现代测绘技术在铁路勘测设计一体化中的应用

2022-10-29柴真

江苏建材 2022年5期

柴真

（中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

铁路在我国是重要的交通基础设施，对一个地区的经济、环境和社会发展有重大影响。我国正在加强基础设施建设,突破关键共性技术,打造交通强国[1]。铁路设计的主要目的是找到最优的铁路位置、施工部件和几何配置，现代测绘技术为铁路的勘察设计工作提供了重要的依据。这是一项从根本上决定铁路工程建设成本、运行条件和环境影响的重要工作。在工程勘测中，通常需要专业化的测绘科学技术来实现精准测量。

1 研究区域

研究区域位于中国湖北省宜昌市，计划在这个地区建设一条新的铁路。在此工作中，我们以宜昌-巴东高铁大段为例。起点在宜昌市，终点在兴山县。两端直线距离为91.75 km，设计速度为350 km/h。地面海拔从起点到终点逐渐升高，沿规划的铁路，地形由平原向山区过渡。该地区最大高差为1 902 m。铁路建设，包括挖填段、桥梁和隧道，需要沿着铁路进行良好的配置，以克服复杂的地形。在铁路设计过程中，应注意保护地表植被。为了得到满意的铁路解决方案，必须正确处理复杂的地形、生态和地质因素，这对铁路设计过程提出了巨大的挑战。

2 环境因素分析

铁路设计问题涉及地形、生态、地质等环境因素。其中一些环境影响，如地质灾害因素，在铁路设计过程中难以定量分析。因此，现实的设计过程仍然很大程度上依赖于设计师的经验。此外，在确定铁路路线时，必须动态地考虑这些因素，因为环境影响将随着铁路位置、建筑构件和几何结构的变化而变化。

2.1 高度可达性分析

目前，大多数铁路或公路的适宜性分析都集中在地面适宜性分析。然而，铁路是三维基础设施，可以位于地上(即桥梁段)或地下(即隧道段)。特别是在山区，隧道和桥梁是铁路的主要结构形式。因此，首先可提出一个程序来分析铁路地面高程可达性，然后进行更详细的环境评估。确定研究区域的坡度类型，为了连接景观中两个预先确定的终点，铁路必须克服它们的高差，同时避免过度的坡度。对于坡度较小的地区，两端高差不大，铁路应尽可能短，以节约成本，便于运营。对于坡度较大的地区，铁路必须绕行，以克服两端的高差。此外，在曲线段和隧道段，列车运行阻力会增大。因此，在保证列车牵引吨位不变的前提下，对这些路段的实际铁路坡度进行分析。

2.2 环境适宜性评价

在这一部分，将进一步评估铁路的环境适宜性，并可生成环境适宜性地图。然后，结合高程可达性图和环境适宜性图，设计师可以首先区分研究区域可能需要设置什么样的铁路结构，然后分析结构的适宜性。地形因素是确定铁路位置、施工组成和成本的关键因素。地形因素一般分为宏观因素和微观因素。宏观因素描述全局或特定范围的地形特征，而微观因素则侧重于量化每个局部单元的地形特征。

文章采用的宏观地形因素是地形起伏度指数和粗糙度指数。坡度和坡向是铁路公路设计中最重要的两个微观地形因素。坡度表示单元格的陡度，坡向表示单元格法线的水平投影方向。在不考虑坡度和坡向的情况下，DEM中的单元格可以看作是一系列平坦的梯田。以往在铁路的设计中通常只考虑坡度，此外铁路线形与倾斜三维网格之间的空间关系通常被忽视。实际上，应结合坡度和坡向分析其对铁路设计的影响。如图1所示,假设一个铁路将从三个方向tranverse倾斜的网格,这被指示为RDa（即垂直于坡方面)，RDb(平行于坡方面)和RDc的转角与斜率。铁路的这三个方向的横断面会有很大的不同。图2显示了开挖和填土部分剖面，图3显示了RDa和RDb充填开采的地区,其中HGi是地面高度负责，β是斜率梯度，γ是斜率比半填部分，WF充填开采部分的宽度，Δh是顶部和底部之间的高差削减或填充部分。通过使用Δh作为度量指定山坡坡度的影响和在铁路方面，为了限制Δh，以避免不稳定斜坡上的横截面，两个配方分别为填补和削减部分。

图1 水平、三维三方向横断面

图2 路基开挖填土部分剖面

图3 斜坡横截面

根据环境适宜性的12个主导子因素，将GIS数据库中的每个单元划分为12个子值。下一步是聚合这些子值，以确定每个单元格的综合适宜性值。然而，在铁路设计问题中，很难量化不同设计准则(即环境因素)之间的数学关系。此外，不同的铁路项目可能有不同的关注点，如易发区铁路应重视地质风险规避，而生态脆弱区铁路应重视环境保护。因此，在铁路设计中，多目标决策过程是问题相关的。应用现代测绘技术不仅能节省人力成本，同时也能保证测量数据的准确性，在高程控制与平面控制中的测量应用，为工程建设施工提供更精准的参考。