翟鵬程 / 中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司

鐵路線路設(shè)計與技術(shù)發(fā)展探討

翟鵬程 / 中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司

關(guān)于鐵路選線設(shè)計，其綜合性較強、涉及多個專業(yè)。在具體線路設(shè)計過程中，線路設(shè)計師要有效運用其專業(yè)知識和技能，深入分析地質(zhì)、地形等地理環(huán)境，從而設(shè)計出符合社會進步、經(jīng)濟發(fā)展等需求的最優(yōu)化鐵路線路。本文首先說明了鐵路選線設(shè)計的重要性，然后分析了鐵路線路設(shè)計需考慮的因素，最后闡述了鐵路線路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展——虛擬地理空間建模平臺的應(yīng)用。

鐵路；線路設(shè)計；山區(qū)選線；三維可視化

一、鐵路選線設(shè)計的重要性

在鐵路的設(shè)計環(huán)節(jié)中，線路選線是一個最為基礎(chǔ)而且最為重要的環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)的綜合性相對而言比較強，也會牽扯到很多的方面，同樣也需要用到很多專業(yè)的知識，因此這是一項十分復(fù)雜的工程。針對目前客觀存在的鐵路建設(shè)標準很高、諸多因素會影響線路選線工作、施工難度相對較高的問題，線路選線這一環(huán)節(jié)會直接會對鐵路建設(shè)的整個過程產(chǎn)生直接的影響，鐵路設(shè)計的可靠性、鐵路在設(shè)計以及施工過程之中的安全性、鐵路設(shè)計從實際施工角度上來說的可行性和從經(jīng)濟角度而言的合理性，以及是否能被社會所接納等一系列因素，所以再者線路選線會直接對地方經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生直接的影響。

二、鐵路線路設(shè)計因素

（一）地質(zhì)復(fù)雜艱險山區(qū)地質(zhì)選線

1.要以地質(zhì)條件好壞為首要因素來判別線路方案，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，通過方案比選逐步實現(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。如活動斷裂帶應(yīng)盡量繞避，不能繞避時，采用大角度通過，并以低矮路基工程形式通過，困難時也可考慮隧道，當必須以橋通過時應(yīng)盡量降低橋高；強膨脹巖(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)當以暗線通過時，要盡量提高線路標高且盡量靠河。

3.對已判斷確認可治理的不良地質(zhì)地段，仍要作繞避方案比較，反之若先作了繞避方案，需作治理通過方案。通過對繞避方案和穿行治理方案的經(jīng)濟比選決策線路走向，并綜合考慮運營維護安全性及經(jīng)濟性，確保工程設(shè)計方案的安全性及可行性。。針對不良地質(zhì)地段的選線，最重要的是對治理措施和費用要落到實處，治理措施要可實施，否則會造成不必要的工程浪費。

（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“早進洞晚出洞”。山區(qū)隧道較多，選線之初方案較多，在定測前應(yīng)需逐一比較。

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

3.應(yīng)避免隧道長段靠近斷層和巖層分界線。

4.長隧線位選取時，要一并選輔助坑道線路，若輔助坑道條件較差，工期較長，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，線位要遠離排泄通道。

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，不可繞避時線路盡可能使用路堤通過。

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

虛擬地理空間建模平臺系統(tǒng)是由專業(yè)軟件、硬件設(shè)備和自開發(fā)的地理空間建模應(yīng)用程序集成而來。鐵路線路設(shè)計系統(tǒng)的計算機硬件系統(tǒng)是集成了虛擬技術(shù)、交互設(shè)計和高效計算能力的一個系統(tǒng)，其基礎(chǔ)構(gòu)成有計算機、專業(yè)設(shè)備、地形地勢收集設(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

1.功能需求

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

2.基本中心線確定

在鐵路線路設(shè)計初期，要先設(shè)置基礎(chǔ)信息，點擊菜單欄的“基礎(chǔ)信息設(shè)置”選項，跳出“線路設(shè)計基本信息設(shè)置”的對話框，比如線路設(shè)計方案名為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)計系統(tǒng)可通過界面交互或控制點移動等方式來確定選線的方形，還可通過導(dǎo)入現(xiàn)有資料或交點選定來設(shè)計鐵路線路。在線路確定之后，可在立體環(huán)境中可通過不同顏色來表示橋梁、隧道、路基等。通常情況下，可在三維可視界面、平面界面、縱界面中進行協(xié)同設(shè)計，比如可在三維可視界面將交點移動到新位置。

3.根據(jù)構(gòu)造物類型和位置進行三維立體線路設(shè)計

在鐵路線路基本中心線確定之后，可運行菜單欄實體選線功能，對線路上有關(guān)構(gòu)造物(比如橋梁、路堤、隧道等)進行選型和位置確定，再點擊構(gòu)造物建模菜單項，建立實時構(gòu)造物BIM模型，同時在三維可視界面中展開構(gòu)造物方案的設(shè)計和優(yōu)化。一般情況下，在三維可視界面中，可點擊鼠標來選中鐵路線路構(gòu)造物模型，比如隧道、橋梁、路基等，同時進行詳細分析和深入優(yōu)化。

（二）鐵路線路三維可視化設(shè)計方法

1.地形及線路整體三維模型的設(shè)計

在進行地形及線路整體三維模型的設(shè)計時，需要將地形及線路三維模型進行整體拼合，這種拼合實質(zhì)上就是兩種三維模型的相互疊加，不過這種疊加無法采用消隱方法進行有效處理，而且會對路基予以覆蓋，導(dǎo)致路基模形無法顯示出來。為了使路基模型顯示出來，就需要對地形模型進行適當?shù)募舨?，在進行剪裁時，需要通過數(shù)字地面模型來形成數(shù)字高程模型，這種高程模型代表的是地形，然后通過DEM構(gòu)建一個三角網(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)當中，通過對三角網(wǎng)內(nèi)多邊形中的面進行刪除，以此使線路模型在地形模型中得以顯示。在進行刪除多邊形內(nèi)包括的三角形時，通過判斷這個三角形的重心是否在多邊形中，即可知道是否應(yīng)進行刪除。

2.雙線鐵路線路的分段建模設(shè)計

在進行雙線鐵路線路的分段建模設(shè)計時，應(yīng)明確線路的并行段、獨立段及過渡段的建模方式，并行段中主線和二線的修建是在同一個路基上，因此路肩標高是一致的，在進行并行段設(shè)計時，要明確這種并形線的形狀基本上都是一致的，只不過是在尺寸上有變化而已，所以只在建模時只需要按照單線鐵路上的建筑物建模原理進行設(shè)計就可以了。獨立段設(shè)計，需要明確主線和二線是兩條互不相關(guān)的線路，因此設(shè)計時需要進行分別建模。過渡段設(shè)計時，設(shè)計核心在于路基的建模設(shè)計，而路基建模設(shè)計又是根據(jù)路基橫斷面進行設(shè)計的。過渡段設(shè)計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)這三種情況來才綜合考慮進行設(shè)計，從而確保兩線路基構(gòu)成一個整體。本文的對過渡段的設(shè)計方法是對主線按照單線路基橫斷面進行建模設(shè)計，然后再按照主線的法線方向，來對二線進行單線路基橫斷面進行建模設(shè)計。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，便按照兩個有相互關(guān)聯(lián)關(guān)系的路基進行分別設(shè)計，生成兩個獨立的路基橫斷面。

3.線路三維漫游及景觀動畫設(shè)計

在進行線路三維漫游及景觀動畫設(shè)計時，主要是由AutoCAD、3DS軟件進行設(shè)計的，AutoCAD通夠通過不同的視角來對三維圖像進行觀察，并且形成鳥瞰圖;或者通過模擬照相機功能，來實現(xiàn)全景透視圖的構(gòu)建。另外，技算機用戶還可以通過AutoCAD的圖形導(dǎo)入到3DMAX中進行查看，在3DMAX中通過燈光、材料和攝取像機的選擇，調(diào)整觀察視角，并且還能對三維模型進行渲染功能，并且制作出相應(yīng)的AVI動畫文件，通過每秒幀數(shù)的播放，從而實現(xiàn)了線路三維漫游及景觀動畫的設(shè)計。

[1]陳德論.對山區(qū)鐵路地質(zhì)選線的深入研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012(03)

[2]吳光.復(fù)雜山區(qū)高等級鐵路選線工程地質(zhì)的若干問題[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2010(4)