現(xiàn)代土木工程 第4章 道路與鐵道工程.ppt

第4章道路與鐵道工程 4 1道路與鐵道工程簡介 4 1 1道路工程發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 道路工程 從事道路的規(guī)劃 勘測 設(shè)計 施工 養(yǎng)護(hù)等的應(yīng)用科學(xué)和技術(shù) 也指所建筑的道路 土木工程的一個分支 道路 通常是為陸地交通運輸服務(wù) 通行各種機(jī)動車 人畜力車 馱騎牲畜和行人的各種路的統(tǒng)稱 道路伴同人類活動而產(chǎn)生 又促進(jìn)社會的進(jìn)步和發(fā)展 是歷史文明的象征 科學(xué)進(jìn)步的標(biāo)志 秦朝 公元前221 前206年 就形成了以咸陽為中心 向各個方向輻射的道路網(wǎng) 其中從秦都咸陽到內(nèi)蒙古包頭的 秦直道 全長700公里 路面平均寬度約30米 最寬處約80米的古代 高速公路 漢朝 公元前206 公元220年 共有干道近15萬公里 最具有代表的是溝通歐亞大陸的世界著名的絲綢之路 11000公里長 自中國首都長安通往西方直達(dá)羅馬帝國的貿(mào)易之路 我國修建最早的公路是1921年建成的長沙至湘潭公路 全長50公里 至l949年公路里程約達(dá)13萬公里 原有公路不僅里程少 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低 路況差 混合交通嚴(yán)重 分布也極不合理 新中國成立以來 我國的公路建設(shè)得到了較快的發(fā)展 截至2008年底我國公路通車總里程達(dá)373 02萬km 高速公路總里程已達(dá)6 7萬km 五縱七橫 的國道主干線 總長約3 5萬km 已經(jīng)全部完工 國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃戰(zhàn)略最終要形成由7條首都放射線 9條南北縱向線和18條東西橫向線組成的 7918網(wǎng) 的高速公路網(wǎng)布局方案 道路工程發(fā)展歷程 國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃戰(zhàn)略最終形成由7條首都放射線 9條南北縱向線和18條東西橫向線組成的 7918網(wǎng) 的高速公路網(wǎng)布局方案 建成后規(guī)模達(dá)到8 5萬公里 2008年年底中國公路里程及組成 2008年底中國公路里程及組成 部分國家公路及其狀況 4 1 2鐵道工程發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 鐵道工程 指修建鐵路的勘測設(shè)計 施工 養(yǎng)護(hù) 改建各階段所運用的科學(xué)和技術(shù) 屬于土木工程的分支 早在古希臘和古羅馬時代 人們就已經(jīng)開始利用軌道和人力或者馬拉的車輛來運輸物品 但是 這一出色的發(fā)明卻在中世紀(jì)被人們所忘記 直到16世紀(jì)末 沿著軌道前進(jìn)的車輛才再次被用于在煤礦中運輸煤炭 到了18世紀(jì) 隨著歐洲工業(yè)革命的進(jìn)程 蒸汽機(jī)和鐵軌終于實現(xiàn)了二者的結(jié)合 1825年 英國出現(xiàn)第一條鐵路 世界鐵路的發(fā)展分為 開創(chuàng)時期1825 1850年 鋼鐵工業(yè) 機(jī)器制造業(yè)等已達(dá)到一定水平 同時工業(yè)發(fā)展又有原材料和產(chǎn)品的輸送問題需要解決 發(fā)展時期1850 1900年 鐵路建筑技術(shù)和鐵路機(jī)車制造技術(shù)獲得新發(fā)展 蒸汽機(jī)車的性能日趨完善 成熟時期1900 1950年 內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車來代替落后的蒸汽機(jī)車 新發(fā)展時期1950年至今為 常規(guī)鐵路 高速鐵路 磁懸浮鐵路 重載鐵路快速發(fā)展 世界鐵路的發(fā)展 我國鐵路的發(fā)展1905 1908年杰出的愛國工程師詹天佑領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)我國第一條自行設(shè)計 自行施工的京張鐵路 全長201公里 1952年6月18日 滿州里至廣州間開行了第一列直達(dá)列車 全程4600多公里 1999年57900km電氣化率24 2 承擔(dān)36 客運和31 貨運 2003年 首條磁懸浮鐵路在上海運營 我國鐵路的發(fā)展 我國鐵路網(wǎng)中長期建設(shè)目標(biāo) 到2020 全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12萬公里以上 復(fù)線率和電化率分別達(dá)到50 和60 以上 道路根據(jù)其所處的位置 交通性質(zhì) 使用特點及其使用范圍分可為公路 城市道路和專用道路等 我國道路工程的分類 組成和工程內(nèi)容如圖所示 公路根據(jù)功能和適應(yīng)交通量的分級 1 鐵路工程的分類與等級鐵路等級作為鐵路的基本標(biāo)準(zhǔn) 在設(shè)計鐵路時是首先要確定的 鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和裝備類型都需要根據(jù)相應(yīng)的鐵路等級選定 應(yīng)根據(jù)在鐵路網(wǎng)中的作用 性質(zhì)和遠(yuǎn)期的客貨運量確定 按照表規(guī)定一般可劃分為 級 級和 級鐵路 鐵路等級高要求設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高 輸送能力大 運營質(zhì)量好 安全舒適性強(qiáng) 同時鐵路造價高 鐵路等級的合理劃分具有重要經(jīng)濟(jì)意義 可使國家資金得到有效利用 4 1 4現(xiàn)代道路與鐵道工程發(fā)展趨勢 1 現(xiàn)代道路工程發(fā)展趨勢 高速公路建設(shè)快速發(fā)展 農(nóng)村公路建設(shè) 公路交通科技快速發(fā)展 新材料 新工藝的推廣使用將大大提高工程建設(shè)的效率和質(zhì)量 快速無損檢測設(shè)備大量應(yīng)用 全面提高計算機(jī)應(yīng)用水平 促進(jìn)公路勘測設(shè)計和養(yǎng)護(hù)管理自動化 高度重視公路環(huán)保技術(shù) 推廣廢舊材料的綜合利用 智能運輸系統(tǒng)的諸多使用技術(shù)進(jìn)一步引入我國高等級公路管理 山區(qū)高級公路建設(shè)技術(shù)有所突破 到2020年 具備條件的鄉(xiāng) 鎮(zhèn) 和建制村通瀝青 水泥 路 全國農(nóng)村公路里程達(dá)370萬公里 全面提高農(nóng)村公路的密度和服務(wù)水平 國家高速公路增長里程表 2 現(xiàn)代鐵路工程發(fā)展趨勢 高速鐵路與軌道交通 重載運輸 各國鐵路客運發(fā)展的共同趨勢是高速 大密度 擴(kuò)編或采用雙層客車 在已形成發(fā)達(dá)交通網(wǎng)的日本和歐洲國家 正致力于推進(jìn)高速鐵路網(wǎng)的建設(shè) 目前全世界新建高速鐵路5236公里 改造后運行時速達(dá)200公里的線路約計1 5萬公里以上 高速鐵路最高運行時速可達(dá)350公里 許多國家與地區(qū)都制定了修建高速鐵路的計劃 在貨物運輸方面 集中化 單元化和大宗貨物運輸重載化是各國鐵路發(fā)展的共同趨勢 重載單元列車是用同型車輛 固定編組 定點定線循環(huán)運轉(zhuǎn) 首先用于煤炭運輸 后來擴(kuò)展到其他散裝貨物 對提高運能 減少燃油消耗 節(jié)省運營車 會讓站 乘務(wù)人員等都有顯著效果 經(jīng)濟(jì)上受益很大 高速鐵路與其他運輸方式的速度 能耗和安全性等相比而言 高速鐵路的綜合效益最高 結(jié)構(gòu)組成 線形組成 4 2道路與鐵道工程組成結(jié)構(gòu) 道路的組成 4 2 1線形組成 直線 圓曲線和緩和曲線組成 組合線形 簡單形 基本形 卵形 S形 凸形 復(fù)合形等 道路平面設(shè)計主要是路線平面幾何要素的設(shè)計 包括直線 圓曲線 緩和曲線及三者的線形組合設(shè)計 縱斷面是通過線路中線的豎向剖面即沿著線路的走向所作的剖面 直線和豎曲線 凹 凸 組成 包括縱坡設(shè)計和豎曲線設(shè)計 設(shè)計的原則和要求 由于受到自然環(huán)境與地形地貌的限制 線路往往在平面上有轉(zhuǎn)折 在縱斷面上有起伏 在空間上會形成一條三維空間曲線 而道路路線是指公路的中線 線型是指公路市線在空間的幾何形狀和尺寸 這一空間線形投影到平 縱 橫三個方面 分別繪制成反映其形狀 位置和尺寸的圖形 也就是公路的平面圖 縱斷面圖和橫斷面圖 道路路線的平 縱 橫三個方面是相互影響 相互制約的 在設(shè)計過程應(yīng)綜合考慮三者之間的關(guān)系 做到平面順適 縱面均衡 橫面合理 平面線形 三種線段的技術(shù)要求 直線段不宜過長 否則引起駕駛員麻痹 疲勞 美國要求小于3min的行程 圓曲線段半徑R不宜過小否則引起汽車向外滑移或傾覆 緩和曲線長度也不能過小 應(yīng)使汽車行駛所受離心力平穩(wěn)過渡 車輛在曲線路段行駛時會受到離心力作用 為抵消離心力 在曲線段橫斷面上設(shè)置外側(cè)高于內(nèi)側(cè)的單向橫坡叫做超高 當(dāng)車輛行駛在超高段汽車部分出重抵消部分離心力 從而提高彎道行駛的舒適和安全性 汽車在曲線上行駛時 其后輪偏向內(nèi)側(cè) 如果不加寬車道寬度 汽車在彎道處轉(zhuǎn)彎比較困難 一般在彎道內(nèi)側(cè)相應(yīng)增加路面 路基寬度 叫做彎道加寬 加寬值要考慮彎道半徑 設(shè)計車輛軸距及操作過程中的不穩(wěn)定因素 縱斷面線形 線路縱斷面反映了線路的起伏和設(shè)計線路的坡度 道路縱斷面上兩個相鄰縱坡線的交點 被稱為變坡點 為保證行車安全 舒適以及視距需要 在變坡處設(shè)置豎曲線 豎曲線常采用圓曲線 可以分為凸形和凹形兩種 同樣對線路縱向坡度和曲率也要符合公路規(guī)范提出的要求 道路橫斷面指的是中線上各點沿法向的垂直剖面 是由橫斷面設(shè)計線和地面線所構(gòu)成的 其中橫斷面設(shè)計線包括行車道 路肩 分隔帶 邊溝 邊坡 截水溝 護(hù)坡道 取土坑 棄土堆以及交通安全 環(huán)境保護(hù)等設(shè)施 速公路和一級公路上還有變速車道 爬坡車道 避險車道等 道路橫斷面 線形設(shè)計應(yīng)做好平 縱 橫三者間的組合 符合行駛力學(xué)要求外 還應(yīng)考慮行車者的視覺 心理與生理方面的要求 以提高車輛行駛的安全性 舒適性與經(jīng)濟(jì)性 并同自然環(huán)境相協(xié)調(diào) 線形設(shè)計的要求與內(nèi)容應(yīng)隨線路功能和設(shè)計速度的不同而各有側(cè)重 道路交叉可分為平面交叉和立體交叉 平面交叉是道路在同一個平面上相交形成的交叉 通常有T形 Y形 十字形 X形 錯位 環(huán)形等形式 道路交叉 在無交通管制的平面交叉口 車輛通過時因駛向不同而相互交叉形成沖突點 沖突點是在交叉口內(nèi) 兩股車流軌跡線呈交叉形的交會點 立體體交叉是道路不在同一個平面上相交形成的交叉 它將互相沖突的車流分別安排在不同高程的道路上 既保證了交通的通暢 也保障了交通安全 立體交叉有分離式和互通式兩種 立體體交叉 交叉口的選型應(yīng)根據(jù)道路的布置 相交道路的等級 設(shè)計小時交通量 交通性質(zhì)及組成和交通組織措施等確定 道路行車路面下的基礎(chǔ) 由土 石構(gòu)成的帶狀的土工構(gòu)筑物 三個基本要求 強(qiáng)度 穩(wěn)定性 水穩(wěn)性 設(shè)計內(nèi)容包括 橫斷面形狀 邊坡坡度 排水系統(tǒng)及其構(gòu)造物 邊坡穩(wěn)定性分析和防護(hù)與加固設(shè)計 4 2 2道路的結(jié)構(gòu)組成 路基橫斷面的典型形式有路堤 路塹和半填半挖路基三種類型 路堤指的是高于原地面 全部采用巖土填筑而成的路基 根據(jù)填土高度及巖土體的性質(zhì)不同 路堤可分為矮路堤 一般路堤和高路堤幾種形式 路堤 矮路堤 一般路堤 浸水路堤 挖溝填筑路堤 路塹全部由地面開挖出的路基稱為路塹 分為全路塹 半路塹和半山洞三種 半填半挖路基在一個橫斷面內(nèi) 部分為路堤 部分為路塹的路基 路面是又稱行車部分 是路基表面用各種材料分成鋪筑的構(gòu)筑物 須具有足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定性 表面平整和抗滑性能良好 路面 按其力學(xué)性質(zhì)分為柔性路面和剛性路面兩大類 路面的常用材料有瀝青 水泥 碎石 粘土 砂 石灰及其它工業(yè)廢料等 瀝青路面施工 瀝青路面施工 碾壓 微表處 稀漿封層 霧封層 面層 直接承受行車荷載和大氣作用 要保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 剛度 不透水性 溫度穩(wěn)定性 平整度 粗糙度和耐磨性 聯(lián)結(jié)層 作用是為加強(qiáng)面層與基層的聯(lián)結(jié) 提高面層的抗疲勞能力 基層 一般用碎 礫 石灰土或工業(yè)廢渣修筑 底基層 重要道路和高速公路多采用 墊層 在路基排水不良或有凍漲翻漿的路段設(shè)置 道路排水工程為了確保路基穩(wěn)定 免受地面水和地下水的侵害 公路還應(yīng)修建專門的排水設(shè)施 地面水的排除系統(tǒng)按其排水方向不同 分為縱向排水和橫向排水 縱向排水 邊溝 截水溝和排水溝等 橫向排水 涵洞 路拱 過水路面 透水路堤和渡水槽等 主要地面排水設(shè)施 排水溝 重力式擋土墻錨定板擋土墻錨桿擋土墻扶壁式擋土墻 防護(hù)工程及其他管理設(shè)施 道路工程沿線設(shè)置有眾多的工程設(shè)施和管理設(shè)施 包括橋梁 涵洞 隧道 防護(hù)與加固工程等結(jié)構(gòu)設(shè)施 防護(hù)與加固工程主要是以防護(hù)易于沖蝕的土質(zhì)邊坡和易于風(fēng)化的巖石邊坡 或防止路基 山體因重力作用而坍滑的工程構(gòu)造物 按其作用不同 可以分為坡面防護(hù) 沿河路基防護(hù)和支擋構(gòu)造物等 常用支擋結(jié)構(gòu)示意如圖所示 此外 為了保證行車安全 迅速 舒適和美觀 還需設(shè)置交通服務(wù)設(shè)施 管理設(shè)施 安全設(shè)施及環(huán)境美化設(shè)施等 4 2 3鐵路的軌道組成 傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)一般由鋼軌 軌枕 聯(lián)接零件 道床 防爬設(shè)備和道岔等組成 如圖4 24所示 軌道的零部件采用不同力學(xué)性能的材料 有利于取得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能 9 2鐵路的組成 鐵路工程是指鐵路上各種土木工程設(shè)施和修建鐵路各個階段所運用技術(shù)和管理的總稱 鐵路 1 線路 2 路基 3 上部建筑 4 附屬設(shè)施 作用承受車重 引導(dǎo)車行方向 標(biāo)準(zhǔn)長度兩種25 12 5m 標(biāo)準(zhǔn)軌距1435mm 作用是鋼軌的支座 并保持鋼軌的方向和軌距 軌枕長度為2 5m 采用碎石道碴道床 作用傳力均勻 阻止軌道位移 緩和列車沖擊作用 并便于排水 木軌枕 鋼筋混凝土軌枕 鋼軌 道床 道岔 鐵路工程上部結(jié)構(gòu)位于鐵路路基之上 承受車輪傳來的荷載并傳遞給路基 引導(dǎo)機(jī)車車輛按一定方向運轉(zhuǎn) 保證列車運行的安全 平穩(wěn)和舒適 道床指軌枕下面 路基面上鋪設(shè)的道碴墊層 主要作用 分壓 約束軌道框架 增彈減振 排水 方便維修養(yǎng)護(hù) 一般采用碎石材料修筑 隨著高速重載運輸?shù)陌l(fā)展 軌道結(jié)構(gòu)型式也隨之發(fā)生變化 出現(xiàn)了焊接長鋼軌軌道 亦稱無縫線路軌道 及無碴軌道等新型軌道結(jié)構(gòu)型式 橋上無碴軌道 道岔區(qū)無碴軌道 通達(dá)城市各個地區(qū) 供城市內(nèi)交通運輸及行人使用的 便于居民生活 工作及文化娛樂活動 并與城市外道路連接承擔(dān)對外交通的道路稱為城市道路 為了適應(yīng)城市的人流和車流順利運行 城市道路應(yīng)具有如下功能 適當(dāng)?shù)穆贩鶊怨棠途?平整抗滑的路面少揚塵 少噪聲便利的排水設(shè)施充分的照明設(shè)施足夠?qū)挼娜诵械?綠化帶 地上桿線 地下管線等 4 3城市道路 車行道 分隔帶 照明 路側(cè)帶 城市道路的主要類別 城市道路的主要類別 城市道路橫斷面的組成機(jī)動車道 非機(jī)動車道 人行道 綠帶 排水設(shè)施 各種管線工程等 基本形式 單幅路 三幅路 雙幅路 四幅路 俗稱 一塊板 斷面 各種車輛在車道上混合行駛 俗稱 兩塊板 斷面 在車道中心用分隔帶或分隔墩將車行道分為兩半 上 下行車輛分向行駛 俗稱 三塊板 斷面 中間為雙向行駛的機(jī)動車道 兩側(cè)為靠右行駛的非機(jī)動車道 俗稱 四塊板 斷面 在三幅路基礎(chǔ)上 再將中間機(jī)動車車道分隔為二 分向行駛 高速鐵路是指營運速率達(dá)每小時200公里以上的鐵路系統(tǒng) 日本高速鐵路 新干線 誕生于1964年 當(dāng)時的東京至大阪 東海道 線僅用8年時間就收回全部投資 此外 歐洲的德國 英國 意大利 西班牙和比利時等國和亞洲的韓國 中國 中國臺灣也紛紛修建了高速鐵路連接各主要城市及周邊地區(qū) 4 4高速鐵路和重載運輸 節(jié)省能源保護(hù)環(huán)境安全經(jīng)濟(jì)效益高舒適省時 高速鐵路的優(yōu)點 高速鐵路的基本要求 線路多為復(fù)線 站間距離不能太短 線路曲線半徑和坡度的大小 決定了這條線路的最高速度 因此 高速鐵路的線路盡可能平直 高速鐵路的道口都是采用立交 而且鐵路兩側(cè)用柵欄防護(hù) 以防人 畜上路 高速旅客列車一般采用電動車組 高速列車應(yīng)設(shè)計為流線型 而且整個列車構(gòu)成一個流線型整體 京滬高速鐵路在2008年初開工 預(yù)計2010年投入運營 京滬高速鐵路是中國鐵路規(guī)劃投資規(guī)模最大 技術(shù)含量最高的一項工程 建成后也將是中國第一條具有世界先進(jìn)水平的高速鐵路 這個總長1318公里的交通工程預(yù)算資金為2200億元 京滬高速鐵路 城市道路的主要類別 萬噸重載列車行駛在大秦鐵路 底特律1 8km超長列車 鐵路重載貨物運輸?shù)闹饕攸c是列車編組加長 重量加大 實現(xiàn)全程直達(dá)運輸 通過采用大功率交流傳動機(jī)車 大軸重和低自重貨車 列車控制同步操縱等技術(shù) 使鐵路運量大 成本低的優(yōu)勢更加凸現(xiàn) 大幅提高鐵路在中長距離 大宗貨物運輸市場的競爭力 貨運重載化成為世界鐵路發(fā)展的重要方向之一 作為現(xiàn)代貨運方式的重載運輸 在運送大宗貨物上顯示出其高效率 低成本的巨大優(yōu)勢 是鐵路運輸規(guī)模經(jīng)濟(jì)和集約化經(jīng)營的典范 城市軌道交通系統(tǒng)簡稱城軌系統(tǒng) 依據(jù)世界各地的用語不同 也可稱為地鐵 捷運等 但其基本定義需滿足以下五個條件 必須是大眾運輸系統(tǒng) 必須位于城市之內(nèi) 必須以電力或者內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動 必須行駛于軌道之上 班次必須相對密集 4 5現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng) 特點 用地省 運能大 軌道線路的輸送能力是公路交通輸送能力的近10倍 節(jié)約能源 每一單位運輸量的能源消耗量少 采用電力牽引 對環(huán)境的污染小 中國城市規(guī)劃建設(shè)的軌道交通網(wǎng)絡(luò)總里程已達(dá)5000公里 總投資估算將超過8000億元 4 5 1地鐵與輕軌 常見的城市