Совершенствование методологии обоснования геометрических характеристик восстанавливаемых участков автомобильных дорог

Эксплуатационные качества автомобильных дорог (АД) в значительной мере предопределяются их техническими характеристиками и эксплуатационным состоянием. Они закладываются при проектировании строящихся и восстанавливаемых участков путем применения обоснованных технических нормативов на элементы плана, продольного и поперечных профилей.

Под восстановлением участков АД понимается их реконструкция, капитальный ремонт, ремонт и другие мероприятия содержа-ния.Таким образом, непременным условием эффективного функционирования автомобильных дорог является повышение технического уровня проектирования восстанавливаемых участков и объектов путем непрерывного совершенствования нормативно-технической базы проектирования дорог и использования соответствующих современным условиям технических норм восстановления.

Для современных документов [1,2,3,4,5,6], определяющих нормативные требования к геометрическим элементам восстанавливаемых участков АД характерна установка на чрезвычайно напряженный режим движения транспортных потоков (ТП). Это объясняется тем, что в основу расчета всех геометрических характеристик восстанавливаемых участков положено одиночное движение расчетного автомобиля [1], а такой подход, как показывает опыт эксплуатации, весьма упрощенно и с большими искажениями отражает фактический режим движения транспортных потоков по АД.

В результате, с высокой степенью достоверности, можно утверждать, что восстановленные участки в условиях высокой интенсивности и особенно в часы «пиковых» нагрузок будут работать с перебоями, с образованием заторов и «пробок», что приведет к существенному снижению эффективности работы автомобильных дорог. В этой связи, при обосновании технических нормативов на восстановление АД, возникла настоятельная необходимость использования положений теории транспортных потоков с учетом особенностей движения.

Основными показателями, характеризующими режимы движения, являются скорость, плотность, безопасность и экономичность. Эти показатели взаимосвязаны и во многом определяются соотношением между интенсивностью потока и пропускной способностью дороги. Поэтому вполне естественным в середине 80-х годов явилось предложение ученых МАДИ использовать в качестве основного показателя условий движения по дороге отношение интенсивности потока к пропускной способности участка, названного коэффициентом загрузки.

Данный показатель в удобной форме характеризует условия эксплуатации подвижного состава в конкретных дорожных условиях [1]. Вместе с тем, как показала практика эксплуатации АД, он не может обеспечить рационализацию геометрических характеристик восстанавливаемых участков. Дело в том, что про- пускная способность дороги под воздействием погодно-климатических факторов, эксплуатационного состояния дорожного покрытия, состава движения подвержена значительным изменениям во времени. Исследования показали, что пропускная способность одного и того же участка является величиной случайной и в зависимости от условий движения может изменяться в 1,5-3,0 раза.

Анализ показал, что устранить указанное противоречие и сделать показатель загрузки участка дороги (объекта) более универсальным можно, следуя по пути более универсальной проработки сущности понятия пропускной способности дороги.

В настоящее время в это понятие вкладывается только техническое содержание, в соответствии с которым под пропускной способностью понимают максимальное число автомобилей, проходящих по дороге. Интенсивности движения можно определить при различных состояниях потока: с учетом возможности образования заторов; из условий недопущения заторов движения; возможности осуществления обгонов; невозможности его осуществления и других состояниях.

Устранение такого недостатка, как изменчивость показателя пропускной способности дороги, приводящего к неопределенности в решении многих задач для организации дорожного движения возможно по пути придания этому показателю экономического содержания. Такой путь был впервые предложен и реализован на практике кандидатом технических наук М.Ф.Смирновым. Дальнейшее развитие данного метода было выполнено в трудах профессора В.В.Сильянова, который впервые ввел понятие «расчетная пропускная способность» и предложил понимать под этим термином экономически целесообразное число автомобилей, которое может пропустить участок дороги в единицу времени. Профессор В.В.Сильянов доказал, что расчетная пропускная способность может рассматриваться как проектный показатель, служащий в совокупности с расчетной интенсивностью движения базой для обоснования геометрических характеристик восстанавливаемых участков АД и обеспечивающий на расчетную перспективу рациональные значения их эксплуатационных показателей.

Методология обоснования расчетной пропускной способности АД выглядит следующим образом. Рассматривается движущийся по 2-х полосной дороге транспортный поток с интенсивностью N авт/ч на одну полосу. На дороге имеется восстановленный участок протяжением L км со сложными дорожными услови- ями. Участок запроектирован с применением предельных технических нормативов. Вследствие этого по участку затруднено движение автомобилей, а в определенные периоды времени, когда интенсивность движения из-за присущей ей неравномерности возрастает (в часы «пик») возможно появление заторов движения.

В процессе обоснования рациональных геометрических параметров участка возможно варьирование их значениями в определенных пределах, однако улучшение условий движения по восстанавливаемому участку можно добиться лишь путем более значительного расхода ресурсов в ходе его восстановления. Вследствие улучшения дорожных условий сокращается продолжительность периода, в течение которого затруднено движение, уменьшаются транспортные потери, повышается эффективность функционирования АД.

С позиций системного подхода рассматриваемую схему можно отнести к системам с управлением. Параметры данной системы могут быть оптимизированы с использованием оперативных, экономических и других критериев.

В настоящее время дорожные работы при восстановлении АД более чем на 95% механизированы. Поэтому при обосновании параметров восстанавливаемых участков представляется целесообразным использовать энергозатраты в лошадино-сило-часах (киловатт-часах).

Величина суммарных энергозатрат может быть определена из соотношения:

^Q = Q в + Q тп ,       (1)

где   Qв и Qтп - энергозатраты на дорожные работы и на работу ТП при движении по восстановленному участку протяжением 1 км.

Размер энергозатрат на восстановление участка дороги в общем виде определяется линейной функцией вида:

Q в = С -V mn ,            (2)

где С - величина восстановительных энергозатрат на 1 км дороги, увеличивающих скорость потока на 1 км/ч.

Энергозатраты транспортного потока могут быть определены по зависимости: m

Q тп = Т д -^Т^ф/ ⁰ ) -# ) ),     (3)

тп ; = 1

где Т д - заданный срок службы участка АД, сутки; N j ^(a) - количество автомобилей j-го типа с мощностью двигателя п/^а) в суточном составе движения; m - число типов автомобилей в со-

Подставляя выражение (2) и (3) в зависимость (1) получаем:

m

^ Q = С •Vmn + Т д • ^^(Af ) • <4 (4)

Продифференцировав соотношение (4) по V_mn получаем:

m

= с-V ,„ + Т ' ^(N^-^)  (5)

тп              тп

Приравняв правую часть выражения к нулю, получим в результате решения:

Т д -s™^-^)

V mn = J---^'---^ .    (6)

Так как вторая производная выражения

• (4)    положительна, то значение скорости V_mn,

определенное из выражения (6), соответствует минимуму функции энергозатрат £ Q.

Для конкретного решения задачи восстановления участка возникает необходимость расчета величины С, которая может быть уста- новлена на основе оценки по техническим картам энергозатрат на различные конструктивные варианты восстановления дороги. На рис.1 представлен график для оценки оптимальной скорости Vmn, построенный на основании зависимости (6). Оценка показателя С для восстанавливаемого участка выполнялась с учетом изменения ширины полосы проезжей части в диапазоне 3,0-4,0 м.

ставе движения.

Энергозатраты транспортного потока, тыс.л.с.ч

Рисунок 1 - График зависимости

V iT = F(C,Q в ,Q тп )

Из графика видно, что при Q тп = 500000 л.с.-ч и С = 2000 л.с.-ч оптимальная скорость потока составляет – 40 км/ч.

Из теории транспортных потоков известно, что движение машин с оптимальной для данных дорожных условий скоростью обеспечивает наиболее экономичный режим, а максимальное число автомобилей, прошедших по восстановленному участку с оптимальной скоростью и соответствующими дистанциями обеспечивает его расчетную пропускную способность. Для получения значений расчетной пропускной способности восстановленных участков АД представляется возможным использовать эмпирическую зависимость вида:

РОт = 84,0 + 28,96 • УОпт- 0,365 • \'2т (7)

Полученные по формуле (7) значения расчетной пропускной способности позволяют в каждом конкретном случае получать рациональные значения геометрических характеристик восстанавливаемых участков.

Порядок обоснования рациональных значений геометрических характеристик восстанавливаемых участков с учетом показателя расчетной пропускной способности рассмотрим на примере оценки допускаемой протяженности однопутных участков (рис.2).

Рисунок 2 – Расчетная пропускная способность

Решение задачи обоснования расчетной пропускной способности восстановленных участков АД может включать в себя несколько самостоятельных этапов:

• 1.    Прогнозирование интенсивности на расчетный период и выявление характера распределения интенсивности по часам суток.

• 2.    Оценку зависимости «скорость – интенсивность» и установление предельных состояний транспортного потока в рассматриваемых дорожных условиях, характеризующих возможность появления заторов движения.

• 3.    Оценка потери времени транспортным потоком за расчетный период в зависимости от пропускной способности рассматриваемого участка дороги.

• 4.    Оптимизация параметров функционирования системы на основе обобщенного критерия (стоимость, энергозатраты и др.) и обоснование требуемого значения расчетной пропускной способности в рассматриваемых дорожных условиях.

• 5.    Обоснование рациональных значений геометрических характеристик восстанавливаемых участков АД.

Предложенная методология позволяет с высокой надежностью обосновать рациональные значения геометрических характеристик восстанавливаемых участков, что способствует повышению эффективности функционирования автомобильных дорог в условиях недофинансирования.