18.4. Задачи, решаемые при проектировании развязок движения в разных уровнях

Несмотря на известную общность задач, решаемых при проектировании развязок движения в разных уровнях и автомобильных дорог, проектирование развязок имеет ряд специфических особенно­стей. Так. например, если автомобильная дорога является линейным сооружением, то развязки движения размещаются на площадях, размеры которых могут достигать 50 га и более. Многообразие схем развязок, вариантный выбор планировочных и конструктивных решений с учетом местных условий и пространст­венной геометрии пересекающихся дорог при наличии комплекса ограничений в элементах плана и про­дольного профиля приводят к решению задач, не свойственных для автомобильной дороги как таковой.

Р

ис. 18.12. Соединительные рампы сложных транспортных развязок

В последние годы патучили большое развитие как в России, так и за рубежом технология и методы автоматизированного проектирования развязок движения в разных уровнях. Этому обстоятельству во мно­гом способствовало, с одной стороны, внедрение вычислительной техники в практику проектирования и, с другой, изучение режимов движения автомобилей на существующих транспортных развязках, позволяющее устанавливать особенности функционирования сложных участков развязок и делать выводы в части необхо­димости изменения тех или иных параметров и даже принципов решения отдельных задач.

Несмотря на многочисленные выполненные за истекшие полстолетия исследования вопросов по­вышения надежности функционирования элементов развязок, инженерные расчеты при сложившейся традиционной технологии проектирования выполняют обособленно, без пространственной взаимоувязки элементов и контроля за проя&тением физических показателей движения, во многом определяющих уровни удобства и безопасности движения и пропускную способность пересечений и примыканий. Об­щая картина развязок движения в разных уровнях в их пространственном воплощении намного сложнее схематизированных представлений элементов в отдельных плоскостях. Математическое описание взаи­модействия геометрии соединительных рамп с сопрягаемыми участками пересекающихся автомагистра­лей в трехмерном пространстве с одновременным контролем за изменением физических параметров дви­жения (продольные скорости движения и ускорения, степень изменения центробежного ускорения с по­стоянной и переменной скоростью, изменение угловой скорости поворота автомобиля вокруг продольной оси при движении на вираже и т.д.) приводит к комплексному проектированию, практическая реализация которого возможна лишь при использовании современной компьютерной техники.

Проектирование развязок движения в разных уровнях представляет собой чрезвычайно много­дельный процесс (разработка одного проекта пересечения занимает до 5 месяцев), что в рамках традици­онной технологии практически исключает вариантный поиск оптимального решения. В связи с этим ис-патьзование компьютерной техники в расчетах целесообразно на всех стадиях проектирования. Приме­нение компьютеров при проектировании развязок движения в разных уровнях обеспечивает экономиче­ский эффект, который выражается в следующем:

снижение сроков, трудоемкости и стоимости проектирования. Использование современных ком­пьютеров, оснащенных быстродействующими и высокоточными графопостроителями планшетного типа и мониторами, позволяет автоматизировать трудоемкие процессы расчета элементов транспортных развя­зок при решении их в комплексной постановке, подсчет объемов работ, транспортно-эксплуатационных расходов, а также расчеты, выполняемые при технико-экономическом сравнении вариантов планировоч­ных и конструктивных решений, автоматизировать процесс получения проектно-сметной документации в виде готовых чертежей, таблиц, смет и т. д.;

снижении сметной стоимости строительства развязок движения в разных уровнях до 10% и более. Развязки в разных уровнях весьма дорогостоящие сооружения, и вопрос возможного снижения их строи­тельной стоимости является весьма актуальным. Возможность проработки при автоматизированном про­ектировании в сжатые сроки большого числа вариантов планировочных и конструктивных решений по-зволяет выбрать лучший из них в отношении капиталоемкости строительства;

повышении качества проектных решений. Анализ в режиме диалога с компьютером вариантов решения развязок движения позволяет выбирать решения, обеспечивающие необходимую пропускную

способность пересечения, наилучшие уровни удобства и безопасности движения, минимальные транспортно-эксплуатационные затраты и т. д.;

исключении ошибок при проектировании. В ходе эскизной проработки развязок движения в раз­ных уровнях на ранних стадиях проектирования в случае использования традиционной технологии (без пространственной взаимоувязки элементов и контроля физических параметров движения) нередко до­пускаются грубые просчеты, требующие на последующих стадиях детального проектирования вынужден­ного изменения принципиальных решений планировки пересечения и не предусмотренного ранее увели­чения сметной стоимости строительства.

Применение компьютерной техники для решения транспортных развязок движения в разных уровнях не может идти по пути формального заимствования методов традиционной технологии. Прежде всего, это относится: к сопряжению элементов в плане и продольном профиле; к использованию различ­ных типов переходных кривых; к представлению рельефа и геологического строения местности в виде цифровых и математических моделей; к расчету кромок проезжей части, параллельных и непараллельных оси и уширений: к устаноатению пространственного положения элементов сооружения и т. д. Все расче­ты в комплексной постановке должны быть взаимосвязаны.

Вопросы комплексного, автоматизированного проектирования развязок движения в разных уровнях получили в последние годы развитие в работах Союздорпроекта (канд. техн. наук В. А. Федотов), в которых, в частности, обобщен и в значительной степени развит зарубежный опыт проектирования, строительства и эксплуатации развязок. В отечественных системах автоматизированного проектирования автомобильных дорог САПР-АЛ этому важному вопросу посвящены специальные системы и пакеты при-кладных программ. Технологическая схема комплексного пространственного проектирования развязок движения на пересечениях и примыканиях автомобильных дорог в разных уровнях с применением ком­пьютерной техники представлена на рис. 18.13.

В соответствии с технологической последовательностью комплексного проектирования пересече­ний и примыканий автомобильных дорог в разных уровнях последовательно или одновременно решаются следующие основные группы задач:

сопряжение геометрических элементов плана в осях и кромках проезжих частей;

установление проектной линии продольного профиля по соединительным рампам;

решение вертикальной планировки:

вычисление объемов земляных, укрепительных работ, работ по строительству дорожной одежды и искусственных сооружений:

определение сметной стоимости строительства;

определение транспортно-эксплуатационных расходов и приведенных затрат; графическое, табличное и текстовое оформление проектного материала.

18.5. Анализ условий пересечений при проектировании развязок

При выборе типа развязки необходимо иметь следующие данные: категории пересекающихся дорог;

картограмму интенсивности и состав движения по направлениям на первую очередь строительст­ва и па перспективу,

план прилегающей к пересечению территории в координатах и соответствующие ему цифровую и математическую модели местности;

материалы, характеризующие геологические и гидрогеологические условия прилегающей к пере­сечению местности, а также соответствующие цифровые и математические модели геологического и гид­рогеологического строения местности;

данные по плану, глубинам приложения и техническим характеристикам подземных коммуникаций;

данные о пространственной геометрии пересекающихся дорог (план, продольные и поперечные профили);

данные о конструкции дорожной одежды на пересекающихся дорогах;

данные об условиях и размерах движения пешеходов;

прочие требования, вытекающие из особенностей местных условий.

На основе перечисленных данных проектируют схему организации движения на транспортном пересечении с учетом наилучших уровней удобства и безопасности движения, обеспечения необходимой пропускной способности, а также минимальной стоимости строительства и транспортно-эксплуатацион­ных расходов. Важные требования к выбору типа развязок предъявляют со стороны архитектурно-ком­позиционной увязки сооружения с прилегающей к узлу застройкой и окружающим ландшафтом.

На выбор типа развязок, планировочные и конструктивные решения их элементов оказывают су­щественное влияние следующие основные факторы.

Рис. 18.13. Техншогическая схема комплексного автоматизированного проектирования развязок движения на

пересечениях автомобильных дорог в разных уровнях

Категория пересекающихся дорог. При выборе схемы транспортного узла стремятся, прежде всего, обеспечить непрерывность движения по направлению пересекающейся дороги более высокой категории.

С категорией пересекающихся дорог связаны расчетные скорости движения на соединительных рампах, которые в свою очередь определяют допустимые радиусы закруглений в плане левоповоротных и правоповоротных соединительных рамп, а также допустимые радиусы вертикальных выпуклых и вогнутых кривых продольных профилей по соединительным рампам. В зависимости от категории пересекающихся дорог назначают длину переходно-скоростных полос на съездах и въездах, а также длину отгона уширений.

И, наконец, связанное с категорией пересекающихся дорог соотношение скоростей на съезде и на участке соединительной рампы с максимальной кривизной в плане требует таких планировочных и конструк­тивных решений, при которых были бы обеспечены необходимые уровни удобства и безопасности движения.

Таким образом, только лишь изменение категории пересекающихся дорог при равных прочих ус­ловиях может сильно деформировать планировочное решение развязки и привести к иным конструктив­ным решениям.

Интенсивность и состав движения. Интенсивность движения, распределение ее по направлениям и состав движения оказывают определяющее влияние на выбор типа пересечения или примыкания в разных уровнях, а также на планировочные и конструктивные решения его элементов. Одно из основных требова­ний, предъявляемых к развязкам движения в разных уровнях, — бесперебойность работы в любой период года, месяца, дня недели и часа суток. Поэтому в транспортных расчетах принимают максимальные размеры движения по всем наггравлениям в час «пик» для наиболее напряженного сезона года и дня недели.

Для выбора схемы пересечения или примыкания удобно пользоваться графическим изображением интенсивности движения в виде картограмм транспортных потоков с указанием их размеров в приведенных единишх (рис. 18.14). Для згой цели фактическую интенсивность движения в физических единицах приво­дят к интенсивности однородного транспортного потока, представленного лишь легковыми автомобилями:

N, — интенсивность движения автомобиля i-й марки, авт./ч;

а, — коэффициент приведения, определяемый дтя каждого вида транспортных средств соответственно:

Легковые автомобили 1

Грузовые автомобили грузоподъемностью, т:

доЗ 1,5

5 2

8 2,5

свыше 8 3,5

.Автобусы 2,5

Троллейбусы 3

Сочлененные автобусы и троллейбусы 4

Мотоциклы и мопеды 0,5

Картограммы интенсивности движения, построенные на различные расчетные годы, позволяют решать вопросы стадийности строительства, когда по мере роста интенсивности предусматривают воз­можность превращения развязок неполного типа в узлы пересечений, обеспечивающие полную развязку движения по всем направлениям без конфликтных точек.

План прилегающей территории. Ситуационные особенности прилегающей к транспортному узлу территории (сложившаяся городская застройка, железные дороги, территории народнохозяйственных объектов, пенные сельскохозяйственные угодья и т. д.) могут сильно деформировать конфигурацию со­единительных рамп в плане при соответствующем ухудшении физических параметров движения транс­портных потоков и связанных с ними уровней удобства и безопасности движения. Если эти параметры выхолят за пределы допустимого, требуется изменение типа развязки с использованием решения, прием­лемого в рамках конкретных ситуационных ограничений.

Рельеф прилегающей к пересечению местности не только во многом определяет объемы земля­ных работ, но и в ряде случаев может оказать влияние на выбор типа главного искусственного сооружения развязки (путепровод, тоннель).

Геологические и гадрогеологические условия. Геологические и гидрогеологические особенности местности, прилегающей к транспортному узлу, нередко предопределяют выбор типа искусственного со­оружения и подходов к нему (путепровод или тоннель, насыпь или эстакада и т. д.). Геологические и гид­рогеологические условия оказывают алияние на глубину фундирования опор путепроводов, на выбор ти­па пралетлзых строений (разрезное, неразрезное), конструкцию подпорных стенок, определяют необхо­димость организации водоотвода в тоннелях и т. д. Все это в конечном итоге влияет на сметную стоимость строительства развязки в целом.

Подземные коммулчикации. Учет расположения подземных коммуникаций приобретает особое значение при проеклллровании развязок движения в разных уровнях в сложившихся городах, характери­зуемых густой сетью магистральных трубопроводов, кабелей, воздушных коммуникаций и т. д. В этих ус­ловиях во многих случаях вариант строительства путепровода оказывается предпочтительнее тоннеля.

Пространственная геометрия пересекающихся дорог оказывает в ряде случаев определяющее влияние на выбор схемы развязки и основные планировочные и конструктивные решения ее элементов. Углы пересечения автомобильных дорог, условия пересечения (когда одна или обе пересекающиеся маги­страли расположены на кривых в плане), продольные и поперечные профили автомагистралей являются жесткими техническими ограничениями, в рамках которых требуется найти решение, отвечающее всем действующим техническим нормативам. Эта задача часто оказывается неразрешимой при традиционной технологии. Программные обеспечения современных САПР-АД, как правило, дают возможность строго­го аналитического решения развязок движения практически при любых сочетаниях плана и профиля пе­ресекающихся дорог.

Пешеходное движение. Проблема учета при проектировании пересечений и примыканий в разных • уровнях безопасного движения пешеходов обычно возникает в городах. При наличии на транспортном узле пешеходных переходов в одном уровне исключается непрерывность движения транспортных потоков и рез­ко снижается эффективность работы развязок движения в целом. В таких случаях предусматривают допол­нительные мероприятия, заключающиеся в устройстве внеуличных пешеходных переходов.

На выбор того или иного типа пересечения или примыкания в разных уровнях оказывает влияние также много других факторов, таких как размеры капиталовложений, транспортно-эксплуатационные расходы, приведенные затраты, эффективность капиталовложений, соображения возможности стадийно­го строительства без бросовых затрат, пропускная способность узла, скорости транспортных потоков, уровни удобства и безопасности движения, перепробеги левоповоротного движения и т. д.

18.6. Пропускная способность развязок в разных уровнях и оценка безопасности движения

Одним из важнейших критериев, предопределяющих выбор того или иного типа пересечения в разных уровнях, является пропускная способность транспортного узла. Под пропускной способностью пересечения понимают максимально возможное количество автомобилей, поступающее на транспортный узел и выходящее за его пределы по всем направлениям в единицу времени. Пропускная способность раз­вязок в целом определяется пропускной способностью их отдельных участков и элементов. Основными лимитирующими участками являются: участки слияния транспортных потоков при въезде с соединитель­ных рамп на основные полосы движения; участки совмещенного транзитного и левоповоротного движе­ния перед выездом на рампу и левоповоротного после выезда с рампы в зоне путепровода на пересечениях типа «клеверный лист»; участки автомагистралей за примыканием правоповоротных рамп; участки выхо­да с основных полос на правоповоротные рампы.

Наиболее узкими местами развязок движения в разных уровнях являются участки выезда с рамп на основные полосы пересекающихся автомагистралей, которые во многом определяют не только пропу­скную способность пересечения, но и уровни удобства и безопасность движения. При интенсивности по правой внешней полосе автомагистрали, близкой к максимальной пропускной способности, условия движения на съезде резко осложняются, возникают очереди автомобилей, создающие заторы на дороге.

Выезд на основную полосу движения может происходить при четырех режимах движения транс­портных потоков: вливание с ходу (уровень удобства А); вливание с притормаживанием (уровень удобст­ва Б): вливание автомобилей отдельными пачками с задержками на ожидание (уровень удобства В); вли­вание автомобилей в уетовиях образования очередей и заторов на съезде (уровень удобства Г).

По данным наблюдений А. П. Шевякова, значения пропускной способности въездов для средне­статистического состава движения, характерного для дорог России, представлены в табл. 18.2.

Для оценки характеристик движения на транспортных пересечениях при различном распределе­нии интенсивностей по направлениям д-р техн. наук В. В. Сильянов использовал метод математического компьютерного моделирования транспортных потоков, в основе которого лежат характерные расчетные схемы слияния транспортных потоков. Задаваясь различной плановой конфигурацией съездов, различ­ными параметрами переходно-скоростных полос, можно всесторонне оценить их влияние на условия движения транспортных потоков на участках съездов.

Т аблица 18.2.

Р ис. IS. 15. Схема к расчету пропускной способности пересечений в разных уровнях (на примере клеверного листа)

P = N, +N₂ +... + N_l2 =>max (18.1) при выполнении следующих ограничений:

Р — пропускная способность пересечения в целом, авт./ч;

N1,_, N₁₂ — интенсивности движения по соответствующим направлениям, авт./ч;

Р1 , Р₂₀ — пропускные способности соответствующих элементов пересечения, авт./ч.

Задача расчета пропускной способности развязки движения в разных уровнях сводится к отыска­нию максимума функции (18.1) в рамках перечисленных ограничений на основе решения задачи линейного программирования (симплекс-метод). Пропускную способность при этом вычисляют для многих вариантов планировки развязки и вариантов конструктивных решений отдельных ее элементов.

Одним из важнейших показателей, предопределяющих выбор той или иной схемы развязок в разных уровнях (например, полной и непотной), является безопасность движения на транспортном пересечении;

Основными факторами, влияющими на безопасность движения на пересечениях как в одном, так и в разных уровнях, являются:

интенсивность движения на пересекающихся направлениях. Это один из главных факторов, опре­деляющих вероятность появления аварийной ситуации на пересечении. При этом аварийность оказывается тем более высокой, чем больше суммарная интенсивность движения на пересекающихся направлениях;

состав движения. Чем более неоднороден по составу транспортный поток, тем больше аварий­ность на транспортном пересечении;

углы пересечения дорог, создающие различные условия для разных направлений движения на пе­ресечении, определяя одно наиболее опасное направление движения;

планировочное решение пересечений. Значения радиусов закруглений лево- и правоповоротного движения, наличие или отсутствие переходно-скоростных полос в значительной степени влияют на усло­вия и безопасность движения на пересечении; ,

катячество и тип конфликтных точек. В общем случае на пересечении в одном уровне можно вы­летать 32 конфликтных точки (рис. 18.16): 8 конфликтных точек разделения потоков (1), 8 точек слияния (2) и 16 конфликтных точек пересечения транспортных потоков (3). Из них наиболее опасными являются конфликтные точки пересечения (3), меньшей степенью опасности характеризуются точки разделения потоков (1) и наименьшей опасностью создания аварийных ситуаций характеризуются точки слияния (2).

Строительство пересечения в разных уровнях, например, по типу полного «клеверного листа» сра­зу же исключает 16 наиболее опасных конфликтных точек (3), резко снижая вероятность возникновения аварийных ситуаций на пересечении. С другой стороны, строительство неполной транспортной развязки, допускающей пересечения транспортных потоков в одном уровне на второстепенных направлениях, при­водит к появлению конфликтных точек пересечения (3).

Общее количество дорожно-транспортных происшествий на транспортное пересечение за один год может быть оценено по формуле д-ра техн. наук Е. М. Лобанова:

(18.2)

n — число конфликтных точек;

К. — относительная аварийность (количество дорожно-транспортных происшествий на 10 млн. прошедших автомобилей) в i-й конфликтной точке транспортной развязки в разных уровнях, определяе­мая по табл. 18.4). а на второстепенных направлениях неполных транспортных развязок — по табл. 18.3;

Mj, N, — интенсивности движения взаимодействующих в i-й конфликтной точке транспортных потоков, авт./сут,

К,. — коэффициент годовой неравномерности движения:

Для вновь проектируемых дорог для заданных размеров среднегодовой среднесуточной интенсив­ности движения принимают К, = 0,0834.

Степень опасности различных типов развязок движения в разных уровнях оценивают по формуле:

G — катячество дорожно-транспортных происшествий на пересечении данного типа за год, опре­деляемое по формуле (18.2);

М — суммарная интенсивность движения автомобилей по главной дороге, авт./сут; N — то же. для второстепенной дороги, авт./сут.

Т аблица 18.3.

Для вновь проектируемых дорог выбирают такой тип пересечения в разных уровнях и предусмат­ривают такие планировочные и конструктивные решения его элементов, при которых значение К будет меньше или равно 5, т. е. чисто дорожно-транспортных происшествий на транспортном узле не должно превышать 5 на 10 млн. прошедших автомобилей.

Т аблица 18.4.