基于區間填挖平衡的線路縱斷面快速評估模型

周德宏

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 線路站場設計研究處，武漢 430063）

基于區間填挖平衡的線路縱斷面快速評估模型

周德宏

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 線路站場設計研究處，武漢 430063）

線路工程設計在確立平面走向之后，確立線路的起伏走勢是保障工程線路科學合理的另一個重要方面。通過自動橋、隧構件分拆，以區域分割為單元統計土方數量，評估區間的土方填挖平衡及工程的總土方量、概算造價，初步建立了快速的工程線路評估模型，用于量化線位縱斷面設計的合理性，為實時的、自動的、智能的縱斷面拉坡設計提供了敏捷評估方法。為了優化算法效率，從自動設置橋隧和橫斷面簡化地面線這兩種措施實現了評估的高效性，并采用工程實例將人工拉坡與自動設計的縱斷面進行檢驗與比較，為評估工程自動化設計優劣提供依據。

線路評估；縱斷面設計；自動拉坡設計；區間填挖平衡

交通線路工程設計時，設計人員能夠實時評估方案的優劣，并根據評估情況作出相應調整，這樣不僅有利于提高方案的科學水平[1]，也能夠促進設計方案的穩定性。

線路方案的綜合評估通常是指方案的整體工程數量、工程造價、合理性等綜合經濟與社會效益的評定，包括平面上區域走向與縱斷面上高程起伏設計的優劣判定[2]，要考慮地質選線、政策選線等多方面的因素對確立線位走向的特殊影響，使得全面、科學的線路的綜合評估模型難于產生，簡單的線路工程分析僅僅依據工程土方數量與造價評估其優劣性[3]，不能很好地體現出方案設計的優劣程度，嚴重制約了類似于自動化設計與實時優化技術[4～5]在工程線路設計中應用[6]。

在確立平面的基礎上，針對縱斷面進行快速評估，可以有效地剝離平面上進行評估的困難環節，能夠為單純的縱斷面自動設計與實時優化提供評估參照指標。本文提出的縱斷面評估模型，為了適應自動化設計的需要，從兩個方面體現了快速的特性：（1）縱斷面上的橋梁、隧道插旗依據地面線與設計坡度線自動判定給出，免去了人為設計的穿插耗時過程；（2）對縱斷面的采樣橫斷面土方數量按照水平橫斷面地面線根據軌面高程自動給出，同樣避免了龐大耗時的橫斷面設計過程，以自動設計提供快速的方案評估。

與僅限于工程土方數量、工程造價的評估不同，本文提供的評估方法同時考慮了區間的土方填挖平衡，這種考慮區間土石方平衡的方案評估，更具科學性，在工程實施時也有利于土石方的調配。

1 構件自動分拆

縱斷面的評估是依據縱斷面地面線與坡度線兩條點鏈進行的。為了達到快速，需要自動提取橋梁、隧道，便于填挖土方的統計，將路基段一并分割為路堤、路塹進行構件分拆。如圖1所示。

圖1 縱斷面上構件分拆

圖1所示地面線點鏈是一條致密的表達地勢起伏的點鏈，其數據通常需要經過外業測量取得，或者可以從Google Earth等全球三維GIS平臺中自動提取[7]，可以從公共的地形數據如NASA ASTER數據集中進行自動提取，除了數據本身的精度外，地面線的采點密度也會影響到方案的評估效果，通常至少采點的間距小于橋梁、隧道構件的最小許可尺寸，可以防止細微構件的設置丟失。

為了便于線位的處理與后面的評估，可以采用冗余的數據結構LinePointList來同時存儲地面線與坡度線，其節點結構如下所示：

通過將稀疏點鏈投射到致密的地面線點鏈上的DH值，實現兩線的綜合統一存儲，求取坡度線高程與地面線的高程差，記入預留的RK值中。

構件的分拆，就是通過每個點的RK值與設橋設隧參數進行比較，如果高程差RK＞最大填高值(Brg_Max_Height, 默認Brg_Max_Height=8 m)，確立該點位為橋梁上的點，標注該點的標注值sMark=“橋梁”；同理，如果高程差RK＜最大深挖值（Tun_Min_Height, 默認Tun_Min_Height =-30 m），確立該點位為隧道上的點，標注該點的標注值sMark=“隧道”。在橋梁、路堤、路塹及隧道的交點，分別通過臨界值RK=Brg_Max_Height，0，Tun_Min_Height檢索到相鄰兩臨近點，按線性插值方式求取新的交點，標注為分隔點，并重新插入到點鏈中，然后按里程進行排序得到更細化的點鏈。通過檢索，兩個分隔點之間的所有點構成一個構件，而其間點的標注則指明了構件的類型。

構件分拆之后，還需要對自動設置的橋梁隧道進行初步的篩選，排除掉小于Brg_Min_Width（默認Brg_Min_Width=20 m）的橋梁與小于Tun_Min_Width(默認Tun_Min_Width=20 m）的構件，排除的橋梁段轉換為高填的路堤，隧道段轉換為深挖的路塹。

2 路基橫斷面土方計算

對路堤、路塹的土石方數量計算首先是依據構件為單位獨立進行的，如圖2所示。

圖2 土石方數量分段計算

構件內部根據地面線采樣點的分布，每兩個采樣點之間構成一個計算段，由于采樣點密集，段間可視為局部直線段，構成直棱臺，兩采樣點的里程差為棱臺高，這樣通過確立相鄰采樣點的橫斷面填挖面積確立棱臺的填挖體積公式如下：

其中S、S’為相鄰兩橫斷面的截面積。一個構件內的土方為該構件內各段梭臺體積的和：

接下最重要的，就是計算各個橫斷面截面的面積，實際中需要測取該橫斷面的精準地面線，并經工程設計人員設計路基斷面后計算填挖面積，但這一過程限制了實時快速的評估模型的實現，所以進行了簡化，在沒有橫向地面線的情況下，將橫向地面線看成是與中線等高的局部平面。如圖3所示，將橫斷面截面近似為軌面與地面的高程差H的等腰梯形進行計算。

3 線路綜合統計評估

4 區間土方填挖平衡評估

線路設計時一個重要考慮因素是盡可能地保持土石方的填挖平衡，也就是說，在某一個局部區間段內產生的開挖土方數量，要盡可能地在該區間進行回填處理，從而達成土石方調配的基本平衡，既有利于減少工程造價總量，也有利于建設生態和諧的綠色工程。

追求土石方的填挖平衡，只是一個基本的原則，沒有約定的指標及固定標準進行限定，在特殊情況下，如對連綿群山，峻嶺深谷構成的地形，通常隧道的開挖占線路總長的比率非常高，考慮排水與變坡等實際情況，也不可能達成線路的區間填挖的平衡，因此，對區間填挖平衡的評估只是設計參照量，不能作為線路坡度設計的決策量。

如何界定一個區間作為評估的單元將直接決定評估模型的合理性與否，區間定義太長，局部平衡就失去了參照意義；而區間定義過小，則同樣造成評估的困難與指導意義有限。一種結合工程實施的現實做法，以橋梁、隧道作為劃分區間的依據，這樣考慮是基于土方的調配通常是沒條件過河及翻山越嶺進行的。

找出這些土方突出區間的優點：（1）能夠科學地指導工程設計人員在合適的位置設置取棄土場及取棄土場的規模；（2）能夠幫助設計人員重點考慮改進調整這些區間段內的平縱橫面方案設計；（3）縱斷面的自動拉坡設計而言，最現實地能夠以遞歸的方式找出方案的薄弱環節進行優化改進，逐次實現對全線的由局部到整體的自動設計優化。

5 結束語

本文提出的縱斷面評估模型，僅僅是在提供地面線與坡度線的情況下完成的初步數量評估，其最大特點是實時性，因而非常適宜縱斷面的自動生成。首先自動生成坡度線，然后通過快速評估模型進行評估，得到綜合評估數量及找出薄弱區間，再進行優化與比較，得到更優化的坡度線，直到方案穩定。

在這種評估方法基礎的開發的縱斷面自動拉坡設計技術與人工設計的實際工程成果進行數量對比，結構如表1所示。從表1中看出，在諸多參數上人工與計算機設計出來的方案成果非常趨近，自動化設計的水平已經非常接近人的設計能力，而在最關鍵的總造價、最大挖方冗余與最大填方欠缺3種數量上，自動化設計表現出了更好的智能化水平，由此可見，評估模型的評估依據與實時性對方案的自動化、智能化提供了重要的基礎條件，必將與自動拉坡設計技術一起，為工程的縱斷面科學化設計提供強大而高效的設計能力。

表1 縱斷面人工設計與自動設計評估比對

[1]段曉峰，易思蓉. 基于滿意度原理的鐵路新線縱斷面優化設計方法[J]. 鐵道學報，2008， 30（1）：117-121.

[2]陶明鶴. 軌道交通線路縱斷面節能坡設置研究[J]. 城市道橋與防洪，2011（6）：23-25.

[3]方 成，丁建明，劉洪波. 道路縱斷面優化設計的研究[J].交通與計算機，2006，24（5）： 54-57.

[4]李曉娥. 基于響應面方法的鐵路縱斷面優化技術[J]. 交通科技， 2013（2）：11-13.

[5]孔國梁，李頂峰.鐵路縱斷面自動設計與優化方法研究[J].鐵道工程學報，2012（12）： 48-53.

[6]王連子，王 莉.鐵路定線方案比選的一種新方法[J]. 北方交通大學學報，1991，15（3）：84-88.

[7]韓元利. 基于GIS的數字鐵路選線在工程設計中的應用[J].鐵道工程學報， 2010（8）：29-33.

責任編輯 徐侃春

Rapid assessment model of railway vertical section based on intervals cut and fill balance

ZHOU Dehong

( Track Alignment & Station Yard Design & Research Dept., China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., LTD, Wuhan 430063, China )

It was an important point to determine the undulating movements of railway and ensure the rationality of railway route, after setting the plane toward. The quantity of earth was counted by intervals which were divided by automatic bridge, tunnel constructions. The cut and fill balance, the total earth, the predicted costs were evaluated. This paper established a railway project evaluation model initially, quantized the rationality of railway vertical section design, provided an evaluation method for real-time, automatic and intelligent vertical design, adopted two methods to set bridges and tunnels and simplify the ground line in the cross-section, implement the efficiency of evaluation. The differences of vertical design between manual and automatic were compared and tested to provide judgments for evaluating railway vertical section design.

route evaluation; vertical section design; automatic design; interval cut and fill balance

U212.3∶TP39

A

2013-07-21

周德宏，高級工程師。

1005-8451（2014）01-0006-05