鐵路線路設計與技術發(fā)展探討

翟鵬程

中交鐵道設計研究總院有限公司

【摘 要】關于鐵路選線設計，其綜合性較強、涉及多個專業(yè)。在具體線路設計過程中，線路設計師要有效運用其專業(yè)知識和技能，深入分析地質、地形等地理環(huán)境，從而設計出符合社會進步、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計的重要性，然后分析了鐵路線路設計需考慮的因素，最后闡述了鐵路線路設計技術的發(fā)展——虛擬地理空間建模平臺的應用。

【關鍵詞】鐵路；線路設計；山區(qū)選線；三維可視化

一、鐵路選線設計的重要性

在鐵路的設計環(huán)節(jié)中，線路選線是一個最為基礎而且最為重要的環(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雜的工程。針對目前客觀存在的鐵路建設標準很高、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的整個過程產(chǎn)生直接的影響，鐵路設計的可靠性、鐵路在設計以及施工過程之中的安全性、鐵路設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、鐵路線路設計因素

（一）地質復雜艱險山區(qū)地質選線

1.要以地質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常用手段。如活動斷裂帶應盡量繞避，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，確保工程設計方案的安全性及可行性。。針對不良地質地段的選線，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，在定測前應需逐一比較。

2.應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.應避免把橋設在陡坡上，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)育隧道應將橋盡量提高。

2.地表巖溶發(fā)育設橋時，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構物，不可繞避時線路盡可能使用路堤通過。

三、鐵路線路設計技術的發(fā)展——三維虛擬地理空間建模平臺的應用

虛擬地理空間建模平臺系統(tǒng)是由專業(yè)軟件、硬件設備和自開發(fā)的地理空間建模應用程序集成而來。鐵路線路設計系統(tǒng)的計算機硬件系統(tǒng)是集成了虛擬技術、交互設計和高效計算能力的一個系統(tǒng)，其基礎構成有計算機、專業(yè)設備、地形地勢收集設備和三維可視化設備等。

（一）系統(tǒng)功能需求和選線設計

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、線路設計、方案選擇、視圖、地形地勢管理、初始設置、窗口管理、幫助等菜單功能。鐵路線路設計系統(tǒng)的功能需求有數(shù)據(jù)庫管理、地理空間建模、方案設計和選擇、線路設計和優(yōu)化、線路方案對比和選擇等。

2.基本中心線確定

在鐵路線路設計初期，要先設置基礎信息，點擊菜單欄的“基礎信息設置”選項，跳出“線路設計基本信息設置”的對話框，比如線路設計方案名為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，還可通過導入現(xiàn)有資料或交點選定來設計鐵路線路。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)構造物類型和位置進行三維立體線路設計

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，對線路上有關構造物（比如橋梁、路堤、隧道等）進行選型和位置確定，再點擊構造物建模菜單項，建立實時構造物BIM模型，同時在三維可視界面中展開構造物方案的設計和優(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計方法

1.地形及線路整體三維模型的設計

在進行地形及線路整體三維模型的設計時，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構建一個三角網(wǎng)，搜尋到路基的邊緣線所構成的模型，將這些邊緣線加入到構建的三角網(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，即可知道是否應進行刪除。

2.雙線鐵路線路的分段建模設計

在進行雙線鐵路線路的分段建模設計時，應明確線路的并行段、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計就可以了。獨立段設計，需要明確主線和二線是兩條互不相關的線路，因此設計時需要進行分別建模。過渡段設計時，設計核心在于路基的建模設計，而路基建模設計又是根據(jù)路基橫斷面進行設計的。過渡段設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聯(lián)。因此，需要根據(jù)這三種情況來才綜合考慮進行設計，從而確保兩線路基構成一個整體。本文的對過渡段的設計方法是對主線按照單線路基橫斷面進行建模設計，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聯(lián)關系的路基進行分別設計，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計

在進行線路三維漫游及景觀動畫設計時，主要是由AutoCAD、3DS軟件進行設計的，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)全景透視圖的構建。另外，技算機用戶還可以通過AutoCAD的圖形導入到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計。

參考文獻

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