基于機(jī)載LiDAR技術(shù)的現(xiàn)代齒軌鐵路線路設(shè)計(jì)方法研究

王月新

(1.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043)

1 研究背景

普通輪軌鐵路受機(jī)車(chē)及牽引黏著技術(shù)的限制，最大爬坡一般只能達(dá)到60‰，對(duì)于陡峭復(fù)雜山地的適應(yīng)性較差，而采用纜索鐵路、直線電機(jī)車(chē)輛及磁懸浮車(chē)輛等系統(tǒng)可以解決輪軌黏著限制問(wèn)題[1]。齒軌鐵路是基于輪軌系統(tǒng)上的一種特例，通常在普通鐵路兩軌之間增設(shè)1條齒條軌道，并在運(yùn)用車(chē)輛的轉(zhuǎn)向架上裝備齒輪裝置，以提供車(chē)輛上坡時(shí)不足的輪軌黏著力或使用齒輪嚙合力替代輪軌黏著力[2]。齒軌鐵路最早誕生于英國(guó)，符合現(xiàn)代齒軌鐵路定義且最早成功應(yīng)用的是1869年投入運(yùn)營(yíng)的美國(guó)華盛頓山齒軌鐵路[3]，隨后的50年屬于齒軌鐵路的高速發(fā)展期，大量齒軌鐵路在這個(gè)時(shí)期修建。目前全世界范圍內(nèi)共有近30個(gè)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)通180多條各式各樣的齒軌鐵路[4]，包括歐洲最高車(chē)站的瑞士少女峰鐵路、世界坡度最大的瑞士皮拉圖斯鐵路，美國(guó)、希臘、德國(guó)、智利、阿根廷等國(guó)也均有齒軌鐵路運(yùn)營(yíng)，這些線路都是山區(qū)線路，主要以觀光游覽為主。國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的齒軌鐵路主要集中在煤礦和其他能源運(yùn)輸行業(yè)，主要為滿(mǎn)足煤炭等資源運(yùn)輸需求而修建。

現(xiàn)代齒軌鐵路定義為：采用齒輪齒條傳動(dòng)，主要服務(wù)于地形起伏較大的山地城鎮(zhèn)社區(qū)、旅游景區(qū)以及礦區(qū)等區(qū)域，自成體系獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的客運(yùn)軌道交通系統(tǒng)。其顯著特點(diǎn)如下：第一，爬坡能力強(qiáng)，相較于傳統(tǒng)輪軌黏著系統(tǒng)，齒軌系統(tǒng)爬坡能力最大可達(dá)48%[5]，由于齒軌鐵路能克服輪軌間黏著力不足問(wèn)題，增大爬坡坡度，因此可減少展線長(zhǎng)度，這對(duì)旅游景區(qū)及環(huán)保要求高的地區(qū)環(huán)境影響較小，對(duì)沿線植被及地質(zhì)環(huán)境能起到有效的保護(hù)作用，并降低工程造價(jià)[6]；第二，運(yùn)行速度不高，屬低運(yùn)量系統(tǒng)范疇，在山地型城鎮(zhèn)中作為城市軌道交通運(yùn)營(yíng)時(shí)宜自成體系獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，齒軌系統(tǒng)運(yùn)行速度一般不高于40 km/h[5]，且車(chē)輛通常編組較短，不適合大規(guī)模旅客運(yùn)輸，但其車(chē)輛可以在傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)上走行，故適用于在原有鐵路基礎(chǔ)上擴(kuò)建或改建[7]；第三，系統(tǒng)對(duì)于線下基礎(chǔ)工程的設(shè)置需要結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)單獨(dú)研究確定，并考慮一定的安全冗余，軌道系統(tǒng)一般采用Riggenbach、Abt、Locher和Strub等較為成熟的結(jié)構(gòu)，路基地段的設(shè)計(jì)一般考慮到道床縱向力的限制，橋梁及隧道的設(shè)計(jì)要綜合考慮結(jié)構(gòu)受力及施工方法等因素，同時(shí)還應(yīng)考慮一定的景觀設(shè)計(jì)[8]。

本文從現(xiàn)代齒軌鐵路的工程實(shí)際出發(fā)，通過(guò)創(chuàng)新總結(jié)齒軌技術(shù)特點(diǎn)，提出一種齒軌鐵路線路設(shè)計(jì)思路，為現(xiàn)代齒軌鐵路在我國(guó)旅游軌道交通的建設(shè)與發(fā)展提供新思路和新方向[9]。

2 選線思路

鑒于齒軌交通具備上述特點(diǎn)，選線整體應(yīng)貫徹“規(guī)劃選線、重點(diǎn)工程選線、環(huán)保選線、地質(zhì)選線、景觀選線”的思路及理念，要充分落實(shí)各項(xiàng)主要因素對(duì)選線的影響程度，并有針對(duì)性地提出選線原則和工程處理措施，按照“舍小求大”的原則進(jìn)行綜合比選分析，確定最優(yōu)方案，同時(shí)應(yīng)跟蹤相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)、勘察地理信息技術(shù)、修建技術(shù)及設(shè)計(jì)水平，開(kāi)闊選線思路及理念[10]。這里以湖南省某旅游配套項(xiàng)目為實(shí)例，并考慮以上影響因素，對(duì)齒軌鐵路選線設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析。

該項(xiàng)目位于武陵山脈的構(gòu)造侵蝕中低山區(qū)，地形起伏較大，地面高程在340～1 380 m，航空距離4.5 km，區(qū)域植被茂密，多以喬木為主，山坡上陡崖密布，交通不便。項(xiàng)目所在地屬中亞熱帶濕潤(rùn)型氣候，氣候溫和，四季分明，雨量充沛。

2.1 自然特征

線路經(jīng)行于武陵山脈腹地，屬中山區(qū)，地形多呈階梯狀分布，發(fā)育多級(jí)剝夷平面；巖性對(duì)地貌形態(tài)影響明顯，碳酸鹽巖構(gòu)成的山體寬厚雄奇，山頂起伏不大，巖溶地貌明顯，鄰近河谷溝谷地帶地形陡峻。山頂高程一般為1 350～1 450 m，河谷為200～400 m，相對(duì)高差1 000～1 200 m，山坡上植被茂密，多以喬木為主。山頂屬于區(qū)域內(nèi)Ⅰ級(jí)剝夷面，主要為溶丘洼地，溶丘多為饅頭狀或盾狀、洼地碟狀、相對(duì)高差數(shù)十至百余米，洼地中常套生漏斗及落水洞，地屬中亞熱帶濕潤(rùn)型氣候，氣候溫和，四季分明，雨量充沛。

2.2 功能定位需求

本項(xiàng)目定位為觀光火車(chē)項(xiàng)目，以觀光旅游為主，服務(wù)景區(qū)游客，線路方案的研究應(yīng)盡可能減少隧道工程的設(shè)置，以橋梁、路基工程為主，在滿(mǎn)足工程安全可行的前提下，選線應(yīng)結(jié)合景觀視野良好、工程設(shè)置合理的條件進(jìn)行綜合比選研究[11]。車(chē)站兩端行車(chē)速度不高，應(yīng)盡量考慮明線方案，增加游客的觀光體驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)綜合考慮建設(shè)項(xiàng)目對(duì)山體及自然景觀的影響及生態(tài)防護(hù)、修復(fù)等措施，最大限度地滿(mǎn)足旅客的觀光需求，方便游覽。

2.3 工程技術(shù)要求

項(xiàng)目起終點(diǎn)海拔相差約1 040 m，航空距離僅4.5 km，線路理論設(shè)計(jì)坡度最大采用24%，為確保齒軌橋梁結(jié)構(gòu)安全，橋上線路縱坡不宜過(guò)陡，且曲線半徑不宜過(guò)小，避免產(chǎn)生大縱向力與小半徑離心力的疊加，本次暫確定線路設(shè)計(jì)最小曲線半徑采用120 m，路基與隧道地段坡度最大采用25%，橋梁地段≯10%[12]。

2.4 其他影響因素

其他影響因素包括常規(guī)選線遇到的不良地質(zhì)、城市規(guī)劃、環(huán)境敏感點(diǎn)等，根據(jù)項(xiàng)目特殊要求，需要綜合考慮。不良地質(zhì)問(wèn)題主要依靠加深地質(zhì)調(diào)查、鉆探控制等手段進(jìn)行繞避；城市規(guī)劃問(wèn)題需要與地方充分結(jié)合，做到既要減少干擾，又要有所引導(dǎo)；環(huán)境敏感點(diǎn)問(wèn)題需要結(jié)合景區(qū)規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)措施等綜合研究，并采用創(chuàng)新的工程措施減少對(duì)自然景觀的破壞，使交通工程與自然環(huán)境有機(jī)結(jié)合。

綜上，總結(jié)齒軌交通選線設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 齒軌交通線路設(shè)計(jì)流程

3 線路設(shè)計(jì)特點(diǎn)

為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提升景區(qū)開(kāi)發(fā)，提高旅游與交通融合，現(xiàn)代齒軌鐵路可較好地滿(mǎn)足旅游景區(qū)的開(kāi)發(fā)需求[13]，本項(xiàng)目作為旅游景區(qū)配套工程項(xiàng)目，選線中對(duì)于旅游觀光屬性的體現(xiàn)顯得尤為重要，同時(shí)由于區(qū)域內(nèi)分布有陡壁、懸崖等地形地貌，傳統(tǒng)制圖精度以及測(cè)量手段已不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[14]。

3.1 旅游觀光屬性

本線在研究山下段線路走向時(shí)，結(jié)合沿線地形、地貌及觀光點(diǎn)設(shè)站條件，主要研究了燈泡形展線紅線方案及S形展線藍(lán)線方案，方案示意如圖2所示。

圖2 線路走向方案示意

燈泡形展線方案線路自比較起點(diǎn)引出，經(jīng)高鷹寺水塘西北側(cè)沿溝谷而上，展線以隧道穿越陡壁后以明線沿溝谷迂回爬升，后以隧道穿越龍陽(yáng)臺(tái)山折向東南至比較終點(diǎn)，比較段落線路全長(zhǎng)4.12 km，其中設(shè)橋梁7座，長(zhǎng)度1.33 km，設(shè)隧道4座，長(zhǎng)度1.83 km，最長(zhǎng)隧道770 m，隧線比44.3%。

S形展線D1K方案線路自比較起點(diǎn)引出，經(jīng)高鷹寺水塘西北側(cè)沿溝谷而上，展線以隧道穿越陡壁后經(jīng)龍陽(yáng)臺(tái)山西坡以明線敷設(shè)，后折向東南局部展線至比較終點(diǎn)，比較段落線路全長(zhǎng)3.56 km，其中設(shè)橋梁3座，長(zhǎng)度1.13 km，設(shè)隧道5座，長(zhǎng)度1.98 km，最長(zhǎng)隧道930 m，隧線比55.6%。線路走向方案綜合比較見(jiàn)表1。

表1 線路走向方案綜合比較

從旅游屬性分析，藍(lán)線方案線路隧道比例較高，比較段落內(nèi)隧線比55.6%，較紅線方案高11%，按線路全段統(tǒng)計(jì)藍(lán)線方案隧線比例44.8%，較紅線方案高5.6%。因此，DK方案明線段落更長(zhǎng)，高鷹寺隧道700 m，較藍(lán)線方案短230 m，方案的旅游觀光屬性更好，且局部段落具備打造觀光景點(diǎn)的條件，如圖3所示。

圖3 線路方案觀光示意

線路在兩側(cè)山體峽谷迂回展線向山頂拔起，受地形限制，需于隧道內(nèi)設(shè)站，為滿(mǎn)足乘客觀景需求，觀景站高程距外面崖壁30～60 m，特增設(shè)3條橫通道，分別位于DK5+340、DK5+380、DK5+420，旅客到站后可通過(guò)橫通道到達(dá)崖壁棧道觀景，如圖4所示。

圖4 車(chē)站平面設(shè)計(jì)示意

3.2 機(jī)載Lidar輔助選線

機(jī)載激光雷達(dá)(light detection and ranging，LiDAR)是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，其應(yīng)用過(guò)程中得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地反映測(cè)量區(qū)域的地形地貌特征，具有高精度、高密度、高效率、高覆蓋率及高分辨率等特點(diǎn)[15]。

在現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)階段，中線測(cè)量、橫斷面測(cè)量及工點(diǎn)圖測(cè)繪工作任務(wù)較為繁重，目前上述工作采用傳統(tǒng)航測(cè)手段僅適用于植被稀疏的平坦、微丘地區(qū)，而激光雷達(dá)技術(shù)采用主動(dòng)激光測(cè)量，對(duì)植被具有穿透的特性，在植被茂盛的樹(shù)林、深溝溝底等環(huán)境下，也可以很好地獲取數(shù)據(jù)。通過(guò)分類(lèi)后的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)建立數(shù)字地面模型，能夠快速提取所需橫縱斷面，可以節(jié)省大量的時(shí)間和人力，大幅提高工作效率[16]。

通過(guò)區(qū)域點(diǎn)云采集、數(shù)據(jù)處理、點(diǎn)云融合及對(duì)植被、建筑物等非地表點(diǎn)的過(guò)濾后形成成果，可較為精準(zhǔn)、直觀地獲取地形、斷面數(shù)據(jù)，輔助局部方案的優(yōu)化以及重難點(diǎn)方案的決策[17]。

將基站GPS采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)和機(jī)載設(shè)備采集的實(shí)時(shí)POS數(shù)據(jù)使用IE軟件進(jìn)行解算，得到飛行的軌跡數(shù)據(jù)，再利用點(diǎn)云融合軟件將軌跡和原始激光數(shù)據(jù)融合出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖5為自動(dòng)提取地面點(diǎn)效果，隨后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯可以生成數(shù)字高程模型(DEM)[18]。

圖5 自動(dòng)提取地面點(diǎn)效果

由于在外業(yè)機(jī)載數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，采集分為多個(gè)工程進(jìn)行，在進(jìn)行點(diǎn)云編輯時(shí)，也是按工程編輯。在完成點(diǎn)云編輯后，將多個(gè)工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并，并生成整個(gè)測(cè)區(qū)的完整點(diǎn)云，如圖6所示。最后，利用點(diǎn)云處理軟件對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)植被、建筑物等非地表點(diǎn)的過(guò)濾[19]，如圖7、圖8所示。

圖6 過(guò)濾前點(diǎn)云

圖7 過(guò)濾后點(diǎn)云

圖8 大比例尺地形圖成果

通過(guò)對(duì)比生成的大比例尺地形圖與原地形圖，可以看出此項(xiàng)技術(shù)可以較為精準(zhǔn)的還原陡崖、峭壁等地形數(shù)據(jù)，通過(guò)圖10所示地形圖成果可以看出，在線路里程DK6+904處實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖9傳統(tǒng)地形圖的修正，這對(duì)于重要工程如橋梁的選型及隧道洞口的設(shè)計(jì)尤為重要，本項(xiàng)目通過(guò)利用機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)獲得的點(diǎn)云成果，成功地設(shè)計(jì)出了位于陡崖之間的特高橋梁，保證工程的安全可靠[20]。

圖9 傳統(tǒng)地形圖

圖10 點(diǎn)云融合地形圖成果

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代齒軌鐵路由于其系統(tǒng)制式的特殊性，未來(lái)將在復(fù)雜山區(qū)獲得更為廣泛的應(yīng)用空間，本文提出的隧線比對(duì)于線路旅游屬性的評(píng)價(jià)方法以及利用機(jī)載LiDAR輔助選線技術(shù)可較好的應(yīng)用于此類(lèi)工程項(xiàng)目，尤其對(duì)于具有旅游交通項(xiàng)目具有一定指導(dǎo)意義。采用LiDAR輔助選線技術(shù)通過(guò)區(qū)域點(diǎn)云采集、數(shù)據(jù)處理、點(diǎn)云融合及對(duì)植被、建筑物等非地表點(diǎn)的過(guò)濾后形成的成果，可較為精準(zhǔn)、直觀地獲取地形、斷面數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)階段對(duì)高精度DEM數(shù)據(jù)使用的需求，確保項(xiàng)目安全可行。