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第5章 交通土建工程 运输方式有哪些 铁路 运输能力大 能耗低 投资大 周期长航空 快速 成本高 能耗高管道 原油 成品油和煤炭水路 价格低廉 速度慢道路 其它方式的延伸 覆盖面广 门到门 运输 交通运输是国民经济的大动脉 是一个国家社会和经济发展的战略基础 交通运输体系由下面五种方式共同承担客 货的集散与交流 5 1 公路与城市道路工程 道路工程的概念 指通行各种车辆和行人的工程设施 分类 根据其所处的位置 交通性质 使用特点等可分为 公路 指连接城镇 乡村和工矿基地之间主要供汽车行驶的道路 城市道路 供城市各地区间交通用 厂矿道路 为厂矿服务用 农村道路 野外乡村地区间交通用 人行小路 北京 珠海 同江 三亚 上海 成都 连云港 霍尔果斯 两纵 两横 我国国道干线系统的代号 北京向外辐射的有12条 代号第一个字取 1 如北京至昆明为108国道 由北向南的有28条 代号第一个字取 2 如山海关至广州为205国道 由东向西的有30条 代号第一个字取 3 如上海至拉萨为318国道 一 道路的基本体系 公路 城市道路 二 道路的基本组成 线路 路基 路面 线路 1 概念 线路由直线段和曲线段组成 道路由于受到自然环境与地物地貌的限制 在平面上有转折 纵面上有起伏 在转折点两侧相邻处 为满足车辆行驶顺适 安全和速度要求 要有一定的曲线连接 平面上有转折 纵面上有起伏 2 平面线形 公路中线在平面上的投影 由直线 圆曲线 缓和曲线三部分组成 3 三种线段的技术要求 直线段不宜过长 否则引起驾驶员麻痹 疲劳 圆曲线段半径R不宜过小否则引起汽车向外滑移或倾覆 缓和曲线长度也不能过小 应使汽车行驶所受离心力平稳过渡 4 线路纵断面 通过线路中线的竖向剖面即沿着线路的走向所作的剖面 线路纵断面反映了线路的起伏和设计线路的坡度 它由直线 坡度线上坡 下坡 和曲线 竖曲线 有凸和凹形 同样对线路纵向坡度和曲率也要符合公路规范提出的要求 5 道路交叉口 道路与道路 道路与铁路的相交处 平面交叉口 简单交叉口拓宽路面式环行交叉口 立体交叉口 分离式互通式 路线交叉又是道路设计的重要组成部分 二 路基 1 概念 道路路面下的基础部分 2 路基的三项技术要求 足够的承载力和刚度 即不应发生过大的沉陷 足够的整体稳定性 即不致产生路基的整体滑坍 足够的水温稳定性 即在地面水 地下水或冰冻时不致显著地降低承载力 3 路基的三种形式 自然地面起伏不平 为了使路面平顺 有时需填土 有时需挖土 出现了以下几种形式 路堤 路堑 填挖结合 路基的几何特征 高 宽 边坡 路基的填挖高度 路基的总宽度 行车道总宽 0 5 1 0m 边坡坡度的要求 要十分重视路基排水 三 路面 1 概念 用筑路材料铺在路基顶面 供车辆在其表面行使的一层或多层的道路结构层 2 分类 按荷载作用下路面的工作特征 柔性路面 如沥青砼路面 沥青贯入式碎 砾 石路面 泥 水泥 结碎石路面等 刚性路面 如砼路面 半刚性路面 如用石灰或水泥稳定土或石灰炉渣等材料建成的路面 按路面的质量级别 高级 次高级 中级 低级 柔性路面 刚性路面 3 路面结构 面层 要保证结构强度 刚度 不透水性 温度稳定性 平整度 粗糙度和耐磨性 联结层 加强面层与基层的联结 提高面层的抗疲劳能力 基层 碎 砾 石 灰土或工业废渣修筑 底基层 重要道路和高速公路多采用 垫层 在路基排水不良或有冻涨翻浆的路段设置 低 中级路面 高级路面 4 路面的横断面构造 为保证路面排水 路面要做成一定坡度 高速公路和一级公路的横断面 二 三级公路的横断面 高速公路 定义 具有四条以上车道 路中央设有中央隔离带 分隔双向车辆行驶 互不干扰 全封闭 全立交 控制出入口 严禁产生横向干扰 为汽车专用 设有自动化监控系统 以及沿线设有必要服务设施的道路 1988年上海至嘉定高速公路建成通车 1998年年均通车里程超过4000公里 2004年底 中国高速公路通车里程已超过3 4万公里 普通公路与高速公路的转弯线形的比较 高速公路的特点 速度快 我国规定高速公路的设计行车速度最低60km h 最高120km h 通行能力大 平均昼夜汽车交通量为25000辆以上 为一般公路的3 4倍 安全性能高 交通事故死亡率为一般公路的1 3 1 2 高速公路有很高的社会效益和经济效益 运输效益高 我国的 两纵两横 全长1万公里的高速公路主干线建成后 约占全国公路总里程的1 67 可承担全国公路交通量的24 技术效益好 因高速公路线形条件好 路面平整 无横向干扰 可降低机件磨损 减少技术保养开支 降低燃料消耗 高速公路的线形设计标准 1 最小平曲线半径及超高横坡限制 对于设计车速为120km h的高速公路 平曲线的一般最小半径为1 000m 极限最小半径为650m 超高横坡限值为10 2 最大纵坡和竖曲线 高速公路的最大纵坡限为3 平原微丘区 5 山岭区 竖曲线极限最小半径凹型为4 000m 凸型为11 000m 3 线形要求 不应当出现急剧的起伏和扭曲的线形 并且线形保持连续 调和和舒顺 4 横断面 行车带的每一行驶方向至少两个车道 便于超车 车道宽3 75m 中间带全宽4 50m 地形受限制时分别为2 00m 2 50m和3 00m 路缘带0 75 0 5 m 行车道宽度3 75m 路肩宽度3 25 3 0 m 宽2 3m 7条首都放射线 9条南北纵向线和18条东西横向线 简称 7918网 总规模大约为8 5万公里 排水构筑物 纵向排水有边沟 截水沟和排水沟等 横向排水有桥梁 涵洞 路拱 过水路面 透水路堤和渡水槽等 特殊构筑物 隧道 悬出路台 防石廊 挡土墙和防护工程等 沿线附属结构 交通管理设施 交通安全设施 服务设施和环境美化设施等 路堤 路堑 截水沟 边沟 排水沟 隧道 5 2 铁路工程 世界第一条蒸汽机车牵引的铁路1825年在英国建立 我国的铁路建设史 最早的一条铁路是1865年由英国商人在北京宣武门外修建 仅0 5km长 1905 1908年 杰出的爱国工程师詹天佑领导建设我国第一条自行设计 自行施工的京张铁路 全长201公里 长达1091m的 八达岭 隧道是其中一项著名工程 据1987年统计 我国铁路已达55810km 随着著名的成昆铁路 京九铁路 北京地铁 上海轻轨铁路明珠线的建成 标志我国铁路建设进入新阶段 一 铁路的基本组成 线路 路基 线路上部建筑 1 线路 概念 是铁路横断面中心线在铁路平面中的位置 以及沿铁路横断面中心线所作的纵断面状况 线路组成 曲线采用圆曲线 考虑到离心力作用的影响 规定 a 圆曲线和直线间插入缓和曲线b 规定了最小圆曲线半径 关于限制坡度的概念 线路在纵断面上设置上坡 下坡 平道 铁路线路在某区段上限制货物列车重量的坡度 称作限制坡度 限制坡度定得越小 则所能牵引的列车重量越大 线路的运输能力越大 2 路基 概念 是铁路线路承受轨道和列车荷载的地面构筑物 基本型式 三种型式 路堤 路堑 半路堤半路堑 路基顶面宽度的确定 由铁路等级 轨道类型 道床标准 路肩宽度 线路间距等因素确定 轨道类型按钢轨每米重量分 70 60 50 43 38kg m 直线行驶路基横断面曲线行驶路基横断面 3 线路上部建筑 内容 钢轨 轨枕 道床 道岔 作用承受车重 引导车行方向 标准长度两种25 12 5m 标准轨距1435mm 作用是钢轨的支座 并保持钢轨的方向和轨距 轨枕长度为2 5m 采用碎石道碴道床 作用传力均匀 阻止轨道位移 缓和列车冲击作用 并便于排水 道岔是铁路线路 线路间连接和交叉设备的总称 作用是控制线路转向或越过与其相交的另一条线路 大都设在车站区 最常用 最简单的线路连接设备是普通单式道岔 二 铁路选线设计 1 基本走向 根据国家政治 经济和国防的需要 结合线路经过的自然条件 资源分布 工农业发展等情况 规划线路的基本走向 2 空间位置 根据沿线的地形 地质 水文等自然条件和村镇 交通 农田 水利设施 来设计线路的空间位置 3 布置线路上的各种建筑物 如车站 桥梁 隧道 涵洞 路基 挡墙等 总体上互相配合 全局经济合理 线路空间位置的设计是指线路平面和纵断面设计 平面 铁路中心线在水平面上的投影 由直线段和曲线段组成 纵断面 铁路中心线在立面上的投影 由坡段和竖曲线组成 三 高速铁路 铁路速度的分档为 时速100 120km称为常速 时速120 160km称为中速 时速160 200km称为准高速或快速 时速200 400km称为高速 时速400km以上称为特高速 日本 法国 德国和英国等是当今世界高速铁路技术发展水平最高的几个国家 1 概念 是指客运列车以超过200km h的速度高速运行的铁路 4 发展情况 1964年10月建成的日本东海道新干线 是世界第一条高速铁路 2 优点 节省能源 保护环境 安全 舒适 省时 3 与常规铁路的区别 弯道处曲线半径大 在4000m以上 1994 12 22我国建成第一条准高速铁路 广深高速铁路建成通车 时速为160km 规划中的我国第一条高速铁路 京沪高速铁路 全长1300km 实施全封闭 全立交 时速高达300km 97 98 00 01 04年我国铁路进行了五次提速 德国高速列车 法国的TGV高速列车 运行于巴黎 里昂高速铁路的TGV 日本高速列车 四 城市轻轨与地下铁道 地下铁道 纽约地铁交通网 世界上最繁忙的 每天行使的班次多达九千多次 运输量更是惊人 纽约市区部分 俄罗斯莫斯科地铁 自运营以来 累计运营乘客超过500亿次 担负着莫斯科市总客运量的44 美国波斯顿地铁 80公里的多条线路交汇于市中心的几点上 上世纪90年代率先使用交流电驱动 莫斯科地铁 北京地铁 上海地铁 东京地铁 香港地铁 广州地铁2号线车厢运输 德国 广州 城市轻轨 上海明珠线 台北轻轨 重庆轻轨 地铁和轻轨都可建于地下 地面 高架 两者的主要区别视其单向最大高峰小时客流量 城市轻轨和地下铁道特点 线路多经过居民区 对噪声和振动的控制较严 除了对车辆结构采取减震措施及修筑声障屏以外 对轨道结构也要求采取相应的措施 行车密度大 运营时间长 留给轨道的作业时间短 因而须采用较强的轨道部件 一般用混凝土道床等少维修轨道结构 一般采用直流电机牵引 以轨道作为供电回路 为了减少泄漏电流的电解腐蚀 要求钢轨与基础间有较高的绝缘性能 曲线段占的比例大 曲线半径比常规铁路小的多 一般为100m左右 因此要解决好曲线轨道构造问题 北京城铁东线隧道式全封闭声屏障 北京八达岭磁悬浮旅游列车方案 五 磁悬浮铁路 磁悬浮列车简介磁悬浮列车是利用电磁学中磁极间产生吸引力 排斥力的作用原理 以直线电动机作为推动力前进的新型交通工具 磁悬浮列车运行时悬浮于轨道上面 保持一定的间隙 因而没有轮轨摩擦及粘着极限速度等问题 其优点是 不接触轨道 无摩擦 运行安全 平稳舒适 无噪声 可以实现全自动化运行 它启动后39秒即可达到最大速度 最高时速已达552公里 据德国科学家预测 到2014年 磁悬浮列车采用新技术后 时速将达到1000公里 此外 由于采用电力驱动 磁悬浮列车的速度最终能与飞机媲美 其单位能耗却仅为飞机的一半 而且 磁悬浮列车的发展也不受能源结构限制 特别是燃油供应 无任何有害气体排放 磁悬浮列车技术不足 由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮 导向和驱动功能的 断电后磁悬浮的安全保障措施 尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题 其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验 常导磁悬浮技术的悬浮高度较低 因此对线路的平整度 路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高 超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大 冷却系统重 强磁场对人体与环境都有影响 德国的磁悬浮列车 我国磁悬浮建设和研究 2005年5月 中华06号 轻型吊轨磁悬浮技术验证车在大连成功运行 标志着中国高速永磁悬浮列车在辽宁诞生 列车设计时速可达400公里 列车单位悬浮力2 8吨 米 每小时可投送 人流 8万人 物流 4 8万吨 是专为大中型城市的区域经济圈设计的城际交通工具 轻型吊轨磁悬浮拥有自主知识产权的完整的技术发明体系 复线每公里建设费造价0 8亿元 相当于国外先进技术的28 日本磁悬浮列车 磁悬浮列车导轨装置 磁悬浮铁路面临的挑战和展望 造价十分昂贵 659万美元 公里 高速铁路只有226 236万美元 公里 无法利用原有的线路 速度上的优势不明显 随着超导材料和超低温技术的发展 修建成本可能会大大降低 或许会实现磁悬浮成为一种快速 舒适的 绿色交通工具 的梦想 5 3 隧道工程 一 概述 1 概念 是修筑在岩体 土体或水底的 两端有出入口的 供车辆 行人 水流及管线等通过的通道 包括交通运输方面的铁路 道路 水 海 底隧道和各种水工隧道等 杨浦电厂取水工程 2 特点 是交通运输线路穿越天然障碍的有效方法 穿越的地质条件复杂多变 工程定位 设计 施工方法要随时作相应调整 施工作业面窄 劳力设备受到限制 工业化 机械化施工要求高 造价昂贵 八达岭隧道口前石拱桥 上海市大连路隧道工程 使用两台直径为11 22米的超大型盾构机施工 建成后为双向四车道 设计车速为每小时40公里 通行净高4 5米 隧道线路总长约2 5公里 施工中采用了冰冻法加固等新技术 日最大推进达15米 工程总投资16 55亿元 大阁山隧道全长496米 开挖高度18米 开挖跨度22米 净宽18米 单跨双向四车道 是目前国内单孔跨度最大的公路隧道 工程造价为3806 52万元 3 发展简况 世界第一座交通隧道是公元前2180 2160年在巴比伦城中幼发拉底河下修筑的人行通道 我国古代 公元前8世纪 前3世纪 建造有深达40m以上的铜矿矿井 竖井和斜井 19世纪20年代蒸汽机的出现以及铁路和炼钢工业的发展 促进了隧道工程的发展 1826 1830年英国在利物浦硬岩中修建了两座最早的铁路隧道 1843年英国在泰晤士河修建了第一条水底道路隧道 20世纪50年代 人们才总结出各种类型隧道工程规划 设计和施工的基本原理 在土木工程中逐渐形成了一个独立的工程领域 4 主要施工方法 明挖法或围堤明挖法 敞口开挖基坑 修建隧道后覆填 钻眼爆破法 适用于硬岩中开挖隧道 盾构法 盾构为一钢制圆筒 周边设置千斤顶推向前方 顶管法 沉管法 多用于水底隧道 庞大的隧道施工设备 5 隧道结构 洞身 隧道结构的主体部分 衬砌 承受地层压力 维持岩体稳定 阻止坑道周围地层变形的永久性支撑物 它由拱圈 边墙 托梁和仰拱组成 洞门 位于隧道出入口处 用来保护洞口土体和边坡稳定 排除仰坡流下的水 它由端墙 翼墙及端墙背部的排水系统所组成 二 各类隧道简介 1 铁路隧道 组成 由洞口路堑 或引道 洞门 洞身衬砌结构和隧道内外附属构筑物 道床 避车洞 水沟 照明 设置电气化设备的洞室等 组成 大瑶山隧道是我国铁路隧道最长的 长14 295km 隧道内的线路可用单向坡或双向坡 隧道衬砌的横断面 2 公路隧道 类别 按隧道所处的位置分为山岭道路隧道 水底道路隧道 城市道路隧道 道路隧道要尽量设计成直线 隧道内纵坡不宜大于3 5 也不应小于0 3 道路隧道要有较完善的通风 照明 防灾等附属设施 发展情况 据西欧 日本等13个国家的统计资料 长度超过3km的已有105座 最多的国家为日本 29座 最长的为瑞士与意大利间的穿越阿尔卑斯山的圣哥达隧道 长16 918km 单孔双车道 四川成渝高速公路隧道长5006m 公路隧道的各种主要断面形状 公路建筑限界 公路隧道横断面净空 公路隧道通风 公路隧道空气污染造成危害的主要原因是一氧化碳道路隧道要有较完善的通风 照明 防灾等附属设施 通风方式的种类 通风方式 自然通风 机械通风 纵向方式 半横向式 横向式 混合式 射流式 风道式和喷嘴式 竖井式 自然通风 不设置专门通风设备 利用存在于洞口间的自然压力差或汽车行驶时活塞作用产生的交通风力 达到通风目的 纵向式通风 射流式 竖井式 横向式通风与半横向式通风 混合式通风 铁路或公路遇到水面障碍物时 除可修建桥梁通过外 修建水底隧道可能是最佳方案 尤其在水面宽 航运繁忙 通过巨型船只较多 不宜建造高桥和长引桥的情况下 3 水底隧道 水底隧道一般分水底段和河岸段 后者又有暗埋 敞开及出口部分 施工方法 盾沟法 沉管法 用盾沟法建造的水底隧道 自两端至洞口 一般为槽形敞开式引道段 穿越水底的暗埋段 断面大多为圆形 引道段 用沉管法建造水底隧道除有引道段外 穿越水底的沉管有时是由几个通道组成的矩形管段组成 目前 全世界已建成和计划建设的海底隧道有20多条 主要分布在日本 美国 西欧 中国的香港九龙等地区 从工程规模和现代化程度上看 当今世界最有代表性的跨海隧道工程 莫过于英法隧道和日本青函隧道 英法隧道横贯多佛尔海峡 从英国的福克斯通到法国的桑加特 把英伦三岛与欧洲大陆连接起来 隧道由两股火车隧道和一股工作隧道构成 全长53公里 海底部分37公里 该隧道已于1995年建成通车 英吉利海峡隧道 由于英伦海峡隧道把欧洲大陆与英伦三岛联系起来 再乘座高速列车 Eurostar欧洲之星 从伦敦到巴黎仅需要3小时 穿越英吉利海峡仅需要20分钟 隧道内部结构 两条隧道之间相距30米 在其中间线再修一条直径为4 8米的辅助隧道 每隔375米与两侧主隧道连通 供通风 维修使用 当主隧道因故列车不能通行时 辅助隧道还可作为应急的通道 全部工程耗资为530亿法朗 70亿美元 欧洲之星时速达到308km 青函海底隧道 隧道因连接日本本州青森地区和北海道函馆地区而得名 隧道横越轻津海峡 全长54公里 海底部分23公里 当时世界最长的一条隧道 青函隧道1964年动工 1987年建成 我国香港特别行政区 有三条海底隧道 越过维多利亚海峡 把港岛与九龙半岛连接起来 港九中线海底隧道1972年建成 全长1 9公里 包括一条四车道 日流量12万次的汽车隧道和一条地铁隧道 港九东线隧道 1