公路路線縱斷面設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性

高智

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，烏魯木齊830002）

1 引言

公路建設(shè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會(huì)發(fā)展服務(wù)的重要基礎(chǔ)，公路設(shè)計(jì)的目標(biāo)是安全順暢、社會(huì)成本較低、服務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)良等。公路選線是公路建設(shè)過(guò)程中的首要也是必要的階段，線路選擇的好壞能夠直接決定整個(gè)工程的優(yōu)劣。影響公路建設(shè)的主要因素包括經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保以及技術(shù)等方面，這些影響因素之間相互制約。如何對(duì)眾多的因素進(jìn)行平衡、選擇最為合理的路線、設(shè)計(jì)最為恰當(dāng)?shù)目v斷面是目前公路建設(shè)的重點(diǎn)[1]。影響公路選線和設(shè)計(jì)的因素眾多，本文對(duì)這些因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，并構(gòu)建公路路線優(yōu)化模型以及費(fèi)用函數(shù)模型。

2 公路選線理論分析與總體優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 公路選線的原則

公路的選線和設(shè)計(jì)受到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、自然以及社會(huì)多方面因素的控制，在選線和設(shè)計(jì)過(guò)程中需要合理協(xié)調(diào)各方面的因素，遵循以下原則：

1）公路的選線設(shè)計(jì)需要考慮工程量小、造價(jià)較低，同時(shí)效益較好，此外，還需要有利于施工與養(yǎng)護(hù)。如若工程量較小，則需要應(yīng)用較高的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化線形[2]。

2）公路選線的首要原則是確保安全、快捷。所以，在線形設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)平、縱、橫斷面的合理組合，確保各個(gè)斷面平順圓滑。

3）目前，工程的建設(shè)需要加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)，減少對(duì)路線所經(jīng)之處環(huán)境的破壞與污染，對(duì)已經(jīng)造成破壞的區(qū)域及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)救，防止破壞影響進(jìn)一步的擴(kuò)展。

4）公路選線還應(yīng)與周圍景觀的協(xié)調(diào)性保持一致，秉承因地制宜的原則，使用合理的技術(shù)對(duì)線形進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果公路需要穿越名勝古跡，則路線需要避繞或者減少對(duì)其造成的影響，必要情況下還應(yīng)進(jìn)行防護(hù)，甚至進(jìn)行改線。

對(duì)于不同等級(jí)的道路，路線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)會(huì)有所不同。對(duì)于高等級(jí)公路，其主要功能是方便快捷，所以，在選線中需要盡量采用直線；對(duì)于低等級(jí)的道路，較多考慮到為地方的交通提供服務(wù)，所以，需要盡可能多地連接一些沿線的城鎮(zhèn)，還要考慮工程的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 公路選線的影響因素

公路選線設(shè)計(jì)時(shí)，需要協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、安全、技術(shù)等多個(gè)方面的因素，解決各個(gè)因素之間所存在的矛盾，這是公路建設(shè)中的重點(diǎn)任務(wù)[3]。

2.2.1 經(jīng)濟(jì)因素

經(jīng)濟(jì)因素除了包含公路前期建設(shè)的投入成本，還包含之后的維護(hù)、管理、運(yùn)營(yíng)等方面的費(fèi)用，因此，需要優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)，減少對(duì)能源與資源的消耗，盡量將建設(shè)公路的成本最小化。

2.2.2 環(huán)境因素

環(huán)境因素主要指的是自然環(huán)境因素，在公路的選線過(guò)程中，需要保護(hù)好沿線的生態(tài)環(huán)境，維持自然環(huán)境的原生態(tài)容貌。對(duì)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在生態(tài)環(huán)境、空氣質(zhì)量以及環(huán)境噪聲等方面。

2.2.3 安全因素

安全因素主要表現(xiàn)為工程實(shí)體的安全和車輛行駛過(guò)程中的安全2 個(gè)方面，在行駛過(guò)程中的安全主要會(huì)受到人、車、路、環(huán)境、管理方面的影響。在公路設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)合理靈活的應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.4 技術(shù)因素

我國(guó)地域遼闊，公路的建設(shè)范圍很大，同一條公路不同路段的地形地貌、水文條件等方面均有較大的差異，如果僅應(yīng)用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行路線設(shè)計(jì)顯然不合理，為了使路線設(shè)計(jì)更合理，需要設(shè)計(jì)者具有豐富的經(jīng)驗(yàn)與靈活的思路，根據(jù)工程所在地的條件因地制宜、綜合設(shè)計(jì)工作。

3 公路選線綜合優(yōu)化模型構(gòu)建

在公路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，路線平、縱、橫斷面的設(shè)計(jì)參數(shù)是其重要組成部分，加強(qiáng)這3 個(gè)類型的斷面的組合方式是公路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，為了提高路線設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，需要優(yōu)化平、縱、橫斷面，同時(shí)在成本費(fèi)用與線形要素之間建立相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，需求最經(jīng)濟(jì)合理的路線方案。

3.1 縱斷面線形生成與要素計(jì)算

要建立縱斷面的優(yōu)化模型，需要首先確定平面線形的交點(diǎn)，之后在交點(diǎn)的上方根據(jù)相應(yīng)的準(zhǔn)則來(lái)變化高程，從而確定縱斷面線形的高程的關(guān)鍵控制點(diǎn)，這樣能夠?qū)⒖v斷面線形的優(yōu)化轉(zhuǎn)換為高程點(diǎn)的優(yōu)化，如圖1 所示。

圖1 縱斷面線形優(yōu)化模型

縱斷面的設(shè)計(jì)主要從變坡點(diǎn)的位置和高程2 個(gè)方面進(jìn)行，可以根據(jù)平面線形確定橫向和縱向切割線交點(diǎn)的水平位置。可以通過(guò)控制變坡點(diǎn)來(lái)控制縱斷面的高程，之后再確定坡長(zhǎng)、坡度以及豎曲線的長(zhǎng)度。除此之外，還應(yīng)保證路面起伏緩和、豎曲線設(shè)置合理。

縱斷面線形以及縱斷面要素如圖2 所示，生成步驟為由初始方案的交點(diǎn)以及三維坐標(biāo)用隨機(jī)機(jī)制通過(guò)變化交點(diǎn)Z 的坐標(biāo)值進(jìn)行拉坡設(shè)計(jì)，根據(jù)平面線形生成的Li1，Li2（Li1為Pi-1到Pi點(diǎn)的距離；Li2為Pi到Pi+1點(diǎn)的距離）來(lái)確定交點(diǎn)VPi的前坡度gi=(Zi-Zi-1)/Li1與后坡度gi+1=(Zi+1-Zi)/Li2（其中，Zi、Zi-1、Zi+1分別為第i 個(gè)點(diǎn)在Z 軸方向上的坐標(biāo)）；同時(shí)還能得到坡差Wi=gi+1-gi，縱斷面切線長(zhǎng)度 VTi=r·min{Li1，Li2}[r 為（0，1）之間產(chǎn)生的隨機(jī)系數(shù)]；豎曲線半徑，豎曲線投影長(zhǎng)度VLyi=2VTi，豎距，則 QDi與 ZQi的坐標(biāo)分別為（其中，x 為QDi與任意一點(diǎn)橫坐標(biāo)的差值；QDi、ZQi為豎曲線起點(diǎn)樁號(hào)）。

圖2 縱斷面線形與線形要素

3.2 公路選線決策方案分析

為了使公路的選線方案既能滿足通行需要，又能節(jié)約成本，需要對(duì)影響路線的因素進(jìn)行目標(biāo)評(píng)價(jià)，同時(shí)將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的費(fèi)用值，進(jìn)而將公路路線優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的問(wèn)題，而目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算是通過(guò)路線產(chǎn)生的路線要素所組成的。

決定公路路線設(shè)計(jì)的決策變量能夠?qū)崿F(xiàn)一條公路的功能，這些設(shè)計(jì)變量主要包括公路的等級(jí)、交通量、設(shè)計(jì)速度、運(yùn)行速度、通行能力、平面曲線的半徑與長(zhǎng)度等、縱斷面的坡度、坡長(zhǎng)、豎曲線的半徑等方面。

在公路路線選擇和設(shè)計(jì)中，方案的比選主要以經(jīng)濟(jì)效益為主，將路線目標(biāo)費(fèi)用模型的總和最小值作為目標(biāo)函數(shù)，其中，影響路線選擇和設(shè)計(jì)的費(fèi)用主要包括公路的建設(shè)費(fèi)用Cc、環(huán)境影響費(fèi)用Ce、與使用者的相關(guān)費(fèi)用Cu以及公路養(yǎng)護(hù)管理費(fèi)用Cm。將各項(xiàng)費(fèi)用加在一起的總和就是目標(biāo)函數(shù)F，因此，公路的設(shè)計(jì)需要滿足規(guī)范要求的總費(fèi)用最小值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的

路線即為滿足設(shè)計(jì)規(guī)范后造價(jià)最低最為經(jīng)濟(jì)的路線。

式中，x，y，z 分別為路線空間坐標(biāo)值，或者表示路線控制點(diǎn)坐標(biāo)值；Cp為路線產(chǎn)生違反規(guī)范的懲罰值。將路線的空間坐標(biāo)值與費(fèi)用模型建立函數(shù)關(guān)系，通過(guò)求得函數(shù)的最小值，即得出公路路線選擇和設(shè)計(jì)的最經(jīng)濟(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了公路選線的基本原則以及步驟，同時(shí)，著重分析了公路選線設(shè)計(jì)的影響因素。公路縱斷面的設(shè)計(jì)中需要協(xié)調(diào)各方面的因素，介紹了縱斷面線形優(yōu)化計(jì)算，分析路線信息要素，建立了縱斷面優(yōu)化模型，同時(shí)引入影響因素的費(fèi)用模型，建立費(fèi)用模型與路線要素之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)函數(shù)關(guān)系平衡了經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、技術(shù)等多方面的因素，選出路線的最優(yōu)方案。