Материал: Развитие маркшейдерского дела и приборостроения в России

Рис. 7. Паровоз Тревитика, 1803 г.

Первая железная дорога между относительно большими городами была открыта в Англии в 1830 году. Она соединяла промышленный Манчестер с портовым Ливерпулем. Длина дороги составляла 56 км. Отношение прессы к первым железным дорогам было настороженно-враждебным. Газеты писали о том, что дороги помешают коровам пастись, а курам нести яйца. Говорили, что отравленный паровозом воздух будет убивать пролетавших птиц, а у людей вызывать сложные заболевания мозга. Предупреждалось, что путешествие по таким дорогам чрезвычайно опасно, поскольку в случае неполадок с котлами путешественники будут разорваны на части.

Несмотря на угрозы железные дороги продолжали развиваться. Улучшались паровозы и условия комфортности. Появились вагоны для пассажиров 1, 2 и 3 класса. Традиции старого оказались очень сильны.

Пассажиры первого класса нередко располагались в каретах, которые укрепляли прямо на открытой платформе (рис. 8). Как и положено, на козлах восседал кучер, а дамы прикрывались зонтиками от солнца, а заодно и от дыма. Для знатных особ появились частные вагоны, напоминавшие салон на колесах. Сами паровозы отличались разнообразием и выдумкой. Помимо паровоза с зубчатыми колесами история знает паровозы с бегущими ногами, роль которых выполняли специальные штанги, паровозы с тремя колесами и иные модификации.

Рис. 8. Пассажиры 50-х годов XIX века

А - экспресс Манчестер-Ливерпуль (кондуктор занимает место кучера); В-открытый вагон 1-го класса;

С - вагон 3-го (слева) и 1-го класса (справа); D - паровоз с салоном

Считается, что первый каменный мост был построен в 127 г. до н. э. и располагался в центре Рима. Римская архитектура подчеркивала в мостах простоту, крепость и одновременно величие, изящество и богатство. В период позднего Рима появляются резкие вертикальные членения опор, которые зрительно увеличивали длину моста. Для римских мостов характерно симметричное построение фасада с нечетным числом пролетов. Конструктивно римские мосты напоминали акведуки, но были шире последних. Кроме того, центральная часть проезжего полотна мостов делалась горизонтальной. На одном из съездов могла располагаться триумфальная арка.

Ось симметрии мостов нередко отмечалась аттиком (невысокой декоративной стенкой). Отверстия для пропуска воды имели сводчатый вид и являлись частью декора. Ширина мостов составляла 8-11 метров.

В первую половину средневековья на некоторых древнеримских мостах стали появляться надстройки в виде крепостных башен. В качестве дорожных мостов в средние века иногда использовались акведуки.

Римские мосты неоднократно служили образцами для строительства современных железнодорожных мостов. Современные мосты строили не только с целью преодоления водных преград, но также при пересечении железной дорогой V - образных долин и иных преград. Форма римских мостовых построек использовалась также при строительстве пандусов и эстакад.

Пример заимствования римского стиля при современном строительстве железнодорожного моста поясняется рисунками 9 и 10. На рис. 9 показан римский «Орлиный мост» в Испании, на рис. 10 приводится современный железнодорожный мост во Франции. Идентичность конструктивного решения не требует пояснений. Подобных примеров множество.

Рис. 9. Римский акведук в Сеговии (Испания) 1 век до н. э.

Рис. 10. Железнодорожный мост между Парижем и Белфортом (Франция)

Прототипом современных километровых столбов были придорожные мильные столбы римлян, которые устанавливали на главных дорогах через каждую милю, равную 1,620 ярдов (1,48 км) Такие столбы выполняли также функцию геодезических реперов.

Мильный столб состоял из каменной подушки и каменного пилона около двух тонн весом, имевшего 8 футов в высоту и 20 дюймов в диаметре. На пилоне гравировали имя владельца (или благотворителя) и расстояние до ближайшего населенного пункта. Иногда вставляли дополнительные сведения о перевалах, опасностях или особенностях дороги. В некоторых случаях форму мильных знаков видоизменяли. Известны мильные столбы с двумя поставленными друг на друга пилонами, а также мильные каменные знаки, напоминающей миниатюрные египетские пирамиды. Само место установки мильного столба (знака) ритуально освещалось. В качестве жертв могли быть люди (на ранней стадии), животные, фрукты. Устраивали также возложение венков, омовение камня или поливание его вином.

Отсчет расстояний вначале вели от римских ворот, установленных на месте выхода из города той или иной дороги. В 20-х годах при императоре Августе на форуме, рядом с храмом Сатурна, был установлен позолоченный столб (он же репер), который был принят за нулевой пункт для всех дорог. Впоследствии, с расширением границ империи, пользоваться единым нулевым пунктом стало неудобно и отсчет расстояний стали вести от больших городов, где устанавливали свои нулевые метки.

Железнодорожные станции имели древним прототипом оборудованные на дорогах почтовые станции, организованные в римской курьерской службе.

Римская почта существовала еще в третьем веке до н. э., но наивысшего расцвета достигла при Августе, Траяне и Адриане, когда отдельные маршруты с общей протяженностью около 100 тысяч километров были объединены в единую систему. Поначалу почта не была всеобщей: ею могли пользоваться лишь члены императорской семьи, патриции, чиновники и легионеры. Со временем за определенную плату почта стала доступной и для свободных граждан. На расстоянии одного дня пути располагались главные почтовые станции (statio), где можно было сменить повозку, поесть и переночевать. Между двумя основными могло находиться несколько промежуточных станций (mutation), где по необходимости меняли лошадей. Кроме писем перевозились пассажиры и грузы. Сами повозки различались от легких двухколесных, запряженных лошадьми, до тяжелых четырехколесных, в которые запрягали до 8-10 животных.

Туннели - еще одна принадлежность как римских, так и железных дорог. При строительстве железнодорожных туннелей многое заимствовалось от римской технологии проходки, складирования отвалов, устройства вентиляции и дренажной системы. Число туннелей при строительстве римских дорог исчислялось многими десятками. Это были небольшие по протяженности инженерные сооружения. Наиболее длинным был туннель в один километр под названием «грот Коккеуса». Он был строго прямолинейным, имел две полосы движения, продуманную дренажную систему и шесть вентиляционных шахт, которые использовались для подачи свежего воздуха и одновременно для освещения.

Одним из важных вкладов античности в историю инженерной геодезии стало создание основ методики линейных изысканий. Строительство дорог в Римской империи было строго регламентировано правилами так называемых «Двенадцати таблиц», выполнявших роль руководства или инструкции. Указанный документ не сохранился, поэтому полного представления о методике работ у нас нет. Однако сведения, которыми мы располагаем, дают возможность определить основные вехи проводимых геодезических работ, так как известны цели и задачи строительства, приборы и методы измерения, особенности, последовательность и точности работ.

Цикл античных геодезических работ можно свести к трем пунктам: проведение предварительных изысканий, проложение полигонометрического хода, геодезическое обеспечение строительства. Методика изысканий во многом определялась двумя первичными условиями: отсутствием исходных карт для проектирования и условием прямолинейности дорог. Главные римские дороги прокладывались в виде прямых линий, сопряженных под малыми углами. Некоторые прямолинейные участки достигали 50, 100, 200 и даже более километров. Указанные условия вызывали необходимость предварительного трассирования. Инструменты ближнего действия типа громы для этих целей не годились. Греки и римляне применяли способ трассирования, основанный на дымах костров и световых сигналах, что позволило выдерживать створ огромных по длине линий со средней квадратической ошибкой порядка 0,2-0,3º.

Спустя почти два тысячелетия метод световых сигналов с успехом использовался русским геодезистом К.И. Теннером для определения долгот контрольных пунктов в высокоточных работах по триангуляции. В качестве источника света применялись пороховые вспышки и пущенные вверх ракеты. Момент появления вспышки (ракеты) тщательно фиксировался наблюдателями, расположенными в разных точках. Наблюдения многократно повторялись. Так, при определении разности долгот на базисе Вильно-Мешканцы у Теннера делалось 86 определений. При чистом воздухе вспышка от порохового заряда была видна за 100 верст. Вспышка от пущенной ракеты позволяла увеличить расстояние для одного наблюдателя до 150 верст.

При проложении полигонометрического хода углы у греков и римлян измерялись с помощью положенных на землю больших деревянных проградуированных кругов диаметром ~1,5-2,0 метра. Наведение на цель осуществлялось с помощью укрепленного в центре шпиля и отвеса, который перемещали по краю круга. Для измерения дальности помимо традиционной веревки применяли целую систему дальномеров, описанных в трудах Альберта Леона Батисты. При нивелировании использовали гидронивелиры, описанные еще Герном, а также маятниковые нивелиры типа подвешенной стрелы.

В последнем случае нивелирование проводили не «из середины», как у нас, а каждое плечо нивелировали отдельно в прямом и обратном направлении, т. е. способом, который применяют сейчас для выполнения основной поверки нивелира.

Проведенные исследования показывают, что геодезическое обеспечение при строительстве первых железных дорог (примерно до 1830-х годов) и геодезическое обеспечение античных дорог, несмотря на огромную разницу во времени, имеет много общего. Дело в том, что средние века сильно отбросили практическую геодезию назад, ничего не дав ей взамен. В последующую эпоху первыми возрождались и укреплялись наиболее простые методы, требующие минимальных знаний математики. Это обстоятельство и царивший в геодезии консерватизм привели к тому, что весь период с XVI конец XVIII века продолжалось ожесточенное противостояние между методами подобия, пропорций и графики, - с одной стороны, и пробивавшими себе дорогу угломерными способами, требующими внедрения оптики, тригонометрии и более широкого применения математики, - с другой. Особенно долго - около 300 лет - продолжалось противостояние теодолита и мензулы.

Главным предметом спора была точность и оперативность работ. Некто Генри Вилстон (XVIII в.) в работе «Искусство измерения» (Н. Wilston «Art of Land Measuring») доказывал, что при измерении сторон цепью ошибка угла в треугольнике почти вдвое меньше, чем давал теодолит. Артурн Берн (XVIII век) в книге «Новый доступный метод съемки» (Arthur Burns «New and correct method of exceedingly easy») писал буквально следующее: «Цепь - вот единственный инструмент для точных значений углов. Больше того, этот метод самый дешевый и простой для освоения».

Роберт Гибсон (Robert Gibson) - автор первых публикаций о геодезических съемках в Америке - был еще более категоричен, предлагая полностью отказаться от углов в геодезической практике. Выдвинутый им лозунг «цепь без углов» нашел много сторонников. Бенджамин Талбот в «Руководстве по практической съемке» (B. Talbot. The compleat Art of land - measuring or a practical surveying. London, 1780) пошел еще дальше, предлагая отказаться не только от теодолита, но оптом заодно и от мензулы, ограничившись исключительно цепью и секстаном.

Вызванная противостоянием задержка с внедрением нового приводила к тому, что в годы строительства первых железных дорог передовые технологии оказывались вне должного спроса (рис. 11).

Рис. 11. Некоторые инструменты конца XVIII начала XIX века

А - водяной нивелир; В-нивелир с элевационным винтом и спиртовым уровнем; С - нивелир с круглой буссолью; D - оптический нивелир середины XIX; Е - теодолит с визирами и квадрантом; F - астролябия с компасом

Прежде всего, крайне медленно в практику геодезических работ входили оптические приборы. В конце XVIII и начале XIX века в основном применяли инструменты с визуальным наведением, точность которых была близка античной: астролябия, водяной нивелир, ртутный нивелир, круглая буссоль, мензула с визирной линейкой. Только к середине XIX века, т. е. с большой потерей времени, в практику инженерной геодезии стали входить спиртовой уровень, сетка нитей, микрометр, зрительная труба. Вершиной достижений были оптические теодолиты, но их выпускали поштучно и использовали главным образом в триангуляции.

В инженерных и топографических работах в середине XIX века на один простенький теодолит приходилось примерно десять мензул. Не находили всеобщего применения даже штативы - эти неизменные атрибуты геодезической практики.

Штатив типа треноги появился в 1579 г. Он описан в работе французского мастера Филиппа Данфри. Первоначально штатив применялся исключительно для мензулы. Столик мензулы выравнивался тогда с помощью поставленной на него емкости с водой. Подставкой для многих инструментов (квадранта, треугольника, мерного полукруга, астролябии и др.) долгое время продолжал оставаться вбитый в землю кол, бревно или шест.

Интересную подробность мы встречаем у А.И. Герцена: «Если землемер едет через вятскую деревню, - пишет Герцен, - он непременно в ней останавливается, берет с телеги астролябию, вбивает шест… Через час вся деревня в смятении. - Межемерия, межемерия! - говорят мужики с тем видом, с которым в 1812 году говорили: «Француз, француз!». Является староста… и просит не обметить их и не обидеть» (Герцен А.И., с. 264).

Исследования подтверждают, что в начале XIX века точности геодезических измерений в инженерных работах лишь незначительно отличались от точностей в античной геодезии. Это подтверждается и в геодезической литературе. Например, применение популярной мензулы, в которой использовалась алидада с диоптрами, позволяло получить ошибку направления, равную 5-6´. Однако, если ориентирование планшета проводилось по ориентир-буссоли, то, по исследованию В.В. Витковского, ошибки направления вследствие суточных перемен склонения могли достигать 0,25º (Витковский В.В., с. 319-322), что полностью соответствовало точности античных угловых измерений. Близость точностей и методов измерения к античным позволяет сделать вывод о том, что к началу 19 века точные античные карты потенциально были бы вполне пригодны для предварительного проектирования строительства железных дорог. В дошедшей до нас форме геодезическое мастерство античности представлено главным образом через средневековые портуланы, которые были самыми востребованными картами с 13 по 17 столетие. Время от времени портуланы копировали, дополняли, корректировали, иногда по неведению ухудшали, но создать что-либо подобное по охвату и точности не могли. Портуланы были и оставались надежным фундаментом любых карт той эпохи. Их важнейшим достоинством была каркасность, которая обеспечивала жесткость и правильность контуров изображаемых земель. Эта была та цель, к которой путем ошибок и приближений еще только стремились страны, бывшие исторически вне римского влияния. В зоне средиземноморья такая цель была давно достигнута. Контуры и взаимное положение Италии, Франции, Испании, Греции и других стран бассейна на картах 13-17 века почти не менялись. Речь шла скорее о внутренней наполняемости, о своего рода пополнительных съемках в рамках уже известных контуров.

Не сумел серьезно изменить ситуацию и XVIII век. Новые съемки - военные, кадастровые, топографические и др. - проводились разобщено, без какого-либо плана, без единых принципов, по инициативе отдельных лиц при отсутствии между ними связи и взаимоувязки.