周德宏

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 線路站場設(shè)計研究處，武漢 430063）

基于區(qū)間填挖平衡的線路縱斷面快速評估模型

周德宏

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 線路站場設(shè)計研究處，武漢 430063）

線路工程設(shè)計在確立平面走向之后，確立線路的起伏走勢是保障工程線路科學(xué)合理的另一個重要方面。通過自動橋、隧構(gòu)件分拆，以區(qū)域分割為單元統(tǒng)計土方數(shù)量，評估區(qū)間的土方填挖平衡及工程的總土方量、概算造價，初步建立了快速的工程線路評估模型，用于量化線位縱斷面設(shè)計的合理性，為實時的、自動的、智能的縱斷面拉坡設(shè)計提供了敏捷評估方法。為了優(yōu)化算法效率，從自動設(shè)置橋隧和橫斷面簡化地面線這兩種措施實現(xiàn)了評估的高效性，并采用工程實例將人工拉坡與自動設(shè)計的縱斷面進(jìn)行檢驗與比較，為評估工程自動化設(shè)計優(yōu)劣提供依據(jù)。

線路評估；縱斷面設(shè)計；自動拉坡設(shè)計；區(qū)間填挖平衡

交通線路工程設(shè)計時，設(shè)計人員能夠?qū)崟r評估方案的優(yōu)劣，并根據(jù)評估情況作出相應(yīng)調(diào)整，這樣不僅有利于提高方案的科學(xué)水平[1]，也能夠促進(jìn)設(shè)計方案的穩(wěn)定性。

線路方案的綜合評估通常是指方案的整體工程數(shù)量、工程造價、合理性等綜合經(jīng)濟與社會效益的評定，包括平面上區(qū)域走向與縱斷面上高程起伏設(shè)計的優(yōu)劣判定[2]，要考慮地質(zhì)選線、政策選線等多方面的因素對確立線位走向的特殊影響，使得全面、科學(xué)的線路的綜合評估模型難于產(chǎn)生，簡單的線路工程分析僅僅依據(jù)工程土方數(shù)量與造價評估其優(yōu)劣性[3]，不能很好地體現(xiàn)出方案設(shè)計的優(yōu)劣程度，嚴(yán)重制約了類似于自動化設(shè)計與實時優(yōu)化技術(shù)[4～5]在工程線路設(shè)計中應(yīng)用[6]。

在確立平面的基礎(chǔ)上，針對縱斷面進(jìn)行快速評估，可以有效地剝離平面上進(jìn)行評估的困難環(huán)節(jié)，能夠為單純的縱斷面自動設(shè)計與實時優(yōu)化提供評估參照指標(biāo)。本文提出的縱斷面評估模型，為了適應(yīng)自動化設(shè)計的需要，從兩個方面體現(xiàn)了快速的特性：（1）縱斷面上的橋梁、隧道插旗依據(jù)地面線與設(shè)計坡度線自動判定給出，免去了人為設(shè)計的穿插耗時過程；（2）對縱斷面的采樣橫斷面土方數(shù)量按照水平橫斷面地面線根據(jù)軌面高程自動給出，同樣避免了龐大耗時的橫斷面設(shè)計過程，以自動設(shè)計提供快速的方案評估。

與僅限于工程土方數(shù)量、工程造價的評估不同，本文提供的評估方法同時考慮了區(qū)間的土方填挖平衡，這種考慮區(qū)間土石方平衡的方案評估，更具科學(xué)性，在工程實施時也有利于土石方的調(diào)配。

1 構(gòu)件自動分拆

縱斷面的評估是依據(jù)縱斷面地面線與坡度線兩條點鏈進(jìn)行的。為了達(dá)到快速，需要自動提取橋梁、隧道，便于填挖土方的統(tǒng)計，將路基段一并分割為路堤、路塹進(jìn)行構(gòu)件分拆。如圖1所示。

圖1 縱斷面上構(gòu)件分拆

圖1所示地面線點鏈?zhǔn)且粭l致密的表達(dá)地勢起伏的點鏈，其數(shù)據(jù)通常需要經(jīng)過外業(yè)測量取得，或者可以從Google Earth等全球三維GIS平臺中自動提取[7]，可以從公共的地形數(shù)據(jù)如NASA ASTER數(shù)據(jù)集中進(jìn)行自動提取，除了數(shù)據(jù)本身的精度外，地面線的采點密度也會影響到方案的評估效果，通常至少采點的間距小于橋梁、隧道構(gòu)件的最小許可尺寸，可以防止細(xì)微構(gòu)件的設(shè)置丟失。

為了便于線位的處理與后面的評估，可以采用冗余的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)LinePointList來同時存儲地面線與坡度線，其節(jié)點結(jié)構(gòu)如下所示：

通過將稀疏點鏈投射到致密的地面線點鏈上的DH值，實現(xiàn)兩線的綜合統(tǒng)一存儲，求取坡度線高程與地面線的高程差，記入預(yù)留的RK值中。

構(gòu)件的分拆，就是通過每個點的RK值與設(shè)橋設(shè)隧參數(shù)進(jìn)行比較，如果高程差RK＞最大填高值(Brg_Max_Height, 默認(rèn)Brg_Max_Height=8 m)，確立該點位為橋梁上的點，標(biāo)注該點的標(biāo)注值sMark=“橋梁”；同理，如果高程差RK＜最大深挖值（Tun_Min_Height, 默認(rèn)Tun_Min_Height =-30 m），確立該點位為隧道上的點，標(biāo)注該點的標(biāo)注值sMark=“隧道”。在橋梁、路堤、路塹及隧道的交點，分別通過臨界值RK=Brg_Max_Height，0，Tun_Min_Height檢索到相鄰兩臨近點，按線性插值方式求取新的交點，標(biāo)注為分隔點，并重新插入到點鏈中，然后按里程進(jìn)行排序得到更細(xì)化的點鏈。通過檢索，兩個分隔點之間的所有點構(gòu)成一個構(gòu)件，而其間點的標(biāo)注則指明了構(gòu)件的類型。

構(gòu)件分拆之后，還需要對自動設(shè)置的橋梁隧道進(jìn)行初步的篩選，排除掉小于Brg_Min_Width（默認(rèn)Brg_Min_Width=20 m）的橋梁與小于Tun_Min_Width(默認(rèn)Tun_Min_Width=20 m）的構(gòu)件，排除的橋梁段轉(zhuǎn)換為高填的路堤，隧道段轉(zhuǎn)換為深挖的路塹。

2 路基橫斷面土方計算

對路堤、路塹的土石方數(shù)量計算首先是依據(jù)構(gòu)件為單位獨立進(jìn)行的，如圖2所示。

圖2 土石方數(shù)量分段計算

構(gòu)件內(nèi)部根據(jù)地面線采樣點的分布，每兩個采樣點之間構(gòu)成一個計算段，由于采樣點密集，段間可視為局部直線段，構(gòu)成直棱臺，兩采樣點的里程差為棱臺高，這樣通過確立相鄰采樣點的橫斷面填挖面積確立棱臺的填挖體積公式如下：

其中S、S’為相鄰兩橫斷面的截面積。一個構(gòu)件內(nèi)的土方為該構(gòu)件內(nèi)各段梭臺體積的和：

接下最重要的，就是計算各個橫斷面截面的面積，實際中需要測取該橫斷面的精準(zhǔn)地面線，并經(jīng)工程設(shè)計人員設(shè)計路基斷面后計算填挖面積，但這一過程限制了實時快速的評估模型的實現(xiàn)，所以進(jìn)行了簡化，在沒有橫向地面線的情況下，將橫向地面線看成是與中線等高的局部平面。如圖3所示，將橫斷面截面近似為軌面與地面的高程差H的等腰梯形進(jìn)行計算。

3 線路綜合統(tǒng)計評估

4 區(qū)間土方填挖平衡評估

線路設(shè)計時一個重要考慮因素是盡可能地保持土石方的填挖平衡，也就是說，在某一個局部區(qū)間段內(nèi)產(chǎn)生的開挖土方數(shù)量，要盡可能地在該區(qū)間進(jìn)行回填處理，從而達(dá)成土石方調(diào)配的基本平衡，既有利于減少工程造價總量，也有利于建設(shè)生態(tài)和諧的綠色工程。

追求土石方的填挖平衡，只是一個基本的原則，沒有約定的指標(biāo)及固定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行限定，在特殊情況下，如對連綿群山，峻嶺深谷構(gòu)成的地形，通常隧道的開挖占線路總長的比率非常高，考慮排水與變坡等實際情況，也不可能達(dá)成線路的區(qū)間填挖的平衡，因此，對區(qū)間填挖平衡的評估只是設(shè)計參照量，不能作為線路坡度設(shè)計的決策量。

如何界定一個區(qū)間作為評估的單元將直接決定評估模型的合理性與否，區(qū)間定義太長，局部平衡就失去了參照意義；而區(qū)間定義過小，則同樣造成評估的困難與指導(dǎo)意義有限。一種結(jié)合工程實施的現(xiàn)實做法，以橋梁、隧道作為劃分區(qū)間的依據(jù)，這樣考慮是基于土方的調(diào)配通常是沒條件過河及翻山越嶺進(jìn)行的。

找出這些土方突出區(qū)間的優(yōu)點：（1）能夠科學(xué)地指導(dǎo)工程設(shè)計人員在合適的位置設(shè)置取棄土場及取棄土場的規(guī)模；（2）能夠幫助設(shè)計人員重點考慮改進(jìn)調(diào)整這些區(qū)間段內(nèi)的平縱橫面方案設(shè)計；（3）縱斷面的自動拉坡設(shè)計而言，最現(xiàn)實地能夠以遞歸的方式找出方案的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，逐次實現(xiàn)對全線的由局部到整體的自動設(shè)計優(yōu)化。

5 結(jié)束語

本文提出的縱斷面評估模型，僅僅是在提供地面線與坡度線的情況下完成的初步數(shù)量評估，其最大特點是實時性，因而非常適宜縱斷面的自動生成。首先自動生成坡度線，然后通過快速評估模型進(jìn)行評估，得到綜合評估數(shù)量及找出薄弱區(qū)間，再進(jìn)行優(yōu)化與比較，得到更優(yōu)化的坡度線，直到方案穩(wěn)定。

在這種評估方法基礎(chǔ)的開發(fā)的縱斷面自動拉坡設(shè)計技術(shù)與人工設(shè)計的實際工程成果進(jìn)行數(shù)量對比，結(jié)構(gòu)如表1所示。從表1中看出，在諸多參數(shù)上人工與計算機設(shè)計出來的方案成果非常趨近，自動化設(shè)計的水平已經(jīng)非常接近人的設(shè)計能力，而在最關(guān)鍵的總造價、最大挖方冗余與最大填方欠缺3種數(shù)量上，自動化設(shè)計表現(xiàn)出了更好的智能化水平，由此可見，評估模型的評估依據(jù)與實時性對方案的自動化、智能化提供了重要的基礎(chǔ)條件，必將與自動拉坡設(shè)計技術(shù)一起，為工程的縱斷面科學(xué)化設(shè)計提供強大而高效的設(shè)計能力。

表1 縱斷面人工設(shè)計與自動設(shè)計評估比對

[1]段曉峰，易思蓉. 基于滿意度原理的鐵路新線縱斷面優(yōu)化設(shè)計方法[J]. 鐵道學(xué)報，2008， 30（1）：117-121.

[2]陶明鶴. 軌道交通線路縱斷面節(jié)能坡設(shè)置研究[J]. 城市道橋與防洪，2011（6）：23-25.

[3]方 成，丁建明，劉洪波. 道路縱斷面優(yōu)化設(shè)計的研究[J].交通與計算機，2006，24（5）： 54-57.

[4]李曉娥. 基于響應(yīng)面方法的鐵路縱斷面優(yōu)化技術(shù)[J]. 交通科技， 2013（2）：11-13.

[5]孔國梁，李頂峰.鐵路縱斷面自動設(shè)計與優(yōu)化方法研究[J].鐵道工程學(xué)報，2012（12）： 48-53.

[6]王連子，王 莉.鐵路定線方案比選的一種新方法[J]. 北方交通大學(xué)學(xué)報，1991，15（3）：84-88.

[7]韓元利. 基于GIS的數(shù)字鐵路選線在工程設(shè)計中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報， 2010（8）：29-33.

責(zé)任編輯 徐侃春

Rapid assessment model of railway vertical section based on intervals cut and fill balance

ZHOU Dehong

( Track Alignment & Station Yard Design & Research Dept., China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., LTD, Wuhan 430063, China )

It was an important point to determine the undulating movements of railway and ensure the rationality of railway route, after setting the plane toward. The quantity of earth was counted by intervals which were divided by automatic bridge, tunnel constructions. The cut and fill balance, the total earth, the predicted costs were evaluated. This paper established a railway project evaluation model initially, quantized the rationality of railway vertical section design, provided an evaluation method for real-time, automatic and intelligent vertical design, adopted two methods to set bridges and tunnels and simplify the ground line in the cross-section, implement the efficiency of evaluation. The differences of vertical design between manual and automatic were compared and tested to provide judgments for evaluating railway vertical section design.

route evaluation; vertical section design; automatic design; interval cut and fill balance

U212.3∶TP39

A

2013-07-21

周德宏，高級工程師。

1005-8451（2014）01-0006-05