现代土木工程-4课件

第4章4.1道路与铁道工程简介4.1.1道路工程发展历史与现状

道路工程：从事道路的规划、勘测、设计、施工、养护等的应用科学和技术。也指所建筑的道路。土木工程的一个分支。道路：通常是为陆地交通运输服务，通行各种机动车、人畜力车、驮骑牲畜和行人的各种路的统称。道路伴同人类活动而产生，又促进社会的进步和发展，是历史文明的象征、科学进步的标志。秦朝（公元前221～前206年）就形成了以咸阳为中心，向各个方向辐射的道路网，其中从秦都咸阳到内蒙古包头的“秦直道”全长700公里，路面平均宽度约30米，最宽处约80米的古代“高速公路”。汉朝（公元前206～公元220年）共有干道近15万公里。最具有代表的是沟通欧亚大陆的世界著名的丝绸之路。（11000公里长，自中国首都长安通往西方直达罗马帝国的贸易之路。）我国修建最早的公路是1921年建成的长沙至湘潭公路，全长50公里。至l949年公路里程约达13万公里。原有公路不仅里程少，技术标准低，路况差，混合交通严重，分布也极不合理。新中国成立以来，我国的公路建设得到了较快的发展。截至2008年底我国公路通车总里程达373.02万km。高速公路总里程已达6.7万km。“五纵七横”的国道主干线，总长约3.5万km，已经全部完工。国家高速公路网规划战略最终要形成由7条首都放射线、9条南北纵向线和18条东西横向线组成的“7918网”的高速公路网布局方案道路工程发展历程国家高速公路网规划战略最终形成由7条首都放射线、9条南北纵向线和18条东西横向线组成的“7918网”的高速公路网布局方案，建成后规模达到8.5万公里。2008年年底中国公路里程及组成2008年底中国公路里程及组成国名国土面积(km2)道路长度(km)道路密度(km/km2)高速公路国道或主干道地方道或次干道其他道路合计美国936340083214650387700586488082962333080.67英国229988298112425349003019903522921.53法国5510006570285003500004200008050701.46日本37774842804666112820292513811042822.92韩国991731550122551057731396557780.56巴西8500965-115045215654134303416737330.20中国960000067200418500512300273220037302000.39部分国家公路及其状况4.1.2铁道工程发展历史与现状铁道工程：指修建铁路的勘测设计、施工、养护、改建各阶段所运用的科学和技术，属于土木工程的分支。早在古希腊和古罗马时代，人们就已经开始利用轨道和人力或者马拉的车辆来运输物品。但是，这一出色的发明却在中世纪被人们所忘记。直到16世纪末，沿着轨道前进的车辆才再次被用于在煤矿中运输煤炭。到了18世纪，随着欧洲工业革命的进程，蒸汽机和铁轨终于实现了二者的结合1825年，英国出现第一条铁路。世界铁路的发展分为:开创时期

1825～1850年。钢铁工业、机器制造业等已达到一定水平，同时工业发展又有原材料和产品的输送问题需要解决。发展时期1850～1900年。铁路建筑技术和铁路机车制造技术获得新发展，蒸汽机车的性能日趋完善。成熟时期1900～1950年。内燃机车和电力机车来代替落后的蒸汽机车。新发展时期1950年至今为。常规铁路、高速铁路、磁悬浮铁路、重载铁路快速发展。世界铁路的发展我国铁路的发展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。1952年6月18日，满州里至广州间开行了第一列直达列车，全程4600多公里。1999年

57900km

电气化率24.2％承担36%客运和31％货运2003年，首条磁悬浮铁路在上海运营我国铁路的发展我国铁路网中长期建设目标：到2020，全国铁路营业里程达到12万公里以上，复线率和电化率分别达到50%和60%以上。道路根据其所处的位置，交通性质、使用特点及其使用范围分可为公路、城市道路和专用道路等，我国道路工程的分类、组成和工程内容如图所示。道路类别交通特点车道数小客车平均日交通量高速公路专供汽车分向、分车道行驶，并全部控制出入的多车道公路。四车道六车道八车道25000~5500045000~8000060000~100000一级公路供汽车分向、分车道行驶，并可根据需要，控制出入的多车道公路。四车道六车道15000~3000025000~55000二级公路供汽车行驶的双车道公路，应能适应各种车辆。双车道5000~15000三级公路主要供汽车行驶的双车道公路。双车道2000~6000四级公路主要供汽车行驶的单车道或双车道公路单车道双车道4002000公路根据功能和适应交通量的分级(1)铁路工程的分类与等级铁路等级作为铁路的基本标准，在设计铁路时是首先要确定的；铁路技术标准和装备类型都需要根据相应的铁路等级选定。应根据在铁路网中的作用、性质和远期的客货运量确定，按照表规定一般可划分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级铁路。铁路等级高要求设计标准高、输送能力大、运营质量好、安全舒适性强，同时铁路造价高。铁路等级的合理划分具有重要经济意义，可使国家资金得到有效利用。等级铁路在路网中的意义远期年客货运量Ⅰ级铁路在路网中起骨干作用的铁路≥15MtⅡ级铁路在路网中起骨干作用的铁路≤15Mt在路网中起联络、辅助作用的铁路≥7.5MtⅢ级铁路为某一区域服务，具有区域运输性质的铁路≤7.5Mt4.1.4现代道路与铁道工程发展趋势(1)现代道路工程发展趋势①高速公路建设快速发展②农村公路建设③公路交通科技快速发展新材料、新工艺的推广使用将大大提高工程建设的效率和质量；快速无损检测设备大量应用；全面提高计算机应用水平，促进公路勘测设计和养护管理自动化；高度重视公路环保技术，推广废旧材料的综合利用；智能运输系统的诸多使用技术进一步引入我国高等级公路管理；山区高级公路建设技术有所突破。到2020年，具备条件的乡(镇)和建制村通沥青(水泥)路，全国农村公路里程达370万公里，全面提高农村公路的密度和服务水平。

国家高速公路增长里程表(2)现代铁路工程发展趋势①高速铁路与轨道交通②重载运输各国铁路客运发展的共同趋势是高速、大密度、扩编或采用双层客车。在已形成发达交通网的日本和欧洲国家，正致力于推进高速铁路网的建设。目前全世界新建高速铁路5236公里，改造后运行时速达200公里的线路约计1.5万公里以上。高速铁路最高运行时速可达350公里，许多国家与地区都制定了修建高速铁路的计划。在货物运输方面，集中化、单元化和大宗货物运输重载化是各国铁路发展的共同趋势。重载单元列车是用同型车辆，固定编组、定点定线循环运转，首先用于煤炭运输，后来扩展到其他散装货物，对提高运能，减少燃油消耗，节省运营车、会让站、乘务人员等都有显著效果，经济上受益很大，高速铁路与其他运输方式的速度、能耗和安全性等相比而言，高速铁路的综合效益最高。路线平面线形纵断面线形路基路堤路堑半填半挖路基路面路面基层路面表层沿线工程管理设施桥涵、隧道防护、排水设施管理、安全设施绿化设施停车设施结构组成线形组成4.2道路与铁道工程组成结构道路的组成4.2.1线形组成路线平面线形纵断面线形直线、圆曲线和缓和曲线组成。组合线形：简单形、基本形、卵形、S形、凸形、复合形等。道路平面设计主要是路线平面几何要素的设计，包括直线、圆曲线、缓和曲线及三者的线形组合设计。纵断面是通过线路中线的竖向剖面即沿着线路的走向所作的剖面。直线和竖曲线（凹、凸）组成。包括纵坡设计和竖曲线设计。设计的原则和要求。由于受到自然环境与地形地貌的限制，线路往往在平面上有转折，在纵断面上有起伏，在空间上会形成一条三维空间曲线。而道路路线是指公路的中线，线型是指公路市线在空间的几何形状和尺寸，这一空间线形投影到平、纵、横三个方面，分别绘制成反映其形状、位置和尺寸的图形，也就是公路的平面图、纵断面图和横断面图。道路路线的平、纵、横三个方面是相互影响、相互制约的，在设计过程应综合考虑三者之间的关系，做到平面顺适、纵面均衡、横面合理。平面线形——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，美国要求小于3min的行程。

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。车辆在曲线路段行驶时会受到离心力作用，为抵消离心力，在曲线段横断面上设置外侧高于内侧的单向横坡叫做超高。当车辆行驶在超高段汽车部分出重抵消部分离心力．从而提高弯道行驶的舒适和安全性。

汽车在曲线上行驶时，其后轮偏向内侧，如果不加宽车道宽度，汽车在弯道处转弯比较困难。一般在弯道内侧相应增加路面、路基宽度，叫做弯道加宽。加宽值要考虑弯道半径、设计车辆轴距及操作过程中的不稳定因素。纵断面线形线路纵断面反映了线路的起伏和设计线路的坡度。道路纵断面上两个相邻纵坡线的交点，被称为变坡点。为保证行车安全、舒适以及视距需要，在变坡处设置竖曲线。竖曲线常采用圆曲线，可以分为凸形和凹形两种。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。道路横断面指的是中线上各点沿法向的垂直剖面，是由横断面设计线和地面线所构成的。其中横断面设计线包括行车道、路肩、分隔带、边沟、边坡、截水沟、护坡道、取土坑、弃土堆以及交通安全、环境保护等设施。速公路和一级公路上还有变速车道、爬坡车道、避险车道等。道路横断面线形设计应做好平、纵、横三者间的组合，符合行驶力学要求外，还应考虑行车者的视觉、心理与生理方面的要求，以提高车辆行驶的安全性、舒适性与经济性，并同自然环境相协调。

线形设计的要求与内容应随线路功能和设计速度的不同而各有侧重。道路交叉可分为平面交叉和立体交叉。平面交叉是道路在同一个平面上相交形成的交叉。通常有T形、Y形、十字形、X形、错位、环形等形式。

道路交叉在无交通管制的平面交叉口，车辆通过时因驶向不同而相互交叉形成冲突点(冲突点是在交叉口内，两股车流轨迹线呈交叉形的交会点)。立体体交叉是道路不在同一个平面上相交形成的交叉。它将互相冲突的车流分别安排在不同高程的道路上，既保证了交通的通畅，也保障了交通安全。立体交叉有分离式和互通式两种。

立体体交叉交叉口的选型应根据道路的布置、相交道路的等级、设计小时交通量、交通性质及组成和交通组织措施等确定。路基路堤路堑半填半挖路基道路行车路面下的基础，由土、石构成的带状的土工构筑物。三个基本要求：强度、稳定性、水稳性。设计内容包括：横断面形状、边坡坡度、排水系统及其构造物、边坡稳定性分析和防护与加固设计。4.2.2道路的结构组成路基横断面的典型形式有路堤、路堑和半填半挖路基三种类型。路堤指的是高于原地面，全部采用岩土填筑而成的路基。根据填土高度及岩土体的性质不同，路堤可分为矮路堤、一般路堤和高路堤几种形式。

路堤矮路堤一般路堤浸水路堤挖沟填筑路堤路堑全部由地面开挖出的路基称为路堑。分为全路堑、半路堑和半山洞三种。半填半挖路基在一个横断面内，部分为路堤、部分为路堑的路基。路面是又称行车部分，是路基表面用各种材料分成铺筑的构筑物。须具有足够强度和稳定性，表面平整和抗滑性能良好。路面按其力学性质分为柔性路面和刚性路面两大类。路面的常用材料有沥青、水泥、碎石、粘土、砂、石灰及其它工业废料等。

沥青路面施工沥青路面施工碾压微表处稀浆封层雾封层路面等级面层类型适用的道路等级高级路面水泥混凝土路面沥青混凝土路面高速公路、一级和二级、城市快速路、主干道次高级路面沥青上拌下贯式乳化沥青碎石混合料热拌沥青碎（砾）石混合料沥青表面处治二级三级中级路面碎（砾）石（泥结或级配）半整齐石块水结碎石四级低级路面粒料改善土四级

面层直接承受行车荷载和大气作用。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：作用是为加强面层与基层的联结，提高面层的抗疲劳能力。

基层：一般用碎（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。道路排水工程为了确保路基稳定，免受地面水和地下水的侵害，公路还应修建专门的排水设施。地面水的排除系统按其排水方向不同，分为纵向排水和横向排水。纵向排水：边沟、截水沟和排水沟等。横向排水：涵洞、路拱、过水路面、透水路堤和渡水槽等。排水设施类型设置位置主要功能边沟设置在挖方路段的路肩外侧或低路堤坡脚外侧，走向与路中线平行用以汇集和排除路基范围内和流向路基的少量地面水截水沟设置在挖方路段边坡坡顶以外或山坡路堤上方的适当位置用以拦截路基上方流向路基的地面水，减轻边沟的水流负担，保护挖方边坡和填方坡脚不受水流冲刷排水沟布置结合地形条件，因势利导，一般离路基尽可能远，纵坡一般不大于3%，大于7%时改用跌水或急流槽用以排除来自边沟、截水沟或其他水源的水流，将其引至路基范围外的指定地点跌水与急流槽设置于陡坡地段，为人工排水渠的特殊形式，沟底纵坡可达100%用以排除由于纵坡大，水流湍急、冲刷作用严重陡坡地段处的水流，可消能以减缓水流主要地面排水设施排水沟重力式挡土墙锚定板挡土墙锚杆挡土墙扶壁式挡土墙防护工程及其他管理设施

道路工程沿线设置有众多的工程设施和管理设施，包括桥梁、涵洞、隧道、防护与加固工程等结构设施。防护与加固工程主要是以防护易于冲蚀的土质边坡和易于风化的岩石边坡，或防止路基、山体因重力作用而坍滑的工程构造物，按其作用不同，可以分为坡面防护、沿河路基防护和支挡构造物等，常用支挡结构示意如图所示。

此外，为了保证行车安全、迅速、舒适和美观，还需设置交通服务设施、管理设施、安全设施及环境美化设施等。4.2.3铁路的轨道组成传统的轨道结构一般由钢轨、轨枕、联接零件、道床、防爬设备和道岔等组成，如图4.24所示。轨道的零部件采用不同力学性能的材料，有利于取得最佳的技术经济性能。9.2铁路的组成铁路工程是指铁路上各种土木工程设施和修建铁路各个阶段所运用技术和管理的总称。铁路1、线路2、路基3、上部建筑4、附属设施作用承受车重、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。木轨枕钢筋混凝土轨枕钢轨道床道岔铁路工程上部结构位于铁路路基之上，承受车轮传来的荷载并传递给路基，引导机车车辆按一定方向运转，保证列车运行的安全、平稳和舒适。道床指轨枕下面，路基面上铺设的道碴垫层。主要作用：分压，约束轨道框架，增弹减振，排水，方便维修养护。一般采用碎石材料修筑。随着高速重载运输的发展，轨道结构型式也随之发生变化，出现了焊接长钢轨轨道(亦称无缝线路轨道)及无碴轨道等新型轨道结构型式桥上无碴轨道

道岔区无碴轨道通达城市各个地区，供城市内交通运输及行人使用的，便于居民生活、工作及文化娱乐活动，并与城市外道路连接承担对外交通的道路称为城市道路。为了适应城市的人流和车流顺利运行，城市道路应具有如下功能：适当的路幅坚固耐久，平整抗滑的路面少扬尘、少噪声便利的排水设施充分的照明设施足够宽的人行道、绿化带、地上杆线、地下管线等。4.3城市道路

车行道分隔带照明路侧带道路类别主要功能布局要求快速路为城市中大量、长距离、快速交通服务要求对向车行道之间设中间分车带，其进出口应采取全控制或部分控制。路两侧建筑物的进出口应加以控制主干路为连接城市各主要分区的干线，以交通功能为主自行车交通量大时，宜采用机动车与非机动车分隔形式，如三幅路或四幅路。路两侧不应设置吸引大量车流、人流的公共建筑物的进出口次干路与主干路配合组成道路网，起集散交通的作用，兼有服务功能自行车交通量大时，宜采用机动车与非机动车分隔形式，如三幅路或四幅路支路为次干路与街坊路的连接线，解决局部地区交通，以服务功能为主可采用机动车与非机动车混合行驶方式，如单幅路城市道路的主要类别城市道路的主要类别城市道路横断面的组成机动车道、非机动车道、人行道、绿带、排水设施、各种管线工程等。基本形式：单幅路三幅路双幅路四幅路俗称“一块板”断面，各种车辆在车道上混合行驶。俗称“两块板”断面，在车道中心用分隔带或分隔墩将车行道分为两半，上、下行车辆分向行驶。俗称“三块板”断面，中间为双向行驶的机动车道，两侧为靠右行驶的非机动车道。俗称“四块板”断面，在三幅路基础上，再将中间机动车车道分隔为二，分向行驶。

高速铁路是指营运速率达每小时200公里以上的铁路系统。日本高速铁路“新干线”诞生于1964年。当时的东京至大阪“东海道”线仅用8年时间就收回全部投资。此外，欧洲的德国、英国、意大利、西班牙和比利时等国和亚洲的韩国、中国、中国台湾也纷纷修建了高速铁路连接各主要城市及周边地区。4.4高速铁路和重载运输速度等级时速常速100-120公里中速120-160公里准高速160-200公里高速200-400公里超高速400公里以上节省能源保护环境安全

经济效益高舒适省时高速铁路的优点高速铁路的基本要求线路多为复线；站间距离不能太短；线路曲线半径和坡度的大小，决定了这条线路的最高速度，因此，高速铁路的线路尽可能平直；高速铁路的道口都是采用立交，而且铁路两侧用栅栏防护，以防人、畜上路；高速旅客列车一般采用电动车组；高速列车应设计为流线型，而且整个列车构成一个流线型整体；京沪高速铁路在2008年初开工，预计2010年投入运营。京沪高速铁路是中国铁路规划投资规模最大、技术含量最高的一项工程，建成后也将是中国第一条具有世界先进水平的高速铁路。这个总长1318公里的交通工程预算资金为2200亿元。京沪高速铁路城市道路的主要类别万吨重载列车行驶在大秦铁路

底特律1.8km超长列车铁路重载货物运输的主要特点是列车编组加长，重量加大，实现全程直达运输。通过采用大功率交流传动机车、大轴重和低自重货车、列车控制同步操纵等技术，使铁路运量大、成本低的优势更加凸现，大幅提高铁路在中长距离、大宗货物运输市场的竞争力。货运重载化成为世界铁路发展的重要方向之一。

作为现代货运方式的重载运输，在运送大宗货物上显示出其高效率、低成本的巨大优势，是铁路运输规模经济和集约化经营的典范。城市轨道交通系统简称城轨系统，依据世界各地的用语不同，也可称为地铁、捷运等，但其基本定义需满足以下五个条件：①必须是大众运输系统；②必须位于城市之内；③必须以电力或者内燃机驱动；④必须行驶于轨道之上；⑤班次必须相对密集。4.5现代城市轨道交通系统特点：用地省；运能大，轨道线路的输送能力是公