ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ

ПРИ ИЗЫСКАНИЯХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Понятие о трассировании линейных сооружений

Линейными называют сооружения, имеющие большую протяжённость при сравнительно малой ширине. К таким сооружениям относятся, в частности, железные и шоссейные дороги. Ось линейного сооружения называется трассой.

В плане трасса состоит из прямых участков, соединяемых кривыми постоянного и переменного радиусов кривизны. В своём продольном профиле трасса состоит из прямых линий разного уклона, соединяемых вертикальными кривыми.

Основное требование, предъявляемое к дорожным трассам, это - обеспечение плавности и безопасности движения с заданными скоростями. Поэтому план трассы и её профиль должны отвечать определённым требованиям, которые регламентируются техническими условиями на проектирование, где задаются предельно допустимые (руководящие) уклоны, минимально возможные радиусы кривых и другие элементы. Вместе с тем трасса должна проходить так, чтобы обеспечивались наименьшие расходы на строительство дороги и последующую её эксплуатацию.

Комплекс работ по определению положения трассы называется трассированием. Сначала выполняется камеральное трассирование - проектирование трассы по топографическим планам и картам или материалам аэрофотосъёмки. При выборе положения трассы в равнинной местности отклоняться от прямого направления между заданными опорными пунктами вынуждает необходимость обходить препятствия (водотоки, болота и др.), участки с застройкой, ценные для народного хозяйства и заповедные земли. В горной местности положение трассы диктуется рельефом. Здесь приходится часто менять направление трассы, двигаясь напряжённым ходом, то есть по линии с предельно допустимым уклоном. В сложных случаях намечают несколько вариантов трассы и после тщательного их анализа выбирают лучший.

Окончательное положение трассы устанавливают в ходе полевых изысканий. Проект трассы выносят на местность. Вершины углов поворота - точки пересечения смежных прямых – выносят измерениями от пунктов геодезической основы или от ближайших чётких контуров, показанных на карте. Установив вехи на линии между соседними углами поворота, обследуют местность по трассе. При наличии препятствий линию смещают. Окончательное положение вершин углов закрепляют.

Разбивка трассы

Закрепление и измерение углов. Выбранную трассу надёжно закрепляют на местности. Вершину угла, образуемого прямыми линиями трассы, закрепляют забиваемым вровень с поверхностью земли колом (рис. 15.1, а). На расстоянии 1 м от кола с внешней стороны угла на его биссектрисе устанавливают столб с затёсом. На затёсе, обращённом в сторону вершины угла, делают надпись, указывающую номер вершины угла, год, угол поворота трассы, радиус вписываемой в угол кривой, расстояние от начала трассы. Измеряют расстояния от вершины угла до расположенных вблизи приметных местных предметов (дерево, угол здания, валун и др.) и показывают их на абрисе - схеме, составляемой для облегчения отыскания вершины угла в последующем, особенно в случае разрушения опознавательного столба.

Над колом, закрепляющим вершину угла, устанавливают теодолит и измеряют лежащий справа по ходу трассы угол b между направлениями на соседние вершины углов. Измерение выполняют одним приёмом с точностью 0,5¢. Угол поворота трассы (рис. 15.2) вычисляют по формулам:

α_пр = 180°- b₂ (при повороте трассы вправо: b < 180°) или

α_лев = b₃ - 180° (при повороте трассы влево: b > 180°).

Для контроля буссолью измеряют магнитные азимуты линий.

Рис. 15.1 Закрепление точек на трассе:

а – закрепление вершины угла: 1 – кол; 2 – столб;

б – закрепление пикета и плюса: 1 – кол; 2 – сторожок

Рис. 15.2 Углы поворота трассы

Разбивка пикетажа и измерение длин линий. Расстояния между вершинами углов поворота трассы измеряют светодальномером или мерной лентой. Измерение выполняют дважды с предельной относительной погрешностью измерений не более 1:1000-1:2000. В ходе одного из измерений трассу разбивают на отрезки длиной 100 метров по горизонтальному проложению. Конец каждого отрезка - пикет; его закрепляют, забивая вровень с землёй кол. Впереди него по ходу трассы на расстоянии 20-25 см забивают второй, возвышающийся над поверхностью земли кол - сторожок (рис. 15.1, б). На сторожке надписывают порядковый номер пикета, например, ПК13, что означает: номер пикета - 13, расстояние от начала трассы - 1300 м.

Чтобы получить 100-метровые горизонтальные проложения, следует, учитывая наклон местности, увеличивать длину откладываемых наклонных отрезков. Поэтому в них вводят поправки за наклон со знаком плюс. Часто вместо введения поправок, натягивая мерную ленту, удерживают её в горизонтальном положении и проектируют отвесом её приподнятый конец на землю. Чтобы лента меньше провисала, поддерживают её в середине.

Кроме пикетов, колышком и сторожком закрепляют плюсовые точки (или просто "плюсы"), где на трассе изменяется наклон местности. На сторожке в этом случае пишут номер предыдущего пикета и расстояние от него в метрах, например ПК13+46, что означает 46 м после пикета № 13 или 1346 м от начала пикетажа.

Плюсовыми точками фиксируют также места пересечения трассой любых сооружений, дорог, линий связи, водотоков, границ угодий и т. д.

Поперечники.Там, где местность имеет заметный (более 1:5) поперечный уклон, на каждом пикете и плюсовой точке разбивают перпендикуляры к трассе, называемые поперечниками. Поперечники разбивают в обе стороны длиной 15-30 м с таким расчётом, чтобы обеспечить съёмкой всю ширину полосы местности под будущие сооружения дороги (земляное полотно, водоотводные устройства, здания и пр.). Конечные точки поперечника закрепляют точкой и сторожком, плюсовые точки, располагаемые в местах изменения наклона местности, - только сторожком. На сторожках пишут расстояние от оси трассы с буквой "П" (справа от оси трассы) или "Л" (слева от оси трассы).

Плановая привязка трассы. Начало и конец трассы привязывают к пунктам государственной геодезической сети, например, с помощью теодолитных ходов. В результате измеренные на трассе углы и расстояния совместно с ходами привязки образуют единый разомкнутый теодолитный ход. Это позволяет проконтролировать правильность выполненных линейных и угловых измерений и вычислить координаты вершин углов поворота трассы.

На длинной трассе привязку к государственной геодезической сети выполняют не реже чем через 25 км, а при удалении пунктов от трассы более чем на 3 км - не реже чем через 50 км.

Съёмка полосы местности. В ходе разбивки пикетажа выполняют съёмку ситуации в полосе местности шириной по 100 м в обе стороны от оси трассы. При этом полосу шириной 25 м вправо и влево снимают инструментально - главным образом, методом перпендикуляров, а дальше - глазомерно. Результаты съёмки в виде абриса масштаба 1:2000 заносят в пикетажный журнал, изготовляемый из листов миллиметровой бумаги размером 10´15 см.

По середине листа проводят вертикальную прямую, изображающую ось трассы. На ней штрихами отмечают положение пикетов и плюсов и рядом подписывают их значения. Каждая новая страница начинается с пикета, которым закончена предыдущая. В местах поворота трассы стрелкой показывают направление поворота и надписывают румб следующей прямой. На свободном месте пишут основные элементы кривой. Показывают расстояния от местных предметов до оси трассы и габариты строений. Делают записи о типе дорог, характеристике леса, карьерах - обо всём, что может иметь значение для предстоящего строительства.

Круговые и переходные кривые

Круговые кривые.Железнодорожные линии (также и автомобильные дороги) в плане состоят из прямолинейных участков, сопряжённых между собой кривыми. Наиболее простой и распространённой формой кривой является дуга окружности. Такие кривые носят название круговых кривых. На железных дорогах применяют круговые кривые со следующими радиусами: 4000, 3000, 2000, 1800, 1500, 1200, 1000, 800, 700, 600, 500, 400 и 300 м. Радиус кривой выбирают при проектировании дороги, руководствуясь конкретными техническими условиями.

Главными точками кривой, определяющими её положение на местности, являются вершина угла ВУ, начало кривой НК, середина кривой СК и конец кривой КК (рис. 15.3).

Рис. 15.3 Схема круговой кривой

Основные элементы кривой – её радиус R и угол поворота a. К основным элементам относятся также:

– тангенс кривой Т (или касательная) - отрезок прямой между вершиной угла и началом или концом кривой;

– кривая К - длина кривой от начала кривой до её конца;

– биссектриса кривой Б - отрезок от вершины угла до середины кривой;

– домер Д - разность между длиной двух тангенсов и кривой.

Во время изысканий угол a измеряют, а радиус R назначают. Остальные элементы вычисляют по формулам, вытекающим из прямоугольного треугольника с вершинами ВУ, НК, О (центр окружности):

Т = R×tg(a/2); К = R×a = p R a°¤180°; Б = R [sec(a/2) - 1], (15.1)

где a° - угол поворота в градусах.

Домер вычисляют по формуле

. (15.2)

Вместо вычислений по формулам можно воспользоваться таблицами для разбивки кривых на железных дорогах, где по заданным радиусу и углу поворота сразу находят значения Т, К, Б и Д.

В месте поворота трассы пикетаж ведётся по кривой. Пикетажное положение главных точек кривой определяют по формулам:

ПК НК = ПК ВУ - Т; ПК КК = ПК НК + К; ПК СК = ПК НК + К/2. (15.3)

Правильность вычислений контролируют по формулам:

ПК КК = ПК ВУ + Т - Д; ПК СК = ПК ВУ + Д/2. (15.4)

Пример.

Измерено a = 18°19¢ и задан радиус R = 600 м. Вершина угла расположена на пикете 6 + 36,00.

По формулам (15.1) и (15.2) или по таблицам находим элементы кривой: Т = 96,73 м; К = 191,81 м; Д = 1,65 м; Б = 7,75 м.

Вычислим пикетажное положение главных точек:

Контроль:

ПК ВУ 6 + 36,00 ПК ВУ 6 + 36,00

- Т 96,73 + Т 96,73

ПК НК 5 + 39,27 7 + 32,73

+ К 1 + 91,81 - Д 1,65

ПК КК 7 + 31,08 ПК КК 7 + 31,08

ПК НК 5 + 39,27 ПК ВУ 6 + 36,00

+ К/2 95,90 - Д/2 0,82

ПК СК 6 + 35,17 ПК СК 6 + 35,18

Переходные кривые.Непосредственное сопряжение прямого участка пути с круговой кривой приводит к тому, что во время движения поезда в месте сопряжения внезапно возникает центробежная сила F, прямо пропорциональная квадрату скорости движения v и обратно пропорциональная радиусу кривой . Чтобы обеспечить постепенное нарастание центробежной силы, между прямой и круговой кривой вставляют переходную кривую, радиус кривизны r которой плавно изменяется от ¥ до R. Если положить, чтобы центробежная сила менялась пропорционально расстоянию s от начала кривой, то получим

,

где s и r - текущие значения расстояния от начала переходной кривой и ее радиуса кривизны;

R – радиус кривизны в конце переходной кривой.

Индексом k отмечены значения переменных в конце переходной кривой.

Для радиуса кривизны переходной кривой в текущей точке i найдём:

r = lR/s, (15.5)

где через l обозначена длина переходной кривой s_k. Кривая, описываемая уравнением (15.5), в математике называется клотоидой, или радиоидальной спиралью.

Угол поворота трассы на переходной кривой. На бесконечно малом отрезке кривой ds (рис. 15.4, а) происходит поворот трассы на угол

.

Подставляя выражение радиуса кривизны r из (15.5), получим

.

Выполним интегрирование от начала кривой НК, где j = 0 и s = 0, до текущей точки i:

,

откуда

Rlj = s²/2.

Рис. 15.4 Схема переходной кривой:

а – углы поворота трассы: φ – в текущей точке i, β – в конце

переходной кривой (точка КПК); б - приращения координат

Из полученного уравнения вытекают формулы:

; ; l = 2Rb, (15.6)

где b - угол поворота трассы в конце переходной кривой;

l - длина переходной кривой;

R - радиус кривизны в конце переходной кривой, равный радиусу следующей за нею круговой кривой.

Координаты точки переходной кривой. Совместим начало координат с началом переходной кривой и направим ось x по касательной к ней (см. рис. 15.4, а). Бесконечно малому приращению дуги кривой соответствуют бесконечно малые приращения координат (рис. 15.4, б):

dx = cosj×ds; dy = sinj×ds. (15.7)

Разложим синус и косинус в ряд и, удержав в разложениях по два члена, подставим в них выражения для j из (15.6):

cosj = 1-j²/2 = 1 - s⁴/(8R²l²);

sinj = j - j³/6 = s²/(2Rl) - s⁶/(48R³l³).

Подставляя полученные выражения в (15.7) и выполняя интегрирование, найдём:

; (15.8)

. (15.9)

Смещение начала кривой (сдвижка). На рис. 15.5 дуга НК-КПК представляет собой переходную кривую, переходящую после точки КПК в круговую. Продолжим круговую кривую до точки Q, где её направление, параллельно оси x. Обозначим через m смещение, параллельное оси x, начала переходной кривой относительно точки Q, в которой начиналась бы круговая кривая при отсутствии переходной. Через p обозначим смещение в перпендикулярном направлении. Из рис. 15.5 видно:

,

где x_КПК и y_КПК - координаты конца переходной кривой, вычисляемые по формулам (15.8) и (15.9) с аргументом s = l .

Сочетание круговой кривой с переходными.На рис. 15.6 показана кривая, поворачивающая трассу на угол a и состоящая из круговой части с радиусом R и двух переходных кривых одинаковой длины l.

Рис. 15. 5 Смещение начала переходной кривой	Рис. 15.6 Сопряжение круговой кривой с переходными

Если бы не было переходных кривых, в образованный прямыми линиями трассы угол была бы вписана дуга окружности радиуса R, равная Q-СК-Q₁ и имеющая длину K = Ra.

При наличии переходных кривых на каждой из них происходит поворот трассы на угол b, отчего на долю круговой кривой приходится поворот на угол a-2b. Поэтому суммарная длина кривой равна

K_c = R (a-2b) + 2l = Ra - 2Rb + 2l = K - l + 2l = K + l.

Тангенс и биссектриса определяются по формулам:

Т_с = T + m + T_p; Б_c = Б + Б_p,

где Т_p = ptg(a/2); Б_p = psec(a/2).

Домер в этом случае равен

.

В полевых условиях значения m,Т_p и Б_p вычисляют на микрокалькуляторе или выбирают из таблиц для разбивки кривых на железных дорогах. Пикетажное положение главных точек кривой вычисляют по формулам, аналогичным (15.3) и (15.4).

Разбивка кривых на местности

Разбивка главных точек кривой. Закрепив на местности вершину угла и предшествующие ему пикеты, закрепляют главные точки кривой.

Середину кривой СК закрепляют, отложив от ВУ по направлению биссектрисы отрезок, равный Б (или Б_с).

На новом после вершины угла направлении трассы откладывают величину домера, после чего продолжают разбивку пикетажа. Обеим точкам домера (его началу и концу) присваивают одно и то же пикетажное наименование, благодаря чему пикетаж точки КК совпадает с пикетажем, считаемым по кривой.

Положение начала кривой НК и конца кривой КК определяют, используя разбитый пикетаж. Например, если ПК НК = 5 + 39,27, то от пикета № 5 откладывают вперёд 39,27 м и здесь колышком и сторожком закрепляют точку НК.

Детальная разбивка кривых.При детальной разбивке кривую закрепляют на местности через 10 или 20 м, применяя разные способы.

Способ ординат от касательной для круговой кривой. Для каждой точки i (рис. 15.7, а), задавая расстояние k от начала кривой, вычисляют ее координаты:

x = R sinj; y = R (1 – cosj). (15.10)

Здесь угол j выражен в радианах и равен j = k/R.

Разбивку кривой ведут от ее начала и от конца к середине. Мерной лентой по оси x откладывают длину кривой k, от полученной точки отступают назад на величину k–x и здесь строят перпендикуляр – ординату y. Значения k–x и y обычно выбирают из таблиц для разбивки кривых.

а) б) в)

Рис. 15.7 Детальная разбивка кривых:

а – способом ординат от касательной для круговой кривой;

б – то же, для переходной и следующей за ней круговой кривой;

в – разбивка кривой электронным тахеометром

Способ ординат от касательной для переходной и следующей за ней круговой кривой (рис. 15.7, б). Для точек, расположенных в пределах переходной кривой, то есть при k £ l, координаты x, y вычисляют по формулам (15.8) и (15.9), принимая s = k. Для точек i, расположенных на круговой кривой, где k > l, вычисления выполняют по формулам:

l = k – l; d = l/R; j = b + d;

x = m + R sinj; y = p + R (1 - cosj). (15.11)

Действия при разбивке кривой на местности аналогичны тем, что выполняют при разбивке круговой кривой.

Разбивка кривой с помощью электронного тахеометра. Выбирают на местности такую точку T (рис. 15.7, в), где обеспечена видимость точек будущей кривой и ее начала НК. В точке НК измеряют угол g и расстояние d. Вычисляют координаты точки Т:

x_T = d cosg; y_T = d sing.

По приведенным выше формулам вычисляют координаты точек кривой x_i, y_i (i = 1, 2, …).

Электронный тахеометр устанавливают в точке Т. Зная координаты точек Т, НК и i, вычисляют разбивочные элементы - углы b_i и расстояния d_i. Построив тахеометром вычисленные углы и расстояния, находят и закрепляют положение точек кривой на местности.