基于机载LiDAR技术的现代齿轨铁路线路设计方法研究

王月新

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043)

1 研究背景

普通轮轨铁路受机车及牵引黏着技术的限制，最大爬坡一般只能达到60‰，对于陡峭复杂山地的适应性较差，而采用缆索铁路、直线电机车辆及磁悬浮车辆等系统可以解决轮轨黏着限制问题[1]。齿轨铁路是基于轮轨系统上的一种特例，通常在普通铁路两轨之间增设1条齿条轨道，并在运用车辆的转向架上装备齿轮装置，以提供车辆上坡时不足的轮轨黏着力或使用齿轮啮合力替代轮轨黏着力[2]。齿轨铁路最早诞生于英国，符合现代齿轨铁路定义且最早成功应用的是1869年投入运营的美国华盛顿山齿轨铁路[3]，随后的50年属于齿轨铁路的高速发展期，大量齿轨铁路在这个时期修建。目前全世界范围内共有近30个国家已经开通180多条各式各样的齿轨铁路[4]，包括欧洲最高车站的瑞士少女峰铁路、世界坡度最大的瑞士皮拉图斯铁路，美国、希腊、德国、智利、阿根廷等国也均有齿轨铁路运营，这些线路都是山区线路，主要以观光游览为主。国内运营的齿轨铁路主要集中在煤矿和其他能源运输行业，主要为满足煤炭等资源运输需求而修建。

现代齿轨铁路定义为：采用齿轮齿条传动，主要服务于地形起伏较大的山地城镇社区、旅游景区以及矿区等区域，自成体系独立运营的客运轨道交通系统。其显著特点如下：第一，爬坡能力强，相较于传统轮轨黏着系统，齿轨系统爬坡能力最大可达48%[5]，由于齿轨铁路能克服轮轨间黏着力不足问题，增大爬坡坡度，因此可减少展线长度，这对旅游景区及环保要求高的地区环境影响较小，对沿线植被及地质环境能起到有效的保护作用，并降低工程造价[6]；第二，运行速度不高，属低运量系统范畴，在山地型城镇中作为城市轨道交通运营时宜自成体系独立运营，齿轨系统运行速度一般不高于40 km/h[5]，且车辆通常编组较短，不适合大规模旅客运输，但其车辆可以在传统轮轨系统上走行，故适用于在原有铁路基础上扩建或改建[7]；第三，系统对于线下基础工程的设置需要结合设计参数单独研究确定，并考虑一定的安全冗余，轨道系统一般采用Riggenbach、Abt、Locher和Strub等较为成熟的结构，路基地段的设计一般考虑到道床纵向力的限制，桥梁及隧道的设计要综合考虑结构受力及施工方法等因素，同时还应考虑一定的景观设计[8]。

本文从现代齿轨铁路的工程实际出发，通过创新总结齿轨技术特点，提出一种齿轨铁路线路设计思路，为现代齿轨铁路在我国旅游轨道交通的建设与发展提供新思路和新方向[9]。

2 选线思路

鉴于齿轨交通具备上述特点，选线整体应贯彻“规划选线、重点工程选线、环保选线、地质选线、景观选线”的思路及理念，要充分落实各项主要因素对选线的影响程度，并有针对性地提出选线原则和工程处理措施，按照“舍小求大”的原则进行综合比选分析，确定最优方案，同时应跟踪相关专业技术发展动态、勘察地理信息技术、修建技术及设计水平，开阔选线思路及理念[10]。这里以湖南省某旅游配套项目为实例，并考虑以上影响因素，对齿轨铁路选线设计进行研究分析。

该项目位于武陵山脉的构造侵蚀中低山区，地形起伏较大，地面高程在340～1 380 m，航空距离4.5 km，区域植被茂密，多以乔木为主，山坡上陡崖密布，交通不便。项目所在地属中亚热带湿润型气候，气候温和，四季分明，雨量充沛。

2.1 自然特征

线路经行于武陵山脉腹地，属中山区，地形多呈阶梯状分布，发育多级剥夷平面；岩性对地貌形态影响明显，碳酸盐岩构成的山体宽厚雄奇，山顶起伏不大，岩溶地貌明显，邻近河谷沟谷地带地形陡峻。山顶高程一般为1 350～1 450 m，河谷为200～400 m，相对高差1 000～1 200 m，山坡上植被茂密，多以乔木为主。山顶属于区域内Ⅰ级剥夷面，主要为溶丘洼地，溶丘多为馒头状或盾状、洼地碟状、相对高差数十至百余米，洼地中常套生漏斗及落水洞，地属中亚热带湿润型气候，气候温和，四季分明，雨量充沛。

2.2 功能定位需求

本项目定位为观光火车项目，以观光旅游为主，服务景区游客，线路方案的研究应尽可能减少隧道工程的设置，以桥梁、路基工程为主，在满足工程安全可行的前提下，选线应结合景观视野良好、工程设置合理的条件进行综合比选研究[11]。车站两端行车速度不高，应尽量考虑明线方案，增加游客的观光体验时间，同时综合考虑建设项目对山体及自然景观的影响及生态防护、修复等措施，最大限度地满足旅客的观光需求，方便游览。

2.3 工程技术要求

项目起终点海拔相差约1 040 m，航空距离仅4.5 km，线路理论设计坡度最大采用24%，为确保齿轨桥梁结构安全，桥上线路纵坡不宜过陡，且曲线半径不宜过小，避免产生大纵向力与小半径离心力的叠加，本次暂确定线路设计最小曲线半径采用120 m，路基与隧道地段坡度最大采用25%，桥梁地段≯10%[12]。

2.4 其他影响因素

其他影响因素包括常规选线遇到的不良地质、城市规划、环境敏感点等，根据项目特殊要求，需要综合考虑。不良地质问题主要依靠加深地质调查、钻探控制等手段进行绕避；城市规划问题需要与地方充分结合，做到既要减少干扰，又要有所引导；环境敏感点问题需要结合景区规划、环境保护措施等综合研究，并采用创新的工程措施减少对自然景观的破坏，使交通工程与自然环境有机结合。

综上，总结齿轨交通选线设计思路如图1所示。

图1 齿轨交通线路设计流程

3 线路设计特点

为促进产业升级，提升景区开发，提高旅游与交通融合，现代齿轨铁路可较好地满足旅游景区的开发需求[13]，本项目作为旅游景区配套工程项目，选线中对于旅游观光属性的体现显得尤为重要，同时由于区域内分布有陡壁、悬崖等地形地貌，传统制图精度以及测量手段已不能满足设计要求[14]。

3.1 旅游观光属性

本线在研究山下段线路走向时，结合沿线地形、地貌及观光点设站条件，主要研究了灯泡形展线红线方案及S形展线蓝线方案，方案示意如图2所示。

图2 线路走向方案示意

灯泡形展线方案线路自比较起点引出，经高鹰寺水塘西北侧沿沟谷而上，展线以隧道穿越陡壁后以明线沿沟谷迂回爬升，后以隧道穿越龙阳台山折向东南至比较终点，比较段落线路全长4.12 km，其中设桥梁7座，长度1.33 km，设隧道4座，长度1.83 km，最长隧道770 m，隧线比44.3%。

S形展线D1K方案线路自比较起点引出，经高鹰寺水塘西北侧沿沟谷而上，展线以隧道穿越陡壁后经龙阳台山西坡以明线敷设，后折向东南局部展线至比较终点，比较段落线路全长3.56 km，其中设桥梁3座，长度1.13 km，设隧道5座，长度1.98 km，最长隧道930 m，隧线比55.6%。线路走向方案综合比较见表1。

表1 线路走向方案综合比较

从旅游属性分析，蓝线方案线路隧道比例较高，比较段落内隧线比55.6%，较红线方案高11%，按线路全段统计蓝线方案隧线比例44.8%，较红线方案高5.6%。因此，DK方案明线段落更长，高鹰寺隧道700 m，较蓝线方案短230 m，方案的旅游观光属性更好，且局部段落具备打造观光景点的条件，如图3所示。

图3 线路方案观光示意

线路在两侧山体峡谷迂回展线向山顶拔起，受地形限制，需于隧道内设站，为满足乘客观景需求，观景站高程距外面崖壁30～60 m，特增设3条横通道，分别位于DK5+340、DK5+380、DK5+420，旅客到站后可通过横通道到达崖壁栈道观景，如图4所示。

图4 车站平面设计示意

3.2 机载Lidar辅助选线

机载激光雷达(light detection and ranging，LiDAR)是一种主动式对地观测系统，其应用过程中得到的点云数据可以准确地反映测量区域的地形地貌特征，具有高精度、高密度、高效率、高覆盖率及高分辨率等特点[15]。

在现场勘测阶段，中线测量、横断面测量及工点图测绘工作任务较为繁重，目前上述工作采用传统航测手段仅适用于植被稀疏的平坦、微丘地区，而激光雷达技术采用主动激光测量，对植被具有穿透的特性，在植被茂盛的树林、深沟沟底等环境下，也可以很好地获取数据。通过分类后的地面点数据建立数字地面模型，能够快速提取所需横纵断面，可以节省大量的时间和人力，大幅提高工作效率[16]。

通过区域点云采集、数据处理、点云融合及对植被、建筑物等非地表点的过滤后形成成果，可较为精准、直观地获取地形、断面数据，辅助局部方案的优化以及重难点方案的决策[17]。

将基站GPS采集的静态数据和机载设备采集的实时POS数据使用IE软件进行解算，得到飞行的轨迹数据，再利用点云融合软件将轨迹和原始激光数据融合出点云数据，图5为自动提取地面点效果，随后进行点云数据编辑可以生成数字高程模型(DEM)[18]。

图5 自动提取地面点效果

由于在外业机载数据采集过程中，采集分为多个工程进行，在进行点云编辑时，也是按工程编辑。在完成点云编辑后，将多个工程点云数据合并，并生成整个测区的完整点云，如图6所示。最后，利用点云处理软件对三维点云数据实现植被、建筑物等非地表点的过滤[19]，如图7、图8所示。

图6 过滤前点云

图7 过滤后点云

图8 大比例尺地形图成果

通过对比生成的大比例尺地形图与原地形图，可以看出此项技术可以较为精准的还原陡崖、峭壁等地形数据，通过图10所示地形图成果可以看出，在线路里程DK6+904处实现了对图9传统地形图的修正，这对于重要工程如桥梁的选型及隧道洞口的设计尤为重要，本项目通过利用机载LiDAR测量技术获得的点云成果，成功地设计出了位于陡崖之间的特高桥梁，保证工程的安全可靠[20]。

图9 传统地形图

图10 点云融合地形图成果

4 结语

现代齿轨铁路由于其系统制式的特殊性，未来将在复杂山区获得更为广泛的应用空间，本文提出的隧线比对于线路旅游属性的评价方法以及利用机载LiDAR辅助选线技术可较好的应用于此类工程项目，尤其对于具有旅游交通项目具有一定指导意义。采用LiDAR辅助选线技术通过区域点云采集、数据处理、点云融合及对植被、建筑物等非地表点的过滤后形成的成果，可较为精准、直观地获取地形、断面数据，满足设计阶段对高精度DEM数据使用的需求，确保项目安全可行。