馬長(zhǎng)明

(北京建達(dá)道橋咨詢有限公司，北京　100015)

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樂百高速公路路線方案三維優(yōu)化技術(shù)分析

馬長(zhǎng)明

(北京建達(dá)道橋咨詢有限公司，北京100015)

摘要：隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和全社會(huì)信息化意識(shí)的發(fā)展，數(shù)字公路、智慧公路建設(shè)開始全面加速，傳統(tǒng)的二維矢量數(shù)據(jù)在表達(dá)上缺乏直觀性，已難以滿足科學(xué)化精細(xì)化規(guī)劃審批工作的需求。以樂業(yè)至百色高速公路為依托工程，在路線規(guī)劃過程中,利用數(shù)字地形模型，考慮各種基本的和特殊的因素，對(duì)路線進(jìn)行三維優(yōu)化分析，較短時(shí)間內(nèi)選擇出經(jīng)濟(jì)合理的路線方案，大幅度降低工程造價(jià)，為同類工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：智慧公路建設(shè)；路線規(guī)劃；三維優(yōu)化分析；工程造價(jià)

0工程概況

樂業(yè)至百色高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)G69(銀川至龍邦高速公路)的重要組成部分，也是廣西高速公路網(wǎng)布局中“縱7線”天峨(黔桂界)至龍邦高速公路的重要組成部分。本項(xiàng)目起點(diǎn)對(duì)接貴州惠水至羅甸高速公路，終點(diǎn)通過百羅高速與在建的百色至龍邦高速公路相連，途經(jīng)河池市的天峨縣、百色市的樂業(yè)縣、凌云縣以及右江區(qū)。該項(xiàng)目位于云貴高原向百色谷地的延伸過渡地帶，總體地勢(shì)特點(diǎn)是西北高東南低。根據(jù)項(xiàng)目走向沿線地形走勢(shì)呈“馬鞍形”，沿線以山地為主，峻嶺縱橫，山高坡陡，地形困難。沿線地貌類型主要有八種地貌形態(tài)，存在地形、地質(zhì)條件較復(fù)雜,橋隧構(gòu)造物多,設(shè)計(jì)與施工技術(shù)難度大等問題。

樂百高速公路按雙向四車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h,路基寬度24.5 m，最大設(shè)計(jì)縱坡為5%，圓曲線最小半徑400 m，汔車荷載等級(jí)為公路—I級(jí)，路線主要工程技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　主要工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

續(xù)表1

2路線優(yōu)化思路

在樂業(yè)至百色高速公路項(xiàng)目中，1∶2000地形圖上具備完整的地物數(shù)據(jù)，在進(jìn)行方案優(yōu)化之前，工程師對(duì)地形圖上的各種控制條件進(jìn)行了分類整理，然后分批導(dǎo)入曠達(dá)系統(tǒng)以控制優(yōu)化后路線方案的合理性。在方案優(yōu)化之前，該項(xiàng)目中主要設(shè)置了以下控制條件：

(1)填挖限值：主要用于控制主線的橋梁、隧道和路基的分界和路基邊坡的高度。在該項(xiàng)目中，路線中線位置的填方最大高度一般控制為20 m，挖方最大深度控制為30 m。對(duì)于V型溝或U型溝等具備修建高路堤條件的路段，最大填方高度放寬至30～40 m，對(duì)于主線橫切山脊的挖方路段，路線中線位置的最深挖方深度放寬至40～50 m。全線的最高挖方邊坡原則上按照40 m控制，局部個(gè)別路段放寬至60 m，挖方路段的一、二級(jí)變坡坡率按照1∶0.75控制，三、四級(jí)邊坡坡率按照1∶1控制。

(2)鐵路及高速公路：當(dāng)主線與既有鐵路和高速公路相交時(shí)，采用主線上跨或下穿的方式通過。

(3)國(guó)省道公路：當(dāng)主線同國(guó)省道等二級(jí)公路相交時(shí)，原則上采用主線上跨或下穿的方式通過。對(duì)于主線同二級(jí)公路平行布線且地形條件受限時(shí)，優(yōu)先滿足主線布線的需要，適當(dāng)?shù)馗囊贫?jí)公路。

(4)農(nóng)村公路：在進(jìn)行主線方案優(yōu)化時(shí)，原則上不考慮農(nóng)村公路對(duì)主線方案的交叉控制影響，在方案優(yōu)化結(jié)束后確定具體的線位時(shí)，結(jié)合農(nóng)村公路同主線的交叉位置，為農(nóng)村公路預(yù)留需要修建通道的位置和凈空要求。

(5)高壓線：在方案優(yōu)化時(shí)，不考慮高壓線對(duì)主線方案走向的影響，在優(yōu)化結(jié)束后確定具體的線位時(shí)，盡量避讓高壓鐵塔的位置。

(6)河流：在方案優(yōu)化過程中，主線需要橫跨的河流以橋梁的形式通過。對(duì)于主線同河流平行布線且地形條件受限時(shí)，局部路段結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)?shù)母囊坪拥馈?/p>

(7)城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)：采用主線繞避的方式通過。

(8)居民區(qū)：對(duì)于成片區(qū)、成規(guī)模的人口聚集區(qū)，主線采用繞避的方式通過，對(duì)于零星散落獨(dú)居的農(nóng)房，結(jié)合主線布線的需要，可考慮拆遷。

(9)滑坡及溶洞：主線采用繞避的方式通過。

(10)水庫(kù)等環(huán)境敏感區(qū)：采用主線繞避的方式通過，條件受限時(shí)，盡量減少主線對(duì)環(huán)境敏感區(qū)的干擾。

3三維優(yōu)化技術(shù)分析

利用地形圖建立三維地模后，定義好路線的起終點(diǎn)坐標(biāo)、幾何設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、費(fèi)用參數(shù)和控制條件后進(jìn)行方案的整體優(yōu)化，優(yōu)化情況如圖2所示。從圖上可以看出，一次性優(yōu)化后的路線方案基本涵蓋了地模上的所有走廊帶，其中最為經(jīng)濟(jì)的路線方案位于南通道走廊帶內(nèi)(藍(lán)色線位為經(jīng)濟(jì)路線方案)。將南通道走廊帶內(nèi)優(yōu)化后的路線方案同原設(shè)計(jì)線位進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該路段內(nèi)有四處具有進(jìn)一步優(yōu)化的價(jià)值，在不降低技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)可節(jié)約工程投資，分別是K12+300～K17+600路段，K19+900～K32+800路段，K33+300～K46+400路段，K48+400～K64+479路段。

圖2　路線方案整體優(yōu)化示意圖

圖3中藍(lán)色線位是優(yōu)化線位，紅色線位是初設(shè)線位。優(yōu)化線位從百樓一號(hào)隧道引出，過百樓一號(hào)大橋后，線位向西偏轉(zhuǎn)，以路基的形式沿西側(cè)的山體布線，可縮減百樓二號(hào)大橋的規(guī)模。過百樓2號(hào)隧道時(shí)適當(dāng)提高路線的設(shè)計(jì)高程，由于百樓3號(hào)隧道的埋深相對(duì)較淺且該隧道山脊線的高程相對(duì)一致，提高設(shè)計(jì)高程后，可將百樓3號(hào)隧道調(diào)整為深路塹的形式通過，路線中線位置的挖深約55 m，路線兩側(cè)邊坡的最大高度約60 m。該路段經(jīng)優(yōu)化后節(jié)約工程投資約7 700萬元，主要工程數(shù)量對(duì)比見表2：

圖3　K12+300～K17+600路線分段優(yōu)化示意圖

圖4　K19+900～K32+800路線分段優(yōu)化示意圖

表2K12+300～K17+600主要工程數(shù)量對(duì)比表

序號(hào)指標(biāo)名稱單位曠達(dá)線位初設(shè)線位1路線總長(zhǎng)km536753232最小圓曲線半徑m5159613長(zhǎng)大下坡坡度/坡長(zhǎng)%/km//4挖方104m311638.45填方104m321.914.26借方104m3007棄方104m311659.98擋墻104m31.010.469挖方邊坡防護(hù)104m27.152.5610橋梁總長(zhǎng)特大橋大橋中橋m/座2075/702075/702393/702393/7011隧道總長(zhǎng)長(zhǎng)隧道中長(zhǎng)隧道短隧道m(xù)/座1215/30664/1551/21800/40725/11075/312征地104m320.213.913投資總額萬元6840076100

圖4中，優(yōu)化線位自下老互通引出后，平面線位稍微東移，同時(shí)降低設(shè)計(jì)高程，可將交塘大橋調(diào)整為高路堤的形式通過。過交塘大橋后，優(yōu)化平面線位往東南方向調(diào)整，過下老隧道后，沿山體布線至百西隧道。優(yōu)化后線位與地形結(jié)合更好，可縮減百西1號(hào)，2號(hào)大橋的規(guī)模。線位出百西隧道后，適當(dāng)降低路線的平面指標(biāo)，利用溝渠兩側(cè)的地形以路基形式布線，同時(shí)線位向西北方向偏轉(zhuǎn)，調(diào)整音里隧道的進(jìn)出口，可縮減音里隧道的長(zhǎng)度。巴勞一號(hào)大橋至邏西段，由于受河流切割的影響，兩岸地形比較凌亂，原初設(shè)線位主要沿河流中心布線，以橋梁的形式通過。通過優(yōu)化將該路段線位推至河流西側(cè)的山腳布線，以路基形式通過，在縮減橋梁工程的同時(shí)還可消減棄方。對(duì)占用河道的部分，對(duì)河道進(jìn)行改移，該路段經(jīng)優(yōu)化后可節(jié)約工程投資約21000萬元，主要工程數(shù)量對(duì)比見表3：

4連接線優(yōu)化分析

如圖5所示，樂業(yè)連接線的整體優(yōu)化來看，優(yōu)化結(jié)果主要有初設(shè)線位走廊和206省道走廊，其中絕大部分線位都集中在初設(shè)線位走廊內(nèi)，驗(yàn)證了初設(shè)線位走廊選擇的正確性。將省道206走廊內(nèi)的曠達(dá)線位同原省道206線位進(jìn)行對(duì)比，由于樂業(yè)連接線的技術(shù)指標(biāo)較高，優(yōu)化線位基本不能同206線位吻合，因此沿206省道走廊布線也利用不上206省道的路基。

表3K19+900～K32+800主要工程數(shù)量對(duì)比表

序號(hào)指標(biāo)名稱單位曠達(dá)線位初設(shè)線位1路線總長(zhǎng)km13.19612.92最小圓曲線半徑m5277603長(zhǎng)大下坡坡度/坡長(zhǎng)%/km//4挖方104m32601895填方104m323590.16借方104m3007棄方104m396.71848擋墻104m32.260.89挖方邊坡防護(hù)104m219.812.210橋梁總長(zhǎng)特大橋大橋中橋m/座1799/701471/3328/44108/161929/31775/7404/611隧道總長(zhǎng)長(zhǎng)隧道中長(zhǎng)隧道短隧道m(xù)/座3925/502920/21005/34418/503548/2870/312征地104m358.942.213投資總額萬元117000138000

圖5　樂業(yè)連接線整體路線優(yōu)化示意圖

圖6　樂業(yè)連接線路線方案對(duì)比

圖6中，藍(lán)色線位是優(yōu)化線位，紅色線位是初設(shè)線位，由于方案從起點(diǎn)至終點(diǎn)基本為持續(xù)上坡路段，且受地形的控制，因此曠達(dá)線位同初設(shè)線位在平面位置上差異不大，將兩條線位進(jìn)行綜合對(duì)比，主要差異為，優(yōu)化線位同地形結(jié)合更好，挖方數(shù)量少，填挖更為平衡。初設(shè)線位縱斷面主要為6%，3%縱坡的陡緩組合，路線的組合坡度超標(biāo)，優(yōu)化線位大部分緩坡路段的坡度控制在2.8%左右，該路段經(jīng)優(yōu)化后節(jié)約工程投資約1 900萬元，主要工程數(shù)量對(duì)比見表4：

表4　樂業(yè)連接線主要工程數(shù)量對(duì)比表

5結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)擬建工程樂業(yè)至百色高速公路路線方案進(jìn)行三維優(yōu)化技術(shù)分析，可以得出如下結(jié)論和建議：

(1)全路段經(jīng)三維線路優(yōu)化后，縮減橋梁約8 842 m，縮減隧道約4 242 m，全路段內(nèi)共節(jié)約土建工程投資約11.98億元。樂業(yè)連接線優(yōu)化里程7.2 km，縮減隧道約91 m，全路段內(nèi)共節(jié)約土建工程投資約1 900萬元。

(2)通過三維優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)路線方案進(jìn)行優(yōu)化分析，可幫助公路和鐵路規(guī)劃設(shè)計(jì)者在選線過程中綜合處理復(fù)雜的工程、地質(zhì)、自然環(huán)境、社會(huì)人文和行車安全等因素，降低和控制工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本，較短時(shí)間內(nèi)選擇出經(jīng)濟(jì)合理的路線方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]李德仁,邵振峰,楊小敏. 從數(shù)字城市到智慧城市的理論與實(shí)踐[J]. 地理空間信息, 2011,12(9-6):1-3.

[2]王昌翰,李響. 二維GIS與三維仿真結(jié)合的城市規(guī)劃信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].城市勘測(cè), 2008,(3):10-13.

[3]常新生,張怡,林駿. 鐵路線路整體優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，1994.

收稿日期：2016-05-05

作者簡(jiǎn)介：馬長(zhǎng)明(1984-)，男，山東濰坊人，研究生，中級(jí)，研究方向：道路路線。

中圖分類號(hào)：U412

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)06-0087-03