鐵路選線要素分析及其在線路設(shè)計中的應(yīng)用

咸志文

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

伴隨著人民生活水平的不斷提升，人們出行頻率日益加大，為此，原有的鐵路交通系統(tǒng)既不能滿足大客運(yùn)量需求，又無法滿足人們對乘車舒適度、安全性的要求，為此，必須進(jìn)一步加大線路增線工作，而在此過程中，一定要把握線路選線的基本要素，并結(jié)合ArcGIS應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)鐵路選線的科學(xué)性與經(jīng)濟(jì)性。

1 影響鐵路線走向的基本因素

結(jié)合近幾年鐵路選線工作實(shí)際情況來看，影響選線走向因素眾多，概括起來主要有地形地質(zhì)條件、環(huán)境敏感區(qū)及沿線交通設(shè)施分布、水利工程及水工建筑物工礦企業(yè)、城市規(guī)劃等，該研究結(jié)合南防線馬皇至防城港北段增建二線選線實(shí)踐進(jìn)行如下分析。

1.1 地形、地質(zhì)條件

為探究地形地質(zhì)條件對鐵路選線走向的影響，研究結(jié)合南防線馬皇至防城港北段增建二線選線實(shí)踐，分析了該線路途經(jīng)區(qū)域的地形地質(zhì)條件。該線路途經(jīng)區(qū)域地面起伏急劇，遍布高山峽谷，地勢極為險峻。經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)勘察，不良地質(zhì)主要有滑坡、崩塌、表層坍滑、順層及巖溶。整條鐵路線沿河谷兩側(cè)岸坡行進(jìn)居多，填方段、淺挖段多處臨河一側(cè)，路堤收坡施工較大，均需行路堤支防。為有效降低鐵路投運(yùn)后的安全風(fēng)險，選線設(shè)計中應(yīng)盡量減少傍山設(shè)計，盡可能選擇在平緩開闊地帶；同時，還應(yīng)盡量避開巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)域及斷裂、構(gòu)造發(fā)育區(qū)域，如非選擇不可，應(yīng)以最短距離穿過。

1.2 環(huán)境敏感區(qū)

該鐵路線沿線自然資源豐富、生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，雖是本地寶貴的財富，但對于工程建設(shè)而言，是最大的限制因素；為確保鐵路建設(shè)不損害到自然資源或自然保護(hù)區(qū)，選線時要盡可能避開風(fēng)景民盛區(qū)或自然保護(hù)區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)域。南防線馬皇至防城港北段增建二線項(xiàng)目沿線環(huán)境敏感區(qū)眾多，項(xiàng)目沿線區(qū)域分布的環(huán)境敏感區(qū)共9處，分別為：自然保護(hù)區(qū)1處（廣西茅尾海紅樹林自治區(qū)級自然保護(hù)區(qū)）、森林公園1處（林湖自治區(qū)級森林公園）、飲用水水源保護(hù)區(qū)5處（欽州市欽江飲用水源保護(hù)區(qū)、大馬鞍水庫-南蛇水庫飲水水源保護(hù)區(qū)、康熙嶺鎮(zhèn)那挖耳水庫飲用水水源地、茅嶺鎮(zhèn)小陶水庫水源地、防城河木頭灘水源地）、文物古跡2處（馮子材故居、黃環(huán)及黃秋槐墓），為本項(xiàng)目選線增加了難度。

1.3 沿線交通設(shè)施分布

為確保增建二線項(xiàng)目與既有線路相適應(yīng)，還要達(dá)到節(jié)約土地資源、降低工程總體造價，選線過程中應(yīng)與既有線路共用交通走廊，實(shí)現(xiàn)增建線路與既有線路的協(xié)調(diào)發(fā)展。為切實(shí)實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，可在區(qū)域內(nèi)構(gòu)建以鐵路干線為主、其他交通方式為輔的綜合交通系統(tǒng)，從而達(dá)到共同促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長之目的。

1.4 沿線水利工程及水工建筑物

南防線馬皇至防城港北段增建二線項(xiàng)目沿線所經(jīng)地區(qū)的農(nóng)田水利灌溉設(shè)施較為發(fā)達(dá)，水庫眾多。本項(xiàng)目研究均到各個縣（區(qū)）收集了水庫資料，由于各地方僅對小（二）型以上的水庫進(jìn)行登記，有些小山塘水庫并沒有登記詳細(xì)資料，很難判斷其安全性。故對每個水庫進(jìn)行了調(diào)查研究后，分別考慮。對于設(shè)計和校核頻率均大于100年一遇的，不考慮其潰壩影響；對于校核頻率大于100年一遇，但設(shè)計頻率小于100年一遇的水庫，根據(jù)地方管理部門鑒定意見和現(xiàn)場考察大壩的安全性結(jié)果，決定是否考慮潰壩影響；對于沒有資料的小山塘水庫，根據(jù)距離鐵路遠(yuǎn)近，鐵路設(shè)橋過水?dāng)嗝娲笮〉纫蛩兀暰唧w情況考慮潰壩影響，故影響二線側(cè)別的選擇。

1.5 工礦企業(yè)、城市規(guī)劃

沿線主要經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)有欽州市、防城港市，兩市為北部灣經(jīng)濟(jì)圈重要的港口、新興沿海工業(yè)城市。線路經(jīng)欽州市的欽北區(qū)、欽南區(qū)，防城港市的防城區(qū)、港口區(qū)。欽州市定位為具有國際競爭力的港口產(chǎn)業(yè)綜合體，沿海產(chǎn)業(yè)組織中心，臨海工業(yè)、港口城市。臨海工業(yè)規(guī)劃近期發(fā)展目標(biāo)以石油化工、林漿紙、能源、糧油加工等大型臨港工業(yè)為主導(dǎo)的重化工業(yè)基地，規(guī)劃的工業(yè)園區(qū)在大欖坪沿海臨港片區(qū)，增建二線工程沿線既有南防線通道通過欽州市區(qū)西側(cè)，對城市規(guī)劃干擾影響可控。防城港市規(guī)劃形成“一核、兩灣、六組團(tuán)”的組團(tuán)式城市空間結(jié)構(gòu)。各組團(tuán)之間以山林、綠地、海河相隔，構(gòu)筑“山海相連，港城相依，綠廊相間”的現(xiàn)代濱海城市特色。防城港市工業(yè)布局以企沙大型臨海工業(yè)園為主，分布在企沙半島，環(huán)東灣片區(qū)，以鋼鐵、電力、糧油加工、船舶修造等大型臨港工業(yè)為主導(dǎo)的重工業(yè)基地。增建二線工程沿既有南防線通道進(jìn)入防城港城市規(guī)劃片區(qū)，中穿防城港市防城區(qū)城東片區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃，增加了項(xiàng)目選線的難度。

2 鐵路選線要素分類

在開展鐵路選線要素選取與分析時，應(yīng)從多個層面進(jìn)行不同要素分析，然后結(jié)合分析結(jié)果進(jìn)行針對性選取，概括而言，大致可分為以下幾個主要類別：

（1）結(jié)合鐵路途經(jīng)區(qū)域內(nèi)的地形地質(zhì)條件、水文條件及自然環(huán)境要素進(jìn)行分類；（2）綜合國家政治、經(jīng)濟(jì)、國防需求要素進(jìn)行分類；（3）根據(jù)鐵路標(biāo)段所在區(qū)域內(nèi)的自然資源、工業(yè)農(nóng)業(yè)布局特點(diǎn)要素進(jìn)行分類；（4）結(jié)合選線區(qū)域內(nèi)交通系統(tǒng)、農(nóng)田設(shè)施、水利設(shè)施等人為因素進(jìn)行分類；（5）根據(jù)選線區(qū)域內(nèi)名勝古跡、自然保護(hù)區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)域要素進(jìn)行分類。

以上就是業(yè)內(nèi)常說的“五要素”分類法。應(yīng)用此“五要素”分類法進(jìn)行鐵路選線要素分析與分類時，不僅要對各要素實(shí)施賦值，還應(yīng)選出一個更為科學(xué)的分析方法建立專家系統(tǒng)，同時借助大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)庫內(nèi)海量信息進(jìn)行統(tǒng)計與分析，從而為鐵路選線設(shè)計提供更為系統(tǒng)、全面、準(zhǔn)確的理論依據(jù)。結(jié)合全國各地鐵路選線中對于此分類法的實(shí)際應(yīng)用情況來看，這種分析方法太過冗雜，加大選線難度，尤其是對于原本鐵路線路較少的區(qū)域，增加了選線人員的工作強(qiáng)度。本研究主要探究的是南防線馬皇至防城港北段增建二線項(xiàng)目選線設(shè)計影響要素選取與分析，故以該區(qū)域既有鐵路線穿行區(qū)域地形圖為基礎(chǔ)，僅2天時間就完成了選線影響因素的選取與分析工作，相對而言，工作難度較低、實(shí)用性較強(qiáng)。

由于我國在地形圖設(shè)計時，對于大面積地形圖設(shè)計均采用大比例尺設(shè)計方式，同時還施以秘密級保密措施，故本區(qū)域地形圖也符合該項(xiàng)要求，因此，選線實(shí)踐中也選擇大比例尺保密級地形圖。該地形圖主要具備以下幾項(xiàng)特征：①底圖面積以km2為單位的數(shù)據(jù)記錄；②底圖上具有明顯的平地與山地區(qū)分界限，即平坦開闊區(qū)域與高山區(qū)域有超過3 m以上高差，就能以區(qū)分界線標(biāo)注出來。③區(qū)域內(nèi)村莊多且分散廣特點(diǎn)均顯現(xiàn)在地圖上，同時，各村莊居住人口密集程度也能在底圖上有著明顯的分級呈現(xiàn)。④底圖標(biāo)注地形地質(zhì)條件穩(wěn)定，同時還沒有自然保護(hù)區(qū)、國防設(shè)計及名勝古跡等敏感區(qū)，故完全沒有嚴(yán)重影響選線設(shè)計要素的存在。

3 鐵路選線要素的選取

結(jié)合底圖標(biāo)注信息分析，發(fā)現(xiàn)影響本工程項(xiàng)目選線設(shè)計要素可分為4個主要類別，即村莊、水系、道路、高程。為使選線設(shè)計更具科學(xué)性，還對這4個主要影響因素進(jìn)行細(xì)分，概括而言可遵循如下步驟及原則開展：

（1）村莊要素。底圖中共標(biāo)注了28個村鎮(zhèn)村落，為保證分級客觀性，選擇以村鎮(zhèn)面積及數(shù)量進(jìn)行分析，所以對于同一區(qū)域內(nèi)的房屋拆遷補(bǔ)助。均以面積為核算標(biāo)準(zhǔn)。（2）水系要素。水系要素的分類從兩個維度進(jìn)行分析。主要分為河流、水庫、灌溉水系；對河流要素又可分為干流與支流。（3）道路要素。對于道路要素分析，主要從道路級別進(jìn)行劃分，即等級道路與非等級道路。（4）高程要素。因鐵路選線中的高程要素屬于空間與高程并存因素，所以在要素分析時可直接進(jìn)行賦值。

4 鐵路選線要素在線路設(shè)計中的應(yīng)用

4.1 底圖處理與導(dǎo)入

為確保導(dǎo)入數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與真實(shí)性，在導(dǎo)入數(shù)據(jù)之前，需按坐標(biāo)轉(zhuǎn)換－圖形糾正－投影轉(zhuǎn)換步驟進(jìn)行底圖處理。

（1）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于底圖數(shù)據(jù)采用的是柵格數(shù)據(jù)形式，圖像上并沒有坐標(biāo)基礎(chǔ)，因此，必須先進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。實(shí)踐中，將底圖直接置于ArcMap模塊上，模塊就會顯現(xiàn)底圖上的各個點(diǎn)（假定坐標(biāo)）。然而，在實(shí)施圖形、圖像處理時，往往需要一個固定的坐標(biāo)系，因?yàn)橹挥泄潭ㄗ鴺?biāo)系才能為圖形圖像處理提供統(tǒng)一的圖形基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)假定坐標(biāo)向固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化，可應(yīng)用高斯算法進(jìn)行圖像經(jīng)維坐標(biāo)解讀、轉(zhuǎn)化。

（2）圖形糾正。先將柵格圖像導(dǎo)入ArcMap模塊，再將轉(zhuǎn)換之后的固定坐標(biāo)與模塊上圖像對應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

（3）投影轉(zhuǎn)換。為避免坐標(biāo)受橢球面變形影響，應(yīng)結(jié)合柵格底圖經(jīng)緯坐標(biāo)特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)耐队懊孀鴺?biāo)系。

4.2 鐵路選線要素的編輯

在進(jìn)行鐵路選線要素編輯時，首先要明確鐵路選線的主要影響要素，即村莊要素、干流要素、支流要素、水庫要素、灌溉水系要素、高程要素、等級道路與非等級道路要素。

4.3 鐵路選線要素影響范圍分析

首先，對各要素影響范圍進(jìn)行分析，獲得范圍總圖，根據(jù)空間與屬性進(jìn)行疊加分析，并進(jìn)行賦值。

4.4 鐵路選線要素空間分析

在鐵路選線過程中，對選線要素進(jìn)行空間分析的主要目的是實(shí)現(xiàn)所有賦值分等級可視化。分析過程中，全程都在ArcToolBox插件中進(jìn)行。

5 基于的鐵路選線要素分析成果的應(yīng)用案例

基于上述分析，可直觀了解到南防線馬皇至防城港北段增建二線項(xiàng)目選線要素空間與屬性分布情況，從而為選線工作順利開展提供了便利條件。因?yàn)樵谑噶繑?shù)據(jù)處理方面，ArcGIS軟件沒有AOTUCAD軟件完善，再加之在AOTUCAD設(shè)計較為普遍，因此，基于ArcGIS系統(tǒng)的鐵路選線設(shè)計視為直觀的選線，即在選線實(shí)踐中，只需確定起點(diǎn)與終點(diǎn)，繞開選線影響要素，就可實(shí)施直線與曲線設(shè)計。對于本次選線設(shè)計，首先要確定起點(diǎn)與終點(diǎn)，將兩點(diǎn)進(jìn)行直線連接，就可建立起一個統(tǒng)一投影面下的線狀要素。對于起點(diǎn)與終點(diǎn)的選取，要結(jié)合政治因素及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平與環(huán)境保護(hù)現(xiàn)狀實(shí)施。一般的，一條鐵路起點(diǎn)與終點(diǎn)是固定的，所以，在選線實(shí)踐中，可基于這兩個固定點(diǎn)進(jìn)行選線要素賦值，并將空間分析成果覆蓋到底圖上，在添加完相關(guān)節(jié)點(diǎn)后就可定出線路交點(diǎn)。

在選線設(shè)計工作實(shí)踐中，不可避免地會與選線影響要素產(chǎn)生沖突，例如，本次線路設(shè)計不僅只是一個線狀要素，它還有其自身一定的影響范圍。本線路涉及區(qū)域內(nèi)大約有25個征地范圍，因此，為實(shí)現(xiàn)各選線要素的圖層疊加，就應(yīng)該對線路交點(diǎn)進(jìn)行多次調(diào)試，計算出影響范圍，從而生成新建線路。

上述步驟只是線路設(shè)計中的一小部分，而鐵路選線設(shè)計中，高程賦值最高，也就是說它對鐵路造價及線路工藝產(chǎn)生的影響最大，為此，為了能夠直觀反映出這一影響，選線人員利用三維設(shè)計方式，將高程影響范圍直觀地反映在底圖上。

該鐵路沿線均處我國北部地區(qū)，地勢較為平坦。而鐵路起點(diǎn)與終點(diǎn)又是固定的，故在線路設(shè)計中，將起點(diǎn)周邊高程設(shè)為線路設(shè)計高程，而線路無坡度設(shè)計，就在高程要素分析中，將其視為統(tǒng)一高程。

本項(xiàng)目選線底圖是由DEM系統(tǒng)生成的三維圖像，因此，圖像顯現(xiàn)的是一個高程較為固定的線路穿過三維圖，由此可以直觀看到線路上標(biāo)注的黑線區(qū)域（填方段）與非黑線區(qū)域（開挖段）。然后經(jīng)細(xì)部觀察，確認(rèn)是否存在新建隧道，以及水系、道路圖層疊加現(xiàn)象，從而準(zhǔn)確定位新設(shè)橋涵。當(dāng)設(shè)計造價超出預(yù)算時，應(yīng)及時進(jìn)行修訂，經(jīng)過多次完善就可以明確該線路的大致走向。

由于鐵路選線設(shè)計是基于專業(yè)的CAD矢量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成的，因此，本設(shè)計中最為重要、最為基礎(chǔ)的坐標(biāo)系與投影面起到了決定性作用，即在同一坐標(biāo)系、同一投影下，即使應(yīng)用軟件不同，處理成果卻能具備實(shí)際意義。如果線路選線設(shè)計中交點(diǎn)較少，可以直接取交點(diǎn)坐標(biāo)，當(dāng)交點(diǎn)較多時，可采用插件方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)操作與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合目標(biāo)。

6 結(jié)束語

在鐵路選線設(shè)計中，影響選線科學(xué)性與合理性的限制因素眾多，尤其在既有線路增建項(xiàng)目選線設(shè)計中，不僅要考慮選線區(qū)域內(nèi)地形地質(zhì)因素、自然保護(hù)區(qū)等敏感區(qū)域因素，還要結(jié)合當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)規(guī)劃、水系布局及高程要素進(jìn)行綜合考量，要在預(yù)算范圍內(nèi)，盡量避開高填深挖設(shè)計，將線路建設(shè)對自然環(huán)境的影響降到最低。本線路為北方平坦區(qū)域，地勢較為平坦，因此，結(jié)合高程統(tǒng)一原理，選用ArcGIS系統(tǒng)、CAD矢量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成線路設(shè)計，為同類型項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)科學(xué)選線設(shè)計目標(biāo)提供了有益參考。