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

Для того чтобы скорость движения автомобилей на магистрали-эстакаде не падала ниже установленного предела (40 или 60 км/час), что означает использование пропускной способности полос движения, близкой к максимально возможной, на въездах устанавливаются светофоры, срабатывающие на запрещающий въезд сигнал тогда, когда скорость автомобилей на магистрали-эстакаде по любым причинам падает ниже установленного предела. Это обеспечивает свободное движение автомобилей без превращения его в синхронизированный транспортный поток, который при скорости 10-15 км/час превращается в затор.

Для того чтобы аварии, ремонт и тому подобное на трассе практически не влияли на скорость транспортного потока, то есть для того, чтобы сделать его безостановочным и скоростным и в этом случае, нами предложено два элемента конструкции: во-первых, указанные выше межэтажные переезды можно использовать для перемещения автомобилей с перегороженного аварией этажа на свободный этаж или на наземный уровень, во-вторых, на каждом уровне с краю вводится буферная (резервно-техническая) полоса, предназначенная только для объезда мест аварий или ремонта, а также для въезда на полосы движения или съезда с полос движения. Некоторое удорожание конструкции за счет добавления к ней межэтажных переездов и буферных полос многократно компенсируется ее беспробочностью.

Ниже показано, как автомобили могут поступательно перемещаться по эстакаде благодаря применению волнообразной уплощенной полосы движения, которая одним своим уплощением смыкается на одном своем уровне с гладкой одноуровневой полосой движения одного этажа, а следующим своим уплощением смыкается на другом уровне с гладкой одноуровневой полосой движения другого этажа.

Использование объемной эстакады только для легкового транспорта делает ее легкой и недорогой. Использование заводских типовых секций делает ее быстро сборной (разборной) и переносной. Ее этажность может уменьшаться и увеличиваться, соответственно и пропускная способность так же может меняться до 90 тысяч автомобилей в час.

В силу того, что пропускная способность полосы движения зависит от скорости потока и ее максимальное значение с незначительными отклонениями лежит в области 30-100 км/час, нами предложено удерживать скорость потока именно внутри этого интервала скоростей.

Кроме того, при этих скоростях на городских магистралях, где автомобили часто меняют полосы движения, транспортный поток является разреженным, то есть он находится в состоянии потока свободных частиц, при котором автомобили имеют возможность маневрировать. Правда, при этом пропускная способность в расчете на одну полосу движения с теоретически возможной (3000 тысячи автомобилей в час для синхронизированного потока) падает до 2000 автомобилей в час. Подобная процедура удерживания потока внутри указанного интервала скорости и, значит, соответствующей плотности, производится как на эстакадах, так и на действующих магистралях по принципу контролируемого въезда, предложенного в США более 40 лет назад (ramp metering). В результате, транспортный поток не уплотняется и его скорость не падает до 10-15 км/час, когда появляются заторы, а за ними пробки. Иначе говоря, предлагается не бороться с пробками разными способами, на что сейчас совершенно бесполезно тратятся астрономические суммы, а следует придерживаться режима свободного потока, при котором заторы не возникают и не забывать про организацию объезда мест аварий.

Однако американская методика имеет тот недостаток, что действует локально, и поэтому в США, так же как и у нас, проблема пробок актуальна, а ежегодные потери от них достигают $80 млрд.

Мы же, во избежание торможения потока, в дополнение к контролируемому въезду (ramp metering) предложили ввести сквозную буферную полосу с правого края по движению на магистрали, решив сразу несколько проблем:

а) поток не тормозится въезжающими на магистраль или съезжающими с нее через буферную полосу автомобилями, так как буферная полоса предназначена не для движения автомобилей, а является резервно-технической (предназначена для въезда-съезда автомобилей и объезда ими мест аварий или ремонта), и автомобили после въезда на нее и соответствующего разгона спокойно вклиниваются в разреженный поток автомобилей на полосах движения; точно так же перед съездом с магистрали, автомобили, не снижая скорости, и, значит, не тормозя поток, переезжают на буферную полосу с тем, чтобы спокойно съехать с нее на боковую дорогу или улицу;

б) при ДТП на полосах движения, которых при одностороннем движении на магистралях, как правило, от трех до пяти, пустая буферная полоса в редких случаях перегораживается автомобилями. Поэтому по ней, а также по оставшимся не затронутыми аварией другим полосам автомобили могут продолжать движение, причем скорость потока удается сохранить даже в случае ДТП не менее установленного предела, например 60 км/час, за счет автоматического включения запрещающих въезд светофоров (временного запрета въезда на магистраль до восстановления скорости потока близкой к максимальной) на предшествующих месту аварии въездных участках; на сравнительно узких магистралях-эстакадах (две полосы движения в одну сторону) для страховки кроме буферных полос смонтированы или введены регулярные межэтажные переезды – так что при возможной блокировке буферной полосы можно загодя переехать на другой этаж эстакады или съехать на наземный уровень, избежав тем самым возникновения затора.

Подобных мер до сих пор нигде не предпринималось, вследствие чего поток уплотнялся со всеми вытекающими из этого последствиями (заторы, пробки, аварии). А при каждодневной перегрузке магистралей в часы пик в крупных городах поток уплотняется всегда.

Что касается вопросов оповещения, маршрутизации, то они давно решены и их можно просто заимствовать, так же как те или иные варианты движения без участия водителей, что действительно удобно делать в ограниченных пределах эстакады-магистрали.

Перегрузка магистрали не возникнет, если пропускная способность магистрали будет достаточна для практически любых транспортных потоков и, в частности, будет не менее, чем число автомобилей, стремящихся на магистраль в часы пик. Однако в часы пик число автомобилей, стремящихся на действующие сейчас магистрали, превышает возможности ее полос движения часто в несколько раз. Отсюда быстрое уплотнение потока и возникновение заторов и пробок.

Поэтому нами предложено, во-первых, максимально использовать возможности каждой полосы движения на действующих магистралях, переведя их в режим безостановочного движения с пропускной способностью в среднем на магистралях без перекрестков 2000 автомобилей в час на полосу и 1250 автомобилей в час на полосу движения на магистралях с перекрестками, тогда как сейчас на магистралях с регулируемыми перекрестками (старт-стоповое движение) пропускная способность полосы движения магистрали составляет 500 автомобилей в час в среднем.

Во-вторых, нами предложено расположить полосы движения друг над другом и связать их межэтажными переездами, получив тем самым новую конструкцию эстакады-магистрали с множеством полос движения, распределенных по связанным переездами этажам, что позволяет практически сделать пропускную способность эстакады магистрали неограниченной.

В вышеприведенных материалах приведены ежегодные убытки от пробок, ДТП и загрязнения городского воздуха выхлопными газами в нескольких сотнях крупных городов мира. Эти цифры столь велики, что не могут сравниться с затратами на установку и оснащение предложенных нами беспробочных эстакад-магистралей для безостановочного движения, в основном городских.

Ниже приведены расчеты, из которых следует, что затраты на обеспечение энергией очистных установок невелики, а вытяжки с разрядниками – нейтрализаторами вредного выхлопа давно выпускаются и их регулярная установка в соотношении стоимость установленных аппаратов и себестоимость эстакады опять же невелика.

Поэтому даже если бы эти новые дорожные сооружения были еще дороже, то их все равно необходимо устанавливать. Но, на счастье, побочным эффектом данной разработки является ее сравнительная дешевизна.

В частности, полоса движения на двухуровневой эстакаде-магистрали из металлопроката на стальном каркасе стоит в несколько раз меньше, чем полоса движения наземной магистрали в США. Франции.

Более того, сборка свинчиванием типовых стальных блоков эстакады с установкой их на стальном каркасе производится при соответствующей подготовке очень быстро. Для примера отметим, что недавно в Китае собрали из типовых блоков и оснастили небоскреб на стальном каркасе за две недели.

Это указывает не только на значительное снижение всех затрат на установку эстакады, зависящих от времени, но и на возможность достаточно быстро провести новые магистрали не только в городах, но и между ними, хотя бы по основным направлениям, тем более, что дорожная сеть в большинстве стран мира развита слабо.

Нужная модификация, в частности для МТК (международные транспортные коридоры) предложена в виде объемной эстакады, в едином компактном объеме которого по двум уровням перемещаются как автопотоки, так и железнодорожные составы-контейнеровозы, а также для транспортировки жидкостей, информации, энергии и т.д. используются те или иные навески. Кроме того, использование буферной колеи при проводке железнодорожных составов по стальной свайной магистрали позволяет установить режим безостановочного движения составов с контейнерами с достаточно высокой скоростью и с минимально возможными интервалами. Даже один такой коридор Европа-Азия, например, вдоль транссибирской магистрали, способный конкурировать по стоимости транспортировки с морскими перевозками и стоящий вне конкуренции по времени перевозки, смог бы сразу изменить лицо Дальнего Востока и сделать его одним из основных регионов мира. На Дальнем Востоке также можно было бы быстро проложить свайные трассы по вечной мерзлоте к ряду месторождений, до сего времени недоступных. Все эти работы приведут и к росту населения края.

Эстакада-магистраль на стальном каркасе не самолет или корабль, а всего лишь трубы, балки, да металлические листы в сборке. То есть предлагаемая эстакада является одним из самых простых в технологическом отношении сооружений. Достаточно на одном экспериментальном образце отработать определенные особенности сборки и установки и можно будет покрыть все основные транспортные направления в мире недорогими, быстро сборными магистралями с безостановочным движением транспортных средств. В частности, таким образцом мог бы быть путепровод в виде двухуровневой эстакады, на котором можно было бы отработать все технологии и методики без больших временных и финансовых затрат.

Отметим также проблему общей пропускной способности всего сооружения, которое в прямолинейном виде имеет начало и конец, то есть точки концентрации транспорта, на которых как бы должна падать средняя скорость движения с образованием заторов.

На самом деле, эта проблема является надуманной. В городах, как правило, устанавливаются сквозные эстакады предложенной конструкции, 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 в черте города 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 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. Но, естественно, могут быть и другие варианты сочленений. И даже, если допустить появление точек концентрации, то проблема падения скорости по всей магистрали, нами решена и описана в настоящей работе, поскольку это тот же случай возникновения затора. И решается он применением нашей усовершенствованной методики ramp metering, то есть применением контролируемого въезда с использованием сквозных буферных полос.

Следует отметить, что в стальной свайной конструкции не используются бетонные громоздкие опоры, а применяются стальные трубы сравнительно малого диаметра (устойчивые при землетрясениях), а сравнительно небольшой вес пролетов из металлопроката с тонким слоем сталефибробетона или другого легкого дорожного покрытия позволяет максимально далеко разнести опоры, а также использовать, при желании и возможностях, пилоны. Кроме того, для самых легких эстакад на основе металлопроката можно использовать не бетонные фундаменты для стальных опор-труб, а просто вбивать или ввинчивать опоры-трубы в землю. Эта технология уже хорошо разработана.

Понятно также, что конструкция, состоящая из сравнительно дешевого металлопроката, 80% которого составляют тонкие металлические листы для пролетов, а остальные 20% металлопроката – это балки и трубы, является одной из самых дешевых дорожных сооружений в целом, а стоимость ее полосы движения будет в несколько раз ниже стоимости полосы движения наземных магистралей не только потому, что эстакады быстро собирается из типовых металлических секций на болтах с минимумом сварки, но и потому, что число полос в проекции на основание у нее больше в два-три раза, чем у наземной магистрали на той же площадке.

Полосы движения и буферные полосы в виде пролетных участков проложены на вертикальных и горизонтальных опорах. Безостановочное движение, даже при возникновении препятствий на отдельных участках магистрали-эстакады, обеспечивается возможностью переезда транспортного средства на буферную (резервно-техническую полосу) или на другой этаж магистрали-эстакады или путепровода по межэтажному переезду. Въездные участки и участки съезда, а также межэтажные внешние переезды размещены по бокам эстакады.

Магистраль-эстакада располагается вдоль оси магистрали, но может быть при необходимости отведена от нее в сторону.

Общее количество полос движения определяется числом этажей и шириной этажа. Межэтажное расстояние составляет величину, достаточную для свободного проезда автомобилей. В частности, высота между двумя уровнями для легковых автомобилей составляет порядка 2,5 метров, ширина полосы движения, а также буферной (резервно-технической) полосы составляет около трех метров.

Магистраль-эстакада представляет собой каркас, состоящий в поперечном разрезе из двух вертикальных опор (для варианта со встречным движением) или одной вертикальной опоры (для варианта с односторонним движением) и поперечных опор, крепящихся на вертикальных опорах. Высота вертикальных опор определяется этажностью эстакады и расположением над дорожным полотном. Если первый этаж эстакады расположен над железнодорожным полотном, то его высота составляет 7,2 метра, если над шоссе, то – 4 метра.

Таким образом, высота 2-этажной эстакады от наземного уровня до покрытия второго этажа составляет соответственно около 10 метров. Сборка магистрали-эстакады осуществляется, как правило, с применением длинномерных конструкций с малым числом вертикальных опор. Каждый этаж эстакады опирается на продольные и поперечные опоры, крепящиеся на вертикальных опорах. На опоры укладываются пролетные участки из металлических листов-плит. На них в качестве дорожного покрытия наносится сравнительно тонкий слой сталефибробетона (не менее 50 мм). Если нижний уровень магистрали-эстакады предполагается использовать и для проезда большегрузного транспорта и автобусов, то стальные листы пролетных участков упрочняются ребрами жесткости (ортотропные плиты).

Магистраль-эстакада является надземной частью загруженной значительную часть суток городской магистрали.

Съезды, въезды и внешние межэтажные переезды сближаются в соответствии с уличной сетью города для удобства проезда по магистрали-эстакаде автомобилей. Над вторым уровнем монтируется парковочный этаж, на который можно въехать как со второго этажа, так и в ряде мест непосредственно с наземного уровня. При этом парковочный этаж может быть расширен, а по бокам эстакады могут быть смонтированы дополнительные отлеты для парковки.

По бокам и сверху магистраль-эстакада в этом варианте закрывается легкой, негорючей прозрачной оболочкой, и в образовавшемся объеме регулярно устанавливаются вытяжки с разрядниками для перевода вредных компонентов выхлопного газа в нейтральные, что делает магистраль-эстакаду экологически чистым дорожным сооружением и снижает степень загрязнения воздуха в городе.

По буферным (резервно-техническим) полосам сквозной проезд автомобилей запрещается, так как они используются для сохранения безостановочности движения, во избежание образования заторов, то есть только для объезда мест аварий или ремонта, а также для въезда на полосы движения и съезда с них.

Для обеспечения безопасности движения боковые поверхности магистрали-эстакады защищены противоударными конструкциями.

Таким образом, легковой автомобиль может въехать на любой этаж и в соответствии с указателями плотности движения перемещаться по нему или переехать на другой этаж и беспрепятственно перемещаться по полосе движения со скоростью 40(60)-90(100) км/час, так как в случае аварии на полосах движения, автомобиль может объехать место аварии либо по буферной полосе, либо переехать на другой этаж.

Конструктивные особенности магистрали-эстакады предполагают изготовление всех ее элементов в промышленных условиях. Поэтому практически все строительно-монтажные работы, в основном сборочные, производятся на местах сооружения эстакад. Собрать и оснастить конструкцию протяженностью 5 – 10 км с соответствующими подводами и межэтажными переездами при наличии необходимого оборудования, готовых блоков, соответствующих специалистов и проведения предварительных подготовительных работ можно в течение нескольких месяцев.

Один км эстакады с парковкой и очистными установками можно оценить в $7 – 7,85млн. или 1м² полос движения при их площади 24000 м² стоит $330, а 1м² полной площади пролетных участков – 54000м² – стоит $145. При этом в данную себестоимость входят стоимость всех материалов, изготовление типовых блоков, их доставка, заработная плата, стоимость подготовительных работ, стоимость аренды машин и механизмов для сборки, стоимость вытяжек с нейтрализаторами выхлопа и т.д.

Столь низкие затраты на установку эстакады объясняются тем, что она быстро собирается и ее сборка из типовых блоков, изготовленных заранее промышленным способом, при наличии подготовленной площадки и осуществления сборки свинчиванием блоков с минимумом сварки, занимает в общей сложности 2-3 месяца, а не 2-3 года, как это происходит, как правило, со строительством громоздких железобетонных эстакад. Именно это обстоятельство в основном и увеличивает примерно на порядок расходы на заработную плату, аренду оборудования и т.п., что отражается на величие затрат на возведение строящихся ныне стандартных железобетонных эстакад.

Чтобы устранить непонимание того, каким конкретным образом достигается эта низкая себестоимость, 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 подготовленной бригадой специалистов при наличии соответствующего оборудования и механизмов. Эта процедура по заранее известной схеме занимает небольшой отрезок времени, зависящий от протяженности участка. Установка свайного каркаса из пустотелых 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 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. Оснащение эстакады оборудованием и приборами, такими как въездные светофоры с радарами и котроллерами, источники света, видеорегистраторы, линии связи, табло, датчики для мониторинга, противопожарное и эвакуационное оборудование, следящие центры, вертолетные площадки, различные сопутствующие навески в виде кабелей и трубопроводов так же не может быть долгим, если такое оборудование доставлено на площадку вовремя. То есть процедура должна быть отработана до деталей, подготовительные работы совершены, 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 по уже отлаженной схеме и имеющемся промышленном производстве типовых блоков быстро устанавливаются в определенных местах города и пригорода для «искоренения» пробок.

Тем не менее, главное – это совсем не удельная себестоимость восьмиполосной двухуровневой эстакады-магистрали с выделенной парковкой на основе металлопроката ($7 – 7,85 млн. за километр), хотя она ниже средней себестоимости, например, шестиполосной автомагистрали в России ($ 10 млн. за километр) или четырехполосного путепровода в России ($ 30 млн. за километр), – а решение основных городских транспортных проблем, именно:

– конструкция закрытой свайной двухуровневой эстакады с переездами между этажами и буферными полосами обеспечивает движение практически любого количества автомобилей на высокой скорости, без остановок и пробок в любую погоду, то есть при движении по новым магистралям большей части легковых автомобилей города потери от пробок при общей разгрузке дорожной сети, отсечении основного потока автомобилей от потоков пешеходов, снижении шума и попадания в воздух выхлопного газа снизятся более чем в два раза и, в частности, а сами эстакады-магистрали окупятся примерно за 1 – 2 года в среднем;

– данная двухуровневая магистраль является экологически чистой, поскольку в ее закрытом пространстве устанавливаются вытяжки с разрядниками, к тому же закрытая магистраль не подвержена климатическим воздействиям, ее полосы движения не заносит снегом и не поливает дождем, а надежная свайная конструкция не разрушается при землетрясениях и не размывается наводнениями;

– магистраль при ее небольшом расширении может служить основой и для дешевого надземного метро с вылетом его на 20-30 км от крупного города, причем ее себестоимость составит около $7 млн. за км;

– стальной свайный каркас, так же как каркас небоскребов, обеспечивает эстакаде повышенную надежность, закрытые полосы – повышенный ресурс без ремонта, а свайная технология обеспечивает возможность проводки по любому грунту и рельефу, в том числе при необходимости и над домами, другими дорогами и т.д.;

– быстрота и дешевизна установки региональных надежных и эффективных эстакад на стальном каркасе может освободить все крупные города мира от пробок и заторов не когда-то, а в ближайшие годы;

– десятки, а с течением времени и сотни тысяч дополнительных парковочных мест на третьем ярусе эстакады (можно использовать в ряде мест для этого и боковые отлеты) позволят не только облегчить ситуацию с размещением автомобилей в городе, но и при развитии сети эстакад в городе значительная часть автомобилей сможет вообще не покидать пределы эстакады и перемещаться по новым транспортным сетям без участия водителей в управлении автомобилем;

– для правительств, возможно, основным будет то, что внедрение беспробочной системы транспортных коммуникаций позволит ежегодно экономить практически по каждой стране миллиарды долларов.

Отметим далее, что 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 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. Однако, несмотря на это, при определенных нами условиях и на наземной магистрали можно установить выгодный режим безостановочного движения.

Помимо этого, модернизация имеющихся эстакад и путепроводов с соответствующим увеличением их пропускной способности с помощью установки второго металлического яруса над одноэтажными эстакадами не потребует реконструкции всех существующих мостов, путепроводов, эстакад, так как дополнительная нагрузка от второго яруса не падает на модернизируемую конструкцию. Второй ярус из металлопроката монтируется не на существующей бетонной эстакаде, мосте или путепроводе как опоре, а собирается на отдельном стальном каркасе, как бы накрывающем существующий путепровод, мост или эстакаду.