柴真

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司東北分院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

鐵路在我國是重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)發(fā)展有重大影響。我國正在加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),突破關(guān)鍵共性技術(shù),打造交通強(qiáng)國[1]。鐵路設(shè)計(jì)的主要目的是找到最優(yōu)的鐵路位置、施工部件和幾何配置，現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)為鐵路的勘察設(shè)計(jì)工作提供了重要的依據(jù)。這是一項(xiàng)從根本上決定鐵路工程建設(shè)成本、運(yùn)行條件和環(huán)境影響的重要工作。在工程勘測(cè)中，通常需要專業(yè)化的測(cè)繪科學(xué)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。

1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于中國湖北省宜昌市，計(jì)劃在這個(gè)地區(qū)建設(shè)一條新的鐵路。在此工作中，我們以宜昌-巴東高鐵大段為例。起點(diǎn)在宜昌市，終點(diǎn)在興山縣。兩端直線距離為91.75 km，設(shè)計(jì)速度為350 km/h。地面海拔從起點(diǎn)到終點(diǎn)逐漸升高，沿規(guī)劃的鐵路，地形由平原向山區(qū)過渡。該地區(qū)最大高差為1 902 m。鐵路建設(shè)，包括挖填段、橋梁和隧道，需要沿著鐵路進(jìn)行良好的配置，以克服復(fù)雜的地形。在鐵路設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意保護(hù)地表植被。為了得到滿意的鐵路解決方案，必須正確處理復(fù)雜的地形、生態(tài)和地質(zhì)因素，這對(duì)鐵路設(shè)計(jì)過程提出了巨大的挑戰(zhàn)。

2 環(huán)境因素分析

鐵路設(shè)計(jì)問題涉及地形、生態(tài)、地質(zhì)等環(huán)境因素。其中一些環(huán)境影響，如地質(zhì)災(zāi)害因素，在鐵路設(shè)計(jì)過程中難以定量分析。因此，現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)過程仍然很大程度上依賴于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)。此外，在確定鐵路路線時(shí)，必須動(dòng)態(tài)地考慮這些因素，因?yàn)榄h(huán)境影響將隨著鐵路位置、建筑構(gòu)件和幾何結(jié)構(gòu)的變化而變化。

2.1 高度可達(dá)性分析

目前，大多數(shù)鐵路或公路的適宜性分析都集中在地面適宜性分析。然而，鐵路是三維基礎(chǔ)設(shè)施，可以位于地上(即橋梁段)或地下(即隧道段)。特別是在山區(qū)，隧道和橋梁是鐵路的主要結(jié)構(gòu)形式。因此，首先可提出一個(gè)程序來分析鐵路地面高程可達(dá)性，然后進(jìn)行更詳細(xì)的環(huán)境評(píng)估。確定研究區(qū)域的坡度類型，為了連接景觀中兩個(gè)預(yù)先確定的終點(diǎn)，鐵路必須克服它們的高差，同時(shí)避免過度的坡度。對(duì)于坡度較小的地區(qū)，兩端高差不大，鐵路應(yīng)盡可能短，以節(jié)約成本，便于運(yùn)營(yíng)。對(duì)于坡度較大的地區(qū)，鐵路必須繞行，以克服兩端的高差。此外，在曲線段和隧道段，列車運(yùn)行阻力會(huì)增大。因此，在保證列車牽引噸位不變的前提下，對(duì)這些路段的實(shí)際鐵路坡度進(jìn)行分析。

2.2 環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)

在這一部分，將進(jìn)一步評(píng)估鐵路的環(huán)境適宜性，并可生成環(huán)境適宜性地圖。然后，結(jié)合高程可達(dá)性圖和環(huán)境適宜性圖，設(shè)計(jì)師可以首先區(qū)分研究區(qū)域可能需要設(shè)置什么樣的鐵路結(jié)構(gòu)，然后分析結(jié)構(gòu)的適宜性。地形因素是確定鐵路位置、施工組成和成本的關(guān)鍵因素。地形因素一般分為宏觀因素和微觀因素。宏觀因素描述全局或特定范圍的地形特征，而微觀因素則側(cè)重于量化每個(gè)局部單元的地形特征。

文章采用的宏觀地形因素是地形起伏度指數(shù)和粗糙度指數(shù)。坡度和坡向是鐵路公路設(shè)計(jì)中最重要的兩個(gè)微觀地形因素。坡度表示單元格的陡度，坡向表示單元格法線的水平投影方向。在不考慮坡度和坡向的情況下，DEM中的單元格可以看作是一系列平坦的梯田。以往在鐵路的設(shè)計(jì)中通常只考慮坡度，此外鐵路線形與傾斜三維網(wǎng)格之間的空間關(guān)系通常被忽視。實(shí)際上，應(yīng)結(jié)合坡度和坡向分析其對(duì)鐵路設(shè)計(jì)的影響。如圖1所示,假設(shè)一個(gè)鐵路將從三個(gè)方向tranverse傾斜的網(wǎng)格,這被指示為RDa（即垂直于坡方面)，RDb(平行于坡方面)和RDc的轉(zhuǎn)角與斜率。鐵路的這三個(gè)方向的橫斷面會(huì)有很大的不同。圖2顯示了開挖和填土部分剖面，圖3顯示了RDa和RDb充填開采的地區(qū),其中HGi是地面高度負(fù)責(zé)，β是斜率梯度，γ是斜率比半填部分，WF充填開采部分的寬度，Δh是頂部和底部之間的高差削減或填充部分。通過使用Δh作為度量指定山坡坡度的影響和在鐵路方面，為了限制Δh，以避免不穩(wěn)定斜坡上的橫截面，兩個(gè)配方分別為填補(bǔ)和削減部分。

圖1 水平、三維三方向橫斷面

圖2 路基開挖填土部分剖面

圖3 斜坡橫截面

根據(jù)環(huán)境適宜性的12個(gè)主導(dǎo)子因素，將GIS數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)單元?jiǎng)澐譃?2個(gè)子值。下一步是聚合這些子值，以確定每個(gè)單元格的綜合適宜性值。然而，在鐵路設(shè)計(jì)問題中，很難量化不同設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(即環(huán)境因素)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。此外，不同的鐵路項(xiàng)目可能有不同的關(guān)注點(diǎn)，如易發(fā)區(qū)鐵路應(yīng)重視地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，而生態(tài)脆弱區(qū)鐵路應(yīng)重視環(huán)境保護(hù)。因此，在鐵路設(shè)計(jì)中，多目標(biāo)決策過程是問題相關(guān)的。應(yīng)用現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)不僅能節(jié)省人力成本，同時(shí)也能保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在高程控制與平面控制中的測(cè)量應(yīng)用，為工程建設(shè)施工提供更精準(zhǔn)的參考。

3 結(jié)語

基于一個(gè)復(fù)雜的真實(shí)鐵路設(shè)計(jì)案例，從實(shí)際出發(fā)，利用基于GIS的新建鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用GIS強(qiáng)大的空間分析能力，建立新建鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)分析模型，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，不斷提高新建鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)水平。通過采用現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)分析地面高程、鐵路設(shè)計(jì)高程和鐵路施工構(gòu)件之間的關(guān)系，確定鐵路空間可達(dá)范圍。