鐵路選線要素分析及其在線路設計中的應用

咸志文

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

伴隨著人民生活水平的不斷提升，人們出行頻率日益加大，為此，原有的鐵路交通系統既不能滿足大客運量需求，又無法滿足人們對乘車舒適度、安全性的要求，為此，必須進一步加大線路增線工作，而在此過程中，一定要把握線路選線的基本要素，并結合ArcGIS應用，實現鐵路選線的科學性與經濟性。

1 影響鐵路線走向的基本因素

結合近幾年鐵路選線工作實際情況來看，影響選線走向因素眾多，概括起來主要有地形地質條件、環境敏感區及沿線交通設施分布、水利工程及水工建筑物工礦企業、城市規劃等，該研究結合南防線馬皇至防城港北段增建二線選線實踐進行如下分析。

1.1 地形、地質條件

為探究地形地質條件對鐵路選線走向的影響，研究結合南防線馬皇至防城港北段增建二線選線實踐，分析了該線路途經區域的地形地質條件。該線路途經區域地面起伏急劇，遍布高山峽谷，地勢極為險峻。經現場地質勘察，不良地質主要有滑坡、崩塌、表層坍滑、順層及巖溶。整條鐵路線沿河谷兩側岸坡行進居多，填方段、淺挖段多處臨河一側，路堤收坡施工較大，均需行路堤支防。為有效降低鐵路投運后的安全風險，選線設計中應盡量減少傍山設計，盡可能選擇在平緩開闊地帶；同時，還應盡量避開巖溶強烈發育區域及斷裂、構造發育區域，如非選擇不可，應以最短距離穿過。

1.2 環境敏感區

該鐵路線沿線自然資源豐富、生態環境優良，雖是本地寶貴的財富，但對于工程建設而言，是最大的限制因素；為確保鐵路建設不損害到自然資源或自然保護區，選線時要盡可能避開風景民盛區或自然保護區等環境敏感區域。南防線馬皇至防城港北段增建二線項目沿線環境敏感區眾多，項目沿線區域分布的環境敏感區共9處，分別為：自然保護區1處（廣西茅尾海紅樹林自治區級自然保護區）、森林公園1處（林湖自治區級森林公園）、飲用水水源保護區5處（欽州市欽江飲用水源保護區、大馬鞍水庫-南蛇水庫飲水水源保護區、康熙嶺鎮那挖耳水庫飲用水水源地、茅嶺鎮小陶水庫水源地、防城河木頭灘水源地）、文物古跡2處（馮子材故居、黃環及黃秋槐墓），為本項目選線增加了難度。

1.3 沿線交通設施分布

為確保增建二線項目與既有線路相適應，還要達到節約土地資源、降低工程總體造價，選線過程中應與既有線路共用交通走廊，實現增建線路與既有線路的協調發展。為切實實現此目標，可在區域內構建以鐵路干線為主、其他交通方式為輔的綜合交通系統，從而達到共同促進當地經濟穩定增長之目的。

1.4 沿線水利工程及水工建筑物

南防線馬皇至防城港北段增建二線項目沿線所經地區的農田水利灌溉設施較為發達，水庫眾多。本項目研究均到各個縣（區）收集了水庫資料，由于各地方僅對?。ǘ┬鸵陨系乃畮爝M行登記，有些小山塘水庫并沒有登記詳細資料，很難判斷其安全性。故對每個水庫進行了調查研究后，分別考慮。對于設計和校核頻率均大于100年一遇的，不考慮其潰壩影響；對于校核頻率大于100年一遇，但設計頻率小于100年一遇的水庫，根據地方管理部門鑒定意見和現場考察大壩的安全性結果，決定是否考慮潰壩影響；對于沒有資料的小山塘水庫，根據距離鐵路遠近，鐵路設橋過水斷面大小等因素，視具體情況考慮潰壩影響，故影響二線側別的選擇。

1.5 工礦企業、城市規劃

沿線主要經濟據點有欽州市、防城港市，兩市為北部灣經濟圈重要的港口、新興沿海工業城市。線路經欽州市的欽北區、欽南區，防城港市的防城區、港口區。欽州市定位為具有國際競爭力的港口產業綜合體，沿海產業組織中心，臨海工業、港口城市。臨海工業規劃近期發展目標以石油化工、林漿紙、能源、糧油加工等大型臨港工業為主導的重化工業基地，規劃的工業園區在大欖坪沿海臨港片區，增建二線工程沿線既有南防線通道通過欽州市區西側，對城市規劃干擾影響可控。防城港市規劃形成“一核、兩灣、六組團”的組團式城市空間結構。各組團之間以山林、綠地、海河相隔，構筑“山海相連，港城相依，綠廊相間”的現代濱海城市特色。防城港市工業布局以企沙大型臨海工業園為主，分布在企沙半島，環東灣片區，以鋼鐵、電力、糧油加工、船舶修造等大型臨港工業為主導的重工業基地。增建二線工程沿既有南防線通道進入防城港城市規劃片區，中穿防城港市防城區城東片區控制性詳細規劃，增加了項目選線的難度。

2 鐵路選線要素分類

在開展鐵路選線要素選取與分析時，應從多個層面進行不同要素分析，然后結合分析結果進行針對性選取，概括而言，大致可分為以下幾個主要類別：

（1）結合鐵路途經區域內的地形地質條件、水文條件及自然環境要素進行分類；（2）綜合國家政治、經濟、國防需求要素進行分類；（3）根據鐵路標段所在區域內的自然資源、工業農業布局特點要素進行分類；（4）結合選線區域內交通系統、農田設施、水利設施等人為因素進行分類；（5）根據選線區域內名勝古跡、自然保護區等環境敏感區域要素進行分類。

以上就是業內常說的“五要素”分類法。應用此“五要素”分類法進行鐵路選線要素分析與分類時，不僅要對各要素實施賦值，還應選出一個更為科學的分析方法建立專家系統，同時借助大數據技術對數據庫內海量信息進行統計與分析，從而為鐵路選線設計提供更為系統、全面、準確的理論依據。結合全國各地鐵路選線中對于此分類法的實際應用情況來看，這種分析方法太過冗雜，加大選線難度，尤其是對于原本鐵路線路較少的區域，增加了選線人員的工作強度。本研究主要探究的是南防線馬皇至防城港北段增建二線項目選線設計影響要素選取與分析，故以該區域既有鐵路線穿行區域地形圖為基礎，僅2天時間就完成了選線影響因素的選取與分析工作，相對而言，工作難度較低、實用性較強。

由于我國在地形圖設計時，對于大面積地形圖設計均采用大比例尺設計方式，同時還施以秘密級保密措施，故本區域地形圖也符合該項要求，因此，選線實踐中也選擇大比例尺保密級地形圖。該地形圖主要具備以下幾項特征：①底圖面積以km2為單位的數據記錄；②底圖上具有明顯的平地與山地區分界限，即平坦開闊區域與高山區域有超過3 m以上高差，就能以區分界線標注出來。③區域內村莊多且分散廣特點均顯現在地圖上，同時，各村莊居住人口密集程度也能在底圖上有著明顯的分級呈現。④底圖標注地形地質條件穩定，同時還沒有自然保護區、國防設計及名勝古跡等敏感區，故完全沒有嚴重影響選線設計要素的存在。

3 鐵路選線要素的選取

結合底圖標注信息分析，發現影響本工程項目選線設計要素可分為4個主要類別，即村莊、水系、道路、高程。為使選線設計更具科學性，還對這4個主要影響因素進行細分，概括而言可遵循如下步驟及原則開展：

（1）村莊要素。底圖中共標注了28個村鎮村落，為保證分級客觀性，選擇以村鎮面積及數量進行分析，所以對于同一區域內的房屋拆遷補助。均以面積為核算標準。（2）水系要素。水系要素的分類從兩個維度進行分析。主要分為河流、水庫、灌溉水系；對河流要素又可分為干流與支流。（3）道路要素。對于道路要素分析，主要從道路級別進行劃分，即等級道路與非等級道路。（4）高程要素。因鐵路選線中的高程要素屬于空間與高程并存因素，所以在要素分析時可直接進行賦值。

4 鐵路選線要素在線路設計中的應用

4.1 底圖處理與導入

為確保導入數據準確性與真實性，在導入數據之前，需按坐標轉換－圖形糾正－投影轉換步驟進行底圖處理。

（1）坐標轉換。由于底圖數據采用的是柵格數據形式，圖像上并沒有坐標基礎，因此，必須先進行坐標轉換。實踐中，將底圖直接置于ArcMap模塊上，模塊就會顯現底圖上的各個點（假定坐標）。然而，在實施圖形、圖像處理時，往往需要一個固定的坐標系，因為只有固定坐標系才能為圖形圖像處理提供統一的圖形基礎，為實現假定坐標向固定坐標系的轉化，可應用高斯算法進行圖像經維坐標解讀、轉化。

（2）圖形糾正。先將柵格圖像導入ArcMap模塊，再將轉換之后的固定坐標與模塊上圖像對應點進行關聯。

（3）投影轉換。為避免坐標受橢球面變形影響，應結合柵格底圖經緯坐標特點，選擇適當的投影面坐標系。

4.2 鐵路選線要素的編輯

在進行鐵路選線要素編輯時，首先要明確鐵路選線的主要影響要素，即村莊要素、干流要素、支流要素、水庫要素、灌溉水系要素、高程要素、等級道路與非等級道路要素。

4.3 鐵路選線要素影響范圍分析

首先，對各要素影響范圍進行分析，獲得范圍總圖，根據空間與屬性進行疊加分析，并進行賦值。

4.4 鐵路選線要素空間分析

在鐵路選線過程中，對選線要素進行空間分析的主要目的是實現所有賦值分等級可視化。分析過程中，全程都在ArcToolBox插件中進行。

5 基于的鐵路選線要素分析成果的應用案例

基于上述分析，可直觀了解到南防線馬皇至防城港北段增建二線項目選線要素空間與屬性分布情況，從而為選線工作順利開展提供了便利條件。因為在矢量數據處理方面，ArcGIS軟件沒有AOTUCAD軟件完善，再加之在AOTUCAD設計較為普遍，因此，基于ArcGIS系統的鐵路選線設計視為直觀的選線，即在選線實踐中，只需確定起點與終點，繞開選線影響要素，就可實施直線與曲線設計。對于本次選線設計，首先要確定起點與終點，將兩點進行直線連接，就可建立起一個統一投影面下的線狀要素。對于起點與終點的選取，要結合政治因素及當地經濟發展水平與環境保護現狀實施。一般的，一條鐵路起點與終點是固定的，所以，在選線實踐中，可基于這兩個固定點進行選線要素賦值，并將空間分析成果覆蓋到底圖上，在添加完相關節點后就可定出線路交點。

在選線設計工作實踐中，不可避免地會與選線影響要素產生沖突，例如，本次線路設計不僅只是一個線狀要素，它還有其自身一定的影響范圍。本線路涉及區域內大約有25個征地范圍，因此，為實現各選線要素的圖層疊加，就應該對線路交點進行多次調試，計算出影響范圍，從而生成新建線路。

上述步驟只是線路設計中的一小部分，而鐵路選線設計中，高程賦值最高，也就是說它對鐵路造價及線路工藝產生的影響最大，為此，為了能夠直觀反映出這一影響，選線人員利用三維設計方式，將高程影響范圍直觀地反映在底圖上。

該鐵路沿線均處我國北部地區，地勢較為平坦。而鐵路起點與終點又是固定的，故在線路設計中，將起點周邊高程設為線路設計高程，而線路無坡度設計，就在高程要素分析中，將其視為統一高程。

本項目選線底圖是由DEM系統生成的三維圖像，因此，圖像顯現的是一個高程較為固定的線路穿過三維圖，由此可以直觀看到線路上標注的黑線區域（填方段）與非黑線區域（開挖段）。然后經細部觀察，確認是否存在新建隧道，以及水系、道路圖層疊加現象，從而準確定位新設橋涵。當設計造價超出預算時，應及時進行修訂，經過多次完善就可以明確該線路的大致走向。

由于鐵路選線設計是基于專業的CAD矢量數據處理系統完成的，因此，本設計中最為重要、最為基礎的坐標系與投影面起到了決定性作用，即在同一坐標系、同一投影下，即使應用軟件不同，處理成果卻能具備實際意義。如果線路選線設計中交點較少，可以直接取交點坐標，當交點較多時，可采用插件方式進行轉換，實現操作與生產實際相結合目標。

6 結束語

在鐵路選線設計中，影響選線科學性與合理性的限制因素眾多，尤其在既有線路增建項目選線設計中，不僅要考慮選線區域內地形地質因素、自然保護區等敏感區域因素，還要結合當地村鎮規劃、水系布局及高程要素進行綜合考量，要在預算范圍內，盡量避開高填深挖設計，將線路建設對自然環境的影響降到最低。本線路為北方平坦區域，地勢較為平坦，因此，結合高程統一原理，選用ArcGIS系統、CAD矢量數據處理系統完成線路設計，為同類型項目實現科學選線設計目標提供了有益參考。