Трассирование автомобильных дорог в CREDO при реконструкции

Владимир Филиппов, Геннадий Величко

Трассирование при реконструкции автомобильных дорог — это наиболее часто встречающийся вид проектно-изыскательских работ, основная задача которого — проложить трассу с максимальным использованием сооружений существующей дороги и при этом удовлетворить новым повышенным нормативным требованиям к ее элементам. Для этого необходимо решить такие основные задачи трассирования, как:

• идентификация (распознавание) элементов дороги и определение их параметров;
• аппроксимация участков трассы (оси) существующей дороги строгими геометрическими элементами;
• соединение распознанных элементов дороги рациональными сопряжениями;
• объединение элементов и сопряжений в единую трассу с рациональным приближением ее к положению существующей дороги на местности.

Если при реконструкции перед проектировщиком не стоит задача идентификации элементов существующей дороги, то можно предложить несложный метод трассирования в CREDO с одновременным указанием типа элемента: прямой линии (L), окружности (C), клотоиды (K). Каждый новый проектируемый элемент трассы подсвечивается и послушно следует за движением руки проектировщика при перемещении курсора. Поэтому выбрать наиболее рациональное положение на существующем земляном полотне любого элемента трассы не составит труда. В появляющемся информационном окне параметры проектируемого элемента (радиус, длину, угол и т.п.) можно сравнить с нормативами и при необходимости откорректировать. После принятия решения о приемлемости нового элемента он автоматически присоединяется к трассе. Затем можно перейти к укладке следующего элемента.

Однако обычно процесс трассирования не так прост. В целях оптимального использования сооружений существующей дороги, в частности земляного полотна и дорожной одежды, необходимо идентифицировать элементы трассы, определить их параметры, оценить их соответствие повышенным нормативам. Задача идентификации элементов трассы осложняется большим разбросом их характеристик относительно среднего значения. В частности, исследования 600 км автомобильных дорог I-IV категорий Московской, Саратовской и Самарской областей, проведенные профессором В.В.Столяровым, позволили установить следующее:

• радиусы вертикальных кривых в пределах одной кривой могут разниться в 20 и более раз;
• радиус одной кривой в плане нередко изменяется в 5-10 раз;
• колебание ширины покрытия на участке в один километр и менее достигает 1,5-2,00 м.

Таким образом, для достоверных выводов о возможности использования элементов существующей дороги при проектировании ее реконструкции следует опираться на объективные статистические показатели отклонения измеряемых параметров элемента по координатам, радиусам, другим геометрическим параметрам от, например, среднего значения на максимум и минимум фактических значений. Достоверное распознавание элементов дороги в значительной мере зависит от опыта проектировщика, от того, насколько верно он описывает структуру трассы (оси дороги) на каждом ее участке. Для помощи проектировщику и объективности оценок все схемы идентификации элементов трассы в CREDO основаны на использовании метода наименьших квадратов.

Для пояснения особенностей методики камерального трассирования с использованием методов идентификации элементов существующей дороги на реальном объекте выделены три участка, требующие особого внимания (рис. 1).

Участок 1 идентифицируется как элемент с очень слабой кривизной, который можно аппроксимировать длинной прямой или составным закруглением.

Участок 2 имеет наименьший радиус круговой кривой, параметры которой следует установить достаточно точно для последующего рационального сопряжения этого участка со смежными.

Участок 3 — это головная часть уже перестроенной дороги, геометрические параметры которой нуждаются в уточнении. Именно здесь необходимо аккуратно сопрячь проектируемую дорогу с построенным участком, причем так, чтобы сопряжение выглядело естественным для участников движения.

Если дорога достаточно извилиста, но ее аппроксимация прямолинейным отрезком вполне логична, то следует применить метод аппроксимации точек прямой (рис. 2).

В данном примере криволинейную часть участка 1 можно описать (как вариант идентификации) составным закруглением, состоящим из двух переходных кривых и средней части — дуги окружности. В этом случае необходимо предварительно построить прямолинейные участки трассы (прямые А и В), с которыми будет сопряжено искомое сложное закругление (рис. 3). Эти прямые можно построить с использованием метода наименьших квадратов. Но поскольку в данном случае прямые А и В хорошо просматриваются, расположены достаточно близко к середине условного знака грунтовой дороги, можно довериться своим зрительным оценкам и просто построить прямую максимально близко к середине дороги.

Дальнейшая работа выполняется по методу построения составного закругления (рис. 4). Следуя подсказкам системы, указывают примерное положение начала и конца закругления на прямых А и В и положение оси дороги на биссектрисе. Последовательно перемещают среднюю точку вдоль биссектрисы и точки начала и конца закругления вдоль прямых А и В до тех пор, пока динамически отображаемая кривая не займет нужное положение на местности, например пройдет через середину земляного полотна на достаточно большом участке этого закругления. Перемещая курсор вдоль тангенса, легко изменить в нужную сторону длину переходной кривой при неизменном положении биссектрисы.

После интерактивных построений на дисплее решение можно уточнять, корректируя в таблице параметры закругления: радиус и длины обеих переходных кривых.

Элемент трассы на криволинейном участке 3 логично идентифицировать с использованием метода аппроксимации точек окружностью. Следуя подсказкам системы, устанавливают границы зоны аппроксимации, которой будут охвачены отснятые точки, или просто указывают точки на оси уже построенного участка земляного полотна (рис. 5).

После указания первых трех точек на экране появится часть аппроксимирующей окружности. По мере добавления новых точек радиус окружности уточняется.

Основная информация приводится в таблице (рис. 6). Работая в ней с параметрами аппроксимации, создаваемый геометрический элемент стараются рационально приблизить к положению существующей дороги на местности. Рациональность приближения обеспечивается возможностью:

• отслеживать изменения радиуса искомой окружности по мере добавления новых точек;
• анализировать отклонение каждой точки от строящейся окружности;
• анализировать среднее значение квадратичного отклонения M’’ и среднее абсолютное отклонение M’;
• исключать любые точки в колонке пометок.

Аналогично в нашем примере аппроксимирован дугой окружности поворот дороги на участке 2.

При трассировании реконструируемой дороги в CREDO несложно найти рациональное положение сопрягающих звеньев (рис. 7). В нашем примере — это сопряжение прямой В (на участке 1) и окружности (на участке 2) подходящей переходной кривой — клотоидой. Наиболее рациональное положение сопрягающего звена на проезжей части существующей дороги достигается путем перемещения конца клотоиды по окружности и поиска подходящей точки сопряжения.

Рациональность сопряжения участков 2 и 3 с достаточно близким приближением проектной трассы к существующей дороге обеспечивается использованием интерактивных возможностей метода S-образного сопряжения окружностей. Следуя подсказкам системы, указывают сопрягаемые окружности и положение общей касательной для переходных кривых. Если сопряжение существует, оно отобразится на экране. Сопряжение можно рациональным образом уложить на местности, оптимально приближаясь к существующей дороге путем подбора в таблице запроса длины прямой вставки и соотношения параметров переходных кривых (рис. 8).

Построив все сопряжения, элементы связывают в единый объект, аппроксимирующий приемлемыми геометрическими элементами трассу реконструируемой дороги (рис. 9).

После анализа трасса и соответствующие ей данные по продольному и поперечным профилям с данными по геологии передаются в системы детального проектирования дорог — CAD_CREDO, ГИП (Россия), DROGA (Польша) и др., в том числе в текстовые файлы обменного формата.

Трасса дороги — это пространственная линия. Перестраивая трассу в плане, одновременно решают задачи выравнивания трассы в продольном профиле и выравнивания поперечного профиля реконструируемой дороги с наиболее рациональным приближением к существующей поверхности проезжей части и с оптимальным использованием дорожной одежды как одной из самых дорогих частей дороги. Как с использованием цифровых технологий методами CREDO решается эта актуальная задача ремонта и реконструкции дорог, мы расскажем в следующих публикациях.

«САПР и графика» 9'2001