6 交通土建工程
本章导读：
●基本要求 了解交通土建工程的设计方法及其基本原则，熟悉交通土建工程的各项设施及其组成，了解交通土建设施的基本构造，了解交通土建工程专业含义及发展动态。
●重点 公路的分级及其组成，铁路轨道结构及其构成，港口的类型及组成，机场的主要构成部分与功能。
●难点 各种交通土建设施的基本构造。
6.1 公路与城市道路工程
道路通常是指为陆地交通运输服务，通行各种机动车、人畜力车、驮骑牲畜及行人的各种路的统称。道路按使用性质分为城市道路、公路、厂矿道路、农村道路、林区道路等。城市高速干道和高速公路则是交通出入受到控制的、高速行驶的汽车专用道路。公路与城市道路工程，包括路基、路面、桥梁、涵洞隧道结构物和附属设施等。
6.1.1 公路
连接城市、乡村和工矿基地之间，主要供汽车行驶并具备一定技术标准和设施的道路称为公路。
1）公路的分级
中国道路按服务范围及其在国家道路网中所处的地位和作用分为：a.国道（全国性公路），包括高速公路和主要干线；b.省道（区域性公路）；c.县、乡道（地方性公路）；d.城市道路。前三种统称公路，按年平均昼夜汽车交通量及使用任务、性质，又可划分为5个技术等级。
（1）按行政等级划分
国道是指具有全国性政治、经济意义的主要干线公路，包括重要的国际公路，国防公路、连接首都与各省、自治区、直辖市首府的公路，连接各大经济中心、港站枢纽、商品生产基地和战略要地的公路。
省道是指具有全省（自治区、直辖市）政治、经济意义，并由省（自治区、直辖市）公路主管部门负责修建、养护和管理的公路干线。
县道是指具有全县（县级市）政治、经济意义，连接县城和县内主要乡（镇）、主要商品生产和集散地的公路，以及不属于国道、省道的县际间公路。县道由县、市公路主管部门负责修建、养护和管理。
乡道是指主要为乡（镇）村经济、文化、行政服务的公路，以及不属于县道以上公路的乡与乡之间及乡与外部联络的公路。乡道由县、乡（人民政府）负责修建、养护和管理。
（2）按使用任务、功能和适应的交通量划分（见表6.1）
表6.1 公路分级
2）公路的基本组成部分
公路是布置在大地表面供各种车辆行驶的一种线形带状结构物。它主要承受汽车荷载的重复作用和经受各种自然因素的长期影响。因此，公路不仅要有平顺的线形、和缓的纵坡，而且还要有坚实稳定的路基、平整和防滑性能好的路面、牢固耐用的桥涵和其他人工构造物，以及不可缺少的附属工程和设施。其包括以下部分：
（1）路线
路线，是公路中线的空间线形，包括平面、纵断面和横断面三部分。三部分合成一个整体，从整体上说，路线必须合乎技术、经济和美学上的要求。
（2）路基
路基是公路线形建筑物的主题，是路面的基础，是按照预定路线的平面位置和设计高程在原地面上开挖和填成一定断面形式的线形人工土石构造物。路基作为行车部分的基础，设计时必须保证行车部分的稳定性，并防止水分及其他自然因素对路基本身的侵蚀和损害。路基通常包括路面、路肩、边坡、边沟等部分的基础，如图6.1所示。当路线高于天然地面时填筑成路堤（填方地段）；低于天然地面时挖成路堑（挖方地段）。
（3）路面
路面，是供汽车安全、迅速、经济、舒适行驶的公路表面部分。它是用各种不同的坚硬材料铺筑于路基顶面的单层或多层结构物（见图6.2），其目的是加固行车部分，使之具有足够的强度和良好的稳定性，以及表面平整、抗滑和防尘。
图6.1 路基结构
图6.2 路面结构
（4）排水结构物
一条较长的路线常常需要跨越不同的水流，故需要修建桥梁和涵洞。桥梁和涵洞统称为桥涵、它是公路跨越河流、山谷等障碍物而架设的结构物，其中单孔跨径L0≥5 m或多孔跨径总长L≥8 m的称为桥梁，单孔跨径L0＜5 m或多孔跨径总长L＜8 m的称为涵洞。
其他排水结构物：当公路所跨越的水流流量不大时，可以使水流以渗透的方式通过石块砌成的路堤，这种结构称为渗水路堤。周期性的水流有时也容许从行车部分表面流过，这种行车部分称为过水路面。当水流需从公路上方跨过时，可设置渡水槽。当公路跨越较大的水面，而交通量又较小时，为了节省投资，避免建造桥梁，可以采用渡船或浮桥。路线上地面水可用边沟、截水沟、排水沟、急流槽等设施排除（地面排水系统）；当地下水影响严重时，可以采用暗沟、渗沟、渗井等设施进行排除（地下排水系统）。
（5）防护工程及特殊结构物
防护工程是为保证路基稳定或行车安全而修筑的工程设施，如挡土墙、护栏等。山区公路在翻越垭口时，有时为了改善纵面线形和缩短路线长度，可凿隧道；在悬崖峭壁上修筑公路时，有时还需修筑悬臂式露台。
（6）交通服务设施
在公路上，除了上述各种基本结构物和特殊结构物外，为了保证行车安全、舒适和道路美观，还需设置交通标志、照明设施、服务设施、绿化带等各种附属结构。
6.1.2 城市道路
通达城市的各地区，供城市内交通运输及行人使用，便于居民生活、工作及文化娱乐活动，并与市外道路连接负担着对外交通的道路。一般较公路宽阔，为适应复杂的交通工具，多划分为机动车道、公共汽车优先车道、非机动车道等。道路两侧有高出路面的人行道和房屋建筑，人行道下多埋设公共管线。公路则在车行道外设路肩，两侧种行道树，边沟排水。
1）城市道路分类
根据道路在城市道路系统中的地位和交通功能，分为快速路、主干路、次干路和支路。
（1）快速路
快速路是为流畅地处理城市大量交通而建筑的道路。要有平顺的线形，与一般道路分开，使汽车交通安全、通畅和舒适。与交通量大的干路相交时应采用立体交叉，与交通量小的支路相交时可采用平面交叉，但要有控制交通的措施。两侧有非机动车时，必须设完整的分隔带。横过车行道时，需经有控制的交叉路口或地道、天桥。
（2）主干路
主干路是连接城市各主要部分的交通干路，是城市道路的骨架，主要功能是交通运输。主干路上的交通要保证一定的行车速度，故应根据交通量的大小设置相应宽度的车行道，以供车辆通畅地行驶。线形应顺捷，交叉口宜尽可能少，以减少相交道路上车辆进出的干扰，平面交叉要有控制交通的措施，交通量超过平面交叉口的通行能力时，可根据规划采用立体交叉。机动车道与非机动车道应用隔离带分开。交通量大的主干路上快速机动车如小客车等也应与速度较慢的卡车、公共汽车等分道行驶。主干路两侧应有适当宽度的人行道。应严格控制行人横穿主干路。主干路两侧不宜建筑吸引大量人流、车流的公共建筑物，如剧院、体育馆、大商场等。
（3）次干路
次干路是一个区域内的主要道路，是一般交通道路兼有服务功能，配合主干路共同组成干路网，起广泛联系城市各部分与集散交通的作用，一般情况下快慢车混合行驶。条件许可时也可另设非机动车道。道路两侧应设人行道，并可设置吸引人流的公共建筑物。
（4）支路
支路是次干路与居住区的联络线，为地区交通服务，也起集散交通的作用，两旁可有人行道，也可有商业性建筑。
2）城市道路的组成
城市道路应将城市各主要组成部分如居民区、市中心、工业区、车站、码头、文化福利设施连系起来，形成一个完整的道路系统，方便城市的生产和生活活动，从而充分发挥城市的经济、社会和环境效益。通常其组成部分如下：
①供汽车行驶的机动车道，供有轨电车行驶的有轨电车道，供自行车、三轮车等行驶的非机动车道。
②专供行人步行交通用的人行道（包括地下人行道、人行天桥）。
③交叉口、交通广场、停车场、公共汽车停靠站台。
④交通安全设施：如交通信号灯、交通标志、交通岛、护栏等。
⑤排水系统：如街沟、边沟、雨水口、雨水管等。
⑥沿街地上设施：如照明灯柱、电杆、给水栓等。
⑦地下各种管线：如电缆、煤气管、给水管等。
⑧具有卫生、防护和美化作用的绿带。
⑨交通发达的现代化城市，还建有地下铁道、高架道路等。
6.1.3 道路几何设计要素
道路的外形几何设计，根据道路上的行车特性确定道路平、纵、横各投影面的诸要素，主要有：平面线形上的平曲线半径、超高率、缓和曲线、曲线加宽、视距保证等；纵断面上的纵坡、坡长、竖曲线等；横断面上的车道布置、车道宽度、路拱和路面横坡、分隔带、路肩、边坡等；以及道路交叉的布设等。
1）平面线形设计
道路的平面线形，当受到地形、地物等障碍的影响而发生转折时，在转折处就需要设置曲线或曲线的组合。我国公路平面线形的使用主要是直线、圆曲线、回旋线（缓和曲线），对各种线形的选择，应结合各种因素进行考虑。
2）纵断面设计
通过道路中线的竖向剖面称为道路的纵断面，主要反映路线起伏、纵坡度及与原地面的切割等情况。纵断面设计的具体要点包括：
（1）关于纵坡极限值的运用
根据汽车动力特性和考虑经济等因素制定的极限值，设计时不可轻易采用，应留有余地。在受限制较严，如越岭线为争取高度、缩短路线长度或避开艰巨工程等，才有条件地采用。好的设计应尽量考虑人的视觉、心理上的要求，使驾驶员有足够的安全感、舒适感和视觉上的美感。一般讲，纵坡缓些为好，但为了路面和边沟排水，最小纵坡不应低于0.3%～0.5%。
（2）关于最短坡长
坡长是指纵断面两变坡点之间的水平距离。坡长不宜过短，以不小于计算行车速度9 s的行程为宜。
（3）各种地形条件下的纵坡设计
平原、微丘地形的纵坡应均匀平缓，注意保证最小填土高度和最小纵坡的要求。丘陵地形应避免过分迁就地形而起伏过大，注意纵坡应顺适不产生突变。
（4）关于竖曲线半径的选用
竖曲线应选用较大半径为宜。当受限制时可采用一般最小值，特殊困难方可采用极限最小值。
（5）关于相邻竖曲线的衔接
相邻两个同向凹形或凸形竖曲线，特别是同向凹形竖曲线之间，如直坡段不长应合并为单曲线或复曲线，避免出现断背曲线，这样要求对行车是有利的。相邻反向竖曲线之间，为使增重与减重间缓和过渡，中间最好插入一段直坡段。
3）横断面设计
（1）公路横断面
公路横断面设计线组成包括行车道、路肩、分隔带、边沟、边坡、截水沟、护坡道以及取土坑、弃土堆、环境保护设施等。高速公路、一级公路和二级公路还有爬坡车道和避险车道；高速公路、一级公路的出入口处还有变速车道等。各级公路横断面形式如下：
①高速公路、一级公路。由于公路等级高、交通量大，双向（上、下行）行车之间必须分开，形成双幅多车道公路。分隔方式采用中间带，如图6.3所示。
图6.3 高速公路、一级公路标准横断面
②其他等级公路（二、三、四级公路）。采用单幅公路（不设分隔带、整体式断面）。路幅构成：行车道、路肩、错车道等。所谓路幅，是指公路路基顶面两路肩外侧边缘之间的部分，路幅要素包括宽度、横向坡度。如图6.4所示。
图6.4 二、三、四级公路标准横断面
（2）城市道路横断面
城市道路上除了行驶各种汽车外，还有大量非机动车，同时还要设置人行道。为了分隔开不同的交通流，以提高各种流的通过速度，城市道路的横断面常布置成图6.5～图6.8中所示的单幅、双幅、三幅和四幅等形式。
图6.5 单幅路
图6.6 双幅路
图6.7 三幅路
图6.8 四幅路
①单幅路，俗称“一块板”断面，如城站路。就是把行车道布置在道路中部，两边为人行道。机动车辆和非机动车辆都在同一个车道上混合行驶。
②双幅路，俗称“两块板”断面。其交通组织方式就是用分隔带把车行道分隔为三块，中间供机动车双向行驶，两侧为非机动车道，人行道在两边。
③三幅路，俗称“三块板”断面，如交通路。其交通组织方式就是用分隔带把车行道分隔为三块，中间供机动车双向行驶，两侧为非机动车道，人行道在两边。
④四幅路，俗称“四块板”断面。在三幅路的基础上，再用中间分车带将中间机动车车道分隔为二块，分向行驶。
4）平面和立体交叉
两条或多条道路在同一地点接合或相互穿越时，称为交叉。如果交叉出现在同一平面上，则属于平面交叉；不在同一平面上的交叉，则称为立体交叉。
（1）平面交叉形式及类型
平面交叉可以按照交叉道路的条数及相交的角度和位置，分为3条路相交的T形和Y形交叉，4条路相交的直交或斜交交叉，5条以上道路相交的交叉以及环形交叉等形式（见图6.9）。
图6.9 平面交叉形式
（2）立体交叉的形式及类型
立体交叉与平面交叉的根本差异在于立体交叉将交叉线用桥梁或隧道设施在竖直线上分割开来，从而消灭了全部或部分冲突点，减少了部分交织点。总体而论，立体交叉分两类：分离式和互通式。
立体交叉是避免交叉车辆冲突和提高交叉路口通行能力的最有效的方法。立体交叉最普通的形式有菱形、定向形和苜蓿形3种（见图6.10）。
图6.10 立体交叉一般形式
6.1.4 路基和路面
1）路基
路基指的是按照路线位置和一定技术要求修筑的作为路面基础的带状构造物，路基是用土或石料修筑而成的线形结构物。它承受着本身的岩土自重和路面重力，以及由路面传递而来的行车荷载，是整个公路构造的重要组成部分。
由于地形的变化，道路设计标高与天然地面标高的相互关系不同，一般常见的路基横断面形式有路堤、路堑两种，介于两者之间的称为半填半挖路基。
路堤是路基顶面高于原地面的填高路基称为路堤，低矮路堤的两侧设置边沟，如图6.11所示。
图6.11 路堤
路堑是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，如图6.12所示。
图6.12 路堑
在半填半挖横断面上，部分为挖方、部分为填方的路基称为半填半挖路基，如图6.13所示，通常出现在地面横坡较陡时候，它兼有上述路堤和路堑的构造特点和要求。
图6.13 半填半挖路基
2）路面
（1）路面及其功能
路面是指用筑路材料铺在路基上供车辆行驶的层状构造物。它具有承受车辆质量、抵抗车轮磨耗和保持道路表面平整的作用，提供汽车在道路上全天候安全、舒适、快速、经济地行驶。为此，要求路面有足够的强度、较高的稳定性、一定的平整度、适当的抗滑能力、行车时不产生过大的扬尘现象，以减少路面和车辆机件的损坏，保持良好视距，减少环境污染。路面按其力学特征分为刚性路面和柔性路面。刚性路面在行车荷载作用下能产生板体作用，具有较高的抗弯强度，如水泥混凝土路面。柔性路面抗弯强度较小，主要靠抗压强度和抗剪强度抵抗行车荷载作用，在重复荷载作用下会产生残余变形，如沥青路面、碎石路面。
（2）路面类型和结构层次
一般按路面所使用的主要材料划分路面类型，可分为沥青路面、水泥混凝土路面、块料路面和粒料路面4类。但设计时，要按路面结构在行车荷载作用下的力学特性，分成柔性路面和刚性路面两大类进行设计。
柔性路面一般刚度较小、抗弯拉强度较低，主要靠抗压、抗剪强度来承受车辆荷载作用，因而在荷载作用下，扩散应力的能力不如刚性路面，所产生的弯沉变形较大。因而土基可能受到较大的单位压力，土基的强度和稳定性对整个路面结构有较大的影响。柔性路面的范围包括各种基层（水泥混凝土路面基层除外）和各类沥青面层、碎（砾）石面层或块石面层组成的路面结构。
图6.14 路面结构图
刚性路面主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构。它的板体刚度较大、抗弯拉强度较高，因而有较大的扩散应力的能力，在荷载作用下变形极小，因此下面基础的单位压力比柔性路面小得多。
各类路面都由若干个结构层次所组成。它们可分为面层、基层和垫层三个主要层次，如图6.14所示。
6.2 铁道工程
铁路线路是机车车辆和列车运行的基础。它是由路基、桥隧建筑物（包括桥梁、涵洞、隧道等）和轨道（钢轨、轨枕、联结零件、道床、防爬设备和迢岔等）组成的一个整体工程结构。
6.2.1 铁路选线设计
1）铁路选线设计的基本任务
铁路选线设计是铁路设计工作中的重要部分。它是一条铁路线的总体设计，它的工作直接影响到铁路运输能力、运输质量和投资的经济效益。所以，铁路选线设计在铁路设计中具有十分重要的地位。同时，铁路选线设计是一项综合性的复杂任务。它涉及各种建筑和设备的设计问题。其基本任务主要是：
①根据设计线在路网中的地位和作用以及所担负的客、货运量确定线路的类别。
②以线路类别为基础，结合地形、地质等自然条件，选择线路走向与主要技术标准，如限制坡度、最小曲线半径等。
③设计线路的平面和纵断面位置，同时进行车站分布。
④确定各种建筑物和设备在线路上的位置，使它们互相配合。
⑤通过方案比较，选出能力大、质量高、效益好且安全可靠的线路方案。
2）铁路选线设计步骤
一般所称的铁路设计是包含铁路勘测与设计两部分概念。勘测和设计是一个整体，勘测的质量直接关系到设计的质量。勘测是对设计的路线收集设计所需要的一切资料，如经济资料、地形资料、地质和水文资料等；设计是根据勘测资料对线路及其所有建筑物和设备的位置、大小和结构进行规划和具体设计。
为了保证高质量完成上述任务，必须在设计的程序和工作内容上划分明确的阶段，逐步解决各阶段中的设计问题。铁路设计的前期工作分为预可行性研究和可行性研究两个阶段；铁路设计则分为初步设计和施工图设计两个阶段。
3）铁路的等级和技术标准
（1）铁路等级
铁路（线路）等级是铁路的基本标准。设计铁路时，首先要确定铁路等级。铁路的技术标准和装备类型都要根据铁路等级去选定。
我国《铁路线路设计规范》规定，新建和改建铁路（或区段）的等级，应根据它们在铁路网中的地位、作用、性质和远期的客货运量确定。我国铁路共划分为三个等级，即：Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。具体的条件见表6.2。
（2）铁路主要技术标准
铁路主要技术标准包括：正线数目、限制坡度、最小曲线半径、牵引种类、机车类型、机车交路、车站分布、到发线有效长度和闭塞类型等。
表6.2 铁路等级
6.2.2 铁路线路的平面和纵断面
一条铁路线路在空间的位置是用它的线路中心线表示的。线路中心线在水平面上的投影，叫做铁路线路的平面。线路中心线（展直后）在垂直面上的投影，叫做铁路线路的纵断面。
1）线路的平面
从运营的观点来看，最理想的线路是既直又平的线路。但是天然地面情况复杂多变（有山、水、沙漠、森林、矿区、城镇等障碍物和建筑物），如果把铁路修得过于平直，就会造成工程数量和工程费用大，且工期长，这样既不经济，又不合理，有时也不现实。从工程角度来看，为了降低造价，缩短工期，铁路线路最好是随自然地形起伏变化。但是这会给运营造成很大困难，甚至影响铁路行车的安全与平稳。
在线路平面设计时，为缩短线路长度和改善运营条件，应尽可能设计较长的直线段，但当线路遇到地形、地物等障碍时，为减少工程造价和运营支出，应设置曲线。譬如，某铁路线路要从A、B、C三点（见图6.15）经过，方案一是走最短路径，可将A、B和B、C分别用直接相连。这样在AB线段上要修两座桥梁跨越河流，在BC线段上要开挖隧道穿越山岭；方案二是用折线ADB 和BEC来代替AB和BC，使其绕避障碍，在折线的转角处，则用曲线连接。
图6.15 铁路线路绕避地形障碍示意图
铁路线路平面由直线、圆曲线以及连接直线与圆曲线的缓和曲线组成，如图6.16所示。
（1）圆曲线
铁道线路在转向处所设的曲线为回曲线，其基本要素有：曲线半径R、曲线转向角α、曲线长度L、切线长度T，如图6.16和图6.17所示。
在线路设计时，一般是先设计出α和R，再按下式算出T及L：
图6.16 线路曲线图
图6.17 圆曲线组成要素
曲线转向角的大小由线路走向、绕过障碍物的需要等确定。
圆曲线半径的大小，反映了曲线弯曲度的大小。圆曲线半径愈小，弯曲度愈大。一般情况下，曲线半径愈大，行车速度可以愈高，但工程费用愈高。而小半径曲线具有容易适应地形困难的优点，对工程条件有利。因此，正确地选用曲线半径就显得十分重要。设计线路时，可根据具体条件，因地制宜由大到小合理选用曲线半径。为了测设、施工和养护的方便，曲线半径一般应取50、100 m的整倍数。为了保证线路的通过能力，并有一个良好的运营条件，还对区间线路的最小曲线半径做了具体规定，如表6.3、表6.4所示。
表6.3 客货共线Ⅰ、Ⅱ级铁路区线路最小曲线半径
表6.4 客货专线铁路区线路最小曲线半径和最大曲线半径
列车在曲线上行驶的速度越快，所产生的离心力也就越大，为了保证列车运行的安全、平衡和舒适，必须限制列车通过曲线时的速度。
（2）缓和曲线
为保证列车安全，使列车平顺地由直线过渡到圆曲线或由圆曲线过渡到直线，以避免离心力的突然产生和消除，常需要在直线与圆曲线之间设置一条曲率半径变化的曲线，这个曲线称为缓和曲线，如图6.18所示。
图6.18 缓和曲线示意图
缓和曲线的特征为：从缓和曲线所衔接的直线一端起，它的曲率半径ρ由无穷大逐渐减小到它所衔接的圆曲线半径R。它可以使离心力逐渐增加或减小，不至于造成列车强烈横向摇摆，有利于行车平稳。
2）线路的纵断面
为了适应地面的起伏，线路上除了平道以外，还修成不同的坡道。因此，平道、坡道和竖曲线就成了线路纵断面的组成要素。
图6.19 坡道与坡道阻力示意图
（1）坡道的坡度
坡道的陡与缓常用坡度来表示。坡度是指坡道线路中心线与水平夹角的正切值，即一段坡道两端点的高差与水平距离之比，如图6.19所示。坡道坡度的大小通常是用千分率来表示。
i‰= h/L （式6．3）
式中，i为坡度值；h为坡道段始点与终点的高差（m）；L为坡道段始点与终点的水平距离（m）。例如，若L为1500m，h为9 m，则坡度为6‰。
（2）坡道附加阻力
由于有了坡道，就给列车运行带来了不良的影响。列车在坡道上运行时，会受到一种由坡道引起的阻力，这一阻力称之为坡道附加阻力。如图6.19所示，机车车辆所受的重力Q，可以分解为垂直于坡道的分力N和平行于坡道的分力W。分力N被轨道的反作用力所抵消，而分力W就成为坡道阻力了。当列车上坡时，坡道阻力规定为正，下坡时为负。列车在坡道上所受的总坡道阻力Wi可以按下式确定：
Wi= Q·sinα≈Q·tanα= Q·i‰ （式6．4）
列车平均每单位质量所受到的坡道阻力，叫做单位坡道阻力（wi），其计算公式为：
即机车车辆每单位质量上坡时所受的坡道阻力等于用千分率表示的坡道坡度。由此可见，坡度越大，列车上坡时的坡道阻力也就越大，同一台机车（在列车运行速度相同的条件下）所能牵引的列车质量也就越小。
（3）限制坡度
铁路每一区段都是由数量众多的平道和坡道组成。坡道的坡度不同，它们对列车质量的影响也不一样。在一个区段上，决定一台某一类型机车所能牵引的货物列车质量（最大值）的坡度，叫做限制坡度（i x‰）。在一般情况下，限制坡度的数值往往和区段内陡长上坡道的最大坡度值相当。
限制坡度的大小，影响一个区段甚至全铁路线的运输能力。限制坡度小，列车质量可以增加，运输能力就大，运营费用就越省。但是限制坡度过小时，就不容易适应地面的天然起伏，特别是在地形变化很大的地段，使工程量增大，造价提高。因此，限制坡度的选定是一个很重要的问题，要经过仔细的综合研究。我国《铁路技术管理规程》规定的最大限制坡度的数值，如表6.5所示。
表6.5 限制坡度最大值（‰）
（4）变坡点
坡道与坡道、坡道与平道的交点叫变坡点。列车经过变坡点时，容易发生断钩、脱钩等事故，车钩内产生附加应力；坡度变化越大，两车钩上下错移量越大，附加应力越大。为了保证列车的运行平稳和安全，我国铁路规定，在Ⅰ、Ⅱ级线路上相邻坡段的坡度代数差的绝对值大于3‰、Ⅲ级铁路大于4‰时，应以竖曲线连接，如图6.20所示。
图6.20 竖曲线示意图
竖曲线是纵断面上的圆曲线。竖曲线的半径，Ⅰ、Ⅱ级铁路为10000 m，Ⅲ级铁路为5000 m。
（5）线路纵断面图
用一定的比例尺，把线路中心线（展直后）投影到垂直面上，并标明平面、纵断面的各项有关资料，就成为纵断面图，如图6.21所示。
线路纵断面图：上部是图，主要表明了线路中心线（即路肩设计标高的连线）、地面线、车站、桥隧建筑物等有关资料及其他有关情况；下部是表，主要有沿线的工程地质概况、地面标高、路肩设计高程、设计坡度及线路平面的有关资料等。
铁路线路平面和纵断面图既是全面、正确反映线路主要技术条件的重要文件，也是施工依据和线路交付运营后使用的技术资料。
图6.21 线路纵断面图
6.2.3 路基和道口、交叉及线路接轨
1）路基（见6.1.4公路路基）
2）道口、交叉及线路接轨
（1）道口、交叉
道口根据需要修建道口看守房，设置照明灯、警示灯、遮断色灯信号机和道口自动通知设备，根据需要设置列车无线调度通信设备。
站内平过道必须与站外道路和人行道路断开，禁止社会车辆、非工作人员通行，平过道不得设在车站两端咽喉区内。
在电气化铁路上，铁路道口通路两面应设限高架，其通过高度不得超过4.5 m。
特别笨重、巨大的物件和可能破坏铁路设备、干扰行车的物体通过道口时，应提前通知铁路道口管理部门，采取安全和防护措施，并在其协助指导下通过。
一切车辆、自动走行机械和牲畜，均须在立体交叉或平交道口处通过铁路。
（2）线路接轨
新建岔线，不准在区间内与正线接轨；特殊情况必须在区间内接轨时，须经铁道部批准，在接轨地点应开设车站（线路所）或设辅助所管理。
列车运行速度120 km/h及以上线路和重载运煤专线等线路应全立交、全封闭，线路两侧按标准进行栅栏封闭，并设置相应的警示标志。
6.2.4 轨道
轨道由钢轨、轨枕、联结零件、道床、防爬设备及道岔等主要部件组成，如图6.22所示。它起着机车车辆运行的导向作用，直接承受由车轮传来的巨大压力，并把它传递给路基或桥隧建筑物。
1）轨道组成
（1）钢轨
钢轨的作用是引导车轮的运行方向，直接承受车轮的巨大作用力并将其传递到轨枕。另外，在电气化铁路或自动闭塞区段，钢轨还兼作轨道电路之用，因此钢轨应具有足够的强度、韧性和耐磨性。
图6.22 轨道的基本组成
1—钢轨；2—普通道钉；3—垫板；4—轨枕；5—防爬撑；6—防爬器；7—道床；8—接头夹板；9—扣板式中间联结零件；10—弹片式中间联结零件。
钢轨的断面采用具有最佳抗弯性能的工字形断面，由轨头、轨腰、轨底三部分组成，如图6.23所示。
图6.23 钢轨断面图
在我国，钢轨的类型或强度以每米长度的大致质量表示。现行的标准钢轨类型有：75 kg/m、60 kg/m、50 kg/m及43 kg/m。新建、改建铁路正线应采用60 kg/m钢轨的跨区间无缝线路（重载运煤专线线路可采用75 kg/m钢轨轨道结构）。
目前我国钢轨的标准长度有25 m和12.5 m两种，对于75 kg/m钢轨只有25 m一种。此外，还有专供曲线地段铺设内轨用的标准缩短轨若干种。
（2）轨枕
轨枕是钢轨的支座，它除承受钢轨传来的压力并将其传给道床以外，还起着保持钢轨位置和轨距的作用。
轨枕按照制作材料分，主要有钢筋混凝土枕和木枕两种。木枕具有弹性好，形状简单，加工容易，质量轻，铺设和更换方便等优点。主要缺点是消耗大量木材，使用寿命较短。钢筋混凝土轨枕使用寿命长、稳定性能高，养护工作量小，加上材料来源较广，所以在我国铁路上得到广泛采用，不仅可以节省大量木材，还有利于提高轨道的强度和稳定性。
我国普通轨枕的长度为2.5 m，道岔用的岔枕和钢桥上用的桥枕，其长度有2.6～4.85 m多种。
（3）联结零件
联结零件包括接头联结零件和中间联结零件两类。
接头联结零件用来联结钢轨与钢轨之间的接头，包括夹板、螺栓、螺帽和弹性垫圈等。钢轨接头是线路上最薄弱的环节，必须保持一定的缝隙，这一缝隙叫做轨缝。当气温发生变化时，轨缝可满足钢轨的自由伸缩，因此它是线路维修工作的重点对象。
中间联结零件（又称扣件）的作用是将钢轨紧扣在轨枕上。中间联结零件因轨枕的不同，有钢筋混凝土枕用的扣件和木枕用扣件两类。
（4）道床
道床是铺设在路基面上的石砟（道砟）垫层。主要作用是支撑轨枕，把从轨枕上部的压力均匀地传递给路基，并固定轨枕的位置，阻止轨枕纵向或横向移动，缓和机车车辆轮对对钢轨的冲击，调整线路的平面和纵断面。
道床的材料应当具有坚硬，不易风化，富有弹性，并有利于排水的特点。常用的材料有碎石、卵石、粗砂等。其中以碎石为最优，我国铁路一般都采用碎石道床。
（5）防爬设备
因列车运行时纵向力的作用，使钢轨产生纵向移动，有时甚至带动轨枕一起移动，这种现象叫轨道爬行。轨道爬行往往引起轨缝不匀、轨枕歪斜等线路病害，对轨道的破坏性极大，严重时还会危及行车安全。因此，必须采用有效措施加以防止。通常的做法是：一方面加强钢轨与轨枕间的扣压力和道床阻力；另一方面是设置防爬器和防爬支撑等防爬设备。
（6）道岔
道岔是一种使机车车辆能从一股道转入或越过另一股道的线路连接设备，大量铺设在车站内，以满足各种作业需要，最常见的是普通单开道岔。
①普通单开道岔。普通单开道岔由转辙器、辙叉及护轨、连接部分所组成，如图6.24所示。
图6.24 普通单开道岔
②道岔号数。道岔因其辙叉角的大小不同，有不同的道岔号数（N），道岔号数表明了道岔各部分的主要尺寸。道岔号数是用辙叉角（α）的余切值来表示的，如图6.25所示，其计算公式为：
图6.25 道岔号数计算示意图
由此可见，辙叉角越少，N值就越大，导曲线半径也越大，机车车辆侧线通过道岔时就越平稳，允许的侧线过岔速度也就越高。所以，采用大号码道岔对于列车运行是有利的。然而，道岔号数越大，道岔全长就越长，铺设时占地就越多。目前，我国铁路的主要线路上大多使用9、12、18、30号道岔对于速度分别为30、45、80、140 km/h。因此，采用几号道岔来连接线路，需要根据线路的用途来决定。
③其他类型道岔与交叉设备。除了普通单开道岔以外，按照构造上的特点及所连接的线路数目，还有对称双开道岔、对称三开道岔、复式交分道岔和菱形交叉等。
2）轨道上两股钢轨的相互位置
为了确保行车安全，轨道除了应具有合理的组成外，还应保持两股钢轨的规定距离和钢轨顶面的相对水平位置。
（1）直线部分的轨距和水平
①轨距。轨距是钢轨头部踏面下16 mm范围内两股钢轨工作边之间的最小距离。我国铁路主要采用1 435 mm的标准轨距。轨距小于1 435 mm的铁路统称为窄轨铁路，轨距大于1 435 mm的统称为宽轨铁路。
②水平。直线地段两股钢轨的顶面应保持在同一水平。如有误差，在正线和列车到发线上，在轨道的距离范围内两股钢轨的顶面高差不允许超过4 mm。
（2）曲线部分的轨距和水平
①轨距加宽。机车车辆走行中只能保持平行而不能作相对运动的车轴中心线间的最大距离，叫做固定轴距，如图6.26所示。由于机车车辆具有固定轴距，在曲线上运行时转向架的纵向中心线与曲线轨道中心
图6.26 轨距加宽原因示意图
线并不一致，因而引起转向架前一轮对外侧车轮轮缘和后一轮对的内侧车轮轮缘压挤钢轨，增加走行阻力。为了使机车车辆顺利地通过曲线，要对小半径曲线的轨距适当加宽。
图6.27 外轨超高原理图
②外轨超高。机车车辆在曲线上运行时，由于离心力的作用使曲线外轨承受了较大的压力，因而造成两股钢轨磨耗不均匀现象，并使旅客感到不舒适，严重时还可能造成翻车事故。因此，通常要将曲线上的外轨抬高，使机车车辆内倾，以平衡离心力的作用。外轨比内轨高出的部分称为超高。如图6.27所示。
曲线外轨超高量h（mm），通常可用下列公式计算：
我国规定，外轨超高的最大值单线地段不得超过125 mm，双线地段不得超过150 mm。
6.2.5 高速铁路
1）概述
高速铁路技术是当今世界铁路的一项重大技术成就。虽然高速列车表面上还是在钢轨上运行，但它已完全不同于我们现在的铁路运输。它不仅要有良好的线路路基，性能优良的机车和车辆，还要有一系列建立在高新科技基础上的通讯信号设备，自动行车指挥系统，自动的损伤、安全诊断保障系统。它集中反映了一个国家铁路牵引动力、线路结构、高速运行控制、高速运输组织和经营管理等方面的技术进步，也体现了一个国家的科技和工业水平。
我国高速铁路发展规划，是2004年经国务院批准的《中长期铁路网规划》确定的。2008年，国家根据我国综合交通体系建设的需要，对《中长期铁路网规划》进行了调整。到2020年，为满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及6个城际快速客运系统。建设客运专线1.2万km以上，客车速度目标值达到200 km/h及以上。
目前，中国是世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。
2）高速铁路线路
随着列车运行速度的提高，对线路的建筑标准，包括最小曲线半径、缓和曲线、外轨超高、正线线间距、限制坡度、竖曲线和道岔等线路构造与普通铁路相比都将有特定要求。
（1）线路
我国规定铁路客运专线区间直线地段线间距不得小于4.4 m，曲线地段按规定进行加宽，区间正线平面的圆曲线半径应因地制宜，优先采用常用曲线半径，慎用最小曲线半径和最大曲线半径；直线与圆曲线间应采用缓和曲线连接，缓和曲线采用三次抛物线线型。各类平面圆曲线半径如表6.6所示。
表6.6 线路平面圆曲线半径 单位：m
①曲线超高度。目前，国外高速铁路、客运专线的最大超高除日本东海道新干线规定为200 mm外，其余均为180 mm。
②限制坡度与竖曲线。高速列车质量较小，机车功率较大，可在较大线路坡度上高速运行。我国区间正线的限制坡度应根据地形条件、列车牵引种类和运输要求比选确定，并应符合国家现行《铁路线路设计规范》的有关规定；法国TGV东南线限制坡度采用35‰，竖曲线半径采用25 000 m；而日本除在东海道新干线限制坡度采用20‰，竖曲线半径采用10 000 m外，山阳、东北、上越新干线均为15‰的限制坡度和15 000 m的竖曲线半径。
（2）路基
路基横断面处除应满足高速行车的技术要求外，还要为高速行车的安全及线路维修检查提供便利条件，因此路基必须具有足够的强度、稳定性的耐久性，能够抵抗各种自然因素作用的影响。路基需要设计较宽的路基宽度，如我国客运专线应不小于12.1 m；法国高速铁路路基宽度规定为12.6 m；日本东海道新干线为10.7 m，山阳新干线为11.6 m；意大利高速线为13 m；德国则采用13.7 m。
道床的基底除路堤可用石块填筑外，均应铺设15～55 cm厚的垫层，以保证高速列车良好的运行条件及行车安全。
（3）轨道结构
高速轨道结构，目前大体可分为两种类型：
①道砟轨道，即所谓常规轨道，多为欧洲各国所采用。在整体结构上仍为有砟轨道，但对轨道部件进行了改进和加强。有砟轨道具有工程费用低、施工铺设速度快和易于整修轨道变形等优点。法国、德国均属于此类。
②板式轨道，即所谓无砟轨道，是在混凝土整体道床的基础上发展起来的新型轨下基础，目前只有日本高速铁路采用。这种轨道结构形式一经筑成，线路就能保持稳定、平顺，且维修工作量少，但造价高、刚性大、列车振动与噪声较大，如图6.28所示。
图6.28 板式轨道
高速轨道结构具有铺设超长轨条无缝线路、重型轨道结构、强韧性与弹性的轨道部件、有足够弹性及稳定性的道床、采用可动心轨或可动翼轨结构的大号道岔等特点。
为了减少轨道变形、增大强度，除采用整体轨枕外，法国高速铁路还采用每根质量245 kg，长2.24 m的双块式混凝土轨枕。
6.3 港口工程
6.3.1 概述
1）港口与港口工程
港口是水陆联运中供船舶安全进出和停泊的运输枢纽，港口工程则是港址选择、工程规划、工程设计及各种设施（如建筑物、装卸设备、系船浮筒、航标等）施工、管养的总称。
港口工程原属土木工程的一个分支，随着港口工程科学技术的发展，已逐渐成为相对独立的学科，但仍与土木工程中的道路、铁路、桥梁、房屋以及市政工程、供暖通风工程，防灾减灾及防护工程，水工结构工程等土木工程学科密切相关。
港口工程属于重要的交通土建工程，其发展与水路运输的发展高度关联。与铁路和公路运输相比较，水路运输除速度慢（一般为20～30 km/h），受自然条件（如航道、气候、潮汐等）影响相对较大外，具有诸多优势，包括：a.占地少；b.基本建设投资少，用工省，见效快；c.节能环保；d.运量大；e.运费低等。
随着国家综合交通运输体系的建设发展需要，港口工程在交通土建中的地位与作用将更加突出。
2）港口概念内涵
现代交通运输系统通过公路、铁路、水路、管道和航空等多种运输方式的有机结合形成的综合运输网。其中，港口是交通运输枢纽之一，是公路、铁路、水路、航空和管道几种运输方式的汇集点，也是水陆联运的咽喉。因此，港口的通过能力受与其连接的各种运输方式能力的制约，反过来港口能力也影响与其连接的各种运输能力的发挥。这充分体现了港口在整个综合运输系统的重要地位以及其对发展地区经济的推动作用。港口的内涵体现在：
①就其功能而言，港口是供旅客和货物改变运输工具进行换装的场所，是交通运输枢纽、水陆联运的咽喉；是水陆运输工具的衔接点和货物、旅客的集散地。要求港口能满足船舶的安全停靠与航行、旅客的上下船与候船、货物的装卸与存储、车辆和机械的运行，并具有供水、供电和机修等生产生活辅助设施。
②就其工程内容而言，港口是各种工程建筑物（如码头、防波堤、房建、铁路、道路、桥梁和给排水等）、设备以及信息基础设施所组成的综合体，而港口水工建筑物是这个综合体的主要组成部分。因此，港口工程具有涉及面广、投资大、周期长、关联问题多等特点。
③就其功能特点而言，港口通常是海运的起点与终点。海洋运输无论是集装箱或散货运输，都是货运量最大的运输方式。因此，港口总是运输链上货物最集中的地方。如果需要增加工业、商业和技术活动，货物集中是实现规模经济的最好条件；如果不同大陆之间，或相距较远的国家之间，在生产要素上存在着巨大差别，通常要靠海运运输货物，港口自然是用最有利方式将不同的生产要素的作用结合的地点，这正是“临港工业”在国际市场上取得巨大的成本优势的原因。
④就国际贸易而言，港口是最大、最重要的运输方式连接点。在这里可以找到货主、货运代理、托运人、船东、船务代理、货物分运商、包装公司、陆地运输经营人、海关、商检、银行、保险、法律等有关公司和部门，这里是重要的信息中心和国际运输的完整舞台。因此，港口正以水陆联运枢纽功能为主体，向兼有产业、商务、贸易的国际贸易综合运输中心和国际贸易的后勤基地发展。
3）现代港口的功能
现代港口的功能包括：
①装卸和仓储功能：基本功能。
②运输组织管理功能：通过有效的运输组织，把各种运输方式有机结合起来，从而使物流供应全过程快速、经济与合理。
③贸易功能：对外交流与贸易的窗口。
④信息功能：各种信息的汇集中心。
⑤服务功能：口岸服务和生活与生产服务。
⑥生产加工功能：货物加工，出口加工区、保税港区、自由港区等。
⑦辐射功能：辐射海外和内陆。
⑧现代物流功能：物流中心。
4）我国港口的发展
我国是一个有18 000余千米大陆海岸线的国家，同时又是一个岛屿众多的国家，拥有大小岛屿6 500多个，岛屿岸线14 000余千米。江河众多，内河流域面积在100 km2以上的共有5 700多条，总长约430 000 km，为发展水运和建设港口提供了十分优越的条件。
新中国成立以来，我国港口已经有了跨越式发展。主要体现在以下几个方面：
①港口的管理体制实现了政企分开。已基本形成公平、公开、竞争、有序的港口市场体系。
②港口的建设实现了跨越发展。到2008年底，全国413个港口拥有生产用码头泊位3.1万个，其中万吨级及以上泊位1 416个，全国货物吞吐量超亿吨的港口达到16个；港口吞吐量从新中国成立初期仅有的1 000万吨，发展到70亿吨，增长近700倍，完成集装箱吞吐量为1.28亿标准箱。
③港口的功能有了巨大的拓展。现代港口不仅仅是最初的装卸，还能为用户提供配送、包装、保税、供油、供水等多种服务；临港工业纷纷依托港口实现了快速发展，形成了保税港区、港口物流园区、临港工业区、出口加工业等一批新的港口经济增长点。
④港口的布局更加完善合理。建成了布局合理、层次分明、功能齐全、河海兼顾、优势互补、配套设施完善的现代化港口体系，形成了环渤海、长江三角洲、东南沿海、珠江三角洲和西南沿海五大港口群，构建了石油、煤炭、矿石、集装箱、粮食五大专业化港口运输系统，具备靠泊装卸30万吨级散货船、35万吨级油轮和1万标准箱集装箱船的能力。各大区域沿海港口群将通过各自区域内、外的公路、铁路、内河以及航空、油气管道等多种方式构成的综合运输体系，全面服务于我国经济社会发展，促进区域经济协调发展。
6.3.2 港口的分类
（1）按功能及用途分
①商港：以一般商船和货物运输为服务对象的港口称为商港，也称为贸易港。一般均兼运各种各类货物，设有不同货种的作业区。
②渔港：为渔船停泊、捕捞、鱼货保鲜、冷藏加工、修补渔网、中转外调鱼货和渔船获得生产、生活补给品的基地。鱼易腐烂变质，一经卸船必须迅速处理。因此，港内的冷藏、加工设施的设置使渔港具有生产、贸易和分运的功能。
③工业港：供大型企业输入原材料及输出成品而设置的港口，我国称为业主码头。通常是为沿海、沿江的大企业所设，港区与厂区靠近。
④军港：为舰艇停泊并取得舰艇所需战术技术补给的港口。在港口选址、总图布置、陆域设施等方面与上述港口有较大的差别。
⑤旅游港：为旅游业服务的港口。
⑥避风港：为避风船舶服务，无货物装卸。
（2）按地理位置分
①河港：位于天然河流或人工运河上的港口，包括湖泊港和水库港，多以内贸为主，供河船使用。
②海港：河口港和海岸港统称为海港。河口港位于河流入海口或河流下游潮区界内的港口，可同时停泊海船和河船。由于河口港与腹地联系方便，有河流水路优越的集疏运条件，对风浪又有较好的掩护条件，因此历史悠久的著名大港多属于河口港。例如：我国第一大港上海港，世界第一大港鹿特丹港，美国第一大港纽约·新泽西港，德国第一大港汉堡港。海岸港位于海岸、海湾或泻湖内，也有离开海岸建在深水海面上的。位于开敞海面岸边或天然掩护不足的海湾内的港口，通常须修建相当规模的防波堤，如大连港、青岛港等。供巨型油轮或矿石船靠泊的单点或多点系泊码头和岛式码头属于无掩护的外海开敞式海港，如利比亚的卜拉加港、黎巴嫩的西顿港等。泻湖被天然沙嘴完全或部分隔开，开挖运河或拓宽、浚深航道后，可在泻湖岸边建港，如广西北海港。也有完全靠天然掩护的大型海港，如日本的东京港、澳大利亚的悉尼港及中国的香港港等。
（3）按港口的层次分
根据港口布局和港口在国民经济及综合运输体系中的地位、作用以及所处的地理位置及功能进行划分，可分为：航运中心、主枢纽港、地区性枢纽港、地区型主要港和其他中小港口。
（4）按集装箱运输份额分
按集装箱运输份额分为：国际集装箱枢纽港、区域型枢纽港和支线港（喂给港）。
6.3.3 港口的基本组成
港口由港口水域、码头和陆域设施等组成，如图6.29所示。
图6.29 大连港平面图
（1）港口水域
港口水域包括锚地、航道、船舶调头水域和码头前水域，还有导航、助航标志等设施。
①锚地：指有天然掩护或人工掩护条件、能抵御强风浪的水域，船舶可在此锚泊、等待靠泊码头或离开港口。如果港口缺乏深水码头泊位，也可在此进行船转船的水上装卸作业。内河驳船船队还可在此进行编、解队和换拖（轮）作业。
②航道：保证船舶沿着足够宽度、足够水深的路线进出港口的水域。图6.29中大连港航道宽270 m，水深10 m，万吨级船可随时进出港。
③船舶调头水域：供船舶调头用的水域面积，也称为回旋水域，一般需要直径为1.5～3倍船长的圆面积。
④码头前水域：供船舶靠离码头和装卸货物用的毗邻码头的水域，也称为港池。
⑤导航助航标志：主要有灯塔，其射程一般为10～25 nmile（1nmile=1.852 km），是船舶接近陆岸的主要标志。防波堤堤头、险礁以及指示锚地边界一般用灯桩，其射程视需要在2～7 n mile。
⑥防波堤：在天然掩护不足的地点建港，需要建设防波堤，用以围护足够的水域防止波浪、海流等侵袭。
（2）码头岸线
码头是停靠船舶、上下旅客和装卸货物的场所。码头前沿线是水域和陆域交接地，是港口生产活动的中心。构成码头岸线的码头建筑物是一切港口不可缺少的建筑物。
（3）陆域设施
陆域设施包括仓库、堆场、铁路、道路、装卸机械、运输机械以及生产辅助设施、环保设施、计量检验设施、信息中心（EDI服务中心）等，有些现代化大港口还管理有当地的“世界贸易中心”。
①仓库、堆场：供货物在装船前或卸船后短期存放。
②铁路：港口集疏运的主要方式之一，在库场前后设置专用线，在码头附近还设分区车场，对来往装卸线的车辆进行编送。铁路线一般不上码头前沿。
③港内道路（桥梁）：供流动机械运行，并与城市道路和疏港道路相连接。
④装卸机械：用于码头前方、库场内和船舱内的各种起重机、装卸搬运机械。
⑤运输机械：主要用于码头前沿与库场之间货物运输的各种运输机械，如汽车、集卡车、拖车等。
⑥生产辅助设施：是完成港口生产不可缺少的设施，主要有：a.给排水设施；b.供电系统；c.通信设施；d.辅助生产建筑，如流动机械库、机修厂、消防站、办公楼等。
随现代港口商业贸易功能的拓展，国际贸易港口通信设施已发生了质的变化。以通信网络传递为基础，与具有一定结构特征的标准经济信息、计算机系统相结合，实现外贸事务处理的自动化，即电子数据交换（EDI）系统。现代国际贸易港口均建立有港口EDI服务中心。
港口生产作业是系统化生产，上述个体必须相互适应、相互配合才能使生产作业顺利进行。现代港口生产作业可主要归结为五大系统，如表6.7所示，只有五大系统能力协调、配合，才能形成港口的综合生产能力。
表6.7 港口五大作业系统
6.3.4 港口工程的技术特征
（1）港口水深
港口水深是港口的重要标志之一，体现港口条件和可供船舶使用的基本界限。增大水深可接纳吃水更大的船舶，但将增加港口水工建筑物的造价和港池等维护费用。在保证船舶行驶和停泊安全的前提下，港口各处水深可根据使用要求分别确定，不必完全一致。对有潮港，当进港航道挖泥量过大时，可考虑船舶乘潮进出港。现代港口供大型干货海轮停靠的码头水深10～15 m，大型油轮码头10～20 m。
（2）码头泊位数
码头泊位数是港口规模的主要技术指标，根据货种以及货运量大小确定。除供装卸货物和上下旅客所需泊位外，在港内还要有辅助船舶和修船码头泊位。
（3）码头线长度
根据码头泊位数和可能同时停靠码头的船长及船舶间的安全间距确定。
（4）港口陆域高程
根据设计高水位加超高值确定，要求在高水位时不淹没港区。为降低工程造价，确定港区陆域高程时，应尽量考虑港区挖、填方量的平衡。港区扩建或改建时，码头前沿高程应和原港区后方陆域高程相适应，以利于道路和铁路车辆运行。同一作业区的各个码头通常采用同一高程。
6.3.5 港口规划与设计的基本要求
（1）港口规划
港口建设牵涉面广，关系到临近的公路、铁路和城市建设，关系到国家的工业布局和工农业生产的发展。须按照统筹安排、合理布局、远近结合、分步实施的总原则制定全国、特别是沿海港口的建设规划。深水深用，浅水浅用，合理开发利用，保护好国家的港口资源。制定规划前要做好港口腹地的社会经济调查，弄清建港的自然条件，选择好港址，确定合理的工程规模和总体规划，进行可行性研究后，制定实施规划。有些港口，如运输燃料或原材料为主的中小型专业性港口，也可不经过前两个阶段，直接制定实施规划。
港口建设和所在城市的建设与发展息息相关。港口规划须与所在城市发展规划密切配合和协调。环境问题在总体规划中必须放在重要位置考虑，适当配置临海、临江公园和临海疗养设施，严格防止对周围环境的污染，创造出美好的空间。
（2）港址选择
港址选择是港口规划工作的重要步骤。港口经济腹地范围、交通、工农业生产和矿藏情况及货种、货流和货运量情况是确定港址的重要依据；自然条件是决定港址的技术基础，故对有条件建港的地区应进行港口工程测量、滨海水文、气象、地质、地貌等方面的深入调查研究，辅以必要的科学实验，然后对港址进行比较选择，务求做到技术上可行，经济上合理。
（3）港口平面布置
港口平面布置是港口工程设计的首要工作。将港口各个作业区和港口水域及陆域的各个组成部分和工程设施进行合理的平面布置，使各装卸作业和运输作业系统、生产建筑和辅助建筑系统等相互配合和协调，以提高港口的综合通过能力，降低运输成本。
（4）港口水工建筑物的设计
港口水工建筑物的设计，除应满足一般的强度、刚度、稳定性和沉陷方面的要求外，还应注意波浪、水流、泥沙、冰凌、地震等动力因素对港口水工建筑物的作用及环境水（主要是海水）对建筑物的腐蚀作用，并采取相应的防冲、防淤、防渗、抗磨、防腐等措施。
（5）港口工程施工
港口工程施工与一般土木工程相似。港口工程往往在水深、浪大的海上或水位变幅大的河流上施工，水上工程量大，施工周期短、环境差（一些海港常受台风或其他风暴的袭击）、施工安全风险大，因此，要求尽可能采用装配化程度高，施工速度快的工程施工方案，尽量缩短水上作业时间，并采取切实可行的措施保证建筑物在施工期间的稳定性，防止滑坡或其他形式的破坏。
6.3.6 码头的组成与分类
1）码头的基本组成
码头是供船舶系靠停泊用的建筑物，供货物装卸、旅客上下或其他专业性作业，是港口的主要水工建筑物之一。
码头由主体结构和码头设备两部分组成（见图6.30）。主体结构包括上部结构，下部结构和基础。
图6.30 码头的基本组成示意图
（1）上部结构
码头主体结构中的上部结构包括：重力式码头的胸墙、板桩码头的帽梁或胸墙和高桩码头的承台或梁板及靠船构件等。上部结构的作用是直接承受船舶荷载和地面使用荷载，并将这些荷载传给下部结构，同时还起着将下部结构的构件形成整体的作用；另外，也是设置防冲设施、系船柱、轨道、管沟的基础。上部结构大部分位于水位变化区，直接受波浪冲击、冰凌撞击、冻融和船舶撞击磨损等作用，要求有足够的整体性和耐久性。
（2）下部结构和基础
下部结构和基础主要指重力式码头的墙身和抛石基床，有些码头下部结构本身也是基础，如高桩码头的桩基、板桩码头的板桩墙等，其作用是支承上部结构，形成直立岸壁，并将作用在上部结构和本身的荷载传给地基。
此外，有些码头为了挡土或者稳定需要，主体结构还包括独立的挡土结构（如高桩码头后面的挡土墙）和锚碇结构（如板桩码头的拉杆及锚碇结构）。
（3）码头设备
码头设备是指为船舶系靠和装卸作业需要在码头上安装的固定设备，包括系船设施（系船柱、系船环等）、防冲设施（护木、橡胶护舷、靠船桩等）、安全设施（系网环、护轮槛等）、工艺设施（工艺管沟、起重机和火车轨道等）和路面等。
2）码头的分类
（1）按用途分
按用途分有货码头、客码头、工作船码头、渔码头、军用码头、船渡码头、修船码头及舾装码头等。按货种的不同，货码头又有件杂货码头、散货码头（煤码头、矿石码头、矿建材料码头等）、油码头和其他专业码头（集装箱码头、钢铁码头、粮食码头及木材码头等）之分。
（2）按平面布置分
按平面布置分，码头分为顺岸式、突堤式、墩式、栈桥式及岛式等（见图6.31）。突堤式码头又分为窄突堤式和宽突堤式两种。窄突堤式码头沿宽度为一整体结构，宽突堤式沿宽度两侧为码头结构，中部填土以构成码头地面。墩式码头一般由靠船墩、工作平台、系缆墩、连系墩子的工作桥或人行桥和与岸连接的引桥等组成。栈桥式码头是透空的，并且沿码头长度方向是连续的结构，它由桥墩和桥梁两部分组成，高桩码头也属于栈桥式。岛式码头是远离海岸的一种码头，一般只在油码头中采用，与陆岸用海底油管联系。
图6.31 码头的平面布置形式
（3）按断面形式分
按断面形式分，码头有直立式、斜坡式、半斜坡式和半直立式（见图6.32）。直立式多用于水位变化幅度不大的港口，如海港、下游河港、河口港或运河港等。斜坡式适用于水位变化较大的情况，如天然河流的中、上游港口；通常设有供船舶停靠用的趸船，趸船与岸用引桥或缆车、皮带机等联系。当趸船随水位变化而沿垂直岸线方向移泊船，则称为斜坡码头，缆车码头就是其中一种；当趸船只随水位变化而上、下浮动，则称为浮码头（见图6.33）。半斜坡式码头适用于枯水时间较长而洪水时间较短的山区河港。半直立式适用于高水位时间较长而低水位时间较短的情况，如水库港。后两种形式码头应用较少。
图6.32 码头的断面形式示意图
图6.33 浮码头示意图
不同的码头也有多种结构形式可供采用。以直立式码头为例，其结构形式包括重力式、板桩式、高桩式等。
①重力式码头。重力式码头（见图6.34a）是靠自重力（包括结构及其范围内填料的质量）来抵抗建筑物滑动和倾覆，可见，自重力越大越好。但随着自重力增大，地基将受到很大的压力，可能丧失稳定性或产生过大的沉降。为此，需要设置基础，将外力传到较大范围的地基上（减小地基应力）或下卧硬土层上。重力式码头，按墙身结构形式又可分为：方块码头、沉箱码头、扶壁码头、大直径圆筒码头、格形钢板桩码头、干地施工的现浇混凝土和浆砌石码头及混合式结构等。
②板桩式码头。板桩式码头（见图6.34b）由板桩墙和锚碇设施组成，并借助板桩和锚碇设施承受地面使用荷载和墙后填土产生的侧压力。为了减小板桩墙上部的位移和跨中弯矩，上部一般用拉杆和锚碇结构锚碇。由于板桩为一薄壁构件，而且又受有较大的土压力，所以它一般适用于万吨级以下的码头。目前国内外正在探索可用于大码头的新型板桩码头结构。板桩码头结构简单，施工速度快，除特别坚硬或过于软弱的地基外，均可采用，但结构整体性和耐久性较差。按锚碇系统分类，板桩式码头包括无锚板桩和有锚板桩两种。有锚板桩又可分为单锚板桩、双锚（或多锚）板桩和斜拉板桩等结构形式。
图6.34 码头的结构形式
③高桩式码头。高桩式码头（见图6.34c）主要由上部结构和桩基两部分组成。上部结构构成码头地面并把桩基连成整体，它直接承受作用在码头上的荷载和外力，然后通过桩基将这些荷载和外力传至地基。高桩式码头一般适应于软土地基，它的耐久性和对超载以及工艺变化的适应能力较差。近年来广泛采用长桩、大跨结构，并逐步用大型预应力混凝土管柱或钢管柱代替断面较小的桩，形成管柱码头。高桩式码头按上部结构形式又分为承台式、无梁板式、梁板式和桁架（或框架）式4种。
除上述三种主要结构形式之外，根据当地的地基、水文、材料、码头使用要求和施工条件等因素，可采用各种不同形式的混合结构。例如：基础为重力墩、上部为梁板结构的重力墩式码头；后面用独立的板桩结构挡土的高桩码头（见图6.34d））；由基础板、立板和锚碇结构组成的码头结构（见图6.34e）。
天津某宽桩台梁板式码头断面如图6.35所示；重庆寸滩大水位差框架式码头如图6.36所示。
图6.35 天津某宽桩台梁板式码头断面图
图6.36 重庆寸滩大水位差框架式码头
对于斜坡码头，根据斜坡道的结构形式、上下坡运输作业方式和码头平面布置形式可分实体式、架空式（见图6.37）和混合式斜坡道（见图6.38）等。
图6.37 某架空斜坡道码头（标高单位：m，其余：cm）
图6.38 某混合斜坡道码头（标高单位：m，其余：cm）
（4）按地理位置分
码头有海港码头、河口港码头和河港码头、湖泊水库码头等。海港码头，根据掩护条件，又分为有掩护的码头和无掩护的码头（也称为开敞式码头）。由于这些地点的水文、使用和施工的条件各有特点，其结构形式和结构构造差别很大。
6.4 机场工程
6.4.1 航空运输与机场工程
航空运输是指使用飞机及其他航空器运送人员、货物、邮件等的一种运输方式。1871年，普法战争中的法国人用气球把政府官员和物资、邮件等运出被普军围困的巴黎，被认为是航空运输的开始。1918年，飞机运输首次出现在纽约—华盛顿—芝加哥航线。20世纪30年代出现了民用运输机。随着航空工业的发展，航空运输得到了迅猛发展。由于航空运输具有快速、机动的特点，已经成为远程旅客运输的主要方式，以及国际贸易中的贵重物品、鲜活货物和精密仪器等不可或缺的运输手段，在现代综合运输体系建设与发展起着十分重要的作用。
机场，亦称飞机场、空港或航空站，系专供飞机起降的场地，在航空运输中起着与陆路、水路运输中的火车站、码头等同等重要的作用。
机场工程包括机场规划、设计、施工、管养等。机场工程由场道工程、导航工程、通讯工程、旅客航站、指挥楼工程、地面道路工程及其他辅助工程等组成。
6.4.2 民用机场的分类与等级划分标准
1）民航飞机的种类
民航飞机分为干线飞机和支线飞机两大类。干线飞机是指载客量在100人以上、航程超过3000 km的大型运输机。以美国波音公司的Boeing757（简称B757）、B767、B747、B777、欧洲空中客车公司的A380等为代表。支线飞机则是指载客量在100人以下，主要用于承担局部地区短距离、小城市之间、大城市与小城市之间的旅客运输。以美国的DC3、英国宇航公司的SH330 和BAEl46、中国与美国联合制造的MD82、MD90等为代表。
2）机场的分类
机场一般分为军用机场、民用机场以及直升机场。军用机场是指供军用飞机起飞、着陆、停放和组织、保障飞行活动的场所。民用机场是指专供民用航空器起飞、降落、滑行、停放以及进行其他活动使用的划定区域，包括附属的建筑物、装置和设施。直升机场则是供直升机起落，并设有必要设施的规定场地（按物理特性分为三种类型：地面直升机场、高架直升机场和直升机甲板）。
对于民用机场，根据航线性质不同分为国际机场与国内机场。国际机场是指供国际航线用，并设有海关、边防检查、卫生检疫、动植物检疫、商品检验等联检机构的机场，如北京首都机场。国内机场按航线的布局不同则分为枢纽机场、干线机场和分线机场，干线机场是指省会、自治区首府及重要旅游、开发城市的机场，支（分）线机场是指各省（市）、自治区内地面交通不便的地方所建的小规模机场（如重庆黔江舟白机场）。
3）机场飞行区等级划分标准
机场飞行区通常按指数Ⅰ和指数Ⅱ进行分级，以使机场飞行区的各种设施的技术标准能与在机场上运行的飞机性能相适应。
图6.39 机场系统的组成
飞行区指标Ⅰ：根据使用机场跑道的各类飞机中最长的基准飞行场地长度，分为1、2、3、4 共4个等级，如表6.8所示。
表6.8 飞行区指标Ⅰ
飞行区指标Ⅱ：根据使用机场飞行区的各类飞机中的最大翼展或最大主起落架外侧边的间距，分为A、B、C、D、E、F 6个等级，两者中取其较高等级，如表6.9所示。
表6.10给出了两种典型大型客机的机身尺寸。
表6.9 飞行区指标Ⅱ
表6.10 飞机机身尺寸范例
注：1ft（英尺）=0.3048m；1lb（磅）=0.45359237kg。
机场总体规划需以航空业务量预测为基础。航空业务量预测年限有近期和远期之分，近期为10年，远期为30年。
6.4.3 民用机场的构成
民用机场由空侧和陆侧两个区域组成。空侧主要由飞行区、旅客航站区、货运区、机务维修设施、供油设施、空中交通管制设施、安全保卫设施、救援和消防设施。陆侧由行政办公区、生活区、辅助设施、后勤保障设施、地面交通设施、机场空域组成。航站楼则是两个区域的分界线。
机场主要构筑物包括跑道、滑行道与停机坪、旅客航站楼、机场停车场、机场维护区等。
1）跑道
跑道是机场飞行区的主体设施，直接供飞机起跑、起飞滑跑和着陆滑跑。
（1）跑道布置
跑道的布置包括跑道数量、位置、方向和使用方式，取决于交通量需求，还受气象条件、地形、周围环境等影响。一般来说，跑道方位和条数应能使机场利用率不少于95%。一般跑道布置有5种（见图6.40），包括：
图6.40 机场的跑道布置
图6.41和图6.42分别是美国休士顿国际机场和广州白云机场的跑道布置情况。
（2）跑道分类
按其作用不同，跑道分为主要跑道、辅助跑道、起飞跑道等三种。主要跑道是指在条件许可时比其他跑道优先使用的跑道，按最大机型的要求修建，长度较长，承载力也较高。辅助跑道也称次要跑道，是指因受侧风影响，飞机不能在主跑道上起飞着陆时起降用的跑道，由于飞机在辅助跑道上起降都有逆风影响，所以其长度比主要跑道短。起飞跑道是指仅供起飞用的跑道。
图6.41 美国休士顿国际机场
图6.42 广州白云机场鸟瞰图
（3）跑道长度
主跑道的长度需满足主要设计机型的运行要求，按预测航程计算的最大起飞质量、机场海拔高程、机场基准温度与风速、跑道坡度与跑道表面特性等数据进行计算，选择最长的跑道长度。
决定机场跑道长度的条件还有（见图6.43）：a.全发正常起飞距离；b.一发失效起飞距离；c.加速-停止距离；d.着陆距离。
图6.43 机场跑道长度的限制条件
（4）机场跑道宽度
机场跑道宽度须不小于表6.11中规定的值。
表6.11 跑道宽度 单位：m
（5）跑道强度
跑道强度需符合飞机的运行要求。飞机质量、轮胎与地面压强和跑道强度之间存在对应关系，国际上使用飞机等级序号（AirCraft Classfication Number——ACN）和道面等级序号（Pavement Classfication Number——PCN）方法来决定飞机是否可以在指定的跑道上起降。ACN等于或小于PCN时，能在规定胎压和飞机的最大起飞质量的条件下使用道面。当飞ACN大于PCN时，可在满足下述条件下有限制地运行：
①道面没有呈现破坏迹象，土基强度未显著减弱期间。
②对柔性道面，飞机的CAN不超过道面ACN的10%；对刚性道面或以刚性道面为主的组合道面，飞机的ACN不超过道面PCN的5%。
③年超载运行的次数不超过年总的运行次数的5%。
（6）跑道的表面特性
跑道表面必须具有良好的摩阻特性，其平均纹理深度需不小于0.8 mm。跑道表面应具有良好的平坦度，用3 m直尺测量时的最大空隙须小于3mm。
（7）辅助用的道路设施
①跑道道肩。它是作为跑道和土质地面之间过渡用，以减少飞机一旦冲出或偏离跑道时损坏的危险，也减少雨水从邻近土质地面渗入跑道下的土基基础的作用，确保土基强度。道肩一般用水泥混凝土或沥青混凝土筑成，由于飞机一般不在道肩上滑行，所以道肩的厚度比跑道要薄一些。
②停止道。停止道设在跑道端部，供飞机中断起飞时安全停住用。设置停止道可以缩短跑道长度。
③机场升降带土质地区。跑道两侧的升降带土质地区，主要保障飞机在起飞着陆滑跑过程中一旦偏出跑道时的安全，不允许有危及飞机安全的障碍物。
④跑道端的安全区。设置在升降区两端，用来保障起飞着陆的飞机偶尔冲出跑道以及提前接地时的安全。
⑤净空道。机场设置净空道，确保飞机完成初始爬升高度。净空道设在跑道两端，其土地由机场当局管理，以确保不会出现危及飞机安全的障碍物。
2）滑行道与停机坪
（1）滑行道
供飞机从飞行区的一部分通往其他部分用。滑行道的种类有5种：包括进口滑行道、旁通滑行道、出口滑行道、平行滑行道、联络滑行道。
（2）停机坪
停机坪是设在航站楼前的机坪。供客机停放、上下旅客、完成起飞前的准备和到达后各项作业用。飞机场的机坪主要有等待坪和掉头坪。前者供飞机等待起飞或让路而临时停放用，通常设在跑道端附近的平行滑行道旁边。后者则供飞机掉头用，当飞行区不设平行滑道时，应在跑道端部设掉头坪。
3）旅客航站楼、机场停车场、机场维护区
航站楼供旅客完成从地面到空中或从空中到地面转换交通方式使用，是机场的主要建筑，图6.44所示为上海浦东国际机场航站楼。图6.45给出了航站楼的旅客和行李主要流程。
图6.44 上海浦东国际机场航站楼
机场停车场设在机场的航站楼附近，停放车辆很多且土地紧张时宜用多层车库。
机场维护区是飞机维修，供油设施、空中交通管制设施、安全保卫设施、救援和消防设施、行政办公区等设置的地方。
6.4.4 民用机场净空要求
为保障飞机的起降安全，规定了几种障碍物限制面（见图6.46和图6.47），用以限制机场及其周围地区障碍物的高度。其中：进近面是为确定和保护飞机在进近时的机场净空，对跑道始端一定范围内规定地面物体的高度限制区域。起飞爬升面是为确定和保护飞机在起飞爬升时的机场净空，对跑道端部一定范围内规定地面物体的高度限制区域。
图6.45 航站楼的旅客和行李流程
图6.46 障碍物限制面示意图
图6.47 内进近面、内过渡面、复飞面的障碍物限制面
思考讨论题
1.简述运输业在国家生活中的地位和作用。
2.运输系统由哪几部分组成？
3.轨道结构由哪几部分组成？
4.我国将道路分几个等级，道路几何设计包括哪些内容？
5.道路由哪些结构层次组成？简述路基的两种常见形式？
6.简述港口的地位、作用、功能及其分类和基本组成。
7.简述港口工程内涵及技术特征。
8.码头包括哪些结构形式，并分述其特点。
9.简述机场的构成和各部分的功能。
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