Объемное выравнивание проезжей части в проектах капитального ремонта и реконструкции автомобильных дорог

Владимир Филиппов, Геннадий Величко, Леонид Токарев, Наталья Крупа

Повышение технического уровня существующих дорог входит в число приоритетных направлений развития дорожной отрасли. В России ежегодный ввод дорог, капитально ремонтируемых и реконструируемых, примерно равен вводу вновь построенных дорог. Одна из наиболее трудоемких и важных задач в проектах ремонта и реконструкции — это проектирование проезжей части, включающее не только усиление дорожной одежды, но и выравнивание ее поверхности.

При этом выделяются две основные и взаимосвязанные задачи: проектирование продольного и поперечного выравнивания, которые принципиально отличаются от традиционного проектирования поперечного и продольного профиля дороги.

Поперечное выравнивание — это проектирование минимального выравнивающего слоя, обеспечивающего проектные геометрические формы поперечного профиля и ликвидирующего его деформации, вызванные недостатками строительства и ремонта в процессе эксплуатации.

Продольное выравнивание — это проектирование продольного профиля в соответствии с нормативами данной категории дороги, при котором ликвидируются неровности в виде продольных волн на существующем покрытии.

Проектирование объемного пространственного выравнивания проезжей части в CREDO начинают с расчета усиления дорожной одежды и формирования данных для поперечного выравнивания, а затем переходят к исправлению профиля (рис. 1).

При автоматической накладке проектного поперечного профиля (с учетом усиления дорожной одежды) на существующие поперечные профили определяются начальные проектные отметки по оси и рабочие отметки (толщина слоя) для выравнивания покрытия. Эти проектные и рабочие отметки, названные параметрами «коричневого» профиля, служат исходными данными для оптимизации проектной линии профиля и конструирования многослойного выравнивания.

Продольное и поперечное выравнивание проектируют в системе CAD_CREDO, а границы слоев многослойного выравнивания и объемы работ по каждому слою определяют в системе CREDO_MIX.

Наиболее трудная задача выравнивания проезжей части — это продольное выравнивание с рациональным конструированием проектной линии профиля. Очень часто, стремясь уменьшить затраты на ремонт дорожной одежды, продольный профиль проектируют прямыми линиями с мелким шагом. При таких решениях, улучшая прочность дорожной одежды, нередко существенно ухудшают транспортно-эксплуатационные качества отремонтированной дороги, поскольку таким способом практически невозможно достичь нужной плавности проектной линии, а значит обеспечить безопасность движения и проезд автомобиля с расчетной скоростью, а также снять ограничения видимости в продольном профиле.

Основой для разработки проекта ремонта дороги служат результаты топографической съемки через 10-50 м. По результатам съемки существующие вертикальные выпуклые и вогнутые кривые отображают «пилообразным» продольным профилем, состоящим из прямолинейных отрезков, к которым и «привязывается» проектная линия. Обычно предполагается, что и существующие, и проектные вертикальные кривые проходят через переломы ломаной линии.

Формально соблюдая нормируемую СНиП алгебраическую разность уклонов на переломах проектной линии и не вписывая в них вертикальные кривые, проектировщик не контролирует ни величину радиусов, ни длину вертикальных кривых, тем самым порой нарушая требования СНиП к наименьшим радиусам и длинам кривых. Стараясь сократить объемы работ и контролируя только разности уклонов, проектировщик объективно нарушает требования по величине радиусов. В то же время нормативы по радиусам требуют малых разностей уклонов, что приводит к большим рабочим отметкам и существенному росту объемов на выравнивание профиля. Таким образом, проектирование отрезками приводит к существенным и зачастую непреодолимым трудностям и практически неприемлемым проектным решениям.

Проектирование профиля прямолинейными отрезками можно рекомендовать для участков с явным прямолинейным очертанием профиля. Но при исправлении профиля с существенной волнистостью, вызванной просадками земляного полотна, некачественными ремонтами и т.п., такой метод дает неудовлетворительные результаты. Это показано на фрагментах типичного профиля (рис. 2).

Значения существующих и проектных радиусов (знак плюс для вогнутых, знак минус — для выпуклых кривых) вычислены по формуле R = (a+b)/(2D), где a, b — длины отрезков, соединяющих точки продольного профиля, D — разность уклонов двух смежных отрезков. Радиусы оказались значительно меньше нормативных значений даже для трудных участков дорог третьей категории, проложенных на пересеченной местности. На первом фрагменте характерная для ремонтируемых дорог значительная волнистость оси дороги отмечается даже после исправления поперечного профиля. Эта волнистость не ликвидируется при проектировании профиля ломаными отрезками. На втором фрагменте величина радиуса вогнутой кривой в два и более раз меньше норматива для дорог третьей категории.

Вывод вполне очевиден: для обеспечения плавности проектной линии в полном соответствии СНиП и рационального конструирования выравнивания с минимальным расходом материалов следует использовать новые цифровые технологии проектирования.

Предлагаемая методика проектирования профиля, использующая возможности комплекса CREDO, позволяет решить указанные проблемы и повысить качество капитальных ремонтов за счет:

• проектирования плавной линии профиля с полным соблюдением нормативных требований к параметрам ее элементов, что обеспечивается использованием сплайнов;
• минимизации объемов работ при выравнивании проезжей части, что достигается последовательной оптимизацией сплайновой проектной линии продольного профиля.

При капитальном ремонте выравнивание обеспечивается разными вариантами конструкции. Самым трудным для проектировщика является вариант, при котором срезка дорожной одежды и ее фрезерование невозможны из-за отсутствия дорогостоящей дорожно-строительной техники, энергии, материалов. Мы остановимся подробно на главных положениях методики автоматизированного проектирования в CREDO этого самого сложного варианта.

Из известных трех методов проектирования продольного профиля в CREDO для существенного улучшения ровности и транспортно-эксплуатационных характеристик дороги при капитальном ремонте рекомендуется метод проектирования в режиме оптимизации. Этот метод обеспечивает нормативные требования к элементам проектной линии при рациональном расходе материалов на объемное выравнивание проезжей части.

Дорогу большой длины следует разделить на отдельные участки по степени сложности продольного профиля — по радиусам вертикальных кривых, по волнистости, по величине усиления. Такое разделение позволит существенно уменьшить объемы выравнивания и волнистость профиля за счет дифференцированных значений предельных параметров проектной линии на отдельных участках:

• минимально допустимых радиусов выпуклых и вогнутых вертикальных кривых;
• максимально допустимых уклонов;
• длин вертикальных кривых.

В процессе оптимизации проектировщик контролирует параметры опорных точек: отметки, уклон проектной линии в точке, код точки, определяющий возможное положение проектной линии (не выше, не ниже, точно через точку, через точку с указанным уклоном и т.п.).

Алгоритм автоматизированного проектирования в режиме оптимизации в CREDO основан на идеях динамического программирования. В алгоритме выделены следующие последовательные этапы конструирования проектной линии профиля:

• формирование множества вариантов прохождения проектной линии через узлы сплайна;
• ограничение множества теми вариантами, в которых соблюдаются требования по предельным параметрам элементов профиля, отметкам опорных точек и способам приближения к линии на уровне руководящей высоты насыпи или глубины выемки;
• направленный поиск того варианта, в котором минимизирован объем работ при наилучших параметрах элементов проектной линии.

Условия по нормативам, отметкам и кодам опорных точек могут быть настолько жесткими, что на втором этапе программе не удается найти ни одного варианта. В этом случае программа ищет тот вариант, в котором параметры по радиусам кривых и по уклонам наилучшие по сравнению с другими вариантами. В предложенном варианте программа отмечает участки профиля с отступлениями от нормативов. Объемы минимизируются только на тех участках, на которых нормативы выдерживаются.

Результат начальной оптимизации проектной линии не всегда удовлетворяет всем критериям, в частности критерию по рабочим отметкам — толщине слоя выравнивания. В нашем примере в начальном варианте предельные нормативы одинаковы на всех участках (радиусы выпуклых кривых 5000 м, вогнутых — 2000 м, длины кривых по 100 м, диапазон варьирования отметками 0,2 м, опорные точки заданы только в начале и в конце профиля). При этом:

• объемы выравнивания большие (наращивание 6846,11 м³, а срезка — 30,61 м³);
• толщина слоя выравнивания доходит до 77 см;
• плавность проектной линии недостаточна по причине малых радиусов вертикальных кривых и малой их длины;
• уровень безопасности движения определен предельными значениями параметров проектной линии.

Поэтому дальнейшая задача проектировщика заключается в уменьшении объемов выравнивания, ликвидации срезки, улучшении плавности проектной линии, повышении безопасности движения.

Методика проектирования профиля в CREDO включает как автоматические (оптимизация проектной линии), так и автоматизированные (с ведущим участием инженера) процедуры. Поэтому проектировщик должен приближаться к идеалу проектного решения итерационно, начиная с минимального набора ограничений, особенно в виде контрольных точек.

Следует с пониманием относиться к срезке существующего покрытия в пределах десяти, даже двадцати, миллиметров, запроектированной программой. Срезки с отметкой 10 мм допустимы по следующим причинам:

• при съемке погрешности в 10 мм вполне объяснимы (наплывы покрытия, мелкие раковины, небольшие выбоины и т.п.);
• фактическая поверхность даже выровненной проезжей части при крупнозернистой поверхностной обработке отличается от геометрически гладкой поверхности на 10 и даже на 20 мм;
• допустимая погрешность выноса в натуру проектных отметок равна 10 мм.

Улучшая плавность проектной линии, программа лучше справляется с поставленной задачей в случае, когда расстояния между узлами проектной линии соизмеримы. Это объясняется тем, что автоматический поиск оптимального решения связан с перебором высот и уклонов в узлах проектной линии профиля. Поскольку смежные кривые с несоизмеримо разными длинами имеют общий уклон в месте их стыковки, изменение уклона в 0,00001% гораздо сильнее влияет на изменение кривизны кривой длиной 5 м, чем кривой длиной 150 м. Поэтому рациональной расстановкой опорных точек (узлов сплайнов) обеспечивается хорошее приближение к линии на уровне руководящих отметок.

Для улучшения начального решения проектной линии также следует поэтапно, по участкам, увеличивать предельные радиусы и длины, а максимальный уклон несколько уменьшать. Уменьшение объемов выравнивания достигается снижением диапазона варьирования отметками при оптимизации (в нашем примере с 0,2-0,5 м до 0,1 м) и назначением дополнительных опорных точек с приемлемыми отметками, исключающими срезку.

На заключительном этапе улучшения проектной линии убирают остаточную срезку и, задавая параметры опорных точек, стараются максимально приблизить проектные рабочие отметки к руководящим, вычисленным на этапе поперечного выравнивания.

В окончательном варианте (рис. 3) с существенно улучшенными параметрами профиля объемы наращивания снижены до 6217,9 (в начальном варианте 6846,11м³), а срезки — до 0,84 м³ (в начальном варианте 30,61 м³). В среднем толщина слоя выравнивания (сверх усиления) уменьшена с 9,0 см до 7,2 см. Наибольшая толщина слоя выравнивания по исправлению радиуса вогнутой кривой до нормативного значения 2000 м, фактическое значение которого до ремонта было около 1000 м (табл. 2), в окончательном варианте составляет 41 см (в начальном — 77 см).

Все довольно большие высоты слоя выравнивания в данном достаточно типичном случае обусловлены исправлением существенной волнистости ремонтируемой поверхности проезжей части (рис. 4 слева) и перестройкой вогнутой кривой (рис. 4 справа).

При помощи описанных приемов последовательно улучшают основные характеристики проектной линии: ликвидируют излишнюю волнистость, повышают безопасность движения за счет улучшения параметров вертикальных кривых и т.п. При этом разрешается традиционное для техники противоречие — увеличение ресурсов для улучшения качества, поскольку именно средствами CREDO одновременно с улучшением проектной линии профиля обеспечивается существенное снижение объемов работ по выравниванию.

Поскольку формы существующего поперечного профиля меняются по всей длине дороги, на каждом поперечном разрезе толщины выравнивающих слоев будут различные. Поэтому очень важно не только рассчитать объемы каждого слоя, но и найти границы укладки выравнивающего слоя, выполненного из того или иного материала.

В нашем примере любой поперечный разрез конструкции ремонтируемой дорожной одежды может включать следующие слои:

• обязательный слой — усиление существующего покрытия на проектную ширину проезжей части толщиной 4 см;
• выравнивающий слой из черного щебня толщиной до 6 см;
• выравнивающий слой из щебня, который необходим в случае, если общая рабочая отметка от поверхности нового до низа существующего покрытия превышает 10 см (рис. 4).

Многослойное выравнивание в системе CREDO_MIX проектируют одним из двух методов:

• последовательного понижения проектной поверхности;
• использованием данных картограммы выравнивания.

В первом методе проектная поверхность поперечного профиля, полученная после экспорта данных из системы CAD_CREDO в систему CREDO_MIX, последовательно понижается на толщину каждого из выравнивающих слоев. Пересечение проектной и существующей поверхностей при каждом понижении дает в плане структурную линию, которая и будет границей укладки выравнивающего слоя.

Во втором методе используется картограмма выравнивания, рассчитанная в системе CAD_CREDO и экспортируемая в систему CREDO_MIX. В поверхности, построенной на основе общей картограммы, отсчет рабочих отметок выравнивания идет от условной горизонтальной плоскости с отметками 0,00. Для определения границ укладки каждого выравнивающего слоя используется метод нахождения пересечения поверхностей. Определив эти границы, нетрудно проставить размеры, необходимые для производства работ (рис. 5).

Погрешность в объемах вполне приемлема (близка к 1%) и объясняется погрешностями замены истинных криволинейных поверхностей плоскостями. Точность можно улучшить, оперируя криволинейными горизонталями и более сгущенными моделями существующей и проектной поверхностей дорожного покрытия.

Таким образом, средствами CREDO обеспечивается проектирование многослойного объемного выравнивания для таких сложных и наиболее частых случаев капитального ремонта дорог второй-четвертой категорий, когда срезка дорожной одежды неприемлема из-за пока что малодоступной дорогостоящей фрезеровальной дорожно-строительной техники и дефицита энергии и материалов. 

«САПР и графика» 10'2001