17.6.2. Трассирование в холмистой местности
Холмистый ландшафт. Этот ландшафт складывается из крупных элементов рельефа. Трассирование дороги в холмистой местности длинной прямой приводит к ненужному нарушению форм ландшафта при выполнении больших объемов работ, необходимых для обеспечения постоянства уклона. С другой стороны, экономия в земляных работах и проложение дороги по обертывающей проектной линии при примерно постоянной величине рабочих отметок приводит к нерациональному и неудобному для эксплуатации продольному профилю из чередующихся подъемов и спусков, сопряженных вертикальными кривыми малых радиусов при необеспеченной видимости.
Наиболее целесообразным является проложение трассы в виде плавной извилистой линии, вписывающейся в элементы рельефа и расположенной в переходной зоне между крупными элементами ландшафта (рис. 17.30) при обеспеченной видимости.
Рис. 17.30. Пример трассы дороги в холмистом ландшафте
Очертание элементов рельефа зависит от геологического строения местности. При сохранении общности в принципах проложения трассы и сопряжения ее элементов между собой, трассы автомобильных дорог в холмистых районах могут отличаться величиной радиусов кривых и характером их сочетания между собой. Поэтому, для рационального проложения трассы требуется глубокий анализ закономерностей структуры каждого ландшафта.
Дорога в холмистой местности обычно открыта для обзора на большом протяжении, особенно при взглядах вниз, при спуске с водоразделов, и на подъем, при пересечении водотоков. В то же время сложность рельефа предъявляет высокие требования к плавности сочетания с ними элементов плана, продольного и поперечного профилей дороги. Нарушение принципа сочетания элементов плана и профиля с элементами ландшафта в этом случае особенно резко бросается в глаза.
«Жесткое» трассирование дороги с радиусами кривых в плане и профиле, меньшими, чем размеры элементов рельефа, дает неспокойную, изломанную и неприятную на вид трассу. Насколько не гармонирует с общими условиями местности такая трасса, состоящая из длинных прямых и кривых малого радиуса, показано на рис. 17.31а. Отсутствие зрительной плавности дороги отражается в таких случаях и на условиях движения. Водителям кажется, что радиус кривых очень мал, приближаясь к ним, они снижают скорость и проезжают кривые медленнее, чем допускают их радиусы.
Рис. 17.31. Зависимость плавности вида дороги от соотношения элементов плана и профиля: а – «жесткая» трасса; б – плавная трасса
Совершенно иное впечатление создают трассы дорог, состоящие из сопряженных между собой плавных кривых, увязанных с основными естественными изгибами местности, соответствующих общему ритму рельефа и ландшафта и не подчиняющихся их мелким изменениям (рис. 17.31б).
Лучшей агитацией за повышение требований к плавности трассы является опыт эксплуатации участков дорог. В этом отношении очень поучительно строительство автомагистралей в Японии. Первая автомагистраль Кобе – Нагоя строилась без предъявления строгих требований к плавности трассы. Прямые участки составляют на ней 42% общей длины. Проанализировав условия движения по этой дороге и собрав отзывы пользующихся, строители приняли решение придать большую плавность продолжению трассы – дороге Нагоя – Токио, на которой длина прямых не будет превышать 5%.
Трассу можно считать однородной, если ее прямые и кривые участки не выглядят отдельными, взаимно независимыми элементами. Обычно для этого длина кривых должна превышать 20% общего протяжения дороги.
При трассировании дорог в холмистой местности главная трудность заключается в выявлении основных форм рельефа, с которыми должно быть увязано ее проложение, без подчинения мелким второстепенным элементам. Трасса должна складываться из минимально необходимого количества пологих кривых большого радиуса.
Чем выше категория дороги и шире ее земляное полотно, тем с более крупными элементами рельефа должна увязываться дорога. Это связано с тем, что для обеспечения плавности трассы при широком земляном полотне требуется использование кривых больших радиусов, чем при узком земляном полотне. Влияние пересекаемых дорогой небольших впадин и холмов должно нивелироваться планировочными работами и плавным сочетанием откосов земляного полотна с окружающей местностью.
Не рекомендуется сквозное («в лоб») пересечение холмов. Некрасивые вырезы в контурах холмов становятся менее заметны, если выемка пересекает хребет косо. При строительстве итальянской автомагистрали «Дорога Солнца», предназначенной преимущественно для автотуристов из северных стран Европы, в некоторых случаях из эстетических соображений отказывались от устройства глубоких выемок, заменяя их тоннелями, хотя это и удорожало строительство (рис. 17.32а). Также глубокие долины пересекают высокими виадуками (рис. 17.32б).
Рис. 17.32. Замена из эстетических соображений глубокой выемки тоннелем (а) или высокой насыпи виадуком (б)
Такое проектное решение более красиво и избавляет от необходимости устройства насыпи, позволяет уменьшить занимаемую площадь земли. Дорога получается с более высокими транспортно-эксплуатационными качествами, чем при обычно практикуемой спуске предельным уклоном по склонам и устройстве небольшого моста через водоток.
Весьма важной и трудной задачей трассирования дорог в холмистой местности является совместное решение их плана и продольного профиля как единой плавной пространственной линии. Элементы рельефа никогда не имеют геометрически правильных очертаний. Поэтому сочетание только прямых и круговых кривых не может обеспечить полного слияния трассы дороги с ландшафтом. Распространенный до сих пор принцип трассирования путем вписывания круговых кривых в изломы прямых ходов оказывается недостаточным для автомагистралей. Становятся необходимы более гибкие элементы трассы, которые могли бы плавно сочетать между собой более жесткие элементы – прямые и круговые кривые. Такими элементами являются переходные кривые большой длины, с помощью которых может быть обеспечено плавное вписывание дороги в рельеф местности.
Поэтому для проектирования автомагистралей стало характерным использование переходных кривых как самостоятельного элемента трассы, равноправного с прямыми и кривыми. Введение переходных кривых повышает оптическую плавность трассы (рис. 17.33).
Рис. 17.33. Улучшение вида дороги в перспективе при введении переходной кривой: а – дорога без переходной кривой; б – с переходной кривой
При близком расположении углов поворота между переходными кривыми практически не остается прямых участков. Поэтому при сильно пересеченном рельефе трасса дороги может включать только сопрягающиеся круговые и переходные кривые, практически без прямых вставок. Примером таких дорог являются построенные автомагистрали Германии. Радиусы кривых в плане на них находятся в пределах 1200-4000 м, но уменьшаются до 600-700 м в местах, где это необходимо для согласования с элементами рельефа. Многие кривые общей длиной 2-4 км состоят из дуг окружностей одного направления с радиусами 1000-6000 м (автомагистраль Франкфурт – Нюрнберг).
Исключение или сведение к минимуму прямых участков как бы меняет сам принцип трассирования. Вместо ходов по прямым и вписывания между углами поворота круговых кривых (тангенциальное трассирование) укладывают в соответствии с горизонталями местности круговые кривые больших радиусов и сопрягают их переходными кривыми (клотоидное трассирование) (рис. 17.34).
Рис. 17.34. Разница в принципах трассирования автомобильных дорог: а – трасса, запроектированная методом тангенциального трассирования; б – клотоидная трасса; 1 – прямые линии; 2 – круговые кривые, вписанные в углы прямых линий; 3 – прямой участок трассы; 4 – круговые кривые, вписанные в элементы рельефа; 5 – переходные кривые, сопрягающие круговые кривые
На рис. 17.35 показан участок плана трассы дороги, на котором для большей наглядности круговые кривые нанесены жирными черными линиями. Места сопряжений между собой переходных кривых показаны кружками. В табличках выписаны параметры круговых и переходных кривых.
Рис. 17.35. Пример участка клотоидной трассы (дорога Лион – Париж): 1 – участки круговых кривых; 2 – участки клотоид
Такую трассу называют «клотоидной» (рис. 17.36) от немецкого названия радиоидальной спирали (радиоиды). Длины переходных кривых клотоидной трассы, как правило, значительно превышают необходимые для плавного нарастания бокового усилия при въезде на кривую малого радиуса. Такие длины необходимы для устранения оптических иллюзий крутого перелома дороги в плане, возникающих у водителей при взгляде издалека на участки непосредственного сопряжения прямых с круговыми кривыми. При введении больших переходных кривых, называемых в подобных случаях «эстетическими переходными кривыми», можно легко устранить эффект кажущегося излома дороги, который приводит к непроизвольному снижению скорости водителями.
Рис. 17.36. Общий вид клотоидной трассы
Введение переходных кривых для обеспечения оптической плавности трассы необходимо лишь при радиусах кривых в плане, меньших 5000-6000 м. Искажение в перспективе кривых больших радиусов настолько мало, что поворот сохраняет плавный вид и без переходных кривых.
Клотоида имеет уравнение A2=RL. Изменяя величину параметра А, можно варьировать крутизну переходных кривых в очень широких пределах. Проектирование клотоидных трасс и разбивка их на местности облегчается наличием подробных таблиц (Ксенодохов В.И. Таблицы для клотоидного проектирования и разбивки плана и профиля автомобильных дорог).
Криволинейная клотоидная трасса имеет ряд преимуществ для движения по сравнению с прямолинейными участками дорог:
– на кривых больших радиусов, на которые не распространяются ограничения правил движения, водители лучше, чем на прямых, оценивают условия обгона;
– можно считать, что условия оценки скорости встречного автомобиля значительно улучшаются, если из-за кривизны трассы угловая скорость его поперечного по отношению к встречному автомобилю перемещения достигает 15-30 угл. мин./с.;
– на кривых водитель менее подвергается опасности ослепления фарами встречных автомобилей;
– при движении по кривым водитель более контрастно видит элементы ландшафта и ситуации, не только надвигающиеся на него, но и перемещающиеся перед его глазами перпендикулярно направлению движения – смена пейзажей уменьшает утомляемость;
– криволинейность клотоидной трассы дает возможность тщательно учитывать при проложении дороги смену грунтов и геологических напластований, а также гидрогеологические условия. Используя грунтово-геологические поперечные профили притрассовой полосы (литологические поперечники), можно наметить трассу дороги таким образом, чтобы в земляное полотно попадали устойчивые однородные грунты, а врезки земляного полотна в косогор не затрагивали неустойчивых, разуплотняющихся или подверженных выветриванию грунтов;
– трассирование сопрягающимися переходными кривыми позволяет лучше вписать дорогу в ландшафт, обеспечив повышение устойчивости земляного полотна и уменьшение объемов земляных работ.
Применение клотоидной трассы, несмотря на кажущееся противоречие самой ее идеи геометрической аксиоме «прямая – кратчайшее расстояние между двумя точками», не приводит к существенному удлинению трассы по сравнению с обычным методом трассирования прямыми и круговыми кривыми. Хотя замена прямой линии переходными кривыми вызывает удлинение трассы, в связи с малым отклонением их друг от друга удлинение весьма мало.
Во Франции при опытном проектировании разными способами участка дороги Париж – Лион протяжением 15 км удлинение клотоидной трассы составило всего лишь 3,67 м. Однако более тщательное вписывание трассы в рельеф приводит обычно к существенной экономии земляных работ.
Сравнительное опытное проектирование участка дороги обычным методом и сопрягающимися переходными кривыми показало, что при клотоидной трассе уменьшение объемов выемок в среднем на 9,5% и насыпей до 30% по сравнению с трассой, проложенной тангенциальным методом. Эти примеры подтверждают экономическую и техническую целесообразность трассирования с тщательным вписыванием дорог в рельеф местности.
Ранее встречались возражения, основывающиеся на легкости разбивки прямых участков дорог, возможности движения по ним с высокими скоростями, превышающими расчетные, и на кажущейся легкости управления автомобилем при движении по прямым и кривым постоянного радиуса. Одновременно высказываются соображения о том, что движение по криволинейной трассе утомительно для водителя, поскольку требует непрерывного изменения положения рулевого колеса в соответствии с изменением направления дороги.
Этим объясняется проведение во многих странах в 1960-1980 годы обширных опытов по изучению режимов движения автомобилей в разных дорожных условиях. На основе их результатов вносятся уточнения в теоретические расчетные формулы и делаются выводы о наиболее рациональных очертаниях трассы.
Соображения, связанные с большой трудоемкостью вычислительных работ при расчетах элементов клотоидной трассы, в настоящее время уже не имеют существенного значения, так как имеются разработанные программы для ЭВМ.
При сильно пересеченном рельефе местности проложение по склонам холмов дорог с разделительной полосой требует выполнения значительных объемов работ для размещения широкого земляного полотна. При этом дорога начинает резко выделяться на местности, искажая ландшафт большими обнаженными поверхностями откосов. Это бывает особенно заметно на склонах, покрытых лесом. Глубокая врезка земляного полотна в грунтовые напластования создает опасность возникновения оползней. Более рациональное и экономичное решение достигается при расположении проезжих частей уступами в разных уровнях, что эффективно уже при разностях отметок проезжих частей более 0,1 м (рис. 17.37).
Рис. 17.37. Ступенчатое расположение проезжих частей на косогоре: а – при малой разнице высот; б – при большой разнице высот
Расположение проезжих частей автомагистралей в разных уровнях имеет ряд достоинств:
– дорога приобретает более красивый вид, откосы полотна имеют меньшую площадь, чем при расположении проезжих частей в одном уровне, менее подвержены размыву и быстрее зарастают;
– значительно повышается безопасность движения из-за уменьшения, а иногда и полного предотвращения ослепления водителей светом фар автомобилей;
– повышается устойчивость земляного полотна против сползания на косогорных участках;
– уменьшается объем земляных работ. При проектировании одной из автомагистралей в США были сопоставлены объемы земляных работ при совместном и ступенчатом трассировании проезжих частей. В первом случае они составляли 133 000 м3/км, во втором – уменьшились до 28 000 м3/км, т. е. почти в 5 раз. Это свидетельствует о большой целесообразности раздельного проектирования проезжих частей автомагистралей в холмистой местности;
– отпадает необходимость устройства подпорных стенок;
– невысокие откосы могут быть плавно сопряжены с прилегающей местностью путем округления их верхних кромок;
– позволяет на туристских дорогах лучше обозревать открывающиеся пейзажи в разных направлениях. Этот эффект проявляется тем сильнее, чем больше разность отметок проезжих частей;
– позволяет лучше согласовать автомобильную дорогу с элементами рельефа, устраняя впечатление несоразмерной ширины земляного полотна.
Каждая из ступенчато расположенных частей должна удовлетворять основным нормативам плана и профиля. Изменение этих норм в пределах ступенчатого участка не допускается.
Переходы от общего продольного профиля и плана к индивидуальному для каждой из проезжих частей не должны нарушать плавности участка в целом (рис. 17.38).
Рис. 17.38. Способы перехода от обычного расположения проезжих частей к ступенчатому на дорогах с разделительной полосой: а, б, в – продольные профили и планы трассы: г – поперечный профиль
Чем меньше заметен переход от расположения проезжих частей в одном уровне к ступенчатому, тем лучше запроектирована дорога. Неправильно, когда одна из проезжих частей отдаляется от другой при помощи S-образных обратных вспомогательных кривых, ухудшающих условия движения. Для обеспечения плавности переход, как в плане, так и в профиле, наиболее целесообразно начинать с криволинейного участка.
Расстояние, на которое должны быть удалены друг от друга проезжие части, по горизонтальному и вертикальному направлениям на ступенчатых участках зависит от поперечного уклона местности. При крутых косогорах иногда приходится прибегать к устройству подпорных стенок и более сложных эстакад. При высоте откосов ступенчатых проезжих частей более 1 м должны быть предусмотрены ограждения барьерного типа.
Вписыванию автомагистралей в ландшафт помогает также устройство разделительной полосы переменной ширины.
При трассировании по крутым склонам вдоль речных долин прибегают также к самостоятельному трассированию обеих проезжих частей. В этом случае строятся две идущие в одном направлении дороги, по каждой из которых происходит одностороннее движение (рис. 17.39а).
Рис. 17.39. Раздельное трассирование проезжих частей на косогоре
Обеспечивая уменьшение объемов работ, такое проектирование повышает одновременно безопасность движения – устраняется опасность ослепления светом фар встречных автомобилей, возможность их столкновения. В принципе можно прокладывать дорогу для автомобилей, идущих на подъем с меньшими продольными уклонами, что существенно повышает ее транспортные качества.
Сложность в данном случае представляет задача сохранения единства впечатления одной дороги. Для этого проезжие части периодически должны сближаться и быть видимы одна с другой (рис. 17.39б). В первом приближении можно считать, что эффект единого целого начинает теряться при удалении проезжих частей на расстояние, в 2-3 раза превышающее ширину земляного полотна.
Дороги в долинах равнинных рек. Для дорог, проходящих по речным долинам, согласование с ландшафтом определяется его элементами, совпадающими по направлению с дорогой: самим водотоком и речными террасами – более или менее ровными горизонтальным или слегка наклонными площадками, возникшими в результате воздействия на берега водного потока.
Террасы в речных долинах могут быть расположены в два, три и более ярусов. Обычно террасы параллельны дну ложа долины. В этом случае проложение дороги по одной из речных террас выглядит совершенно естественным и обеспечивает устойчивость земляного полотна. Проложение дороги в отдельных местах по уступу террасы может быть оправдано только необходимостью обеспечения постоянного продольного уклона. При этом нарушается целостность ландшафта из-за образующихся некрасивых голых обнаженных поверхностей откосов. Продольный профиль долинных дорог очень спокойный. Плавность трассы в плане зависит от условия вписывания в изгибы берегов выше уровня высоких вод, пересечения впадающих водотоков и от степени однородности и устойчивости грунтов пойменной террасы (рис. 17.40).
Рис. 17.40. Дорога в долине реки