铁路选线要素分析及其在线路设计中的应用

咸志文

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

伴随着人民生活水平的不断提升，人们出行频率日益加大，为此，原有的铁路交通系统既不能满足大客运量需求，又无法满足人们对乘车舒适度、安全性的要求，为此，必须进一步加大线路增线工作，而在此过程中，一定要把握线路选线的基本要素，并结合ArcGIS应用，实现铁路选线的科学性与经济性。

1 影响铁路线走向的基本因素

结合近几年铁路选线工作实际情况来看，影响选线走向因素众多，概括起来主要有地形地质条件、环境敏感区及沿线交通设施分布、水利工程及水工建筑物工矿企业、城市规划等，该研究结合南防线马皇至防城港北段增建二线选线实践进行如下分析。

1.1 地形、地质条件

为探究地形地质条件对铁路选线走向的影响，研究结合南防线马皇至防城港北段增建二线选线实践，分析了该线路途经区域的地形地质条件。该线路途经区域地面起伏急剧，遍布高山峡谷，地势极为险峻。经现场地质勘察，不良地质主要有滑坡、崩塌、表层坍滑、顺层及岩溶。整条铁路线沿河谷两侧岸坡行进居多，填方段、浅挖段多处临河一侧，路堤收坡施工较大，均需行路堤支防。为有效降低铁路投运后的安全风险，选线设计中应尽量减少傍山设计，尽可能选择在平缓开阔地带；同时，还应尽量避开岩溶强烈发育区域及断裂、构造发育区域，如非选择不可，应以最短距离穿过。

1.2 环境敏感区

该铁路线沿线自然资源丰富、生态环境优良，虽是本地宝贵的财富，但对于工程建设而言，是最大的限制因素；为确保铁路建设不损害到自然资源或自然保护区，选线时要尽可能避开风景民盛区或自然保护区等环境敏感区域。南防线马皇至防城港北段增建二线项目沿线环境敏感区众多，项目沿线区域分布的环境敏感区共9处，分别为：自然保护区1处（广西茅尾海红树林自治区级自然保护区）、森林公园1处（林湖自治区级森林公园）、饮用水水源保护区5处（钦州市钦江饮用水源保护区、大马鞍水库-南蛇水库饮水水源保护区、康熙岭镇那挖耳水库饮用水水源地、茅岭镇小陶水库水源地、防城河木头滩水源地）、文物古迹2处（冯子材故居、黄环及黄秋槐墓），为本项目选线增加了难度。

1.3 沿线交通设施分布

为确保增建二线项目与既有线路相适应，还要达到节约土地资源、降低工程总体造价，选线过程中应与既有线路共用交通走廊，实现增建线路与既有线路的协调发展。为切实实现此目标，可在区域内构建以铁路干线为主、其他交通方式为辅的综合交通系统，从而达到共同促进当地经济稳定增长之目的。

1.4 沿线水利工程及水工建筑物

南防线马皇至防城港北段增建二线项目沿线所经地区的农田水利灌溉设施较为发达，水库众多。本项目研究均到各个县（区）收集了水库资料，由于各地方仅对小（二）型以上的水库进行登记，有些小山塘水库并没有登记详细资料，很难判断其安全性。故对每个水库进行了调查研究后，分别考虑。对于设计和校核频率均大于100年一遇的，不考虑其溃坝影响；对于校核频率大于100年一遇，但设计频率小于100年一遇的水库，根据地方管理部门鉴定意见和现场考察大坝的安全性结果，决定是否考虑溃坝影响；对于没有资料的小山塘水库，根据距离铁路远近，铁路设桥过水断面大小等因素，视具体情况考虑溃坝影响，故影响二线侧别的选择。

1.5 工矿企业、城市规划

沿线主要经济据点有钦州市、防城港市，两市为北部湾经济圈重要的港口、新兴沿海工业城市。线路经钦州市的钦北区、钦南区，防城港市的防城区、港口区。钦州市定位为具有国际竞争力的港口产业综合体，沿海产业组织中心，临海工业、港口城市。临海工业规划近期发展目标以石油化工、林浆纸、能源、粮油加工等大型临港工业为主导的重化工业基地，规划的工业园区在大榄坪沿海临港片区，增建二线工程沿线既有南防线通道通过钦州市区西侧，对城市规划干扰影响可控。防城港市规划形成“一核、两湾、六组团”的组团式城市空间结构。各组团之间以山林、绿地、海河相隔，构筑“山海相连，港城相依，绿廊相间”的现代滨海城市特色。防城港市工业布局以企沙大型临海工业园为主，分布在企沙半岛，环东湾片区，以钢铁、电力、粮油加工、船舶修造等大型临港工业为主导的重工业基地。增建二线工程沿既有南防线通道进入防城港城市规划片区，中穿防城港市防城区城东片区控制性详细规划，增加了项目选线的难度。

2 铁路选线要素分类

在开展铁路选线要素选取与分析时，应从多个层面进行不同要素分析，然后结合分析结果进行针对性选取，概括而言，大致可分为以下几个主要类别：

（1）结合铁路途经区域内的地形地质条件、水文条件及自然环境要素进行分类；（2）综合国家政治、经济、国防需求要素进行分类；（3）根据铁路标段所在区域内的自然资源、工业农业布局特点要素进行分类；（4）结合选线区域内交通系统、农田设施、水利设施等人为因素进行分类；（5）根据选线区域内名胜古迹、自然保护区等环境敏感区域要素进行分类。

以上就是业内常说的“五要素”分类法。应用此“五要素”分类法进行铁路选线要素分析与分类时，不仅要对各要素实施赋值，还应选出一个更为科学的分析方法建立专家系统，同时借助大数据技术对数据库内海量信息进行统计与分析，从而为铁路选线设计提供更为系统、全面、准确的理论依据。结合全国各地铁路选线中对于此分类法的实际应用情况来看，这种分析方法太过冗杂，加大选线难度，尤其是对于原本铁路线路较少的区域，增加了选线人员的工作强度。本研究主要探究的是南防线马皇至防城港北段增建二线项目选线设计影响要素选取与分析，故以该区域既有铁路线穿行区域地形图为基础，仅2天时间就完成了选线影响因素的选取与分析工作，相对而言，工作难度较低、实用性较强。

由于我国在地形图设计时，对于大面积地形图设计均采用大比例尺设计方式，同时还施以秘密级保密措施，故本区域地形图也符合该项要求，因此，选线实践中也选择大比例尺保密级地形图。该地形图主要具备以下几项特征：①底图面积以km2为单位的数据记录；②底图上具有明显的平地与山地区分界限，即平坦开阔区域与高山区域有超过3 m以上高差，就能以区分界线标注出来。③区域内村庄多且分散广特点均显现在地图上，同时，各村庄居住人口密集程度也能在底图上有着明显的分级呈现。④底图标注地形地质条件稳定，同时还没有自然保护区、国防设计及名胜古迹等敏感区，故完全没有严重影响选线设计要素的存在。

3 铁路选线要素的选取

结合底图标注信息分析，发现影响本工程项目选线设计要素可分为4个主要类别，即村庄、水系、道路、高程。为使选线设计更具科学性，还对这4个主要影响因素进行细分，概括而言可遵循如下步骤及原则开展：

（1）村庄要素。底图中共标注了28个村镇村落，为保证分级客观性，选择以村镇面积及数量进行分析，所以对于同一区域内的房屋拆迁补助。均以面积为核算标准。（2）水系要素。水系要素的分类从两个维度进行分析。主要分为河流、水库、灌溉水系；对河流要素又可分为干流与支流。（3）道路要素。对于道路要素分析，主要从道路级别进行划分，即等级道路与非等级道路。（4）高程要素。因铁路选线中的高程要素属于空间与高程并存因素，所以在要素分析时可直接进行赋值。

4 铁路选线要素在线路设计中的应用

4.1 底图处理与导入

为确保导入数据准确性与真实性，在导入数据之前，需按坐标转换－图形纠正－投影转换步骤进行底图处理。

（1）坐标转换。由于底图数据采用的是栅格数据形式，图像上并没有坐标基础，因此，必须先进行坐标转换。实践中，将底图直接置于ArcMap模块上，模块就会显现底图上的各个点（假定坐标）。然而，在实施图形、图像处理时，往往需要一个固定的坐标系，因为只有固定坐标系才能为图形图像处理提供统一的图形基础，为实现假定坐标向固定坐标系的转化，可应用高斯算法进行图像经维坐标解读、转化。

（2）图形纠正。先将栅格图像导入ArcMap模块，再将转换之后的固定坐标与模块上图像对应点进行关联。

（3）投影转换。为避免坐标受椭球面变形影响，应结合栅格底图经纬坐标特点，选择适当的投影面坐标系。

4.2 铁路选线要素的编辑

在进行铁路选线要素编辑时，首先要明确铁路选线的主要影响要素，即村庄要素、干流要素、支流要素、水库要素、灌溉水系要素、高程要素、等级道路与非等级道路要素。

4.3 铁路选线要素影响范围分析

首先，对各要素影响范围进行分析，获得范围总图，根据空间与属性进行叠加分析，并进行赋值。

4.4 铁路选线要素空间分析

在铁路选线过程中，对选线要素进行空间分析的主要目的是实现所有赋值分等级可视化。分析过程中，全程都在ArcToolBox插件中进行。

5 基于的铁路选线要素分析成果的应用案例

基于上述分析，可直观了解到南防线马皇至防城港北段增建二线项目选线要素空间与属性分布情况，从而为选线工作顺利开展提供了便利条件。因为在矢量数据处理方面，ArcGIS软件没有AOTUCAD软件完善，再加之在AOTUCAD设计较为普遍，因此，基于ArcGIS系统的铁路选线设计视为直观的选线，即在选线实践中，只需确定起点与终点，绕开选线影响要素，就可实施直线与曲线设计。对于本次选线设计，首先要确定起点与终点，将两点进行直线连接，就可建立起一个统一投影面下的线状要素。对于起点与终点的选取，要结合政治因素及当地经济发展水平与环境保护现状实施。一般的，一条铁路起点与终点是固定的，所以，在选线实践中，可基于这两个固定点进行选线要素赋值，并将空间分析成果覆盖到底图上，在添加完相关节点后就可定出线路交点。

在选线设计工作实践中，不可避免地会与选线影响要素产生冲突，例如，本次线路设计不仅只是一个线状要素，它还有其自身一定的影响范围。本线路涉及区域内大约有25个征地范围，因此，为实现各选线要素的图层叠加，就应该对线路交点进行多次调试，计算出影响范围，从而生成新建线路。

上述步骤只是线路设计中的一小部分，而铁路选线设计中，高程赋值最高，也就是说它对铁路造价及线路工艺产生的影响最大，为此，为了能够直观反映出这一影响，选线人员利用三维设计方式，将高程影响范围直观地反映在底图上。

该铁路沿线均处我国北部地区，地势较为平坦。而铁路起点与终点又是固定的，故在线路设计中，将起点周边高程设为线路设计高程，而线路无坡度设计，就在高程要素分析中，将其视为统一高程。

本项目选线底图是由DEM系统生成的三维图像，因此，图像显现的是一个高程较为固定的线路穿过三维图，由此可以直观看到线路上标注的黑线区域（填方段）与非黑线区域（开挖段）。然后经细部观察，确认是否存在新建隧道，以及水系、道路图层叠加现象，从而准确定位新设桥涵。当设计造价超出预算时，应及时进行修订，经过多次完善就可以明确该线路的大致走向。

由于铁路选线设计是基于专业的CAD矢量数据处理系统完成的，因此，本设计中最为重要、最为基础的坐标系与投影面起到了决定性作用，即在同一坐标系、同一投影下，即使应用软件不同，处理成果却能具备实际意义。如果线路选线设计中交点较少，可以直接取交点坐标，当交点较多时，可采用插件方式进行转换，实现操作与生产实际相结合目标。

6 结束语

在铁路选线设计中，影响选线科学性与合理性的限制因素众多，尤其在既有线路增建项目选线设计中，不仅要考虑选线区域内地形地质因素、自然保护区等敏感区域因素，还要结合当地村镇规划、水系布局及高程要素进行综合考量，要在预算范围内，尽量避开高填深挖设计，将线路建设对自然环境的影响降到最低。本线路为北方平坦区域，地势较为平坦，因此，结合高程统一原理，选用ArcGIS系统、CAD矢量数据处理系统完成线路设计，为同类型项目实现科学选线设计目标提供了有益参考。