Развитие и модернизация опорной автодорожной сети Дальнего Востока для повышения ее надежности в процессе эксплуатации

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Развитие и модернизация опорной автодорожной сети Дальнего Востока для повышения ее надежности в процессе эксплуатации

05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей;

05.22.01 - Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ярмолинский Владимир Аполенарьевич

Москва 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет»

Научный консультант Доктор технических наук, доцент Долганов Андрей Иванович

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Казарновский Владимир Давидович

Доктор технических наук, профессор Кулижников Александр Михайлович

Доктор технических наук, профессор Миротин Леонид Борисович

Ведущая организация: Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Защита диссертации состоится « » июня 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 303.018.01 при ОАО ЦНИИС по адресу: 129329, Москва, Кольская 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИС.

Автореферат разослан «____» ____________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ж. А. Петрова

автодорожный надежность районирование

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Актуальность проведения исследований обоснована тем, что огромная территория Дальнего Востока России, занимающая по площади 6,2 млн км² или 36,4% всей территории РФ, до образования Дальневосточного федерального округа (ДФО) не являлась единым экономическим пространством. В целом регион представлял собой систему со слабосвязанными между собой рынками областного ранга, обусловливающими недостаточное развитие межрегиональных и международных связей.

Для изменения сложившейся ситуации Постановлением Правительства РФ принята Федеральная целевая программа «Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья на период до 2013 г.», одной из задач которой является развитие транспортной системы региона, в том числе за счет развития и модернизации сети автомобильных дорог. Это позволит объединить в региональную транспортную систему хозяйствующие субъекты, обеспечит выход к незамерзающим портам Дальнего Востока, активно включит экономику региона в экономическое пространство стран Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР).

К настоящему моменту формирование опорной сети автомобильных дорог Дальнего Востока не завершено, ряд ее участков не имеет устойчивой связи между экономическими районами и федеральным центром. Незавершенность опорной автодорожной сети не позволяет в достаточной мере обеспечивать автотранспортные связи с важнейшими транспортными узлами, аэропортами, железнодорожными станциями, морскими и речными портами, не обеспечивает равные возможности всех административных образований ДФО в транспортной доступности к региональной автодорожной сети и выходу на внутренние и внешние транспортные коридоры.

Резкое возрастание загрузки морских незамерзающих портов Дальнего Востока: Владивостока, Находки, Восточного и других, а также международных автотранспортных пограничных переходов - кардинальным образом изменили функциональное значение региональной сети. Вместо внутритерриториальных перевозок стали преобладать региональные и международные перевозки, возросли загрузка дорог и нагрузки на дорожные конструкции региональной сети.

В то же время транспортно-эксплуатационные характеристики существующих дорог региональной сети не соответствуют нормативным требованиям. Неблагоприятное влияние специфических природно-климатических факторов на дорожные конструкции приводит к тому, что сроки службы автомобильных дорог региона значительно ниже, чем в европейской части страны.

На существующей сети дорог региона не обеспечена эффективная работа международных автотранспортных коридоров, это затрудняет интеграцию транспортной системы региона в работу транспортной системы европейской части страны и стран АТР.

Особой проблемой для всех дальневосточных территорий является обеспечение северного завоза грузов. Создание опорной региональной автодорожной сети круглогодичной эксплуатации позволит снять социально-экономическую напряженность в районах Крайнего Севера, создать требуемый уровень необходимых социальных благ, снизить миграцию населения из этих районов.

В сложившейся ситуации становится очевидным, что точечные, единовременные меры, направленные на повышение эффективности работы отдельных дорог региона, желаемых результатов не дадут. Для создания надежно функционирующей опорной сети автомобильных дорог региона необходимо комплексное решение проблемы ее развития и модернизации, разработанное и научно обоснованное с учетом изменившихся геополитических, социально-экономических и природно-климатических условий Дальнего Востока.

Актуальность темы диссертации подтверждена выполнением научно-исследовательских работ в рамках:

1) подготовки проекта программы модернизации и развития автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа в составе Национальной программы модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 г.;

2) выполнения научно-исследовательских работ по заказам: «Дальуправтодора», «Хабаровскуправтодора», «Сахалинуправтодора» и других организаций;

3) работ по реконструкции взлетно-посадочной полосы международного аэропорта г. Хабаровска;

4) разработки региональных дорожных норм, технических указаний и методических рекомендаций на проектирование и модернизацию автомобильных дорог опорной региональной автодорожной сети Дальнего Востока.

Цель и задачи работы. Целью исследований является разработка научного обоснования развития и модернизации региональной автодорожной сети Дальнего Востока для повышения ее надежности в процессе эксплуатации с учетом социально-экономических и природно-климатических условий региона.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

1. Проведен анализ состояния автомобильно-дорожной сети и перспектив ее модернизации для социально-экономического развития Дальнего Востока.

2. Разработана математическая модель модернизации опорной сети автомобильных дорог в регионе на основе прогноза существующих транспортных связей и многофункционального экономического анализа, для формирования единого транспортного пространства в регионе.

3. Уточнен аналитический метод расчета водно-теплового режима (ВТР) земляного полотна автомобильных дорог Дальнего Востока и обоснованы научные принципы его регулирования.

4. Определены критерии оценки надежности автомобильных дорог в сложных природно-климатических условиях Дальнего Востока при их строительстве, реконструкции и модернизации, а также осуществлено районирование территории Дальнего Востока по нормативным требованиям надежности.

5. Теоретически обоснованы конструктивные параметры региональных автомобильных дорог при их проектировании с учетом природно-климатических особенностей Дальнего Востока.

6. Разработана методика оценки экономических перспектив развития региональной сети автомобильных дорог и возможности активизации инвестиционной политики для привлечения иностранных и отечественных инвесторов в рамках государственно-частного партнерства (ГЧП) в дорожной отрасли региона.

Объектом исследования является автодорожная сеть, состояние и транспортно-эксплуатационные характеристики существующих автомобильных дорог Дальнего Востока, объекты формирования грузообразующих пунктов и транспортных потоков.

Методологической базой исследований являются методы решения оптимизационных задач на основе фундаментальных положений теории вероятности и математической статистики, аналитические методы оценки напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций, программные продукты решения прикладных задач.

Научная новизна работы заключается в:

- развитии метода имитационного моделирования на графах, с разработкой алгоритма оптимального плана перевозок на сети автомобильных дорог региона с учетом их фактической загрузки, пропускной способности, скорости движения и создании программного продукта для его реализации, разработке начертания опорной автодорожной сети региона с оптимизацией транспортных потоков по основным направлениям автотранспортных коридоров;

- уточнении дорожно-климатического районирования региона с выделением подзоны II1 в результате многолетнего мониторинга на климатических постах и опытных участках автомобильных дорог Дальнего Востока;

- разработке методики корректировки параметров автомобильных дорог в условиях деструктивного влияния климата и хозяйственной деятельности человека;

- получении обобщенных аналитических выражений притока капиллярно-подвешенной и пленочной влаги в условиях неравномерного промерзания дорожных конструкций региона;

- установлении расчетных зависимостей вероятностного характера изменения критерия прочности автомобильных дорог региона с определением требуемых значений этого параметра, с заданной надежностью;

- осуществлении районирования южной части территории региона по критерию обеспечения прочности с заданной надежностью работы автомобильных дорог региона;

- разработке научных принципов регулирования водно-теплового режима, положенных в основу региональных дорожных нормативов и методических рекомендаций на модернизацию автомобильных дорог Дальнего Востока.

Достоверность научных выводов подтверждается применением современных методов расчета, программно-аппаратных средств и современного лабораторного оборудования, уровнем сходимости результатов математического моделирования и измерений фактических величин, большим объемом экспериментальных данных, полученных в результате диагностики транспортно-эксплуатационных характеристик на федеральных автомобильных дорогах Дальнего Востока. Результаты научных исследований получены с применением методов математического анализа и современных программных продуктов для решения инженерных задач (Excel, Mat lab, Borland C ++ Builder и др.). Достоверность полученных результатов подтверждена их внедрением в региональные дорожные нормативы, методические рекомендации и технические условия на проектирование, строительство и модернизацию автомобильных дорог региона.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в:

- решении оптимизационных задач по развитию и модернизации сети автомобильных дорог с учетом социально-экономических условий развития региона для формирования единого транспортного пространства Дальнего Востока;

- реализации методов расчета ВТР автомобильных дорог с учетом особенностей природно-климатических условий и дорожно-климатического районирования территории региона при назначении конструкций автомобильных дорог;

- обосновании требуемых значений уровней надежности конструкций автомобильных дорог и их районирование для территории Дальнего Востока;

- разработке рекомендаций по конструированию и усилению дорожных одежд для строительства и модернизации земляного полотна автомобильных дорог Дальнего Востока;

- разработке предложений по привлечению инвестиций для строительства платных участков автомобильных дорог Дальнего Востока на основе принципов ГЧП.

На защиту выносятся:

- результаты опытно-экспериментальных работ на опытных участках сети автомобильных дорог региона;

- метод оптимизации развития и модернизации сети автомобильных дорог Дальнего Востока;

- аналитический метод расчета и регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог с учетом природно-климатических особенностей региона;

- критерии оценки надежности автомобильных дорог в специфических природно-климатических условиях региона;

- рекомендации по проектированию и усилению дорожных конструкций автомобильных дорог региона.

Внедрение результатов работы осуществлено при разработке планов развития и модернизации автомобильных дорог «Дальуправтодора». Результаты исследований включены в региональные технические документы:

1. РДН 218-002-02. Проектирование земляного полотна и дорожных одежд автомобильных дорог Сахалинской области.- Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002. - 43 с.

2. РДН 218-002-09. Рекомендации по определению оптимальных сроков ограничения осевых нагрузок на региональных или межмуниципальных дорогах Хабаровского края.- Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2009. - 23 с.

3. Методические рекомендации по применению текстильных синтетических материалов для осушения земляного полотна и дорожных одежд автомобильных дорог южной части Дальнего Востока. - Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2004. - 17 с.

4. Рекомендации по совершенствованию методов борьбы с пучинами при ремонте автомобильных дорог / НПО Росавтодор. - М.: ЦБНТИ государственного концерна «Росавтодор», 1991.- 87 с.

5. Рекомендации по усовершенствованию мероприятий для ремонта пучинистых участков на автомобильных дорогах Хабаровского ДРСУ / ГП «Хабаровскавтодор».- Хабаровск, 1997.- 22 с.

6. Рекомендации по повышению устойчивости откосов высоких подтопляемых насыпей с использованием ребристых плит.- Хабаровск , 1994.- 24 с.

7. ТУ 5718-002-02067971-2005 «Смеси пористые чернощебеночные для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог Хабаровского края». -Хабаровск: Хабаровскуправтодор, 2005. - 15 с.

8. ТУ 5718-007-02067971-98 «Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон с использованием золы-уноса Благовещенской ТЭЦ Амурской области».

Апробация работы. Вклад автора в исследование проблемы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на десяти международных конференциях и семинарах (1 международном семинаре, 1 международной конференции МАДИ (ГТУ), 5 международных научно-практических конференциях, 2 международных научно-технических конференциях, 1 международной научной конференции) и 7 межрегиональных и региональных конференциях, международных, всероссийских и региональных конференциях.

Основными из них являются:

1. Научно-практическая конференция «Методы решения проблем дорожно-транспортного комплекса г. Хабаровска в условиях переходного периода к рыночной экономике» (Хабаровск, 1999).

2. Научно-техническая конференция «Проблемы дорожно-транспортного комплекса Дальневосточного региона в связи с вводом в эксплуатацию автодорожного проезда по мосту через реку Амур у г. Хабаровска» (Хабаровск, 1999).

3. Научно-техническая конференция «Развитие городской инфраструктуры и земельной реформы в условиях перехода к рыночной экономике» (Хабаровск, 2000).

4. Региональная научно-практическая конференция «Повышение эффективности и качества строительства и ремонта автомобильных дорог в Дальневосточном регионе» (Хабаровск, 2001).

5. 50-я международная научно-методическая конференция МАДИ ГТУ (Москва, 2002),

6. Международный семинар «Развитие региональной автодорожной сети Дальнего Востока за счет повышения сроков службы дорожных одежд» (Хабаровск, 2002).

7. Региональная научно-практическая конференция «Современная практика продвижения современных идей в сфере лизинга на Дальнем Востоке России» (Хабаровск, 2003).

8. Международная научно-практическая конференция «Проблемы развития экономики Дальнего Востока» (Хабаровск, 2003).

9. II-III международные научно-технические конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза, 2002, 2004).

10. II-III международные научно-практические конференции «Современные перспективы, технологии и материалы для строительного, дорожного комплексов и жилищно-коммунального хозяйства» (Брянск, 2003, 2004).

11. Межрегиональная научно-практическая конференция «Автомобильный транспорт Дальнего Востока и Сибири 2004» (Хабаровск, 2004).

12. Международная научная конференция «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2005).

13. Международная научно-практическая конференция «Прогресс транспортных средств и систем - 2005» (Волгоград, 2005).

14. Научно-техническая конференция «Пути повышения эффективности функционирования улично-дорожной сети г. Хабаровска» (Хабаровск, 2005).

15. Международная научно-практическая конференция «Современные технологии усиления дорожных одежд при модернизации и капитальном ремонте автомобильных дорог» (Хабаровск, 2005).

Диссертационная работа является результатом исследований, которые проводились автором в течение двадцатилетнего периода при кафедре «Автомобильные дороги» Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ). Исследования включают в себя многолетние натурные наблюдения на климатических постах и опытных участках автомобильных дорог Дальнего Востока, в частности, в южной и центральной частях рассматриваемого региона. В результате чего был накоплен большой статистический материал и проведен непрерывный мониторинг за работой автомобильных дорог региона. Работа выполнялась в соответствии с отраслевыми и государственным программами по государственным программами,ртного пространства заданию Росавтодора России. В диссертацию вошли материалы проведенных автором исследований в рамках работ по заказам: ФГУ «Дальуправтодор», ГУ ДСД «Дальний Восток», «Хабаровскавтодор», «Хабаровскуправтодор», Комитета дорожного хозяйства Приморского края, ГУ «Управтодор Республики Саха (Якутия)». В исследованиях участвовали преподаватели, аспиранты и студенты дальневосточного автодорожного института, специалисты краевых и федеральных автодорожных предприятий, проектных и научных предприятий региона. Ряд аналитических решений в области водно-теплового режима сезонно-промерзающих грунтов были получены в результате многолетней совместной работы с лабораторией СоюздорНИИ и Центральной научно исследовательской лабораторией ЦНИИС, с использованием программ по расчету температурного режима земляного полотна на основе численных методов. На основании этих исследований совместно со специалистами Хабаровского филиала ГипродорНИИ, «Дальуправтодора»и «Хабаровскуправтодора» разработаны региональные нормативно-технические документы на проектирование и модернизацию автомобильных дорог Дальнего Востока.

В проведенных исследованиях по заданию Росавтодора России по теме «Обоснование требований к ширине обочин и типу их укрепления» на основании контракта № Д 031203/1 автором выполнены работы по разделам 1-3,7: «Влияние ширины обочин на водно-тепловой режим земляного полотна и дорожной одежды автомобильных дорог», «Оценка влияния ширины обочин на водно-тепловой режим земляного полотна и дорожной одежды автомобильных дорог», «Обоснование ширины обочин при организации зимнего содержания автомобильных дорог».

Разработанный автором программный продукт «Roads» (подтвержденный свидетельством об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2007614319) «Программа моделирования оптимального плана перевозок на сети автомобильных дорог, минимизирующая общее время перевозок за счет выбора кратчайших незагруженных путей «Roads»») использован при подготовке проекта программы модернизации и развития автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа в составе Национальной программы модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 г.

Разработанная в соавторстве конструкция земляного полотна внедрена при проектировании автомобильных дорог региона, вошла в РДН 218-002-02 «Проектирование земляного полотна и дорожных одежд автомобильных дорог Сахалинской области» и защищена патентом № 2288986 «Конструкция земляного полотна».

Разработанный автором проект по привлечению инвестиций для строительства платных участков автомобильных дорог Дальнего Востока на основе принципов ГЧП прошел апробацию в рамках международной программы Sida's International Training Programme “Road Sector Management” в Швеции и Сербии и получил положительную оценку.

Теоретические разработки и практические результаты исследований, полученные автором, внедрены в период 1999 - 2008 гг. в учебный процесс при подготовке студентов строительных и транспортных специальностей ТОГУ: разработано три учебных пособия (два в соавторстве), два из них с грифом УМО.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 75 научных статей, получен патент, издано три учебных пособия, три монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Основной текст изложен на 413 страницах машинописного текста и иллюстрирован 86 рисунками и 33 таблицами. Список литературы включает 268 наименований, из них 17 - на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ существующих методов проектирования сетей автомобильных дорог; исследованы исходные предпосылки, характеризующие особенности природно-климатических и социально-экономических условий региона и сформулированы задачи исследований.

В работах К.И. Андроникашвили, А.К. Бируля, Л.А. Бронштейна, Б.А. Волкова, Д.А. Вулиса, Е.Н. Гарманова, В.Д. Герами, С.М. Грибникова, М.С. Замахаева, В.Е. Кагановича, А.С. Кудрявцева, В.И. Кучинского, Р.Г. Леонтьева, Е.М. Лобанова, Л.Б. Миротина, В.Н. Образцова, Г.А. Поляковой, В.А. Паршикова, Е.П. Попова, Р.К. Прима, И.А. Романенко, А.К. Славуцкого, К.С. Теренецкого, Я.В. Хомяка, Н.Ф. Хорошилова, Ламэ, Лаунгардта, А. Скотта, Спенсера, Г. Сотиропулоса, П. Фридриха и других предложены методики технико-экономического проектирования дорожных сетей, которые рассматривают различные случаи оптимального проектирования сетей автомобильных дорог и определяют обобщающую методику построения сетей в целом. Каждый из рассмотренных методов в отдельности может быть использован в конкретных случаях проектирования сетей.

Аналогичные задачи решают отечественные методы ГипродорНИИ, РосдорНИИ и Геогракома, а также зарубежные - HDM-4.

Воспользоваться существующими методами построения дорожных сетей применительно к рассматриваемым условиям без соответствующей корректировки не представляется возможным в силу целого ряда специфических особенностей региона. Одной из главных особенностей Дальнего Востока является коренное изменение роли автомобильного транспорта и сети автомобильных дорог в геополитическом и социально-экономическом развитии региона. С образованием Дальневосточного федерального округа возникла необходимость объединения территориальных автомобильных дорог в единую региональную сеть.

Резкое возрастание загрузки морских незамерзающих портов Дальнего Востока и международных автотранспортных пограничных переходов изменили функциональное значение региональной сети. Возросли загрузка дорог и нагрузки на дорожные конструкции. Проблема модернизации автомобильных дорог региона усугубляется сложностью климатических и мерзлотно-грунтовых условий, недостаточно развитой сетью дорог и низкой транспортной доступностью огромных территорий. Вследствие исключительной сложности проблемы ее решение следует осуществлять поэтапно, последовательно рассматривая вопросы, связанные с детализацией отдельных решений.

При этом, необходимо в первую очередь разрабатывать вопросы развития и модернизации автомобильных дорог в наиболее экономически развитой южной части Дальнего Востока с последующей детализацией решения проблемы для всей территории региона.

В связи с этим модель развития и модернизации сети автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа может быть выражена следующей блок- схемой (рис. 1).

Отмеченные предпосылки послужили основой для разработки экономико-математической модели развития и модернизации сети автомобильных дорог Дальнего Востока с учетом его климатических, социально-экономических и инфраструктурных особенностей.

На основании проведенных исследований были сформулированы основные направления, цель и задачи исследований для разработки научного обоснования развития и модернизации автодорожной сети Дальнего Востока.

Рис.1. Блок-схема исходных факторов для обоснования модели исследований развития и модернизации сети автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа

Во второй главе исследовано влияние состояния автодорожной сети на перспективу социально-экономического развития региона и разработан алгоритм реализации модели развития и модернизации региональной сети.

Транспорту Дальнего Востока присуща своя специфика. Характерная особенность региона - низкая обеспеченность железными (протяженность 8337 тыс. км при плотности 13 км на 10 тыс. км²) и автомобильными дорогами общего пользования с твердым покрытием (36971 тыс. км при плотности 7 км на 1 тыс. км²). Регион пересекает Транссибирская железнодорожная магистраль. По территории Амурской области и Хабаровского края проходит Байкало-Амурская магистраль, прокладывается 70-километровая ветка к Чинейскому полиметаллическому месторождению титано-магнетитовых, ванадиевых и медно-платиновых руд, продолжается строительство Амуро-Якутской магистрали от станции Нерюнгри до Якутска.

В отличие от центральных и южных регионов страны работа всех видов транспорта в регионе носит сезонный характер. Основной объем перевозок грузов и пассажиров приходится на летне-осенний период. В это время осуществляется завоз грузов в районы Крайнего Севера, где срок навигации ограничен. Тенденция сокращения северного завоза и увеличение экспортного грузопотока в страны АТР приводят к более равномерному распределению перевозок в течение года. Это обстоятельство становится важным фактором развития сети автомобильных дорог и автозимников в районах Крайнего Севера.

Структура перевозок грузов по территории Дальнего Востока свидетельствует о том, что почти половина (44,6%) в общем объеме перевозок осуществляется автомобильным транспортом.

Автотранспорт является основным в Дальневосточном экономическом районе по количеству перевозимых пассажиров. Его удельный вес колеблется от 60 до 90% по субъектам Дальнего Востока, а в Камчатском крае, Магаданской области и Республике Саха (Якутия) на него приходится более 90% пассажироперевозок.

Решающее значение в работе региональной автодорожной сети играют дороги, выполняющие функцию автотранспортных коридоров.

Основным транспортным коридором, являющимся частью трансконтинентальной автомобильной трассы Центр - Дальний Восток, являются федеральные автомобильные дороги Чита-Хабаровск («Амур»), Хабаровск-Владивосток («Уссури»), строящаяся дорога Хабаровск-Находка («Восток»).

Характерной особенностью работы этого транспортного коридора является выход к незамерзающим морским портам Приморского и Хабаровского краев, близость к границе с Китаем и КНДР.

В сложившейся экономической ситуации перехода к рыночной экономике и многофункциональной производственной интеграции влияние автодорожной сети существенно возрастает и становится решающим фактором в развитии межрегиональной ориентации в экономике. Этому способствует перенос акцента экономических отношений региона на международные рынки (в первую очередь Китая, Кореи и Японии), освоение новых месторождений сырьевых источников в глубинных районах региона и закрепление коренного населения региона при создании достойных условий жизни.

Поэтому на первом этапе оптимизации автодорожной сети региона необходима модернизация существующих дорог по направлениям основных автотранспортных коридоров. Выбор начертания опорной сети дорог региона осуществлялся на основе анализа движения грузов заданного плана перевозок, из начальных пунктов в конечные. Выбор кратчайшего возможного маршрута производился при учете пропускной способности и загрузки движением существующих дорог с последующей оценкой выгодности того или иного направления.

В третьей главе осуществлена математическая постановка оптимизационной задачи и разработана методика построения опорной автодорожной сети Дальнего Востока.

При решении задачи линейного программирования оптимизация перевозок по участкам автомобильных дорог проводилась исходя из условий:

- конкурентоспособности участка дороги в зависимости от его загрузки региональными и международными перевозками, ценовой и тарифной политики на перевозимые грузы;

- пропускной способности дороги;

- технического уровня и транспортно-эксплуатационного состояния автодорожной инфраструктуры на маршрутах перевозок;

- состава транспортного потока, осуществляющего региональные и международные перевозки;

- расчетных нагрузок на дорожно-мостовые конструкции;

- экологической ситуации на маршрутах региональных и международных перевозок.

Для оптимизации процесса автомобильных перевозок на автомобильно-дорожной сети (АДС) Дальнего Востока решается прямая задача имитационного моделирования. Для решения задачи были проанализированы: условия работы АДС региона; «загруженность» участков автомобильных дорог; равномерность распределения грузопотоков с выделением наиболее загруженных направлений; назначение конструкций дорожных одежд, соответствующих фактической грузонапряженности и расчетным нагрузкам.

На основе проведенного анализа была определена и научно обоснована наиболее рациональная схема работы международных транспортных коридоров (МТК) с равномерной загрузкой АДС Дальнего Востока.

При решении оптимизационной задачи в качестве целевой функции принят минимум дорожно-транспортных затрат при минимальном времени перевозок между грузообразующими и грузопоглощающими пунктами АДС Дальнего Востока

Существующая АДС была представлена в виде графа (рис. 2)

Г_о = (V,U), (1)

где V = {v₁, v₂……v_n} - множество вершин мощностью m (V) = N, ассоциируемых с грузоотправителями и грузополучателями; U = {} - множество ребер мощностью m(U) = M, ассоциируемых с дорогами, составляющими опорную АДС.

Задана длина дорог АДС : L = {}, {m (L) =M}.

Известна пропускная способность дорог (авт./ч) в каждом из двух направлений: P = {}, {m(P)=M}, кроме того, задан коэффициент загрузки дорог Z = {}, {m= (Z)=M}.

Известны типы используемых автомобилей и их грузоподъемность (т) B = {}, {m(B) =K}, а также стоимость перевозки единицы груза (руб.) каждым типом автомобиля С = {}, {m(C)=K} на единицу длины дороги.

Для любой вершины графа , n [1,…N] может быть задан следующий набор данных: количество груза (т) , которое должно быть перевезено из вершины i [ 1,…N] в вершину j [ 1,…N], k - м типом автомобиля; количество рейсов в сутки .

Тогда интенсивность вывоза грузов (т) k-м типом автомобиля из вершины i в вершину j

= . (2)

Стоимость перевозок (руб.·т·км) составит

= , (3)

где - длина выбранного пути (км) по дугам графа .

Пусть I - множество индексов вершин V, из которых вывозятся грузы {m ( I ) N}, J - множество индексов вершин V, в которые завозятся грузы {m ( J ) N}, а S - множество индексов типов использованных автомобилей {m ( S ) K}.

Тогда план грузоперевозок запишется

X = {}, i I, jJ, kS. (4)

Общая стоимость перевозок (руб.·т·км) при реализации плана Х запишется как

Q = , (5)

где индексы k, i, j изменяют значения во множествах индексов S , I, J соответственно.

Общее количество перевозимого груза (т)

E = . (6)

Общее расстояние перевозок (км)

L = . (7)

Известна стоимость ремонтных работ (руб.) для каждого километра дороги в зависимости от грузонапряженности дорог, составляющих опорную АДС:

(N) , (8)



где = {z} - множество категорий дорог, N - интенсивность движения по дороге (авт./сут).

Обозначим как общую длину пути (км), проходимого по дорогам категории Z, ведущим к автотранспортным пограничным переходам при реализации плана X.

Пусть для реализации плана X задействовано множество дорог различных категорий:

Z = {z}. (9)

Тогда длина участка дороги (км), входящей в опорную АДС, составит

L = . (10)

Общая стоимость ремонтных работ (руб.·км)

F = , (11)

где - средняя интенсивность движения (авт./сут) по дорогам категории Z.

Обозначим через H общую стоимость строительства новых дорог, а через W - общие затраты на увеличение пропускной способности существующей сети дорог, необходимых для реализации плана Х. Тогда общие затраты (руб.) на реализацию плана Х можно выразить как целевую функцию

Y=Q+F+H+W > min. (12)



Ставится задача выбора такой топологии сети дорог АДС (за счет строительства новых дорог и реконструкции существующих), которая минимизировала бы общие дорожно-транспортные затраты Y> min на системе ограничений.

Рис.2. Граф международных перевозок сети дорог Дальневосточного федерального округа: - населенные пункты территории КНР, КНДР; - грузообразующие вершины с указанием объемов завозимых грузов, т; - грузопоглощающие вершины с указанием объемов вывозимых грузов, т; - нулевые вершины, через которые грузы проходят транзитом; ; - транспортно-логистические центры для хранения и перегрузки грузов. Объем грузоперевозок, т: 0 - 1000 т; 1000 - 5000 т; 5000 - 10000 т; 10000 - 20000 т; 20000 - 30000 т; 30000 - 50000 т; 50000 - 100000 т; 100000 - 150000 т; 150000 - 200000; 200000 - 250000 т

При решении задачи оптимизации перевозок вводится следующая система ограничений.

Обозначим через А, множество индексов дорог, перевозки по которым присутствуют в плане Х, а через - интенсивность движения по m-й дороге при реализации плана Х. Тогда ограничения на интенсивность движения (авт. /сут) запишутся как

+·/100, m A. (13)

Пусть - количество груза (т) в i-м пункте, а - количество груза (т), которое должно быть завезено в пункт j .

Тогда должно соблюдаться равенство поставки и потребления груза в грузообразующих и грузопринимающих пунктах:

=. (14)

Пусть - максимально допустимая продолжительность времени (ч) для реализации плана Х.

Время перевозок (ч) по оптимальному маршруту (i,j)

, (15)

где - средняя скорость (км/ч) движения по маршруту (i,j).

Тогда максимально допустимая продолжительность времени перевозок

max ()?, iI, jJ, kS. (16)

Все корреспондирующие пункты были увязаны в единой координатной сетке. Длины дуг между вершинами задавались согласно протяженности существующих дорог, помимо этого учитывалась скорость проезда по дорогам с различными типами дорожных покрытий.

Объектом моделирования выступала существующая автодорожная сеть Дальнего Востока, представленная различными уровнями детализации. Формирование оптимальной маршрутиризации сети задавалось на карте-схеме автомобильных дорог Дальнего Востока и мест ее стыковки на автотранспортных пограничных переходах с автомобильными дорогами соседних государств, обслуживающими как внутрирегиональные перевозки, так и перевозки транзитных направлений.

В граф дорожной сети (АДС) Дальнего Востока были включены автодороги общего пользования:

- федерального значения (первый уровень вершин графа АДС);

- основных территориальных значений (второй уровень вершин графа АДС);

- автозимники, включенные в опорную региональную сеть (третий уровень вершин графа АДС).

Для формирования рассматриваемого графа АДС Дальнего Востока были включены вершины или грузообразующие - грузопоглощающие пункты, которыми являются города и населенные пункты, увязанные в координатной сетке по долготе и широте . Вершины графа нумеровались в произвольном порядке и заносились в массив вершин (табл. 1).

Вершины графа связаны дорогами различных категорий, входящими в опорную сеть. Всего в разработанном варианте графа опорной АДС Дальнего Востока содержится 170 вершин.

Вершины графа характеризуются:

- категорией подходящей к нему дороги;

- координатами (долготой и широтой);

- числом связей с другими вершинами графа АДС ;

- номером строки в массиве связей графа АДС, с которой начинается перечень связей данной вершины графа;

- наименованием грузообразующего - грузопоглощающего пункта или пересечения и примыкания дорог.

Таблица 1

Пример массива вершин графа АДС Дальнего Востока

Номер вершины i	Категория дороги	Широта	Долгота	Число связей	Номер строки в массиве связей	Наименование населенного пункта
1	III	53°57ґ	121°47ґ	2	1	Граница с Амурской областью
2	III	54°02ґ	122°53ґ	2	12	Уруша
……….	………….	………	………….	……	………	…………………
169	III	50°06ґ	129°25ґ	2	87	Завитинск
170	III	49°43ґ	128°43ґ	3	92	Поярково

По полученному алгоритму была разработана авторская программа “Roads” (имеется свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ), позволяющая решать оптимизационные задачи различного уровня.

Изменяя конфигурацию и эксплуатационные характеристики дорог сети графа перевозок, в частности, пропускную способность, загрузку дорог, скорость движения, были получены локальные экстремумы целевой функции на маршрутах перевозок грузов и глобальный экстремум минимума целевой функции оптимального плана перевозок. Определена загрузка дорог на маршрутах опорной региональной сети, с определением стоимости перевозок на каждом маршруте. Обозначено перспективное расположение логистических центров для хранения и перегрузки грузов с использованием различных видов транспорта при организации мультимодальных и интермодальных перевозок. Определены участки дорог первоочередной модернизации и реконструкции.

В результате моделирования автомобильных перевозок на массиве автотранспортных связей между грузообразующими вершинами графа АДС Дальнего Востока получено начертание сети автомобильных дорог на период до 2025 г. с оптимальным количеством перевозимых грузов по основным направлениям транспортных коридоров.

В четвертой главе исследованы характерные особенности природно-климатических условий региона, осуществлена оценка их влияния на работу сети автомобильных дорог и уточнено существующее дорожно-климатическое районирование региона.

Территория Дальнего Востока наиболее подвержена неблагоприятному воздействию на автомобильные дороги таких факторов, как общее потепление климата, влияние хозяйственной деятельности, деградация многолетней мерзлоты.

На примере климатических станций, расположенных в южной, центральной и северо-западной частях Дальнего Востока, можно проследить, как снижалась глубина промерзания грунта за рассматриваемый период (рис.3).

Анализ полученных результатов свидетельствует об устойчивой зависимости между изменениями климатических характеристик в районе исследований и параметрами водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог. В связи с повышением температуры воздуха снижается глубина промерзания земляного полотна.

Рис. 3. Динамика изменения глубины промерзания (м) в центральной части Дальнего Востока на климатической станции г. Хабаровска

В этой связи необходима разработка специальных мероприятий для устранения влияния деструктивных процессов природного и техногенного характера.

В работе предложена методика учета динамично изменяющихся внешних факторов при корректировке расчетных параметров водно-теплового режима автомобильных дорог при их модернизации и капитальном ремонте. В качестве статистического материала были использованы данные диагностики на федеральных автомобильных дорогах Дальнего Востока за период 1962 - 2005 гг. Исследования, проведенные на федеральных автомагистралях Дальнего Востока, показали, что изменение расчетных параметров водно-теплового режима подчиняются в основном нормальному закону распределения.

Принципиальное решение задачи заключается в корректировке искомого параметра на кривой распределения.

При обработке испытаний одной группы параметров реализовано значение элемента по сравнению с другой группой и известными характеристиками нормального распределения этого элемента (например, модуля упругости грунта) ().

Распределение минимумов будет смещено влево по отношению к исходному распределению величин и, очевидно, имеет меньшую вариацию. Тогда в качестве функции распределения минимума можно принять любое симметричное распределение (рис. 4). Пусть это будет равномерное на интервале () распределение, в котором любое отклонение равновероятно.

Так как равномерное и нормальное распределение формируют выборку, то необходимо найти смещение математического ожидания

. (17)

В этом случае минимальный модуль упругости грунта

(18)

Положим, что интервал равномерного распределения будет равен доверительному интервалу нормального распределения, тогда

(19)

где t - коэффициент, зависящий от вероятности безопасности, который можно определить из соотношения

. (20)



Здесь 2Ф - удвоенная функция Лапласа, описывающая интегральное распределение математического ожидания; р - вероятность принадлежности исследуемых величин к одной выборке (смеси); с - количество объединяемых групп.

Для оценочных расчетов примем равновероятность выборок (р = 0,5), тогда соответствующее значение t = 1,05.

При использовании выборочных данных относительный объем выборки

, (21)

где - количество наблюдений, попавших в группу нормального распределения, - количество наблюдений, попавших в интервальную оценку равномерного распределения.

В связи с развитием концепции интервальных оценок представляется возможным и уточнение расчетного значения модуля упругости грунта по генеральной совокупности. Для этого в генеральной совокупности необходимо выделить интервал с заданной обеспеченностью и рассмотреть его как равномерное распределение.

Формула для оценки расчетного модуля упругости грунта имеет вид

. (22)

Разработанная методика позволяет осуществить корректировку расчетных значений параметров автомобильных дорог с учетом динамики природно-климатических условий и неблагоприятного влияния на них хозяйственной деятельности человека.

Рис. 4. Распределение минимумов равномерного и нормального распределений

Опыт применения существующего дорожно-климатического районирования показал, что оно не в полной мере отражает все особенности природно-климатических условий при проектировании и строительстве автомобильных дорог Дальнего Востока. В первую очередь это касается территорий с наличием многолетнемерзлых грунтов, где в зависимости от мощности мерзлого слоя, его физико-механических характеристик необходимо принимать те или иные конструктивные решения при строительстве или модернизации автомобильных дорог.

В результате многолетнего мониторинга за мерзлотным режимом на постах и опытных участках автомобильных дорог на территории I дорожно-климатической зоны было выделено три подзоны, характеризующиеся совокупностью типичных ландшафтных и климатических характеристик: арктическая (I₁), субарктическая холодная (I₂), субарктическая умеренно-холодная (I₃). На границе с подзоной I₃ высокотемпературных вечномерзлых грунтов во II дорожно-климатической зоне была выделена подзона II₁, c наличием «перелетков» - мерзлых слоев грунта, возникающих на глубине сезонно замерзающих слоев в районах с континентальным и резко-континентальным климатом и отрицательной среднегодовой температурой воздуха.

На основании проведенных исследований в диссертационной работе произведено дорожно-климатическое районирование территории Дальнего Востока, позволяющее детально оценивать его природно-климатические условия при проектировании оптимальных конструкций автомобильных дорог региональной дорожной сети.

В пятой главе диссертации приводятся результаты исследований особенностей водно-теплового режима и методы его расчета. ВТР автомобильных дорог южной части Дальнего Востока характеризуется избыточным увлажнением и глубоким сезонным промерзанием дисперсных грунтов. Характер увлажнения земляного полотна автомобильных дорог определяется обилием муссонных осадков, вызывающих полное влагонакопление в поверхностных слоях грунта. Процесс усугубляется неравномерным характером промерзания и оттаивания дорожной конструкции.

Восстановление прочностных свойств грунта происходит медленно, особенно на участках дорог, построенных без дренирующих слоев в основании дорожных одежд. Ограничение нагрузок в весенний период не всегда осуществляется своевременно. Отмеченные факторы обусловливают низкие эксплуатационные характеристики автомобильных дорог, что свидетельствует о необходимости уточнения расчетных методов прогнозирования ВТР.

Исследованием вопросов, связанных с изменением прочностных и деформативных свойств пылевато-глинистых грунтов в процессе их промерзания-оттаивания и сопутствующих явлений тепломассообмена, занимались отечественные и зарубежные ученые. В работах Е.С Ашпиза, С.Е. Гречищева, П.И. Дыдышко, В.Н. Ефименко, С.М. Ждановой, И.А. Золоторя, В.Д. Казарновского, М.Б. Корсунского, Я.С. Крафта, В.А. Кудрявцева, А.М. Кулижникова, А.В. Лыкова, В.С. Лукьянова, В.П.Носова, В.О. Орлова, Ю.С. Палькина, В.В. Пассека, Г.С. Переселенкова, Н.А. Пузакова, Б.И. Солодовникова, В.И.Рувинского, В.М. Сиденко, А.Я. Тулаева, В.В. Ушакова, А.А. Цернанта, Н.А. Цуканова, Е.И. Шелопаева, А.И. Ярмолинского и других решены как основные теоретические вопросы проблемы, так и ее прикладные задачи. Тем не менее, региональная корректировка известных методик позволяет обеспечивать более высокую степень надежности проектных решений.

Нормативным документом, позволяющим осуществлять расчет параметров ВТР автомобильных дорог, является Пособие по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна (к СНиП 2.05.02-85). На основе физико-технической теории, разработанной В.И. Рувинским, осуществляется расчет характеристик ВТР при одномерной схеме осуществления процесса тепломассопереноса. В принятых теоретических предпосылках физико-технической теории источником образования ледяных прослоек, вызывающих пучение грунта, является пленочная вода, поступающая из слоя в слой фазовых превращений ее в лед. Применительно к условиям Дальнего Востока пленочная вода поступает в промерзающий слой под покрытием не сплошным горизонтальным фронтом, а от обочин и из низлежащего талого слоя грунта земляного полотна. В случае глубокого сезонного промерзания грунта земляного полотна имеют место процессы миграции пленочной и капиллярно-подвешенной влаги к фронту промерзания под дорожным покрытием по направлениям снизу и сбоку из талого грунта земляного полотна под обочинами.

Эффект миграции влаги за счет разности термосопротивлений слоев дорожной одежды и грунта присыпных обочин приводит к выраженному образованию под дорожным покрытием переувлажненного грунта или «донника», влажность которого зачастую равна или выше влажности грунта на границе текучести.

Таким образом, процесс промерзания и влагонакопления в грунте в этих условиях необходимо рассматривать как двухмерный, в отличие от одномерного процесса, предлагаемого в Пособии по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна.

Принципиальное значение в условиях избыточного увлажнения и глубокого сезонного промерзания грунтов имеет величина влагонакопления под границей промерзания. Используя в качестве синтезирующего начала теорию В.И. Рувинского, процесс изменения плотности-влажности грунта земляного полотна в условиях южной и центральной частей Дальнего Востока можно разделить на четыре основных периода: набухания осенью, пучения зимой, осадки грунта при оттаивании весной и усадки весной и летом.

Расчет коэффициентов уплотнения следует производить для каждого из четырех периодов набухания, пучения, осадки и усадки грунта:

(23)

(24)

(25)

(26)

где - коэффициент уплотнения после набухания грунта осенью; - коэффициент уплотнения после пучения грунта зимой; - коэффициент уплотнения после осадки грунта весной; - коэффициент уплотнения после усадки грунта летом; - относительное набухание грунта; - относительное пучение грунта; - относительная осадка грунта и его усадка.

Значения коэффициентов уплотнения вычисляются для грунта под проезжей частью и под обочинами автомобильной дороги . В качестве деятельной зоны рассматривается слой толщиной , в пределах которого происходит приток воды в промерзающий слой грунта под проезжей частью из грунта под обочинами земляного полотна (рис.5).

Принципиальное отличие решения рассматриваемой задачи от метода В. И. Рувинского заключается в разложении величины влагонакопления на горизонтальную Q_p(CZ) и вертикальную Q_p(AZ) составляющие.

Рис.5. Расчетная схема влагонакопления в условиях избыточного увлажнения и глубокого сезонного промерзания земляного полотна: 1 - мерзлая зона; 2 - давление от веса дорожной одежды; 3 - зона фазовых превращений пленочной воды в лед и образования ледяных линз и кристаллов; 4 - слой ДZ, в котором капиллярно-подвешенная вода превращается в лед; 5 - пленочная вода, мигрирующая к фронту промерзания из слоя ДZ; 6 - талая зона, в которой находится капиллярно-подвешенная вода

Расход капиллярно-подвешенной воды, поступающей по горизонтальному уровню от грунта под обочинами к границе промерзания под покрытием, определяется формулой

, (27)

где - площадь поперечного сечения грунта, м²; - удельные движущие силы менисков соответственно в I, II, III группах капилляров грунта с капиллярно-подвешенной водой, Па; - коэффициенты просачивания воды соответственно в I, II, III группах капилляров грунта, м/с; S - среднее расстояние, на которое перемещается капиллярно-подвешенная вода, м; g - ускорение свободного падения, м/с².

Включая в расчет величину расхода воды , получим выражение для определения влажности грунта (доли единицы) под границей промерзания после оттока воды из талого грунта под обочинами в мерзлый слой под покрытием при двухмерном решении задачи.

Для грунта под дорожным покрытием имеем

, (28)

где - величина расхода пленочной воды, поступающей в мерзлый слой из талого грунта с влажностью более оптимальной, м³/с; - среднее значение расхода капиллярно-подвешенной воды, которая может поступить к границе промерзания из грунта, расположенного ниже рассматриваемого слоя земляного полотна, м³/с; - скорость промерзания грунта, м/с.

Величина , определяемая по формуле (27), не может быть более значения. В противном случае принимают ограничение = .

При получении отрицательного значения выражения в скобках принимаем (--) = 0.

Для грунта под обочинами имеем

, (29)

где - величина расхода пленочной воды, поступающей из талого слоя грунта с влажностью более оптимальной в мерзлый слой, м³/с; - среднее значение расхода капиллярно-подвешенной воды, которая может поступить из грунта, расположенного под обочинами, м³/с.

Понижение влажности грунта под границей промерзания происходит до величины, равной оптимальной влажности. Поэтому значения и не могут быть меньше оптимальной влажности независимо от результатов расчета.

Входящие в формулы (28) и (29) значения расхода определяем по формуле

(30)

Включая в расчет величину расхода капиллярно-подвешенной воды , получим выражение для определения среднего за период промерзания значения расхода пленочной воды (м³/с), поступающей из талого грунта в мерзлый слой при .

Для грунта под дорожным покрытием имеем



. (31)

Для грунта под обочинами имеем

. (32)

Очевидно, что значение расхода не может быть больше величины

. (33)

Последующий расчет осуществляется в соответствии с методикой, изложенной в Пособии к СНиП 2.05.02-85.

По разработанной методике осуществлено сравнение расчетных значений плотности и влажности грунта земляного полотна с фактическими данными (табл. 2).

...