分析與定量分析相結(jié)合的方法,使各控制因素的影響程度和比較結(jié)果有了更為直觀的體現(xiàn),避免傳統(tǒng)定性分析中人為主觀因素影響,比選結(jié)果客觀合理,為包鄂高鐵黃河重大橋位的確定提供了較好的決策依據(jù)。