鐵路線路設(shè)計(jì)與技術(shù)發(fā)展探討

翟鵬程

中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司

【摘 要】關(guān)于鐵路選線設(shè)計(jì)，其綜合性較強(qiáng)、涉及多個(gè)專(zhuān)業(yè)。在具體線路設(shè)計(jì)過(guò)程中，線路設(shè)計(jì)師要有效運(yùn)用其專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能，深入分析地質(zhì)、地形等地理環(huán)境，從而設(shè)計(jì)出符合社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等需求的最優(yōu)化鐵路線路。本文首先說(shuō)明了鐵路選線設(shè)計(jì)的重要性，然后分析了鐵路線路設(shè)計(jì)需考慮的因素，最后闡述了鐵路線路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展——虛擬地理空間建模平臺(tái)的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】鐵路；線路設(shè)計(jì)；山區(qū)選線；三維可視化

一、鐵路選線設(shè)計(jì)的重要性

在鐵路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，線路選線是一個(gè)最為基礎(chǔ)而且最為重要的環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)的綜合性相對(duì)而言比較強(qiáng)，也會(huì)牽扯到很多的方面，同樣也需要用到很多專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，因此這是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工程。針對(duì)目前客觀存在的鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)很高、諸多因素會(huì)影響線路選線工作、施工難度相對(duì)較高的問(wèn)題，線路選線這一環(huán)節(jié)會(huì)直接會(huì)對(duì)鐵路建設(shè)的整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生直接的影響，鐵路設(shè)計(jì)的可靠性、鐵路在設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程之中的安全性、鐵路設(shè)計(jì)從實(shí)際施工角度上來(lái)說(shuō)的可行性和從經(jīng)濟(jì)角度而言的合理性，以及是否能被社會(huì)所接納等一系列因素，所以再者線路選線會(huì)直接對(duì)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生直接的影響。

二、鐵路線路設(shè)計(jì)因素

（一）地質(zhì)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)地質(zhì)選線

1.要以地質(zhì)條件好壞為首要因素來(lái)判別線路方案，并綜合考慮工程安全性、可行性與安全性，盡可能滿足線路短直、工程投資省、地方滿意等因素，通過(guò)方案比選逐步實(shí)現(xiàn)線路方案優(yōu)化的最大化。

2.要熟悉繞避不良地質(zhì)常用手段。如活動(dòng)斷裂帶應(yīng)盡量繞避，不能繞避時(shí)，采用大角度通過(guò)，并以低矮路基工程形式通過(guò)，困難時(shí)也可考慮隧道，當(dāng)必須以橋通過(guò)時(shí)應(yīng)盡量降低橋高；強(qiáng)膨脹巖（土）按“一繞二橋三矮路堤”的原則；泥石流以隧道形式通過(guò)方案最優(yōu)，泥石流危害程度小可設(shè)橋；采空區(qū)繞避要考慮繞避其塌陷區(qū)；巖溶發(fā)育區(qū)當(dāng)以暗線通過(guò)時(shí)，要盡量提高線路標(biāo)高且盡量靠河。

3.對(duì)已判斷確認(rèn)可治理的不良地質(zhì)地段，仍要作繞避方案比較，反之若先作了繞避方案，需作治理通過(guò)方案。通過(guò)對(duì)繞避方案和穿行治理方案的經(jīng)濟(jì)比選決策線路走向，并綜合考慮運(yùn)營(yíng)維護(hù)安全性及經(jīng)濟(jì)性，確保工程設(shè)計(jì)方案的安全性及可行性。。針對(duì)不良地質(zhì)地段的選線，最重要的是對(duì)治理措施和費(fèi)用要落到實(shí)處，治理措施要可實(shí)施，否則會(huì)造成不必要的工程浪費(fèi)。

（二）隧道工程線路選線原則

1.重視洞口選取，盡量做到與地形等高線正交，做到“早進(jìn)洞晚出洞”。山區(qū)隧道較多，選線之初方案較多，在定測(cè)前應(yīng)需逐一比較。

2.應(yīng)避免隧道長(zhǎng)大段淺埋，要有縮短淺埋方案；隧道怕地表水滲漏和危巖落石。

3.應(yīng)避免隧道長(zhǎng)段靠近斷層和巖層分界線。

4.長(zhǎng)隧線位選取時(shí)，要一并選輔助坑道線路，若輔助坑道條件較差，工期較長(zhǎng)，則隧道方案有可能不成立。

（三）橋梁工程線路選線原則

1.應(yīng)避免把橋設(shè)在陡坡上，橋基施工困難，在今后易發(fā)生病害。若該段在比選后仍要設(shè)橋，可將橋位盡可能下移，適量增加橋高，將橋基布在地形寬緩處。山區(qū)跨大江河流除了選好的地形、地質(zhì)外，還要研究橋高（橋位處線路高度），一般講橋兩端為長(zhǎng)隧或巖溶發(fā)育隧道應(yīng)將橋盡量提高。

2.地表巖溶發(fā)育設(shè)橋時(shí)，線位要遠(yuǎn)離排泄通道。

3.在高烈度（8度以上）地震區(qū)，需慎重使用橋梁及隧道結(jié)構(gòu)物，不可繞避時(shí)線路盡可能使用路堤通過(guò)。

三、鐵路線路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展——三維虛擬地理空間建模平臺(tái)的應(yīng)用

虛擬地理空間建模平臺(tái)系統(tǒng)是由專(zhuān)業(yè)軟件、硬件設(shè)備和自開(kāi)發(fā)的地理空間建模應(yīng)用程序集成而來(lái)。鐵路線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是集成了虛擬技術(shù)、交互設(shè)計(jì)和高效計(jì)算能力的一個(gè)系統(tǒng)，其基礎(chǔ)構(gòu)成有計(jì)算機(jī)、專(zhuān)業(yè)設(shè)備、地形地勢(shì)收集設(shè)備和三維可視化設(shè)備等。

（一）系統(tǒng)功能需求和選線設(shè)計(jì)

1.功能需求

該系統(tǒng)通過(guò)菜單欄或菜單選項(xiàng)等為用戶(hù)提供各項(xiàng)功能，具體有工程管理、空間建模、線路設(shè)計(jì)、方案選擇、視圖、地形地勢(shì)管理、初始設(shè)置、窗口管理、幫助等菜單功能。鐵路線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能需求有數(shù)據(jù)庫(kù)管理、地理空間建模、方案設(shè)計(jì)和選擇、線路設(shè)計(jì)和優(yōu)化、線路方案對(duì)比和選擇等。

2.基本中心線確定

在鐵路線路設(shè)計(jì)初期，要先設(shè)置基礎(chǔ)信息，點(diǎn)擊菜單欄的“基礎(chǔ)信息設(shè)置”選項(xiàng)，跳出“線路設(shè)計(jì)基本信息設(shè)置”的對(duì)話框，比如線路設(shè)計(jì)方案名為QJ1、里程單位是m、起始位置里程數(shù)為0m、間距為5m、路寬為13m等。鐵路線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)可通過(guò)界面交互或控制點(diǎn)移動(dòng)等方式來(lái)確定選線的方形，還可通過(guò)導(dǎo)入現(xiàn)有資料或交點(diǎn)選定來(lái)設(shè)計(jì)鐵路線路。在線路確定之后，可在立體環(huán)境中可通過(guò)不同顏色來(lái)表示橋梁、隧道、路基等。通常情況下，可在三維可視界面、平面界面、縱界面中進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，比如可在三維可視界面將交點(diǎn)移動(dòng)到新位置。

3.根據(jù)構(gòu)造物類(lèi)型和位置進(jìn)行三維立體線路設(shè)計(jì)

在鐵路線路基本中心線確定之后，可運(yùn)行菜單欄實(shí)體選線功能，對(duì)線路上有關(guān)構(gòu)造物（比如橋梁、路堤、隧道等）進(jìn)行選型和位置確定，再點(diǎn)擊構(gòu)造物建模菜單項(xiàng)，建立實(shí)時(shí)構(gòu)造物BIM模型，同時(shí)在三維可視界面中展開(kāi)構(gòu)造物方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。一般情況下，在三維可視界面中，可點(diǎn)擊鼠標(biāo)來(lái)選中鐵路線路構(gòu)造物模型，比如隧道、橋梁、路基等，同時(shí)進(jìn)行詳細(xì)分析和深入優(yōu)化。

（二）鐵路線路三維可視化設(shè)計(jì)方法

1.地形及線路整體三維模型的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行地形及線路整體三維模型的設(shè)計(jì)時(shí)，需要將地形及線路三維模型進(jìn)行整體拼合，這種拼合實(shí)質(zhì)上就是兩種三維模型的相互疊加，不過(guò)這種疊加無(wú)法采用消隱方法進(jìn)行有效處理，而且會(huì)對(duì)路基予以覆蓋，導(dǎo)致路基模形無(wú)法顯示出來(lái)。為了使路基模型顯示出來(lái)，就需要對(duì)地形模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)募舨茫谶M(jìn)行剪裁時(shí)，需要通過(guò)數(shù)字地面模型來(lái)形成數(shù)字高程模型，這種高程模型代表的是地形，然后通過(guò)DEM構(gòu)建一個(gè)三角網(wǎng)，搜尋到路基的邊緣線所構(gòu)成的模型，將這些邊緣線加入到構(gòu)建的三角網(wǎng)當(dāng)中，通過(guò)對(duì)三角網(wǎng)內(nèi)多邊形中的面進(jìn)行刪除，以此使線路模型在地形模型中得以顯示。在進(jìn)行刪除多邊形內(nèi)包括的三角形時(shí)，通過(guò)判斷這個(gè)三角形的重心是否在多邊形中，即可知道是否應(yīng)進(jìn)行刪除。

2.雙線鐵路線路的分段建模設(shè)計(jì)

在進(jìn)行雙線鐵路線路的分段建模設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)明確線路的并行段、獨(dú)立段及過(guò)渡段的建模方式，并行段中主線和二線的修建是在同一個(gè)路基上，因此路肩標(biāo)高是一致的，在進(jìn)行并行段設(shè)計(jì)時(shí)，要明確這種并形線的形狀基本上都是一致的，只不過(guò)是在尺寸上有變化而已，所以只在建模時(shí)只需要按照單線鐵路上的建筑物建模原理進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以了。獨(dú)立段設(shè)計(jì)，需要明確主線和二線是兩條互不相關(guān)的線路，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行分別建模。過(guò)渡段設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)核心在于路基的建模設(shè)計(jì)，而路基建模設(shè)計(jì)又是根據(jù)路基橫斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)的。過(guò)渡段設(shè)計(jì)中路基建模存在三種情況，一種是主線和二線并行等高，第二種是并行不等高，第三種是主線和二線互相關(guān)聯(lián)。因此，需要根據(jù)這三種情況來(lái)才綜合考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而確保兩線路基構(gòu)成一個(gè)整體。本文的對(duì)過(guò)渡段的設(shè)計(jì)方法是對(duì)主線按照單線路基橫斷面進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，然后再按照主線的法線方向，來(lái)對(duì)二線進(jìn)行單線路基橫斷面進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。如果主線和二線等高，并且橫斷面中心距離小于等于主線和二線基寬的和，則共用路基。否則，便按照兩個(gè)有相互關(guān)聯(lián)關(guān)系的路基進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，生成兩個(gè)獨(dú)立的路基橫斷面。

3.線路三維漫游及景觀動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行線路三維漫游及景觀動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)時(shí)，主要是由AutoCAD、3DS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，AutoCAD通夠通過(guò)不同的視角來(lái)對(duì)三維圖像進(jìn)行觀察，并且形成鳥(niǎo)瞰圖；或者通過(guò)模擬照相機(jī)功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)全景透視圖的構(gòu)建。另外，技算機(jī)用戶(hù)還可以通過(guò)AutoCAD的圖形導(dǎo)入到3DMAX中進(jìn)行查看，在3DMAX中通過(guò)燈光、材料和攝取像機(jī)的選擇，調(diào)整觀察視角，并且還能對(duì)三維模型進(jìn)行渲染功能，并且制作出相應(yīng)的AVI動(dòng)畫(huà)文件，通過(guò)每秒幀數(shù)的播放，從而實(shí)現(xiàn)了線路三維漫游及景觀動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)。

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