李 燦
貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550081
路線方案是影響道路質量和建設規(guī)劃的關鍵因素,方案的合理性關乎工程質量、造價以及運營等[1],同時路線方案也對當地的經濟、環(huán)境、政治各方面有著重要的影響和帶動作用。一般情況下,路線方案的優(yōu)劣及合理性可通過經濟增長量及增長速率來評定[2]。但隨著智慧公路、環(huán)境友好型基礎建設理念的提出,傳統(tǒng)的評價方法已經不再適用于新時期的公路建設。
斷裂構造大致有三種基本的類型,分別為斷層、裂縫和節(jié)理。裂隙結構可以在一定程度上降低巖石體的承載力、穩(wěn)定性、強度等,并有可能破壞巖石。
節(jié)理裂隙的構成可能會導致地下的水位不斷抬升,這樣地下含水量就會增加,斷層構造將會對水下穩(wěn)定性產生直接影響,路基沉降不均勻,碾壓施工過程中施工機械振動也會造成斷層危害,可能會發(fā)生嚴重的地質災害;從深路塹的角度來看,結構因素可能導致風化下裂縫發(fā)育引起的邊坡滑動和邊坡坍塌。由于節(jié)理發(fā)育和裂隙發(fā)育地區(qū)巖體承載力低、穩(wěn)定性差,在鋪設橋梁時不能作為橋梁樁基的承重層。此外,由于地質條件復雜,在斷層區(qū)不宜鋪設橋梁樁基[3]。
喀斯特是可溶巖在水的作用下發(fā)生化學溶解、水侵蝕和潛在侵蝕的過程??λ固匕雌湫螒B(tài)可分為兩種不同的類型,分別是裸露喀斯特及隱伏喀斯特。線路設計可選擇繞過裸露喀斯特,但隱伏喀斯特分布廣泛,危害性大,難以判斷。線路設計應充分考慮隱伏喀斯特的危害和分布,盡量避開喀斯特地段[4]。
路線設計中,對線形能起到決定性的幾何要素稱為決策變量,這些變量可以將線形的基本信息表達出來,因此可以將這些變量作為優(yōu)化設計的變量。變量的確定方法主要是通過公路等級確定,其交通量和設計速度等都是已經設定好的。變量的含義是路線設計時帶來的具體信息,主要內容包括交點轉角大小、平曲線半徑和長度??v斷面設計基本要素主要包括坡長、豎曲線半徑、長度等。
進行方案比選過程中,經常將成本作為目標函數進行比選,對方案進行綜合比選,并轉化成目標函數進行成本分析。路線規(guī)劃設計完成后,路線方案涉及的主要費用如下。
(1)公路建設費用。該費用主要指路線本身的費用,涉及的費用主要包括耕地和林地被占用的費用、構造物的費用等。其費用表達式如下:
式中:Cc為道路建設的總費用;Cr為耕地、林地被占用的費用;Ce為土方的費用;Cl為全線道路建設的費用;Cb為構造物的建設費用。
(2)環(huán)境影響費用。公路建設過程中,路線經過生態(tài)區(qū)域主要分為兩類,一類是可以通過調整路線不被占用的,另一類是必須被穿越的地帶,該地帶要采取保護措施,同時會產生懲罰費用。其費用表達式如下:
式中:Ce為對生態(tài)環(huán)境造成的總費用;Cei為必須穿越區(qū)域產生的懲罰費用。
(3)養(yǎng)護管理費用。當公路開始投入使用時,要對公路進行養(yǎng)護和管理,同時會產生養(yǎng)護和管理的費用。養(yǎng)護費用主要用于道路的結構和形態(tài)發(fā)生破壞時,對其進行維修加固等。管理費用主要用于對車輛進行相關處理,包含違章和交通事故處理等。其費用表達式如下:
式中:Cm為公路養(yǎng)護管理產生的總費用;Cmi為養(yǎng)護管理子項目產生的費用。
(4)使用者相關費用。具體指行駛的油耗費用和用戶出行的時間費用。
式中:Cu為總費用;Cf為運行中的油耗費用;Ct為時間費用。
在對解目標函數進行求解時,應對路線的技術指標進行約束,具體約束指標如下。
(1)平面約束指標:線形設計時的直線長度、曲線半徑及平曲線長度。
(2)縱斷面約束指標:縱坡坡度和坡長、豎曲線半徑和長度。
綜上,約束指標對線形的影響程度不同,根據程度進行劃分,可分為主要約束指標和次要約束指標。山區(qū)公路的線形設計主要影響指標包括平曲線半徑、縱坡的坡度和坡長等。次要約束指標包括曲線長度、豎曲線半徑等。以上約束條件在文章中無法通過計算機進行約束,因此應采用外部懲罰函數進行相關處理。
在進行優(yōu)化設計時可忽略橫斷面形式的影響,只考慮平面線形、縱斷面線形及組合線形的影響,建立模型時做出如下假設。
(1)不產生回頭曲線。優(yōu)化模型建立的基礎是山區(qū)公路,為了保證技術指標滿足要求,簡化優(yōu)化模型的同時保證技術指標得到滿足,假設平面線形不產生回頭曲線,且交點和控制點的布設應符合規(guī)范要求(每個橫方向有且只有一個交點)。
(2)關鍵控制點通過直線處理。線路平面線形設計的過程中,線的交點可以作為線平面設計中的交點。如果交點處的轉角變成0,則前后交點可直接連接成直線段進行處理。在縱斷面中,平面縱斷面交點的高程可以直接作為縱斷面變化點的高程。如前坡段與后坡段在變坡點的地方相差很小或相等時,可將變坡點直接與前坡段、后坡段連接進行直坡處理。
通過上文中的模型假設條件(1)可知,設計中無回頭曲線,文章通過縱向切割線將路線分成n+1個區(qū)域,在每個區(qū)域選取一個地形點為路線交點,可選出n個交點,通過不同的交點可以布設路線,連成整體圖形,得到道路的平面線形。線形優(yōu)化問題轉化為設定交點的問題,減少了設計變量的數目,簡化了路線優(yōu)化過程。
上文中確定了平面線形的交點,縱斷面的優(yōu)化可以在n個交點的垂直方向上進行,在交點縱向設定的范圍內,在該范圍內依據規(guī)律變換高程值,確定縱斷面的關鍵控制點。通過這種方式可以將縱斷面的優(yōu)化問題簡化為交點高程的問題??v斷面線形生成的依據是邊坡點高程和各個坡段的坡度和坡長,需通過指標設計使路線滿足設計要求,保證填挖的土方平衡。
費用模型建立的目的是全面真實地反映公路線形的經濟性。文章所涉及的費用指公路整個壽命周期內的費用,其中主要包括建設費用、環(huán)境影響費用、養(yǎng)護管理費用、與使用者相關費用。費用種類如表1所示。
表1 費用種類表
為保證目標函數最優(yōu)、取值最合理,在算法設計時,應對函數變量進行約束限制,使其在優(yōu)化過程中的最優(yōu)解滿足條件約束,對于不符合約束情況的應進行懲罰計算,具體計算公式如下:
式中:Cp(i)為第i個約束條件下對應的懲罰值;bi為對應的懲罰因子;Cci、Ccmin為對應的采用值和規(guī)范最小值。
文章通過對高速公路線形優(yōu)化設計進行分析,得出了以下結論:(1)路線設計過程中影響因素眾多,會造成較大影響的是喀斯特和斷裂構造。(2)進行路線優(yōu)化設計時,應對決策方案進行分析,主要分析內容包括決策變量分析、目標函數分析、約束函數分析。(3)對總體優(yōu)化模型和費用模型建立,進行目標函數確定,通過懲罰函數對不符合約束條件的進行處理。