Лекция 16 Тема: "Проектирование дорог в горной местности"
Изыскания, проектирование и строительство горных дорог представляет значительные трудности. Из-за сложного рельефа местности, крутых и неустойчивых склонов и необходимости преодоления больших разностей высот, выбор трассы дороги требует большого внимания и часто небольшое смещение трассы по склону резко меняет объёмы работ.
При строительстве дорог в горах приходится выполнять большие объёмы скальных работ, применяя взрывчатые вещества, устраивать подпорные и одевающие стенки. При неблагоприятных геологических условиях – оползнях, осыпях, селевых выносах, необходима постройка специальных сооружений, обеспечивающих устойчивость земляного полотна.
Направления проложения дорог в горах определяются расположением горных хребтов, являющихся водоразделами бассейнов больших рек. Переход дороги из одного речного бассейна в другой возможен только через понижения горных хребтов – седловины. Для дорог в горной местности характерно следующее проложение трассы: вначале по долине горной реки, вверх к её истокам, затем подъём по горным склонам к седловине и переход на перевальном участке в долину другой реки.
В горных районах проявляется вертикальная зональность – существенное различие климатических условий на разных высотах над уровнем моря.
Температура воздуха в горах ниже, чем в долинах. Понижение составляет примерно 0,5о С на 100 метров подъёма. Наблюдаются случаи и обратного распределения температуры (инверсия), когда в замкнутых долинах и низинах собирается более плотный холодный воздух.
Температура горных склонов зависит от их экспозиции по сторонам света. Южные и юго-западные склоны, хорошо прогреваемые солнцем, быстро освобождаются от снега и просыхают. На северных и северо-восточных склонах снег сохраняется до лета. В таких же условиях находятся и откосы земляного полотна.
Количество осадков, выпадающих в горах, возрастает по мере возвышения над уровнем моря на 40 – 60 мм на каждые 100 м высоты, достигая максимума в зоне интенсивного образования облаков. В летние месяцы в горах выпадают ливни большой интенсивности, иногда составляющие до 15 – 20 % годового количества осадков.
Давление воздуха изменяется с высотой. Изменение давления на 1 мм ртутного столба соответствует разности высот, называемой “барометрической ступенью”, величина которой в зависимости от давления и температуры воздуха колеблется от 10 до 17 метров.
На больших высотах (3000 – 4000 м) наблюдаются частые ветры со скоростями 25 – 30 м/сек. На таких высотах температура воздуха отрицательна в течение семи-восьми месяцев в году, а среднегодовая температура составляет минус 4 – 5оС.
Устойчивость горных склонов (рис.1)
В горных районах почвенный покров имеет незначительную толщину, а на крутых склонах коренные горные породы выходят на дневную поверхность и бывают покрыты сверху продуктами выветривания.
Осадочные породы, сложенные пластами, часто залегают в виде складок, обращённых выпуклостью вниз (синклинали) или вверх (антиклинали). Встречаются разные наклоны пластов, от горизонтальных до почти вертикальных, разрывы пластов, сдвиги и сбросы. Пласты известняков и песчаников могут разделяться прослойками глины, при насыщении которой влагой возможны сдвиги – оползни вышележащих пластов.
Многообразные классификационные разновидности залегания пластов применительно к проложению дорог по склонам могут быть сведены к нескольким схематизированным типам: горизонтальное залегание пластов; падение пластов в сторону склона; падение пластов внутрь склона; прислонное залегание более молодых пород.
При врезке полотна дороги в склон, откос выемки прорезает напластования, изменяя напряжённое состояние склона, сложившееся в течение его длительной геологической истории. У контуров врезки в горные породы, аналогично отверстиям и вырезам в деталях машин, возникает концентрация напряжений. Сплошность отдельных слоёв нарушается, и устойчивость, ранее создаваемая в результате опирания, начинает обеспечиваться только сопротивлением сдвигу внутри слоя и по контакту с подстилающими слоями. В некоторых случаях обнажённые слои, ранее закрытые более устойчивыми породами, начинают быстро выветриваться.
При подрезании слоёв на склонах особенно опасны осадочные породы, в толще которых могут залегать прослойки глины, теряющей сцепление при проникании воды, а также метаморфические сланцы.
Изверженные породы более прочны и могли бы быть устойчивы в откосах при любом направлении напластований. Однако, поскольку в поверхностных слоях они всегда в той или иной степени трещиноваты в результате выветривания и тектонических процессов, необходимо считаться с возможностью потери устойчивости отдельных массивов, выделенных трещинами. Активизации и развитию этих процессов способствует производство скальных работ взрывным способом, при котором образуются трещины.
Формы нарушения устойчивости склонов и откосов: осыпание крутых склонов продуктов выветривания; обвалы отдельных камней и обломков с уступов в трещиноватых скалистых породах; сплав поверхностных слоёв грунтовых склонов в результате переувлажнения; пластичное оползание глинистых склонов со скоростью в несколько сантиметров в год; обрушение части однородной грунтовой толщи при чрезмерной крутизне откоса по поверхности скольжения; смещение части грунта по подстилающим поверхностям в результате потери сцепления в зоне контакта; обрушение с образованием вертикальной трещины и боковым смещением отделившегося блока в результате выжимания слабых подстилающих грунтов.
Проложение дорог по долинам рек
При всей индивидуальности различных горных хребтов, вызываемой особенностями их геологического строения, с точки зрения принципов трассирования дорог, можно выделить четыре характерных случая: предгорья, горные долины, горные склоны, водораздельные седловины или плато.
Проложение дорог по горным долинам – наиболее частый случай трассирования горных дорог. Это объясняется их сравнительно малыми продольными уклонами и близостью трассы к населённым пунктам, как правило, расположенным вблизи водотоков. Речные долины в горах имеют извилистые берега: уклоны долин увеличиваются по мере приближения к истокам реки. Большие скорости течения воды вызывают значительные размывы дна и склонов долины в верховьях. В виду смены напластований, а также из-за различной твёрдости скальных пород на дне долины размыв происходит неравномерно.
Для трассы в горных долинах характерны сравнительно малые продольные уклоны, поскольку уклоны горных рек обычно меньше уклонов, допускаемых на горных дорогах. Лишь в верховьях водотоков при переходе дороги из долины на перевальный участок продольные уклоны могут оказаться больше максимально допустимых.
Направление трассы при долинном ходе в плане определяется извилистостью склонов речной долины, впадающими в неё водотоками, неустойчивыми участками склонов, наличием скальных выступов, которые необходимо огибать или проходить тоннелями. В связи с ограниченной возможностью смещения трассы в боковом направлении, долинные ходы относят к категории “стеснённых” или “вынужденных в плане”.
При строительстве дорог в речных долинах приходится устраивать подпорные и укрепительные стенки на участках проходящих по косогорам, специальные сооружения для защиты от снежных заносов и обвалов. Земляное полотно необходимо располагать выше максимального горизонта воды, исключать возможность его размыва, укрепляя речной откос.
Для уменьшения объёма земляных и в особенности скальных работ, трассу желательно прокладывать по наиболее пологой части склонов.
Возможно проектировать трассу по нескольким вариантам.
-с пересечением водотока вблизи впадения в реку, по конусу выноса. Этот вариант неудобен тем, что в пределах конуса выноса, водоток обычно разбивается на несколько часто меняющих своё направление русел. Отверстия мостов, которыми перекрывается русло, быстро забиваются. Приходится устраивать многопролётные мосты с глубокими опорами, устойчивыми к размывам;
-с пересечением несколько выше конуса выноса, в пределах транзитной зоны впадающего водотока, где отложения наносов не происходит. Несмотря на удлинение трассы и необходимость строительства большого моста, который желательно располагать на кривой, при этом решении удаётся получить трассу с достаточно большими радиусами кривых, удобную для движения автомобилей;
-с глубоким заходом в боковую долину в целях уменьшения величины искусственного сооружения и сокращением объёмов земляных работ на подходах. Однако снижение объёма земляных работ достигается ценой резкого ухудшения условий движения автомобилей из-за увеличения пути пробега и кривых малых радиусов при въезде на мост, расположенный в узкой долине.
При интенсивных селевых выносах на пересекаемом ущелье и неустойчивых его склонах может быть рассмотрен вариант переноса трассы на другой берег долины. Такое решение связано с необходимостью постройки моста через реку и требует весьма серьёзных экономических обоснований.
Наилучшее в каждом конкретном случае решение выбирают на основе технико-экономического сопоставления вариантов.
При трассировании по склонам долины во всех характерных местах изменения крутизны косогора и в плюсовых переломных точках трассы снимают поперечные профили, на которых впоследствии вычерчивают поперечники земляного полотна для определения объёмов земляных работ и уточнения положения проектной линии.
Развитие трассы по склонам и перевальные дороги
Переходный участок от долинной трасы к перевальной характеризуется большими продольными уклонами местности. Для возможности проложения трассы приходится искусственно развивать её длину заходами в боковые долины. В отличие от проектирования долинной трассы, на участках развития, дорога прокладывается продольными уклонами, близкими к максимальным, с использованием каждой возможности набора высоты.
Перевальные участки характерны значительными продольными уклонами, большим количеством кривых, наличием обратных кривых – серпантин, большими объёмами скальных работ. На перевальных участках иногда приходится устраивать специальные инженерные сооружения (подпорные стены, снегозащитные галереи, а иногда тоннели и балконы).
Для пересечения горного хребта назначают перевалы с наименьшей высотой, расположенные близко к заданному направлению трассы и с удобными подходами, позволяющими развить трассу.
Многие перевалы расположены высоко над уровнем моря. Поэтому при проектировании перевальных дорог необходимо учитывать особенности работы автомобильных двигателей на высокогорных участках.
Основная особенность перевальных ходов – необходимость искусственного удлинения трассы (развитие трассы), вызванная тем, что уклон местности по прямому направлению обычно превышает заданный предельный уклон.
Линию развивают руководствуясь не предельным, а несколько меньшим уклоном, который можно назвать руководящим. Его принимают на 5 – 10 ‰ меньше предельного, учитывая неизбежность некоторого сокращения трассы при спрямлении.
Чем сложнее рельеф горного склона, тем больше необходимо снижать величину заданного уклона.
Выбор трассы на перевальных участках всегда ведут от перевала к долине. На верхней части склона, между перевалом и вершиной долины, трассу развивают зигзагами, прокладывая её максимально допустимыми уклонами, с устройством в вершинах углов петель или серпантин. В связи со сложностью работ в горной местности целесообразно вначале выбрать трассу по материалам аэрофотосъёмки или крупномасштабным планам в горизонталях, с тем, чтобы предельно облегчить работы на местности.
Для развития трассы намечают на основе анализа геологического строения местности наиболее пологие и устойчивые склоны.
На месте можно лишь ориентировочно наметить возможное направление дороги. Положив по склону магистральный ход, снимают план в горизонталях для полосы, шириной 100 – 150 м, по которому камерально проектируют трассу, обычно составляя несколько её вариантов. В пределах этой же полосы проводится инженерно-геологическая съёмка. Выбранный вариант затем переносят на местность и окончательно корректируют в процессе разбивки.
При изысканиях без предварительного проектирования по плану в горизонталях для проложения магистрального хода используют теодолит. Инструмент устанавливают в начальной точке трассы и придают зрительной трубе угол, соответствующий принятому предельному уклону. Затем трассировщик посылает речника по направлению будущей трассы на расстояние 50 – 100 м. На рейке условным знаком отмечают высоту инструмента. Заставляя речника передвигаться вправо или влево, трассировщик устанавливает рейку таким образом, чтобы пересечение нитей совпадало с отметкой на рейке. Если направление трассы меняется мало, с одной стоянки может быть установлено несколько реек. Затем теодолит переносят на место дальней рейки и выставляют рейки по новому направлению трасы. После развития трассы отдельные участки спрямляют и назначают углы поворота.
Проектирование серпантина (рис.2)
При развитии трассы по склону часто приходится назначать углы поворотов, при которых обычная разбивка кривых внутри угла невозможна, так как в связи с большой разницей в длинах кривой и тангенсов, участок кривой имел бы большой продольный уклон, для смягчения которого потребовались бы очень большие земляные работы. Закругление поэтому располагают с внешней стороны угла поворота. Такие закругления называют серпантинами.
Серпантины разрешается устраивать на дорогах II – V технических категорий. Серпантина состоит из основной кривой K, стягиваемой центральным углом γ, и обратных (вспомогательных) кривых. Между концами обратных кривых и основной кривой серпантины должно быть достаточное расстояние для размещения переходных кривых или прямых вставок, отгона виража и отвода уширения.
Расстояние между вершинами А и В – “шейка” серпантины при малой величине острия угла серпантины α определяется условиями размещения земляного полотна.
Расчёт элементов серпантины заключается в установлении величины отдельных её элементов и в проверке возможности размещения на местности земляного полотна с канавами и откосами.
Для расчёта элементов серпантины при определении длины трассы, задаются значениями радиусов основной и обратных кривых (R и r) и прямой вставки m, и находят угол поворота обратных кривых β. Длина тангенса обратной кривой связана с величиной угла поворота обратной кривой формулой:
Расстояние от вершины угла обратной кривой до начала основной кривой серпантины:
AE = T + m
Из треугольника AOE определяем:
где: R – радиус основной кривой серпантины, м.
Заменяя в предыдущей формуле tg(β) через β/2 и решая получающееся квадратное уравнение, находим:
что позволяет определить угол β.
Расстояние от вершины угла обратной кривой до вершины угла серпантины определяют из выражения:
Центральный угол γ, соответствующий основной кривой серпантины, равен:
а длина основной кривой серпантины:
Тогда полная длина серпантины, при длине обратной кривой Ko:
Если по условиям местности обратные кривые для лучшего согласования с рельефом местности целесообразно описать разными радиусами, для каждой обратной кривой ведут самостоятельный расчёт.
Рассмотренные серпантины, в которых обратные кривые расположены выпуклостью в разные стороны, называются серпантинами первого рода. В серпантинах второго рода обратные кривые обращены выпуклостью в одну сторону.
Неправильно сводить, как часто делают, проектирование элементов серпантины только к установлению геометрических элементов её трассы. Очертание серпантины зависит исключительно от конфигурации и геологического строения горного склона.
Поэтому необходимо его выбрать так, чтобы устойчивость полотна и условия движения были наилучшим образом обеспечены при наименьшем объёме строительных работ. Для устройства серпантин выбирают пологие участки устойчивых склонов, стремясь обеспечить разбивку основной кривой серпантины, возможно большим радиусом. На участке серпантины нужно снять план в горизонталях, чтобы камеральным путём найти наиболее целесообразное положение серпантины, смещая её в соответствии с особенностями рельефа. Наивыгоднейшее расположение и форму серпантины устанавливают путём сравнения вариантов.
Геометрические элементы серпантины назначают в зависимости от принятой скорости и интенсивности движения. При развитии трассы по склонам серпантины обычно располагаются вблизи одна от другой.
Наличие на дороге серпантин ухудшает её транспортные качества. На серпантинах приходится резко снижать скорость, а устройство их значительно удорожает строительство из-за больших объёмов земляных работ и необходимости устройства подпорных стен. Поэтому при проектировании горных дорог необходимо внимательно проанализировать возможности избежать серпантин.
Тоннели
При пересечениях горных хребтов, когда требования развития трассы приводят к значительному её удлинению и вынуждают использовать перевалы, закрывающиеся снегом на несколько месяцев, выгоднее провести трассу тоннелем.
Недостатком тоннельных вариантов является большая стоимость их строительства. При трассировании перевальных дорог обычно составляют несколько вариантов с различным проложением тоннеля по высоте.
Подходы к тоннелю начинают с устройства выемки. При благоприятных геологических условиях обычно принимают, что переход от выемки к тоннелю следует назначать при глубине выемки, равной по строительной и эксплуатационной стоимости одному погонному метру тоннеля. При строительстве выемок методом взрыва на выброс считают, что целесообразно переходить к тоннелю при глубине 20 – 35 м в зависимости от принятого сечения и длины тоннеля, гидрологических и гидрогеологических условий и стоимости строительства.
Поперечное сечение тоннеля назначают из условия обеспечения габарита мостов с ездой понизу, в случае необходимости устраивают каналы для вентиляции.
В плане и продольном профиле тоннели проектируют по тем же нормам, что и открытые участки автомобильных дорог, отдавая предпочтение расположению их на кривых. Радиусы кривых в тоннеле не должны быть менее 250 м. Продольный уклон в тоннелях не должен быть менее 4 ‰ и не более 40 ‰. При длине тоннелей до 300 метров, им придают продольный уклон в одну сторону, а свыше 300 м разрешается двухскатный с подъёмом к середине. Для складирования материалов и оборудования в тоннелях устраивают камеры шириной 2 м, глубиной 2 м и высотой 2,5 м, которые размещают в шахматном порядке через 300 м. При длине тоннеля 300 – 400 м предусматривают одну камеру в середине тоннеля.
В тоннелях длиной более 400 м необходима искусственная вентиляция. К очистке воздуха в связи с широким применением этилированных бензинов, продукты сгорания которых, содержат вредные примеси, предъявляют те же требования, что и на промышленных предприятиях. Скорость движения воздуха при вентилировании тоннелей должна быть не более 6 м/с. В последние годы вентиляцию в тоннелях на автомобильных дорогах делают не только для удаления окиси углерода, но и дыми от выхлопных газов автомобилей с дизельными двигателями, затрудняющего видимость.
Независимо от длины, все автомобильные тоннели должны иметь искусственное освещение. Освещённость тоннеля у входа на уровне проезжей части должна быть не менее: ночью – 10 люкс; днём у порталов – 300 люкс, а в середине тоннеля – 20 люкс.
Наблюдения показывают, что при въезде в длинный или криволинейный в плане тоннель, водитель, попадая с ярко освещённого открытого участка в слабо освещённый тоннель, на некоторое время теряет видимость (“явление светового порога”). Для его устранения входные участки ярко освещают или перекрывают сверху дорогу перед въездом в тоннель решётками (люверсами), постепенно снижающими освещённость покрытия.
При расчётах скоростей движения и тормозного пути на участках дорог, расположенных в тоннелях, следует учитывать следующие особенности:
-коэффициент сцепления выше, чем для открытых и влажных покрытий, и равен 0,4 – 0,5; так как в тоннелях проезжая часть предохранена от осадков за исключением коротких входных участков, куда автомобили могут заносить влагу и грязь;
-сопротивление воздуха больше из-за дополнительного сжатия струй воздуха в стеснённом зазоре между движущимися автомобилями и стенами тоннеля и турбулентности воздушного потока; сопротивление воздуха возрастает в тоннелях длиной более 500 м.
Поперечные профили горных дорог
Поперечный профиль земляного полотна горной дороги в значительной мере определяется круизной откоса.
В изверженных породах более крутые откосы назначают при сложении из плитообразных отдельностей при сравнительно густой сети горизонтальных и редкой сети вертикальных трещин, а также при столбчатых отдельностях, встречающихся в базальтах. Если пласты имеют наклон к дороге, откосы выемок должны соответствовать наклону пластов. При наклоне пластов в сторону от дороги или при горизонтальном расположении слоёв, откосы можно назначать близкими к вертикальным.
При назначении крутизны откосов в скальных породах необходимо учитывать предполагаемый способ производства работ. При взрывных работах зарядами большой мощности в глубоких минных колодцах и штольнях на большом расстоянии от центра взрыва, ранее монолитная прочная скала оказывается пронизанной густой сетью трещин, и, подвергаясь интенсивному выветриванию, осыпается. В таких случаях крутизну откосов нужно назначать применительно к трещиноватым горным породам.
Применяются следующие типы поперечных профилей на горных склонах.
Полунасыпь-полувыемка. Устраивается при крутизне косогора более 20 %. Для устойчивости насыпи на поверхности косогора делают уступы шириной до 2 м с откосом 1:0,25 и уклоном площадок в сторону косогора 30 – 40 ‰. Расположение дороги на косогоре в полунасыпи-полувыемке соответствует минимальным объёмам работ. Однако при отсыпке насыпной части земляного полотна на крутых горных склонах теряется большое количество грунта, бесполезно скатывающегося вниз. Уплотнять его трудно. Разделка склона ступенями часто не обеспечивает достаточно надёжной связи насыпи с естественным склоном. В результате осадки насыпной части земляного полотна, в покрытии иногда появляются продольные трещины.
На полке. Земляное полотно располагается исключительно в выемке. Поперечный профиль подобного типа, несмотря на увеличение земляных работ, обеспечивает полную устойчивость земляного полотна на устойчивых склонах.
С подпорной стенкой. При крутых склонах – более 30 – 35о – при устройстве насыпи на косогоре объём земляных работ резко увеличивается, так как её откос располагается под небольшим углом к склону. Поэтому прибегают к устройству подпорных стен, поддерживающих насыпь. Для защиты откосных выемок, сложенных из мергеля и сланцевых пород от воздействия атмосферных осадков и ветра, устраивают защитные или одевающие стены, которые прикрывают откос и имеют меньшие размеры.
Балконы из сборных железобетонных элементов. Устраиваются на обрывистых склонах, где смещение трассы в сторону горы вызывает значительные скальные работы на большом протяжении.
Выбор типа поперечного профиля земляного полотна в горной местности производится на основании сопоставления стоимости производства работ и надёжности конструкций.
Продольный профиль горных дорог
Основная особенность проектирования продольного профиля горных дорог заключается в необходимости всё время увязывать рабочие отметки с поперечным профилем земляного полотна на косогоре. В зависимости от поперечного уклона косогора, при одной и той же рабочей отметке по оси земляного полотна по краям его могут быть большие выемки или насыпи и даже может потребоваться устройство подпорных стен. Поэтому продольный профиль, составленный по отметкам оси полотна, не может полностью характеризовать конструкцию земляного полотна и объём земляных работ.
При проектировании продольного профиля необходимо на предварительно вычерченных поперечных профилях местности наносить по отметкам продольного профиля поперечный профиль земляного полотна. При этом стараются достигнуть такого продольного профиля, при котором трасса проходила бы с допускаемыми уклонами, а поперечные профили обеспечивали минимальный объём земляных работ или наиболее устойчивое расположение земляного полотна дороги по возможности без устройства дорогостоящих подпорных стен.
В зависимости от расположения поперечного профиля земляного полотна, отметки продольного профиля корректируют двумя способами:
-смещением трассы в плане в нужную сторону на плане в горизонталях, который может быть построен по данным поперечных профилей;
-изменением величины уклонов и шага проектирования в продольном профиле.
Первый способ связан с изменением числа и местоположения углов поворота. В стеснённых условиях плана при смещении трассы появляется необходимость изменения и прилегающих к ней участков. Иногда улучшение данного участка трассы приводит к ухудшению соседних.
Изменение проектной линии по второму способу – без изменения плана трассы – также очень сложная задача, особенно при стеснённом ходе, так как вызывает необходимость перепроектирования значительной части соседних участков.
В связи с ухудшением условий движения на кривых малого радиуса при проектировании продольного профиля уменьшают предельные продольные уклоны на участках кривых малых радиусов в плане.
На затяжных спусках горных дорог иногда происходят аварии, связанные с отказом тормозов автомобилей. В тех случаях, когда позволяет рельеф местности, рекомендуется в опасных местах устраивать тормозные карманы – аварийные съезды, на которых при движении на подъём по покрытию с большим сопротивлением движению, скорость движения автомобиля резко снижается.
Одновременно с проектированием продольного профиля разрешаются все вопросы водоотвода. Помимо искусственных сооружений, для пропуска воды проектируют нагорные, боковые и отводные канавы, намечая их положение на плане местности в горизонталях.