كما تم ذكره على نطاق واسع في الفصل ١ القضايا الاستراتيجية من هذا الدليل، يجب تحديد الخصائص الهندسية منذ بدء تصميم النفق في مراحله الأولى، وحتى في حال وصلة طريق التي يمكن أن تضم نفق أو عدة أنفاق.
تنتمي هذه الخصائص الى طباع مختلفة جدا، ويمكن تصنيفها في الفئات التالية:
يستند هذا الفصل بشكل أساسي على التقارير التقنية B.05.11 "هندسة المقطع العرضي في أنفاق الطرق الأحادية الاتجاه" و 05.12.B "تصميم المقطع العرضي في أنفاق الطرق الثنائية الاتجاه".
يشير القسم العلاقة بين أسلوب البناء والمقطع العرضي الى العلاقة بين أسلوب البناء والمقطع العرضي.
يعطي القسم القدرة النظرية والعملية لاستيعاب حركة المرور في النفق ملخص للمفاهيم النظرية المتصلة بقدرة استيعاب حركة المرور.
يذكّر القسم المحاذاة العامة للطرق وأمثلة عن بعض الدول القواعد الرئيسية بشأن المحاذاة العامة للطرق، بما في ذلك الأشكال الرئيسية المستخدمة في بعض البلدان، مع الاصرار على ضرورة الحفاظ على أكبر الخصائص الهندسية للطريق الخارجية في النفق نفسه (مع استثناء هام يتعلق بالمنحدر الأقصى الذي يجب الحد منه).
يتناول القسم هندسة الطريق المعبدة على وجه التحديد التشكيل العرضي لمسار أنفاق الطرق، وذلك للأنفاق الأحادية والثنائية الاتجاه.
يتعلق القسم الخلوص الرأسي بالخلوص الرأسي للنفق.
يتعلق القسم خطوط مرور الطوارئ وهندسة الطريق المعبدة وعناصر خاصة بخطوط مرور الطوارئ وبميزات خارج الطرق، فضلا عن مختلف مزايا السلامة التي ينبغي تطبيقها على طول النفق.
كتب ويلي دي لاثوير (بلجيكا) هذا الفصل من الدليل، وهو عضو مشارك في لجنة C٤ بصفة ممثّل عن ITA.
قام فتحي طرادة (المملكة المتحدة) بمراجعة هذا الفصل.
عادة ما يكون شكل المقطع العرضي لأنفاق الطرق مستطيلي أو دائري ويعتمد في الغالب على طريقة البناء. يشير الجدول ٦.١-١ الى بعض المقاطع العرضية النموذجية وما يقابلها من أساليب بناء.
تعتمد أبعاد الأشكال المستخدمة على أبعاد المقطع العرضي اللازمة لحركة المرور. وهي تختلف بسبب:
١. حجم حركة المرور وأهمية النفق
٢. السرعة المصممّة، مسافات توقف آمنة ومسافات البصر
٣. مساحة للمعدات داخل النفق مثل: الاشارات ورصد حركة المرور والبيئة
٤. تكلفة المنشأة بالموازنة مع معايير السلامة المطلوبة
٥. إدارة حركة المرور المطلوبة للاستجابة لحادث في نفق
٦. المعايير المحلية المعتادة والامكانيات المالية.
على الصعيد الدولي، تختلف الاستجابة لما تم ذكره أعلاه اختلافا كبيرا. في بعض البلدان تختلف الاستجابة للحالات المختلفة وتتطور مع مرور الوقت.
| الرقم | مقطع عرضي | أسلوب بناء نموذجي | تعليق |
|---|---|---|---|
| ١ | دائري | آلة حفر الأنفاق (TBM) | امتدّ مؤخرا في اليابان للمقاطع العرضية المستطيلة |
| ٢ | مستطيلي | أنبوب نفق مغمور | المقاطع العرضية الدائرية شائعة في الولايات المتحدة الأمريكية |
| ٣ | مستطيلي | خندق مغطى | تؤدي تكنولوجيا الاسمنت الجاهز في بعض الأحيان إلى بناء مقاطع عرضية دائرية فوق الطرق المعبدة |
| ٤ | شكل حدوة حصان | النسف بالمتفجرات | يستخدم في الصخور الصلبة |
| ٥ | تاج دائري ومقلب بيضوي الشكل | أساليب الدعم خلال الحفر | في الصخور الصلبة غالبا ما يتم استخدام شكل حدوة حصان |
يتم تعريف القدرة النظرية لمقطع طريق كالحد الأقصى للمركبات التي يمكنها العبور في الساعة. يتم تحديدها عن طريق قياس الحد الأقصى لعدد سيارات الركاب خلال فترة خمسة عشر دقيقة، وضربه بالمعامل لساعة الذروة. وهي لا تشكل الحد الأقصى المطلق، وإنما تشير إلى تكرار معقول. عند تحديدها على هذا النحو، تعتمد قدرة الاستيعاب فقط على عدد وعرض خطوط المرور وخارج الطرق المعبدة، وعلى منحدر هذا المقطع.
انها لا تعتمد على نسبة عبور المركبات الثقيلة، لأنه من الواضح أن هذه الكثافة ستبلغ حدها الأقصى عندما تتكون حصرياً من حركة مرور المركبات الخفيفة والسائقين العاديين. إذا لم يكن هناك عناصر مقيّدة، تقارب القدرة النظرية ٢٢٠٠ مركبة في الساعة في خط المرور (مركبة / ساعة / خط مرور). تتوفر المزيد من المعلومات في الفصل ٤ "قدرة الاستيعاب والسرعة فيما يتعلق بهندسة الطرق وأنفاق الطرق" من تقرير 05.11.B وفي الفصل ٣ "سرعة وكثافة حركة المرور" من تقرير 05.12.B
يتم احتساب القدرة العملية لقسم على أساس القدرة النظرية من دون القيود المذكورة سابقا (٢٢٠٠ مركبة / ساعة / خط مرور). يتم تطبيق العوامل المقيّدة استنادا إلى الخصائص الفعلية للطريق. وهذه العوامل الرئيسية هي:
يتم احتساب القدرة العملية لمسار في اتجاه واحد Cp كالتالي:
Cp= ٢٢٠٠ . N . Fw . Fhv . Fc حيث تشكل N عدد خطوط المرور.
كذلك يمكن أن يتم احتساب العوامل وتكييفها وفقا لصيغ وجداول وردت في الفصل ٤" قدرة الاستيعاب والسرعة فيما يتعلّق بهندسة الطرق وأنفاق الطرق" من تقرير 05.11.B وفي الفصل ٣ "سرعة وكثافة حركة المرور" من تقرير .05.12.B.
يمكن العثور أيضا على مزيد من المعلومات في (دليل قدرة استيعاب الطرق السريعة) الصادر عن مجلس بحوث النقل (الولايات المتحدة الأمريكية).
يجب تجنب المنحنيات الصغيرة، وخاصة إذا كانت متصلة بمحاذاة مستقيمة. ينبغي مراعاة تواجد حد أدنى للانحناء من ٥٥٠-٦٠٠ م. على ان يسمح الخلوص الجانبي أيضا برؤية المنحنى الطولي في النفق.
في أنفاق الطرق في المناطق الحضرية، يكفي النظر بتصميم السرعة التي تقارب السرعة الفعلية المسجلة عندما تكون حركة المرور غير مزدحمة.
نظرا للتأثير على السرعة، تؤدي التشكيلات الطولية التنازلية إلى المزيد من الحوادث، خصوصا مع حجم حركة مرور كبيرة (زيادة في السرعة).
يشكل تخفيض المقاطع العرضية خطرا وربما قد يسبب الحوادث.
وينبغي إيلاء اهتمام، إذا كان عرض الطريق المعبدة و/أو منطقة خارج الطريق المعبدة في النفق وفي الجوار عند الاقتراب من النفق أقل من الطريق في الهواء الطلق، يجب تنفيذ التضييق على مسافة كبيرة قبل بوابة النفق وبشكل تدريجي وسلس قدر الإمكان: انظر الفصل ٤.٧ "تصميم بوابات النفق" من تقرير 2008R17.
وغالبا ما تسجل حوادث بسبب مركبات يفوق حجمها خلوص الأنفاق المستطيلة أو في الأنفاق المجهزة بسقف للتهوية.
ينصح بتثبيت خارج النفق، قبل كل بوابة، اشارة الى طريق اخلاء، بالإضافة الى تثبيت نظام عملي لإيقاف المركبات التي يفوق حجمها خلوص النفق.
يتوفر المزيد من المعلومات في القسم IV.2.6 "ارتفاع الخلوص" من تقرير 05.04.B.
تتسبب الانفاق الثنائية الاتجاه بحوادث أكثر من الأحادية الاتجاه. ومع ذلك يحترم المستخدمون بشكل جيد حظر التجاوز في الانفاق ذات تدريجات طولية متوسطة. في حالة التدريجات الحادة، ينبغي التخطيط لممر إضافي لعبور المركبات البطيئة.
ينصح بشدة عدم تغيير اتجاه حركة المرور لاستيعاب ذروة حركة المرور اليومية.
قد تكون أنفاق الطرق الثنائية الاتجاه اقتصادية لبناء تدريجي لأنفاق الطرق السريعة، حيث تتطلب الاعتبارات الاقتصادية تخطيط ادارة حركة المرور الثنائية الاتجاه في المرحلة الأولى، ثم أحادية الاتجاه في المرحلة الثانية، بشرط أن يتم اعتبار تصميم عرض النفق القابل للاستخدام وفق متطلبات حركة المرور الثنائية الاتجاه وبالتالي ان يكون واسع بما فيه الكفاية من أجل استيعاب ذروة حركة المرور (على سبيل المثال عطلة الصيف أو الشتاء). حتى ولو كان مثل هذا الترتيب مقبولا لجهة السلامة، يجب تجنب ذلك قدر المستطاع، على أن يكون محظورا في الأنفاق في المناطق الحضرية.
قد تسبب التقاطعات تحت الأرض (طرق فرعية للدخول والخروج) الحوادث. وبالتالي يجب أن تكون مصممة بشكل صحيح. ينبغي أن تركّز معدات الإضاءة على هذه النقاط الفريدة وعلى التحديات الهندسية التي تواجه السائق. يجب النظر في قدرة الإدراك البصرية عند السائق.
يجب أن تتواجد المخارج داخل النفق على مسافة من البوابة. وقد وقع عدد من الحوادث، ومعظمها حوادث تضمنت اصابات، في الأنفاق حيث تقع الطرق الفرعية مباشرة بعد النفق. في الأنفاق حيث ظروف المساحة مقيّدة، ينبغي التخطيط لمسار إضافي داخل النفق خاص بطريق الخروج.
٦.٤ هندسة الطريق المعبّدة
رسم ٦.٤-١: مثال عن مقطع عرضي
لابد من تعريف المصطلحات على النحو التالي:
١. الطريق المعبدة، وتضم المنطقة داخل الحواف الداخلية للتأشيرات القصوى الخارجية لخطوط المرور
٢. خارج الطريق المعبدة، وتشمل تلك المناطق في المخطط خارج الطريق المعبدة، بما في ذلك اشارات حافة خط المرور، الخلوص، خط مرور الطوارئ والأرصفة وحواجز السلامة.
تتوفر مزيد من المعلومات في الفصل ٢ "المصطلحات" من تقرير 05.11.B.
للمساعدة على الإدارة الجيدة، تم تصنف الطرق على أساس الهرمية وفقا للوظيفة. ان شبكات الطرق في أعلى تصنيف هي طرق الاتصال ما بين الولايات مثل شبكة الطرق العابرة في أوروبا أو الطرق السريعة ما بين الولايات في الولايات المتحدة الأمريكية. تتكون الشبكات الوطنية من الطرق التي تربط المدن الحضرية بالمراكز الاقتصادية الوطنية. توفر الشبكات الإقليمية التواصل ما بين المدن الإقليمية. تصاغ المتطلبات الوظيفية للشبكات أو الطرق وفق متطلبات وظيفية مختلفة مثل السرعة، مستوى الازدحام، والمسافات بين التقاطعات.
لدى معظم البلدان توجهات ومبادئ توجيهية خاصة بها بشأن متطلبات هندسة الطرق المعبدة. ويتم عرض مقارنة ما بين المبادئ التوجيهية الدولية في الفصل ٥ "خطوط المرور والطرق المعبّدة" من تقرير 05.11.B.
| البلد واسم المرجع | السرعة المصممة أو المرجعية (كلم/ساعة) | عرض خط المرور [متر] | عرض تأشير خط المرور [متر] | عرض الطريق المعبدة [متر] |
|---|---|---|---|---|
| النمسا RVS ٩.٢٣٢ | ٨٠ - ١٠٠ | ٣.٥٠ | ٠.١٥ | ٧.٠٠ |
| الدانمارك (ممارسة) | ٩٠ - ١٢٠ | ٣.٦٠ | ٠.١٠ | ٧.٢٠ |
| فرنسا (CETu) | ٨٠ - ١٠٠ | ٣.٥٠ | ? | ٧.٠٠ |
| ألمانيا | ( ٢٦T, ٢٦ Tr) ١٠٠ | ٣.٥٠ | ٠.١٥ | ٧.٠٠ |
| ألمانيا RAS-Q ١٩٩٦ | ٧٠ ( T٢٦) | ٣.٥٠ | ٠.١٥ | ٧.٠٠ |
| ألمانيا RABT ٩٤ | ١١٠ (T٢٩.٥ ) | ٣.٧٥ | ٠.١٥ | ٧.٥٠ |
| اليابان | ٨٠ - ١٢٠ | ٣.٥٠ | ٧.٠٠ | |
| مرسوم هيكل الطرق في اليابان | ٦٠ | ٣.٢٥ | ٦.٥٠ |
عند تصميم خطوط المرور في النفق، يوصى بأن لا يقل عرض كل خط مرور عن ٣.٥٠ متر في الأنفاق حيث تكون السرعة ١٠٠ كم / ساعة. عندما يكون مقبول / من الضروري فرض حدود للسرعة (٨٠ أو حتى ٦٠ كم / ساعة) في أنفاق الطرق (أي عند المنحنيات الحادة التي لا مفر منها، الحد من الضوضاء في المساحة المبنية، قدرة استيعاب محدودة، خفض التكاليف). قد يساعد تقييد عرض خطوط المرور (على سبيل المثال إلى ٣.٢٥ م) السائقين على تخفيض السرعة وبالتالي يكون بمثابة دعم نفسي للحد من السرعة القصوى. وينبغي أن تترافق بشكل عام مع عمليات تفتيش متكررة وفرض غرامات مرتفعة. في بعض الأنفاق في المناطق الحضرية، حيث يسمح بمرور المركبات الخفيفة فقط، يمكن القبول بأن يكون عرض خط المرور أضيق؛ عند المنعطفات يجب الاهتمام بتأثير انحناء الأرض على عرض الهيكل.
يتوفر المزيد من المعلومات في الفصل الخامس "خطوط المرور والطرق المعبّدة" من تقرير 05.11.B وفي أقسام ٧.١ الى ٧.٥ من الفصل ٧ "هندسة المقطع العرضي" من تقرير 05.12.B .
يساوي الحد الأدنى للخلوص فوق الطرق المعبدة على الأقل الحد الأقصى (تصميم) لارتفاع المركبات الثقيلة (الشاحنات الثقيلة) التي يسمح بمرورها على الطريق، مع خلوص إضافي الزامي للسماح لحركة المركبات بسبب عدم انتظام تعبيد الطريق والمركبات.
يعتمد الحد الأدنى للخلوص على أقصى ارتفاع للمركبات الثقيلة ويختلف من بلد إلى آخر. في معظم البلدان الأوروبية يكون أقصى ارتفاع للمركبات الثقيلة ٤.٠ أمتار؛ تسمح بعض البلدان بقيمة أكبر (المملكة المتحدة، الولايات المتحدة الأمريكية): انظر الجدول ٧.١ في الفصل ٧ "الارتفاع الحرّ" من تقرير 05.11.B.
في الاتحاد الأوروبي يبلغ الارتفاع الأقصى للمركبات الثقيلة ٤.٠٠ أمتار، على الرغم من أن اتفاقيات جنيف تسمح بحد أقصى ٤.٣ متر. إذا تم إضافة هامش ٠.٢٠ م إلى قيمة الارتفاع الأقصى من أجل استيعاب الحركة العمودية للمركبات الثقيلة، يكون الحد الأدنى المطلوب للخلوص الرأسي هو ٤.٢٠ متر (٤.٥٠ متر).
بالإضافة إلى الحد الأدنى المطلوب، ان زيادة مسافة اضافية على الخلوص الرأسي أمر ضروري لسائقي الشاحنات الثقيلة لكي يشعروا بالراحة. يرتبط هامش الراحة بالمسافة الى الكائن. يعادل الارتفاع الحر قيمة الحد الأدنى للارتفاع زائد هامش الراحة. إذا تم اعتبار قيمة هامش الراحة ٠.٣٠ م يكون الارتفاع الحر ٤.٥٠ متر (٤.٨٠ متر تبعاً لاتفاقية جنيف، ٥.٣٥ متر في المملكة المتحدة، ٤.٩٠ متر على الطرق السريعة في الولايات المتحدة الأمريكية و٤.٣٠ متر على الطرق السريعة الأخرى).
في حال حماية المعدات المثبتة فوق الطريق بواسطة القماش المشمع الفضفاض على سبيل المثال يتم غالبا زيادة هامش اضافي.
أخيرا، ينبغي الأخذ بالاعتبار عدم الدقة في البناء وانحناء السقف وامكانية اعادة الرصف الفصل الفصل ٧ "الارتفاع الحرّ" من تقرير 05.11.B و الفصل ٧.٨ "الخلوص الرأسي" من تقرير 05.12.B.
يتم التعامل مع الحالة الخاصة بالتصميم الهندسي للأنفاق القليلة الارتفاع في المناطق الحضرية بشكل منفصل، اذ تكون عادة مخصصة للسيارات وبعض فئات محدودة من العربات (الخفيفة).
تم إجراء دراسة كاملة في فرنسا تنطوي على النقاط المحددة التالية بسبب وجود سيارات بشكل أساسي وهي متوفرة في المقال "تصميم هندسي للأنفاق الحضرية المنخفضة الارتفاع" (Routes/Roads /الطرق ٢٨٨-١٩٩٥):
لتسهيل وتوضيح التواصل والمقارنة لا بد من تحديد حد أدنى من مجموعة المصطلحات المتعلقة بالطريق المعبدة وبخارجها. قرر فريق العمل الذي أنتج التقرير الفني 05.11. B "هندسة المقطع العرضي في الأنفاق الأحادية الاتجاه" تطبيق المصطلحات التالية:
ويبرر التمييز في ذلك لأنه يبدو أن هناك توافق في الآراء حول استخدام وأبعاد كلمة الطريق المعبدة، في حين أن أبعاد ومتطلبات العناصر خارج الطريق المعبدة تختلف اختلافا كبيرا بين البلدان. يتم تعريف خط مرور الطوارئ باعتباره "مساحة عند هامش الطريق لتوقف المركبات في حالة الطوارئ".
يتم عادة توفير خط مرور للطوارئ على الطرق من نوع الطريق السريع في الهواء الطلق. وغالبا ما يتم اختصار الخلوص الجانبي في الأنفاق لأسباب اقتصادية. يمكن لهذا التقييد أن يجعل من المستحيل توقف المركبات المعطلة في الخلوص الجانبي المجاور لخط مرور المركبات دون احتلال جزء منه وبالتالي تعطيل حركة السير.
تختلف الهندسة خارج الطريق المعبدة بين البلدان المختلفة، اذ لا يمكن إعطاء أي قواعد أو أرقام عامة. في العديد من البلدان، وذلك بسبب التكاليف، ان عرض الخلوص الجانبي صغير لا يسمح لركن السيارة بشكل مناسب. لذا يتم توفير مواقف جانبية على مسافات معينة. ولكن وفقا للتجارب النرويجية والإسبانية، فقط ٤٠٪ من المركبات المعطلة تصل بشكل فعال أو تستخدم المواقف الجانبية. مما يشير الى أنه لا يمكن الاستعاضة بالكامل عن خط المرور للطوارئ بالمواقف الجانبية: انظر الأقسام ٨ الى ١٠ من الفصل الثالث "أعطال" من تقرير 05.04.B.
ينبغي أن يسمح الخلوص الجانبي بركن سيارة معطلة خارج الطريق المعبدة. وبالتالي ينبغي أن لا يقل العرض من الجانب الخارجي لاشارة حافة خط المرور عن عرض سيارة ركاب (١.٧٥ م)، زائد عرض بقيمة ٠.٥٠ متر. لتمكين سائقي السيارات بالترجّل، مما يؤدي إلى خلوص جانبي بعرض ٢.٤٥ متر.
في حال توقف الشاحنات الثقيلة خارج الطريق المعبدة يكون العرض المطلوب (٢.٥٠ + .٠.٥٠ + ٠.٢٠ =) ٣.٢٠ متر كما هو موضح في الفصل ٦ "خارج الطريق المعبّدة" من تقرير 05.11.B.
رسم ٦.٦-١: محاذاة نموذجية لحواجز السلامة خارج الطريق المعبدة
ويشار عادة الى حواجز السلامة ب "بناء ضخم لتوجيه المركبات المصطدمة بالجدار الجانبي للنفق باتجاه حركة المرور بأمان". فهو يختلف عن سكك التوجيه التي تكون من نوع مرن أو هش تحمله أعمدة لمنع المركبات من الاصطدام بالجدار الجانبي للنفق.
في الأنفاق يمكن التساؤل اذا يتم تحديد المسافة الى الكائن باعتماد المسافة بين الجانب الداخلي من اشارة حافة خط المرور وحافة الرصيف، وأمام حواجز السلامة أو سكك التوجيه أو الجدار الجانبي للنفق. هناك اتفاق عام على أنه في حال اعتماد أرصفة ذات مستوى منخفض تعتبر المسافة إلى جدار النفق مقياس جيد. في حال عدم وجود أرصفة، ينبغي الاعتماد على المسافة إلى القاعدة أو إلى المستوى الأعلى لحواجز السلامة.
يفضل السائقون في الأنفاق بشكل خاص أن تكون هناك مسافة معينة الى الجدار (أو الرصيف أو سكك التوجيه أو حاجز السلامة) وذلك بسبب حركة أصغر لزاوية العين عند تثبيتها على الكائنات. تظهر التجربة أنه عندما تكون المسافة الى الكائن في الأنفاق أصغر من على الطريق المجاورة يغيّر سائقي السيارات المسار لإبقاء مسافة من جدار النفق: انظر الفصل الفصل ٦ "خارج الطريق المعبّدة" من تقرير 05.11.B.
في حال عدم تمكن إعادة توجيه المركبات التي تعبر اشارة حافة خط المرور في الوقت المناسب يجب أن يتم تخفيف عواقب الاصطدام مع الجدار الى حدها الأدنى. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق حواجز السلامة أو سكك التوجيه . تتطلب حواجز السلامة مساحة أقل من سكك التوجيه. عندما تصطدم السيارات مع حواجز السلامة بزاوية صغيرة (حادة) يمكن اعادة توجيهها باتجاه حركة المرور فتكون فرصة لمنع وقوع حوادث كبيرة. عندما تتصادم السيارات مع حواجز السلامة بزاوية كبيرة (منفرجة) قد تكون نتائج الاصطدام أكثر خطورة. ان سكك التوجيه أقل فعالية من حواجز السلامة في تصحيح / إعادة توجيه المركبات المخطئة غير أنها تتسبب بأضرار أقل عند وقوع حادث تصادم بشكل زاوية منفرجة. لذلك، يفضل استخدام حواجز السلامة في حالة الخلوص الجانبي الضيّق وسكك التوجيه في حالة الخلوص الجانبي الواسع.
بما أن سكك التوجيه تتطلب مساحة انحناء مما يعني عرض إضافي في النفق، والتي في كثير من الحالات تكون غير مجدية من الناحية الاقتصادية. تقوم حواجز السلامة بأداء جيد خاصة عند تقييد السرعة. وعلاوة على ذلك، تتطلب الحواجز صيانة أقل.