Глава 8 общие сведения об инженерных изысканиях железных дорогi

8.1. Организация и содержание изыскательских работ

Организация изысканий. Проектно-изыскательские работы на железно­дорожном транспорте выполняют институты МПС России и Корпорации "Трансстрой". В ведении Департамента капитального строительства и экс­плуатации объектов железнодорожного транспорта МПС России находятся специализированные проектно-изыскательские институты: Гипротранстэи (технико-экономические изыскания и проектирование), Гипротранспуть (проектирование инженерных сооружений и промышленных предприятий путевого хозяйства и геологические изыскания), Трансэлектропроект (про­ектирование электрификации железных дорог и энергетических установок) и др., а также региональные, подведомственные Управлениям железных дорог, проектно-изыскательские институты — Желдорпроекты.

Специализированные институты МПС осуществляют изыскания и про­ектирование соответствующих объектов по всей сети дорог, а дорожные институты выполняют, как правило, проектно-изыскательские работы по объектам капитального ремонта и капитального строительства в пределах данной дороги (Мосжелдорпроект, Донжелдорпроект и др.) или нескольких дорог данного региона (Сибжелдорпроект, Желдорпроект Поволжья и др.).

Изыскания и проектирование наиболее крупных объектов железнодо­рожного транспорта (новых железнодорожных линий, станций и узлов, больших мостов и тоннелей), реконструкции существующих дорог, допол­нительных главных путей осуществляют крупные проектно-изыскательские институты, которые до 1990-х гг. были объединены в системе Главтранс- проекта бывшего Министерства транспортного строительства СССР, став­шего впоследствии Корпорацией "Трансстрой". В настоящее время эти институты также являются акционерными обществами. Наряду с террито­риальными институтами: Мосгипротранс, Ленгипротранс, Уралгипротранс, Сибгипротранс и др., имеются специализированные институты: по проек­тированию промышленной базы транспорта — Моспромтранспроект; больших мостов — Гипротрансмост; тоннелей и метрополитенов — Метро- гипротранс и др. Под непосредственным руководством Корпорации "Трансстрой" работает входящий в ее состав проектно-изыскательский ин­ститут Проекттрансстрой.

В состав территориального проектно-изыскательского института, как правило, в качестве ведущего структурного подразделения входит отдел изысканий и проектирования железных дорог, который совместно с отде­лом инженерной геологии формирует комплексные экспедиции для инже­нерных изысканий каждой проектируемой линии. В ряде институтов эти отделы объединены в один отдел изысканий и инженерной геологии. В институте имеется также ряд специализированных отделов, разрабатываю­щих проекты отдельных видов сооружений и устройств: отделы станций и узлов, искусственных сооружений, водоснабжения и канализации и др. Специализированные отделы направляют, при необходимости, своих спе­циалистов в изыскательские экспедиции (партии) для выполнения отдель­ных видов работ. В наиболее крупных институтах, таких как, например, Мосгипротранс, имеется также отдел аэрофотосъемки.

Проектно-изыскательские институты имеют в своем составе либо отде­лы вычислительных работ (вычислительные центры — ВЦ), оснащенные современной электронно-вычислительной техникой, либо отдельные груп­пы при специализированных отделах, также оснащенные современными ЭВМ. В то же время в полевых изыскательских подразделениях все шире используются современные геодезические инструменты с компьютерной обработкой получаемых данных, ноутбуки новейших систем, а проектные группы оснашаются персональными компьютерами, сканерами, принтера­ми и другой современной техникой.

Изыскательские экспедиции включают в себя комплексные изыскатель­ские партии, выполняющие топографические и инженерно-геологические работы по трассе проектируемой линии. Иногда при ограниченных сроках проектирования в состав экспедиции включается группа рабочего проекти­рования для разработки в полевых условиях рабочей документации на пер­воочередные объекты строительства.

При изысканиях в районах, неблагоприятных в инженерно- геологическом отношении, а также для поисков строительных материалов и источников водоснабжения в состав экспедиции могут быть включены отдельные геологические и гидрогеологические партии. При наличии пере­секаемых трассой крупных водотоков создаются отдельные гидрологиче­ские партии или отряды для изысканий мостовых переходов.

Проектирование объектов промышленных железных дорог выполняют проектные институты Ассоциации СоюзпромтрансНИИпроект: головной научно-исследовательский и проектный институт ПромтрансНИИпроект (г. Москва), а также проектные институты в Санкт-Петербурге, Новокуз­нецке, Екатеринбурге.

Этапы и содержание изыскательских работ. Федеральным нормативным документом по инженерно-геодезическим изысканиям для строительства является Свод правил СП 11-104-97 [21], разработанный в развитие Строи­тельных норм и правил СНиП 11-02-96 "Инженерные изыскания для строительства. Основные положения" [23].

Изыскательские работы для любой стадии проектирования — разработки предпроектной документации, Проекта и Рабочей документации — выпол­няются, как правило, в три этапа: подготовительный, полевой и камераль­ный.

На подготовительном этапе основными задачами являются получение технического задания, подготовка договорной (контрактной) документации и программы изысканий, оформление разрешения на производство работ, рассмотрение намечаемых по картографическим материалам вариантов, подготовка к выезду на место работ

Во время подготовки к полевым работам подбирают топографические карты, космо- и аэрофотосъемочные материалы; изучают данные о клима­тических, метеорологических, инженерно-геологических и гидрогеологиче­ских условиях, о строительных материалах; собирают и анализируют мате­риалы предыдущих изысканий; получают отметки реперов и координаты пунктов опорной геодезической сети в районе изысканий; выполняют ка­меральное трассирование по имеющимся картам и планам и отбирают ва­рианты для полевого обследования; комплектуют изыскательские партии; разрабатывают календарные графики полевых и камеральных работ; со­ставляют сметы и заключают договора на выполнение работ.

На этапе полевых изысканий проводят рекогносцировочное обследование района прохождения трассы и комплекс полевых изыскательских работ с предварительной обработкой полученных полевых материалов для обеспе­чения контроля их качества, полноты и точности.

Полевые изыскательские работы включают в себя при необходимости аэрофотосъемку с наземной привязкой аэроснимков, разбивку полигонов и прокладку магистральных геодезических ходов, служащих опорой для то­пографических съемок и последующего выноса трассы в натуру; топогра­фические съемки; гидрометрические или морфометрические работы^I на пересекаемых водотоках; обследование источников водоснабжения, инже­нерно-геологическое обследование трассы; поиск строительных материа­лов; согласование положения трассы и площадок под поселки и строи­тельные базы; разбивку и закрепление трассы на стадии окончательных изысканий.

При аэрофотосъемке одновременно выполняют аэрогеологические и аэ­рогидрометрические работы, эталонное инженерно-геологическое и топо­графическое дешифрирование аэрофотоснимков, некоторые полевые фо­толабораторные и стереофотограмметрические работы.

Камеральные работы в полевых условиях осуществляются для контроля полноты и точности полевых работ и включают в себя обработку журналов теодолитных ходов, съемок и нивелирования, составление ведомости коор­динат, планов в горизонталях, продольных профилей вариантов, протрас­сированных по этим планам, обработку данных геологической съемки и гидрометрических наблюдений.

На камеральном этапе производится окончательная камеральная обра­ботка полевых материалов в проектном институте, завершающая изыска­тельские работы. В это время по материалам аэрофотосъемки или назем­ных съемок составляют топографические планы, продольные и поперечные профили с нанесением на них инженерно-геологических и гидрогеологи­ческих данных, решают вопрос об окончательном положении трассы и другие проектные вопросы.

В настоящее время камеральную обработку материалов полевых изы­сканий выполняют, как правило, на ЭВМ с помощью специальных паке­тов прикладных программ. Например, программный комплекс CREDO [НПО "CREDO - DIALOGUE" (Минск)] содержит ряд модулей, позво­ляющих автоматизировать многие работы, связанные с изысканиями и проектированием линейных и площадных объектов. Так, модуль "CREDO- DAT" объединяет комплекс программ для обработки материалов инженер­но-геодезических изысканий, в том числе таких: обработка измерений и уравнивание сетей планово-высотного обоснования (теодолитные, ниве­лирные ходы, линейно-угловые сети); составление схем и каталогов плано- во-высотного обоснования; преобразование координат из одной системы в другую; решение ряда расчетных геодезических задач (полярные, обратные засечки, треугольники, расчеты круговых и переходных кривых, расчеты площадей и выпуск схем для инвентаризации земель); обработка тахеомет­рических журналов; комплекс задач-конвертеров для обеспечения экспор­та/импорта данных в цифровую модель местности (ЦММ); система растр- векторного преобразования сканированного картографического материала с выходом в ЦММ и др.

Модуль "CREDO-TER" позволяет создавать цифровую модель местно­сти и цифровой топографический план с изображением рельефа горизон­талями, строить продольные и поперечные профили и передавать получен­ные данные в графический пакет "AutoCAD" для вывода графических до­кументов на графопостроитель. Модули "CREDO-DAT", "CREDO-PRO", "CREDO-TER", образующие комплекс "CREDO-BASE", одним из прило­жений которого является "CAD-CREDO", позволяют выполнять горизон­тальное и вертикальное проектирование линейных и площадных объектов, искусственных сооружений, транспортных развязок в цифровой форме, вписывая их в ранее созданную ЦММ [54].

Программы "CAD-CREDO" широко используются при изысканиях и проектировании нового строительства, реконструкции и капитального ре­монта дорожных объектов, в частности для обработки материалов трасси­рования, нивелирования и тахеометрии; подсчета объемов земляных и планировочных работ; гидравлических расчетов водопропускных сооруже­ний; проверки устойчивости откосов земляного полотна; расчета осадки насыпи на слабом основании и др.

Камеральный этап завершается передачей заказчику технического отче­та или пояснительной записки о результатах выполнения изысканий и сда­чей отчетных материалов выполненных изысканий в архив.

8.2. Топографо-геодезические работы на изысканиях новых железных дорог

В состав полевых топографо-геодезических изыскательских работ вхо­дят: прокладка магистральных ходов по предварительно камерально про­трассированным конкурентоспособным вариантам, образующих опорную планово-высотную съемочную геодезическую сеть, съемка полосы местно­сти вдоль магистральных ходов, нивелирование, вынос и закрепление окончательной трассы на местности.

Прокладка магистральных ходов. Магистральный ход представляет собой замкнутый полигон или висячий ход, являющиеся геодезической основой всех крупномасштабных съемок (трассы, площадок раздельных пунктов, искусственных сооружений) Магистральный ход прокладывается на мест­ности близко к положению трассы, определившейся при камеральном трассировании по картам и планам, как правило, на расстоянии не более 300 м от трассы В тех случаях, когда трасса проектируется у подножия скальных прижимов, магистральный ход прокладывают на противополож­ном берегу реки

К основным работам при прокладке магистрального хода относятся вешение магистрали, измерение углов поворота и длин линий между сто­янками теодолита, определение отметок характерных точек, привязочные теодолитные и нивелирные ходы к пунктам и реперам государственной геодезической сети В прежние годы при редкой сети таких пунктов, а иногда даже полном ее отсутствии, периодическое определение истинного азимута, которым контролируется точность прокладки магистрального хо­да, приходилось выполнять по Солнцу или звездам с помощью обычных геодезических приборов

С начала последнего десятилетия прошедшего века для прокладки маги­стральных ходов стали использовать космические навигационные системы В 1980-х годах в США была создана система Navstar GPS (Global Position­ing System), а в России примерно в то же время — система ГЛОНАСС (гло­бальная навигационная спутниковая система) В 1990-х годах обе эти сис­темы были открыты для гражданского применения

В указанных навигационных системах используются 24 искусственных спутника земли, обращающихся на трех (в системе ГЛОНАСС) или шести (в GPS) орбитах высотой около 20 тыс км В любой точке земли в любое время обеспечивается радиоконтакт не менее чем с четырьмя спутниками Основа спутникового метода позиционирования (определения положения точек на земле) состоит в измерении расстояния между спутниками и при­емником, которое определяется по времени прохождения радиосигнала между ними Положение пункта нахождения приемника определяется пла­новыми координатами с точностью 10-20 мм плюс 1 мм на 1 км расстоя­ния между опорным и определяемым пунктами [32] Одновременно, хотя и с несколько меньшей точностью, определяется отметка пункта, что позво­ляет в ряде случаев отказаться от традиционного нивелирования

При прокладке на местности магистрального хода традиционным спо­собом горизонтальные углы измеряют теодолитом, расстояния — свето- дальномерами или (в настоящее время все реже) мерной стальной лентой Превышения для определения отметок определяют двойным геометриче­ским нивелированием (второй нивелир служит для контроля) или посред­ством измерения теодолитом вертикального угла (такое измерение выпол­няется дважды — вперед и назад)

Удобны в полевых условиях компактные облегченные светодальномеры Японским электронным дальномером REDmini3 массой всего 520 г можно определять наклонные расстояния, горизонтальные проложения и превы­шения между точками Измерения возможны на расстояниях до 900 м при однопризменном отражателе и до 1200 м при трехпризменном Дальномер может быть установлен на теодолиты российского производства, что по­зволяет определять как углы, так и расстояния

Одновременно с прокладкой магистрального хода в пикетажном журна­ле зарисовывают ситуацию полосы местности вдоль трассы, отмечают пе­ресечения дорог, линий электропередачи и связи (дают их характеристику), "привязывают" реперы

Рис. 8.1. Электронный тахеометр SET 300

В результате измерений устанавливают и распределяют угловую и ли­нейную невязки и вычисляют координаты стоянок магистрального хода. Затем стоянки магистрального хода наносят на план (планшеты) и указы­вают отметки каждой из них.

Весьма эффективно при прокладке магистральных ходов могут быть ис­пользованы электронные тахеометры, соединившие в себе электронный теодолит, светодальномер и микроЭВМ. Этими приборами измеряют гори­зонтальный и вертикальный утлы, наклонное расстояние и горизонтальное проложение, превышения и высоты, приращения координат и сами коор­динаты. Результаты измерений могут быть записаны в модуль оперативной памяти. В японских электронных тахеометрах SET 300 или SET 500 резуль­таты измерений высвечиваются на дисплее (рис. 8.1), к инструменту может быть подключен персональный компьютер или принтер.

Съемка полосы местности вдоль магистрального хода. Планово-высотная съемка с магистрального хода должна охватывать полосу, в которой прой­дет будущая трасса, шириной, достаточной для варьирования (обычно до 100—200 м в каждую сторону от намечаемого положения трассы). В зави­симости от протяженности и условий прокладки проектируемой трассы применяются тахеометрическая съемка, нивелирование поверхности, на­земный фототопографический, стереотопографический, аэрофотосъемоч- ный и другие методы вплоть до использования спутниковой геодезической аппаратуры. При этом съемку таких линейных объектов большой протя­женности, как магистральные железные дороги, рекомендуется, как прави­ло, вести аэрофототопографическим методом, а наземную топосъемку про­изводить в тех случаях, когда применение аэрофотосъемки экономически нецелесообразно, по каким-либо причинам невозможно или не обеспечи­вает достаточную для трассирования точность плановых материалов.

Наиболее распространенный вид наземной съемки планов на железно­дорожных изысканиях — тахеометрическая съемка. Тахеометрическую съемку выполняют со стоянок магистрального хода и при необходимости — с коротких теодолитных ходов, опирающихся на магистральный ход (рис. 8.2). Съемку можно осуществлять с пунктов (точек) съемочного обоснования — стоянок инструмента, пикетов и плюсовых точек магист­рального хода как "поперечниками" (рис. 8.3), так и методом обычной площадной съемки. Густота реечных точек зависит от масштаба съемки, сложности рельефа и контуров местности. В обычных условиях расстояния между точками не должны превышать 2 см на плане. Масштаб съемки за-

Рис. 8.2. Схема тахеометрической съемки с магистрального хода:

/ - магистральный ход; 2 - теодолитный ход; 3 - стоянки инструмента; 4 - реечные точки

Рис. 8.3. Схема съемки поперечников:

/ — магистральный ход; 2 — стоянки инструмента; 3 — поперечники; 4 — реечные точки

висит от рельефа местности. Для равнинной местности обычно принима­ется масштаб 1:5000. В сложных топографических условиях масштаб более крупный — 1:2000 и 1:1000. Рельеф и ситуацию целесообразно снимать со­временными тахеометрами-автоматами или электронными тахеометрами. Отечественный электронно-оптический тахеометр Та5 представляет собой шкаловый теодолит с самоустанавливающимся индексом вертикального круга, снабженный светодальномером и вычислителем на микропроцессо­рах. Показания с лимбов снимаются визуально и вносятся в вычислитель с помощью клавиатуры наборного поля. Результат измерения расстояния вводится в вычислитель автоматически. В соответствии с заданной про­граммой вычислитель решает задачу и выдает на цифровом табло результа­ты измерения горизонтального проложения, превышения, приращений прямоугольных координат и зенитного расстояния с учетом поправки за место зенита. Результаты измерений и вычислений могут быть автоматиче­ски переданы на внешнее регистрирующее устройство — накопитель ин­формации для последующей обработки на ЭВМ.

В горных условиях на участках труднодоступных скальных прижимов и крутых косогоров при большой относительной разности высот и в не очень залесенной местности эффективна стереофототеодолитная съемка фото­теодолитом (комбинация специального фотоаппарата с теодолитом). Она выполняется со стоянок магистрального хода или с базиса, разбиваемого вдоль снимаемого прижима (косогора) и опирающегося на магистральный ход. Последующая обработка стереофотоснимков на стереоизмерительных приборах позволяет определить координаты любой точки местности, вы­сотные отметки и получить стереоскопическую модель местности или то­пографический план.

Результаты тахеометрической съемки (реечные точки) наносят на план­шеты, где уже изображен магистральный ход. По отметкам реечных точек на планшетах вычерчивают горизонтали, наносят элементы ситуации по данным пикетажных журналов и по полученным крупномасштабным пла­нам выполняют камерально трассирование одного или нескольких вариан­тов с подвариантами. После сравнения вариантов, рассмотрения и утвер­ждения выбранного варианта его трассу укладывают затем на местности и закрепляют соответствующими геодезическими знаками для последующей передачи заказчику и строителям.

Вынос и закрепление трассы на местности. Для выноса на местность трассы, проложенной на планшетах, производят расчет плана с вычисле­нием координат вершин углов поворота трассы и привязкой к пунктам го­сударственной (опорной) геодезической сети. Основой для полевой раз­бивки трассы являются закрепленные на местности стоянки магистрально­го хода. Наметив на планшете исходную точку трассы (как правило, вер­шину угла поворота), фиксируют ее положение на плане относительно ближайшей стоянки магистрального хода: определяют угол и расстояние, которое нужно отложить на местности, чтобы получить исходную точку уже в натуре. Одновременно вычисляют угол, определяющий положение первого прямолинейного отрезка трассы, конец которого становится вер­шиной следующего угла поворота, и т. д. Эти данные позволяют осущест­вить прокладку окончательной трассы в поле. Периодические привязки трассы к стоянкам магистрального хода образуют замкнутый полигон (ма­гистральный ход — привязка — трасса — привязка — магистральный ход), что позволяет увязывать координаты этого полигона.

В процессе прокладки трассы ведется пикетаж, который включает в се­бя промер линии, фиксирование пикетов, всех точек, характерных по рельефу (плюсовые точки), вершин углов поворота. В пикетажном журнале (рис. 8.4) в масштабе 1:2000 зарисовывают с необходимыми промерами си­туацию местности на расстоянии 100 м в каждую сторону от оси трассы, пересечения всех коммуникаций, водотоков, угодья, по которым проходит трасса, с описанием их характеристик, реперы с указанием их номера, рас­стояния до трассы, типа и материала. Отмечают также населенные пункты с указанием их местоположения относительно трассы. В пикетажном жур­нале фиксируют главные точки кривых.