Конструкции и методики, исключающие формирование пробок и заторов в условиях города

Что касается магистралей со светофорами (регулируемыми перекрестками, или со старт-стоповым режимом движения), которые большей частью используются в городах всего мира, то возможность полосы движения подобных магистралей составляет в среднем 500 автомобилей в час, а максимальная пропускная способность полосы движения составляет не более 800 автомобилей в час.

Такую магистраль можно превратить в магистраль без перекрестков, перебросив через нее эстакады. При этом пропускную способность полосы движения может быть увеличена до 2000 автомобилей в час. В ряде случаев это целесообразно, но недешево и требует времени, как и установка над такой магистралью продольно эстакад с повышенной пропускной способностью, например в два уровня. Однако в ряде случаев, особенно, если подобная магистраль имеет не менее шести полос движения, можно сравнительно недорого преобразовать ее в магистраль с безостановочным движением автомобилей в виде колонн с разрывами между ними, повысив пропускную способность ее полосы движения до 1000-15000 автомобилей в час без всякого дополнительного строительства. Это внешне напоминает «зеленую волну», но, по сути, существенно отличается из-за использования нескольких необычных, но эффективных подходов, позволяющих все время удерживать скоростное, безостановочное движение синхронно в обоих направлениях, и тем самым, обеспечивать переход пешеходов и проезд автомобилей поперек магистрали в разрывы между колоннами.

Обе методики характерны еще и тем, что практически удается сохранить скоростное, безостановочное движение даже при авариях на магистрали или при ремонте части ее полос движения.

1.Магистраль-эстакада с паркингом.

Двухэтажная закрытая магистраль-эстакада (с верхним парковочным уровнем и установками по нейтрализации выхлопного газа) на стальном каркасе и со стальными пролетами, покрытыми тонким слоем сталефибробетона [1,2,4], предназначается для легковых автомобилей (90% всех автомобилей).

Этажи эстакады связаны между собой и наземным уровнем внешними и/или внутренними межэтажными переездами. По краям каждого этажа расположены буферные полосы. Число въездов и съездов согласовано между собой, на въездах установлено оборудование для осуществления в случае необходимости контролируемого въезда автомобилей.

Восемь полос движения на обоих этажах обеспечивают в сумме пропускную способность порядка 16 тыс. автомобилей в час. Безостановочность движения обеспечивается буферными полосами и межэтажными переездами. Максимальный интервал скоростей, в котором пропускная способность сохраняется практически на одном уровне составляет 30-100 км/час. Вытяжки с разрядниками, регулярно установленные на всех уровнях замкнутого пространства эстакады, обеспечивают нейтрализацию выхлопа и делают магистраль экологически безопасной (чистой).

На одном км верхнего уровня эстакады могут парковаться от 600 до 1000 легковых автомобилей, которые могут въезжать на парковочный уровень как с любого этажа эстакады, так и с наземного уровня.

Удельная стоимость полосы движения составляет $0,9-1,0 млн., а затраты на установку одного километра эстакады составляют $7 – 7,85млн. Стоимость квадратного метра пролетов всех трех уровней, включая парковочный (54000м²), составляет $145, а стоимость 1 м² полос движения (восемь полос шириной 3 метра каждая, всего 24000м²) – $330. При этом в данную стоимость входят стоимость всех материалов и затраты на изготовление типовых блоков, их доставка, заработная плата с учетом налогов, стоимость подготовительных работ, стоимость аренды машин и механизмов для сборки, стоимость вытяжек с нейтрализаторами выхлопа и т.д. Сравнительно низкие затраты на строительство эстакады-магистрали в основном определяются ее быстрой установкой с монтажом на болтах типовых металлических блоков и секций.

Кроме того, из сравнения массы аналогичных конструкций из бетона и на основе металлопроката видно, что эстакады на стальном каркасе в несколько раз легче, несмотря на то, что не менее 50% их массы приходится на сталефибробетонное дорожное покрытие. Вместе с тем, стоимость их конструкций примерно одинаковая, если принять стоимость металлоизделий по $ 1000 за тонну.

Что касается стоимости различных металлоизделий, то их удельное распределение и соответственно стоимость таковы: 80% черного металлопроката – это стальные плиты пролетных участков (лист толщиной 10 мм 24-27 тыс. руб. за тонну, швеллер – от 25500 руб. до 29000 руб. за тонну), 15% – продольные и поперечные двутавровые балки (28800 руб. за тонну), 2% – опоры-колонны в виде труб (41000 руб. за тонну). Эти данные по цене взяты на конкретных московских предприятиях, продающих металлоизделия указанных видов. Примерно такие же цены на данную продукцию и на других аналогичных предприятиях. Так что превышения стоимости новой конструкции по материалу не обнаруживается, а цены на стальную основу эстакады в среднем составляют несколько менее $1000 за тонну, а остальное – это тот же бетон и прочее. При этом блоки и секции конструкции на открытых участках защищаются антикоррозионным покрытием, а между поверхностью пролетных участков из металла и сталефибробетонным дорожным покрытием прокладывается гидроизоляция.

Удельные показатели этого типа эстакады-магистрали таковы: масса стали – 4100 т., масса цемента – 7100 т.

На рисунке выше показана эстакада с внешними въездами, съездами, переездами с этажа на этаж, а на рисунке (глава 2) показана конфигурация полос для перемещения автомобилей последовательно с этажа на этаж эстакады (внутренние переезды).

2. Упрощенный вариант двухуровневой магистрали-эстакады (без парковочного этажа и очистных установок).

Этот вариант эстакады-магистрали также имеет восемь полос движения на обеих этажах [1,2,4], но не имеет парковочных площадок и очистных установок. Поэтому удельные затраты на нее составляют примерно $5 млн. Стоимость 1 км полосы движения составляет порядка $0,6 млн. Стоимость квадратного метра пролетов двух этажей (36000м²) составляет около $140. Сравнительно низкие затраты на строительство эстакады-магистрали в основном определяются ее быстрой установкой с монтажом на болтах типовых металлических блоков и секций.

Чтобы устранить непонимание того, каким конкретным образом достигается столь низкие затраты, отметим следующее.

Прежде всего, необходимо иметь налаженное производство типовых секций и блоков эстакады, которые своевременно доставляются на подготовленную площадку для их сборки в основном болтовым соединениями с минимумом сварочных работ подготовленной бригадой специалистов при наличии соответствующего оборудования и механизмов. Эта процедура по заранее отработанной схеме занимает небольшой период времени, зависящий от протяженности участка, степени подготовленности сборочных площадок, наличия сборочных узлов, организации их подвоза, ресурсов рабочей силы, оборудования и т.д.

В Китае, например, тридцатиэтажный небоскреб в начале 2013 году собрали за две недели.

Установка свайного каркаса из стальных труб так же не занимает много времени при условии того, что трубы вбиваются в заранее определенные точки в соответствии с данными грунтовой разведки и схемами проложенных городских коммуникаций. Движение автомобилей при этих операциях по наземным магистралям не прерывается. Известные и давно отработанные процедуры нанесения антикоррозийного покрытия, гидроизоляции, сталефибробетона и т.п. так же длятся недолго при соответствующей подготовке специалистов и материала, как и монтаж боковых стенок и крыши из негорючего пластика. Оснащение эстакады оборудованием и приборами, такими как въездные светофоры с радарами и контроллерами, источники света, видеорегистраторы, линии связи, табло, датчики для мониторинга, противопожарное и эвакуационное оборудование, следящие центры, возможные вертолетные площадки, различные сопутствующие навески в виде кабелей и трубопроводов так же не может быть долгим, если такое оборудование подготовлено и доставлено на площадку вовремя. То есть процедура должна быть отработана до деталей, подготовительные работы завершены, арендованные машины и механизмы готовы к работе, специалисты тоже готовы, типовые блоки изготовлены и подвозятся с нужной периодичностью к уже смонтированному каркасу. Все это сравнительно несложно, если заранее отработано на экспериментальном образце. После этого эстакады-магистрали по уже отлаженной технологии и при промышленном изготовлении типовых блоков быстро устанавливаются в определенных местах города и пригорода для «искоренения» пробок.

Что касается проблемы нахождения дополнительных площадей для въездных и съездных пандусов на новую эстакаду при условии плотной городской застройки, то эта проблема уже давно нашла свое разрешение в других городах (напр., Токио с его наиболее плотной застройкой).

В Токио въездные и съездные участки поднимают над тротуарами и улицами. Это тем более легко осуществить при наличии легкой в сравнении с громоздкой бетонной эстакадой конструкции, что эти участки можно монтировать не на громоздких бетонных колоннах, а на стальных опорах-трубах сравнительно небольшого диаметра. При условии плотной застройки можно также выбрать из наших технических решений вариант конструкции эстакады с внутренними межэтажными переездами. Съезды и въезды в этом случае могут выводиться непосредственно на одну из наземных полос движения магистрали, не выходя за пределы проекции эстакады на наземную магистраль.

По вопросу общей пропускной способности всего сооружения, которое может иметь начало и конец, то есть точки концентрации транспорта, на которых в обычных условиях падает средняя скорость движения, можно сказать следующее.

В городах, как правило, следует устанавливать сквозные магистрали-эстакады, начинающиеся в одном пригороде и заканчивающиеся в другом пригороде с противоположной стороны. Они могут огибать центр города, чтобы не затрагивать его достопримечательности. Подавляющая часть автомобилей поэтому и при наличии достаточно частых съездов покидает магистраль отнюдь не конечных точках, которые находятся в дачной местности и до которых доезжают немногие автомобили. Так что эти конечные точки становятся уже не точками концентрации.

Далее, кроме сквозных магистралей-эстакад устанавливаются и кольцевые эстакады, которые вообще не имеют точек концентрации транспорта, так как не имеют концов. Что же касается возможного сочленения магистралей, то, в частности, в Южной Корее предложен вариант сочленений для многоуровневых эстакад [8]. Но, естественно, могут быть и другие варианты сочленений или могут быть обычные развязки.

И даже, если допустить появление точек концентрации, то падение скорости по всей магистрали не происходит, поскольку это тот же случай возникновения затора. И решается он применением нашей усовершенствованной методики ramp metering [5], то есть применением контролируемого въезда с использованием сквозных буферных полос.

Удельные показатели данного типа эстакады-магистрали: масса стали – 2600т, масса цемента – 4500 т.

Магистраль-эстакада может быть надземной частью загруженной значительную часть суток городской магистрали, а также и надземной частью перегруженной междугородней магистрали. Например, в случае установки над наземной магистралью восьмиполосной магистрали-эстакады, на ее первый или второй этаж легковые автомобили с наземной магистрали проезжают по боковому отводу-въезду (на этом участке магистрали, во избежание торможения основного транспортного потока, перед въездом формируется буферная полоса), а также могут въезжать на второй этаж с первого этажа по межэтажному переезду. С второго этажа магистрали-эстакады легковые автомобили, проехав свою часть пути, могут съехать по боковому отводу-съезду на наземную магистраль непосредственно или спустившись со второго этажа на первый по межэтажному переезду, а затем с первого этажа по съезду на наземный уровень. При этих переездах, во избежание заторов, используются буферные, или резервно-технические полосы. Кроме того, на прилегающих к съезду с магистрали-эстакады участках наземной магистрали для облегчения выезда автомобилей с этажей магистрали-эстакады на полосы движения наземной магистрали по ее краю формируется буферная полоса. Распределение автомобилей при проезде осуществляется следующим образом: автомобили, въехав, например, на полосы движения первого этажа через буферную полосу магистрали-эстакады могут так и следовать по полосам движения первого этажа или, при более разреженном движении на втором этаже, следуя указателям, переехать на него.

При этом наземная магистраль может быть предоставлена движению в основном грузового и другого тяжелого транспорта.

3. Одноуровневая магистраль-эстакада.

Если, к примеру, в городе нагрузка (пропускная способность на магистраль) на магистраль в ближайшие годы, по расчетам, не должна превысить 10 тысяч автомобилей, то достаточно будет установить над наземной магистралью один уровень эстакады с четырьмя полосами движения и двумя буферными полосами с организацией указанным образом безостановочного движения с пропускной способностью для одной полосы движения 2000 автомобилей в час. Тогда въезды на надземный уровень и съезды с него на наземную магистраль становятся переездами с наземного уровня на надземный и интегральная, или суммарная пропускная способность надземной и наземной магистралей будет более 10000 автомобилей в час. При этом затраты на монтаж и установку одноуровневой эстакады на стальном каркасе по сравнению с двухуровневой уменьшатся примерно вдвое и составят около $2,5млн. на один километр. Удельная себестоимость одной полосы движения на эстакаде останется примерно той же, что и для двухуровневой эстакады – $0,6млн. Средняя скорость движения по надземной магистрали составит порядка 75 км/час.

Известна практика установки одноуровневых эстакад вдоль магистралей и над ними во Вьетнаме. Однако там режим движения на наземной и надземном уровнях остается традиционным, за единственным исключением: направление движения на обоих уровнях устанавливается противоположным. Иначе говоря, к примеру, если по наземному уровню автомобили движутся на юг, то по надземному уровню автомобили движутся на север.

Если же расчеты по величине пропускной способности не оправдаются, то несложно над имеющимся уровнем эстакады смонтировать еще один уровень, увеличив суммарную пропускную способность эстакады до 16 тысяч автомобилей в час.

4. Организация безостановочного движения на действующих наземных магистралях без перекрестков.

Методика организации безостановочного движения автомобилей, то есть движения без пробок и заторов, разработанная нами для путепроводов и надземных магистралей вполне пригодна и для обычных наземных магистралей без светофоров (без перекрестков) с тем ограничением, что, в отличие от многополосных эстакад со связанными уровнями, число полос на наземной магистрали сравнительно невелико и суммарная пропускная способность трассы также меньше [5]. Однако, несмотря на это, при определенных нами условиях и на наземной магистрали можно установить выгодный режим безостановочного движения.

Отметим некоторые признаки этой методики. На основе известной методики управления дорожным движением ramp metering (США) [3], то есть осуществления контролируемого въезда на отдельные участки дороги и с учетом новой парадигмы в теории транспортных потоков Семенова В.В. [9], разработана методика, позволяющая в любом случае удерживать плотность транспортного потока в заданных рамках не на отдельных участках, а на всем протяжении магистрали и не допускать падения его скорости ниже заданного уровня. Для этого, то есть для поддержания непрерывности и высокой скорости движения транспортного потока, предпринимается следующее. Крайние правые полосы в каждую сторону движения по магистрали переводятся в буферные, то есть используются только для въезда на магистраль, съезда с нее, а также для объезда случившихся аварий или при ремонте. На каждом въезде на магистраль устанавливаются светофоры, управляемые через контроллер радарами по программе, которая запрещает автомобилям въезд при падении скорости потока ниже, например, 60 км/час. В результате, транспортный поток на оставшихся полосах движения превращается в свободный, скоростной, непрерывный и с пропускной способностью для каждой полосы движения около 2000 автомобилей в час [5].

Вместе с тем, надо отметить, что для преобразования магистрали с перекрестками в магистраль без них необходимо установить надземные или подземные путепроводы для пересекающих магистраль автомобилей и пешеходов.

В частности, нами предложен вариант надземных легких эстакад на стальном каркасе максимально простой конструкции в качестве переездов с односторонним движением через магистраль с боковых улиц. Рисунки и описание конструкций даны в предшествующей главе.

5. Организация безостановочного движения на действующих наземных магистралях с регулируемыми перекрестками.

Если возможности переоборудовать магистрали с регулируемыми перекрестками (со светофорами) в магистрали с непрерывным движением (без светофоров) не имеется, то можно применить другую нашу методику организации безостановочного движения – на магистралях со светофорами (перекрестками), суть которой сводится к установлению на магистрали непрерывного движения автомобилей колоннами, в разрывы между которыми попадает промежуток времени, необходимый для проезда пересекающих магистраль автомобилей и для перехода пешеходов через перекресток [5]. В этом случае, как и в первом, крайние правые полосы в каждую сторону движения по магистрали переводятся в буферные, то есть используются только для въезда на магистраль, съезда с нее, а также для объезда случившихся аварий или при ремонте части полос движения. На каждом въезде на магистраль устанавливаются светофоры, управляемые через контроллер пересчетными датчиками по программе, которая запрещает автомобилям въезд на магистраль до снижения числа автомобилей в колонне до установленного уровня, например, до уровня в 80% от максимально возможного числа автомобилей в колонне при средней скорости транспортного потока, например, 75 км/час.

В результате, транспортный поток в виде отдельных автомобильных колонн на оставшихся полосах движения превращается в скоростной, непрерывный и с пропускной способностью для каждой полосы движения до 1500 автомобилей в час, несмотря на наличие на магистрали перекрестков. При этом он является синхронным в обоих направлениях, в отличие от, так называемой, «зеленой волны». При этом, во избежание торможения потока, левый поворот на магистрали запрещается.

Таким образом, на магистралях со светофорами (с перекрестками) так же быстро и сравнительно недорого может быть использована модификация методики организации безостановочного движения автомобилей в виде их движения колоннами с разрывами, во время которых осуществляется переезд автомобилей и переход пешеходов через перекресток. Методика отличается от известной «зеленой волны» синхронностью движения колонн в обоих направлениях благодаря синхронности работы светофоров в обе стороны движения и применением принципа «фазирования», или участия водителей переднего фронта каждой колонны в своевременном подводе колонны к разрешающему проезд сигналу светофора.

Краткое сравнение предложенных решений по экономическим показателям.

Для иллюстрации рассмотрим преобразование обычной шестиполосной магистрали с регулируемыми перекрестками (светофорами) протяженностью 20 км в скоростную, безостановочную (беспробочную) магистраль с повышенной пропускной способностью.

Во-первых, над ней продольно можно установить закрытую эстакаду на стальном каркасе с двумя уровнями движения и парковочным этажом, добавив, таким образом, к наземным полосам движения еще 8 полос движения с пропускной способностью 16 тыс. автомобилей в час и средней скоростью движения автомобилей по ним 75 км/час. Установить, оснастить оборудованием, опробовать и запустить в действие эту эстакаду можно за несколько месяцев при условии, что будет изготовлено соответствующее количество типовых блоков для быстрой сборки эстакады. Затраты на это экологически безопасное (чистое) и беспробочного сооружение: $7,85млн. х 20 = $ 157млн.

Во-вторых, над шестиполосной наземной магистралью можно установить двухуровневую крытую эстакаду на стальном каркасе без парковочного этажа и, таким образом, добавить к наземным полосам движения еще 8-мь полос с пропускной способностью 16 тыс. автомобилей в час и средней скоростью движения автомобилей по ним 75 км/час. Установить эту эстакаду можно за несколько месяцев при условии, что будет изготовлено нужное количество типовых блоков для их быстрой сборки. Затраты на это беспробочное сооружение: $5млн. х 20 = $ 100млн.

В-третьих, над шестиполосной наземной магистралью можно установить одноуровневую крытую эстакаду на стальном каркасе и, таким образом, добавить к наземным полосам движения еще 4-е полосы с пропускной способностью 8 тыс. автомобилей в час и средней скоростью движения автомобилей по ним 75 км/час. Установить эту эстакаду можно за несколько месяцев при условии, что будет изготовлено нужное количество типовых блоков для их быстрой сборки. Затраты на это беспробочное сооружение: $2,5млн. х 20 = $ 50млн.

В-четвертых, можно перебросить на перекрестках через магистраль легкие эстакады с односторонним движением с переменой его направления (знака) на соседних перекрестках, перевести крайние полосы магистрали в буферные, установить или перестроить светофорное оборудование на перекрестках для организации при интенсивном движении (часы пик) контролируемого въезда автомобилей на магистраль и, тем самым, обеспечить безостановочное движение с пропускной способностью на полосу движения 2000 автомобилей в час, что составит для 4-х оставшихся от шести полос движения 8000 автомобилей в час (две крайних справа полосы переведены в буферные) вместо, как показывают измерения, в среднем 3000 автомобилей в час на обычной шестиполосной магистрали с регулируемыми перекрестками, или со старт-стоповым режимом движения. Средняя скорость потока при данной перестройке составит 75 км/час, но не менее 60 км/час, для чего должны быть установлены соответствующие указатели. Установка легких переездов-эстакад и оборудования для контролирования въезда на магистраль на перекрестках в среднем через каждые 0,5 км по предварительным оценкам составляет для одного перекрестка около $600тыс. Затраты на данное переоборудование в пересчете на 20 км составят $0,6млн. х 40 = $ 24млн. Расчет сделан из предположения установки эстакад-переездов через каждые 0,5 км. Эстакады-переезды можно устанавливать и на большем расстоянии, например, 1 км (через один перекресток). Тогда сумма затрат на отрезке 20 км уменьшится примерно вдвое, но и число сквозных переездов тоже уменьшится вдвое.

Для ряда городских магистралей из-за плотной застройки число эстакад-переездов (путепроводов) может быть сведено к минимуму – одна или две на 5-10 км, если их пропускная способность соответствует интенсивности поперечных транспортных потоков, причем локально их пропускная способность может быть увеличена за счет введения второго уровня. Что же касается пешеходов, то для них могут быть сооружены с большей регулярностью недорогие надземные (с эскалаторами) или подземные переходы. Такое решение вопроса поперечного транзита позволит в несколько раз уменьшить финансовые затраты на него.

Администрация каждого города должна решать данный вопрос, исходя из собственных ресурсов, интенсивности движения, плотности застройки, расположения боковых дорог и улиц и т.п.

В-пятых, можно организовать безостановочное движение на магистрали со светофорами (с перекрестками) колоннами с соответствующими разрывами между ними, синхронными в обе стороны движения, для проезда в это время автомобилей, пересекающих магистраль, а также для прохода пешеходов. Для этого, в частности, придется перестроить оборудование на каждом перекрестке для пересчитывания автомобилей в колонне с соответствующим ее дополнением по разрешающему сигналу светофора при определенной убыли автомобилей в колонне за счет съезда автомобилей. Из шести полос движения на магистрали остаются действующими 4 полосы, а 2 переводятся в буферные. Таким образом, пропускная способность полосы движения, которая несколько уменьшится по сравнению с трассой без светофоров (4-й вариант) из-за разрывов между колоннами (меньшая плотность движения), составит в среднем 1250 автомобилей в час на полосе движения и в сумме – около 5000 автомобилей в час вместо 3000 автомобилей в час на шестиполосной магистрали при обычной старт-стоповой организации движения. Средняя скорость составит так же 75 км/час. Затраты на переоборудование перекрестка, по предварительным оценкам, составят порядка $100тыс, что для всей магистрали со светофорами протяженностью 20 км и перекрестками через каждые 0,5 километра составит в данном случае $0,1млн. х 40 = $4млн. Стоимость переоборудования может быть существенно уменьшена, если потребуется только замена программного обеспечения с дополнительным монтажом табло.