交通工程道路与铁路

交通工程道路与铁路

交通土建工程 土木水利工程概论 2010.11 1 作业 软基处理有哪些方法； 工程实例所采用处理方法简介； 评价和讨论 A4 纸 1 页 结合工程实例介绍软土地基处理方法 2 主要内容 一、前言 二、道路 三、铁路 3 一、前言 由道路、铁路、水运 ( 海运和河运 ) 、航空和管道五种运输方式构成的大系统。共同承担着客、货的集散和交流。 交通运输体系 4 旅客运输： 重要因素是速度。 （即从出发点到目的地的时间要求最短） 货物运输： 虽有时间性，但更重要的是运输费用。 铁路： 运力大，速度较快，运输成本和耗能都较低。 承担中长距离货运和大宗货物的运输； 水运： 低廉的运价，具有明显的经济效益； 航空： 快速运送旅客，运输紧急物资； 道路： 承担铁路、水运、空运固线外的延伸运输任务，深入到城镇、乡村、山区等的各个角落。 管道： 原油、成品油等液体与、煤炭等散粒体的运输。 各种运输方式的特点 5 二、道路 道路 -- 道路是通行各种车辆和行人的工程设施。 特点 -- 把货物直接从产地运到市场，从仓库到仓库。缩短了运输时间，降低了损失。 道路按其特点可分为： 公路（连结城市之间，连结城市和乡村的道路）， 城市道路， 厂矿道路， 林区道路， 乡村道路。 6 国家干线公路： 国家公路网中，具有全国性政治、经济、国防意义，并经确定为国家干线的公路， 简称国道 。 省级干线公路： 省级公路网中，具有全省性政治、经济、国防意义，并经确定为省级干线的公路， 简称省道 。 县公路： 具有全县性政治、经济、国防意义，并经确定为县级干线的公路， 简称县道 。 乡公路： 主要为乡村生产、生活服务，并经确定为乡级公路， 简称乡道 。 专用公路： 专为企业或其他单位提供运输服务的道路，如专门或主要供矿山、油田、农场、旅游区、军事要地等与外部连接的公路。 公路的分类（五类） —— 公路网中的地位与作用 7 高速公路： 其速度控制在 80--120 公里 / 小时。 年平均昼夜汽车交通量 25,000 辆以上。 一级公路： 年平均昼夜汽车交通量 15,000 — 30,000 辆。 二级公路： 年平均昼夜汽车交通量 3,000 — 7,500 辆。 三级公路： 年平均昼夜汽车交通量 1,000 — 4,000 辆。 四级公路： 年平均昼夜汽车交通量 双车道 1500 辆以下、单车道 200 辆以下。 公路的分级（五级） —— 构造和重要性 8 我国公路交通发展历程 1949 年全国公路通车里程仅 8.07 万公里，公路密度仅 0.8 公里／百平方公里。 1978 年底达到 89 万公里，公路密度达到 9.3 公里／百平方公里。 1999 年底，全国公路里程达到 135 万公里，公路密度达到 14.1 公里／百平方公里，为 1978 年的 1.5 倍。 截至 2006 年年底，我国公路总里程已达 345.7 万公里，公路密度达到 36 公里 / 百平方公里。 9 快速路： 大量，长距离，快速交通服务。 主干路： 连接城市各主要分区的干路。 次干路： 与主干路结合组成道路网。 支 路： 为次干路与街坊路的连接线。 城市道路 —— 分类及主要技术指标 10 面层 -- 水泥混凝土、沥青混凝土及其他沥青混合料等 （应具有足够的结构强度，良好的温度稳定性、 耐磨、抗滑、平整、透水性）。 基层 -- 碎石、石灰土、工业废渣等 （承重作用，应具有足够的强度）。 垫层 -- 砂、砾石等 （路基土质差时设置。起排水、隔水、 防冻、扩散荷载应力等作用）。 路面结构 11 路基 12 路面是在路基顶面的行车部分用各种混合材料铺筑而成的层状结构物。 路面基本要求 : 具有足够的强度 -- 车辆荷载，振动力，冲击力。 具有足够的稳定性 -- 暴露于大气之中，受各种 自然因素的不利影响。 具有足够的平整度。 具有足够的抗滑性能。 路面 13 沥青路面和沥青混凝土路面 路面 14 道路和铁路的交叉，道路相互间的交叉。 平面交叉路口 道路的交叉 -- 平面交叉和立体交叉 15 立体交叉路口 - 立交桥 城市立交桥不仅大大方便了交通，而且成为城市建设的美丽风景。 1928 年，美国首先在新泽西州的两条道路交叉处修建了第一条苜蓿叶形公路交叉。 1930 年，芝加哥建起了一座立体交叉桥。 1931 年至 1935 年，瑞典陆续在一些城市修建起立体交叉桥。从此，城市交通开始从平地走向立体。 16 北京六环路上的最大立交桥 —— 西沙屯立交桥 北京部分立交桥 17 高速公路 我国交通部 《 公路工程技术标准 》 规定，高速公路是指 “ 能适应年平均昼夜小客车交通量为 25000 辆以上、专供汽车分道高速行驶、并全部控制出入的公路 ” 。 高速公路应符合下列 4 个条件： (1) 只供汽车高速行驶； (2) 设有多车道、中央分隔带，将往返交通完全隔开； (3) 设有平面、立体交叉口； (4) 全线封闭，出入口控制，只准汽车在规定的一些 立体交叉口进出。 1988 年， 我国第一条高速公路沪嘉高速公路（ 18.5km ）建成通车，实现我国高速公路零的突破。 1990 年， 建成全长 375 公里的沈大高速公路。 18 高速公路特征 （一）交通安全设施 包括防护栅、防眩设备、防噪音设施、照明设施、道路标志。 （二） 服务设施 包括服务区（加油站、休息室、小卖部、厕所等）、停车区（停车场、电话等）和辅助设施（养路站、园地等）。 （三）环境绿化 高速公路两侧应进行绿化，种植风景林和防护林，美化路容。 （四）交通控制及管理系统 用电子计算机控制及信号自动化来监视路段区段内的交通情况 ，测定交通速度、交通密度等，以检验交通堵塞情况 。 19 高速公路设计 （一）设计基本依据： 车速、交通量、通行能力。 （二）总体设计： ①线路最短距离； ②过较大山谷时建桥跨越； ③高山越岭线山腰用隧道穿过； ④通过城镇，往往采用高架道路； ⑤在山坡较陡路段，常傍山设高架道路； ⑥考虑远景发展，征地预留较宽范围。 （三）线形和纵断面设计： ①平、竖曲线的配合；②行车道；③视距和视野； ④超高；⑤中央分隔带；⑥立体交叉。 20 沈大高速公路在 1990 年完工时为全部四车道，誉为 “ 神州第一路 ” 。 在新沈大 2004 年 9 月改扩建完毕通车时，为八车道高速公路。再次获得 “ 东北第一黄金大道 ” 的美誉。 沈大高速公路 沈大高速公路北起沈阳，南至大连。全长 348 公里，路基宽 42 米，双向 8 车道。设计时速 120 公里。 昼夜通行能力可以达到 13 万－ 15 万辆次。 21 7918 网 =36 条（ 8.5 万 km ）东部加密，中部成网，西部连通 7 ：首都放射线 9 ：南北纵横线 18 ：东西线 22 首都放射线 7 条 Ｍ 1 京沪高速 北京 — 上海 1245 公里 北京 - 天津 - 济南 - 江阴 - 无锡 - 苏州 - 上海 Ｍ 2 京台高速 北京 — 台北 2030 公里 北京 - 天津 - 济南 - 徐州 - 黄山 - 衢州 - 南平 - 福州 - 台北    Ｍ 3 京港澳高速 北京 — 港澳 2285 公里 北京 - 石家庄 - 郑州 - 武汉 - 长沙 - 韶关 - 广州 - 深圳 - 香港 Ｍ 4 京昆高速 北京 — 昆明 2865 公里 北京 - 石家庄 - 太原 - 西安 - 成都 - 西昌 - 攀枝花 - 昆明 Ｍ 5 京藏高速 北京 — 拉萨 3710 公里 北京 - 张家口 - 呼和浩特 - 银川 - 兰州 - 西宁 - 格尔木 - 拉萨   Ｍ 6 京新高速 北京 — 乌鲁木齐 2540 公里 北京 - 张家口 - 呼和浩特 - 额济纳旗 - 哈密 - 吐鲁番 - 乌鲁木齐 Ｍ 7 京哈高速 北京 — 哈尔滨 1280 公里 北京 - 唐山 - 山海关 - 锦州 - 沈阳 - 铁岭 - 四平 - 长春 - 哈尔滨     23 我国高速公路建设成就 1988 年， 我国第一条高速公路沪嘉高速公路（ 18.5km ）建成通车，实现我国高速公路零的突破。 1990 年 9 月，沈阳至大连高速公路建成通车。 1993 年，京津塘（北京 — 天津 — 塘沽）高速公路建成通车。 1998 年底，我国高速公路通车总里程达到 6258 公里； 2000 年底，达到 1.6 万公里，居世界第三； 2001 年底，达到 1.9 万公里，居世界第二（美国 10 万公里）； 2005 年底，达到 4.1 万公里，居世界第二； 2006 年底，达到 4.5 万公里，居世界第二； 2007 年底，达到 5.36 万公里，居世界第二； 2009 年底，达到 6.50 万公里，居世界第二。 24 1825 年英国修建了从斯托克顿至达林顿的总长 21km 的铁路，这是世界上第一条蒸汽机车牵引的铁路，现标志着近代铁路运输业的开端。 1876 年英国人在上海修建的吴淞铁路，这是中国领土上出现的第一条铁路。 1881 年清政府修筑的唐胥铁路（唐山至胥各庄）是中国自己创办的第一条铁路，全长约 10 km ，以后逐步发展成为现在的京沈（北京至沈阳）铁路。唐胥铁路的建成通车，和世界上第一条铁路相比晚了 56 年。 2002 年，我国铁路总营业里程已突破 70,000km ，其中复线里程达 21,000km ，电气化里程达 15,000km 。 高速铁路开始出现于 20 世纪 60 年代。以后又出现了轮轨相互脱离的磁悬浮铁路，其试验运行速度已经达到 500 km ／ h 以上。 三、铁路 25 常速铁路： 时速 100 公里 ~120 公里 / 小时 中速铁路： 时速 120 公里 ~160 公里 / 小时 准高速或快速铁路： 时速 160 公里 ~200 公里 / 小时 高速铁路： 时速 200 公里 ~400 公里 / 小时 特高速铁路： 时速 400 公里 / 小时以上 铁路速度的分档 第一代高速列车 -- 日本新干线，速度为 210 km/h 。 第二代高速列车 -- 法国东南干线，速度为 270km/h; 大西洋干线，速度为 300km/h 。 第三代高速列车 -- 日本磁浮客车戴人运行试验 速度达到 408km/h 。德国达到 412.6km/h 。 26 铁路由线路、路基和线路上部建筑三部分组成。此外，属于铁路工程的还有桥梁、涵洞、隧道、车站投施、机务设备、电力供应等。 铁路按其动力 -- 蒸汽、内燃机、电力及电磁力。 按其轨道间的宽度： 标准轨 (1435 毫米 ) 宽轨 (1600 毫米 ) 狭轨 (1067 毫米 ) 铁路的基本组成 27 钢轨 — 直接承受车轮的巨大压力并引导列车的运行方向。 （我国目前钢轨标准长度 25m 和 12.5m 两种） 轨枕 — 支承钢轨，并将钢轨传来的压力传递给道床。 （钢筋混凝土轨枕、木枕） 道床 — 支撑轨枕，把轨枕上部的压力均匀传递给路基，缓和列车车轮对钢轨的冲击作用。（石渣垫层） 路基 — 铁路路基是承受并传递轨道重力及列车动态作用的结构。 无缝线路，宽混凝土轨枕和整体道床 路基轨道断面 28 青藏铁路 青藏铁路西宁至拉萨全长 1956 公里。 青藏铁路是目前世界上海拔最高的铁路，沿线常年平均气温在 0℃ 以下，空气中的含氧量仅为平原地区的一半。 格尔木至拉萨段经过海拔 4000 米以上地段 960 公里 , 翻越唐古拉山的铁路最高点海拔 5072 米 , 高原严寒缺氧 , 不仅对人体生理和机械设备使用带来不利影响 , 而且生态环境十分脆弱。 经过连续多年冻土地段 550 公里。另有部分地段为岛状冻土及深季节冻土 , 地震 , 崩塌 , 滑坡 , 泥石流等地质灾害严重。 2001 年 6 月月 29 日青藏铁路格尔木至拉萨段开工建设。 2006 年 7 月 1 日 9:00 青藏铁路全线通车。 29 西宁至格尔木 814 公里已于 1979 年铺通 ,1984 年投入运营。 新开工修建的青藏铁路格尔木至拉萨段 , 全长 1142 公里。 30 胡锦涛主席在青藏铁路视察 31 世界铁路建设难题 -   脆弱生态、高寒缺氧和多年冻土地质构造 多年冻土地段的土壤和岩层常年都处于冻结状态，只是随着夏季的到来，地表表层会有一定程度的融化，但一到冬季，它又会重新开始冻结。    冻土在冻结的情况下就像冰一样，冬天随着温度的降低，体积发生膨胀，这样，建好的路基和钢轨就会被体积膨胀的冻土顶起来。到了夏天，融化了的冻土体积缩小，钢轨也就会依着它降下去。 冻土的反复冻结、反复融化在铁路的路基施工中交替出现，就会造成路基的翻浆、冒泥，整个钢轨就会出现高低不平的现象，对正常通车造成巨大影响。 使用遮阳棚、泡沫砖、天然草皮等设施来遮挡阳光，通过外部设施阻止冻土温度变化。 以桥代路工程，将桥基修在地下百多米深的永久冻土层上。 片石通风路基、通风管路基、碎石和片石护坡、热棒、保温板、综合防排水体系等措施。 青藏铁路沿线的所有重点施工段，配有高压氧仓等先进设备，解决建设者缺氧困难。 32 风火山隧道 —— 世界上最高的高原冻土隧道 风火山隧道该隧道全长 1338 米，海拔 4905 米，地处昆仑山与唐古拉山交界处的可可西里无人区，全部位于永久性高原冻土层内。 目前世界上海拔最高、横跨冻土区最长的高原永久冻土隧道，有 “ 世界第一高隧 ” 之称。 地质构造为含土冰层、饱冰冻土、富冰冻土和泥、沙岩夹层等，施工难度前所未有。 33 清水河特大桥 —— 世界上建在高原冻土地段上的最长铁路桥 清水河特大桥全长 11.7 公里，飞架在平均海拔 4600 米以上的可可西里国家级自然保护区核心地带。 世界上建在高原冻土地段上的最长铁路桥，是专门为藏羚羊等野生动物迁徙而建设的全线最长的 “ 以桥带路 ” 特大桥。 清水河地区季节性温差明显，夏季最高温度达 +38 ℃ ， 冬季最低温度达 -40℃ ， 在这样的气候条件下，冻土区就会出现热融湖塘、暗河、冻涨球等现象。 处理不好冻土问题，修筑的铁路将会变成高低不平的搓板路，留下运营隐患。 34 唐古拉车站 —— 世界上海拔最高的火车站 唐古拉车站位于海拔 5068 米的唐古拉山垭口多年冻土区，占地面积约 7.7 万平方米，设计为三股道。 唐古拉车站于 2004 年 8 月建成，为千里青藏线上的一大景点。 35 环境保护的工程措施 高原植被的保护与恢复 冻土环境的保护 严格控制 “ 三废 ” 排放 加强对野生动物的保护 精心设计，严格施工管理 36 以最高时速超过 200 公里的标准来作为高速铁路的定义， 截止 2009 年 7 月我国的高速铁路里程已经达到近 8000 公里 （其中有 6003 公里为中国铁道部在 2007 年 4 月为实现中国铁路第六次大提速而改造的既有铁路）。 以国际铁路联盟规定的商业运营时速（全程运行距离 ÷ 全程运行时间）超过 200 公里的标准作为高速铁路的定义， 截止 2009 年 7 月我国的高速铁路里程则达到 870 多公里。 我国高速铁路建设 37 我国高速铁路网规划 “ 四纵四横 ” & 三大城际客运系统 四纵 北京 — 上海； 北京 — 武汉 — 广州 — 深圳 北京 — 沈阳 — 哈尔滨（大连）； 杭州 — 福州 — 深圳； 四横 徐州 — 郑州 — 兰州； 杭州 — 南昌 — 长沙； 南京 — 武汉 — 成都； 青岛 — 石家庄 — 太原。 38 动车组 我们乘坐的普通列车是依靠机车牵引的，车厢本身并不具有动力，是一种动力集中技术。 把动力装置分散安装在每节车厢上，使其既具有牵引力，又可以载客，这样的客车车辆便叫做动车。 动车组列车运行的时候，不光是机车带动，车厢也会“自己跑”，更能达到高速的效果。 39 我国动车组制造技术 我国已经在时速 200 公里的技术平台上，自主创新研制时速 300 公里以上动车组。 2007 年年底，国内首列时速 300 公里动车组问世。 2010 年 9 月 28 日，国产 “ 和号 ” CRH380A 新一代高速动车组在沪杭高铁试运行中最高时速达到 416.6 公里，创世界铁路运营试验最高速。 40 无碴轨道 常规铁路都是在 “ 砟 ” 的基础上铺设枕木，有砟轨道会使火车在行驶时产生强大的震动，很大程度地制约了火车的行驶速度。 全长 1318 公里的京沪高铁，铺设了 40 万块 CRTSⅡ 型轨道板代替石子与枕木，使无砟轨道的总长度达 1298 公里，占全线里程的 98.5% 。轨道则由 2636 对 500 米长的钢轨无缝焊接而成。 41 京沪高速铁路工程 2008 年 4 月 18 日，京沪高速铁路全面开工建设。京沪高速铁路是世界上一次建成线路最长、标准最高的高速铁路，由我国自主建设。 京沪高速铁路自北京南站至上海虹桥站，新建双线铁路全长 1318 公里，设计时速 350 公里，初期运营时速 300 公里，规划输送能力为单向 8000 万人 / 年。 2010 年 11 月 15 日，京沪高速铁路全线完成铺通工程。 预计 2012 年前建成通车。届时，北京至上海可实现 5 小时到达。 42 京沪高速铁路工程示意图 43 工程特点 设计标准高，基础设施寿命长； 路基工程作为土工结构物，线路纵向刚度均匀性要求高，工后沉降控制标准高； 特大桥数量多，多次跨越河流、公路、铁路、桥梁。 隧道工程地质情况复杂，穿越水塘、公路，且多为浅埋隧道，安全控制是关键； 板式无砟轨道工程施工工艺及控制是难点。 44 京沪高铁施工路段河网众多，广泛分布着深厚的软土层，因此大量采用高架桥梁技术来解决沉降控制问题。 共有高架桥梁 238 座，隧道 22 座，总长度达 1061 公里，占全线长度的 80.5% 。 H 型混凝土高架桥墩每座标高 12 米（相当于四层楼），桩基深入地下 40-90 米，以控制沉降。 45 2008 年 4 月 18 日上午，国务院总理温家宝在北京出席京沪高铁开工典礼，并为工程奠基。 46 2008 年 10 月 13 日 , 京沪高铁南京大胜关特大跨江大桥开始架梁。 47 2008 年 11 月 23 日，一根长 32 米、重 900 吨的简支箱梁稳稳落在南京大胜关长江大桥北岸引桥 G0 — G1 号墩上。 48 2010 年 11 月 15 日，京沪高铁全线铺通仪式现场，最后一节铁轨等待铺轨。 49 磁悬浮列车 磁悬浮列车，实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间之间没有直接接触，再利用线性电机驱动列车运行。达到高速运行的目的。 磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。 50 以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统－ EMS 系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸引上来，悬空运行，悬浮的气隙较小，一般为 10 毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时 400-500 公里。 以日本的为代表的排斥式悬浮系统－ EDS 系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行，这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大，一般为 100 毫米左右，速度可达每小时 500 公里以上。 磁悬浮列车技术基础 悬浮系统 51 磁悬浮列车技术基础 推进系统： 位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。 车速可通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。 导向系统： 导向系统是一种侧向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。 在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。 52 速度高， 常导磁悬浮可达 400-500km/h ，超导磁悬浮可达 500-600km/h 。 能耗低， 据日本研究与实际试验结果，在同为 500km ／ h 的时速下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的 1 ／ 3 。 可靠性好， 磁悬浮列车在路轨上运行，它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。 列车运行的动力来自固定在路轨两侧的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而排除了列车追尾或相撞的可能。 噪音小， 当磁悬浮列车时速达 300 公里以上时，噪声只有 656 分贝，仅相当于一个人大声地说话，比汽车驶过的声音还小。 无污染， 以电为动力，在轨道沿线不会排放废气，是一种名副其实的绿色交通工具。 磁悬浮列车的优点 53 上海磁浮列车 上海浦东高速磁浮铁路正线全长 30 公里，单向运行时间约 8 分钟，平均运行速度达到每秒 60 － 70 米。 运行时，磁浮列车与轨道间约有 10 毫米的间隙，这就是浮起的高度。 除启动加速和减速停车两个阶段外，列车大部分时间时速为 300 多公里，达到最高设计时速 430 公里的时间有 20 多秒。 54 上海磁浮列车工程大事记 2001 年 3 月： 上海磁浮列车示范运营线工程在浦东新区正式开工。 2001 年 7 月： 重达 70 多吨的上海磁浮列车工程首根轨道梁 “ 出炉 ” ，这也是我国自行设计和生产的首根中心受压预应力混凝土梁。 2001 年 8 月： 首批上海磁悬浮列车设备自德国汉堡起程，安全抵达上海港，其中包括约 1000 公里长的定子线圈电缆。　　 2002 年 7 月： 上海磁浮快速列车轨道梁制作提前完成。 2002 年 8 月： 磁浮列车首批三节车厢运抵上海，并运往磁悬浮工程维修基地组装、调试。同月，磁浮列车开始安装磁铁模块。 2002 年 9 月： 上海磁浮工程实现了轨道梁全线贯通。 2002 年 12 月： 上海磁浮列车开始试运行。 55 上海磁浮铁路的起始车站－－龙阳路车站 56 磁悬浮列车存在的问题 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。 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。 磁浮铁路的造价十分昂贵。与高速铁路相比，修建磁浮铁路费用昂贵。 57 谢谢！ 58