Юрий Михайлович Низовцев
Конструкции и методики, исключающие формирование пробок и заторов в условиях города
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.
Сборные железобетонные пролетные строения двухэтажной магистрали-эстакады с восемью полосами движения и четырьмя резервно-техническими полосами.
Широкое распространение в строительстве находят эстакады из сборного железобетона.
Пролетные строения железобетонных эстакад монтируются из сборных цельнопролетных балок, устанавливаемых на возведенные ранее капитальные или временные опоры. При этом в зависимости от грузоподъемности кранового оборудования сборным блоком может быть одна балка, несколько соединенных в поперечном направлении балок или даже целое разрезное пролетное строение. Такой способ-монтажа применяют чаще всего в эстакадах балочно-разрезной или балочно-неразрезной системы, образуемых объединением над опорами разрезных балок.
Монтаж осуществляется различными механизмами в зависимости от местных условий. Если позволяет грузоподъемность, то монтаж ведут стреловыми кранами. Установку в пролет цельнопролетных балок можно производить портальными кранами, перемещающимися по специальным путям вдоль эстакады на поверхности земли. При большой длине и высоте эстакады или невозможности устройства портальных кранов применяют шлюзовые краны, передвигающиеся по готовой части эстакады и монтирующие балки перед собой. Если эстакады проходят над водой, то балки можно доставлять к месту монтажа на плаву.
Для предлагаемой конструкции, монтаж которой производится в городских условиях при недостатке пространства, наиболее предпочтительным является применение шлюзовых кранов.
На строительной площадке затем ведут укрупнительную сборку, после чего собранные балки устанавливают в проектное положение кранами. Пролетные строения эстакад неразрезной или рамной системы с пролетами более 30-40 метров монтируют из коротких блоков, непосредственно устанавливаемых в пролет. Простейший способ такой сборки – укладка блоков на сплошных подмостях с последующим их объединением путем омоноличивания стыков и натяжения продольной арматуры. Такой способ требует возведения большого количества подмостей и ведет к загромождению подэстакадного пространства.
Более экономичным следует считать устройство подмостей только в одном пролете. После монтажа пролетного строения в этом пролете подмости разбирают и перемещают в следующий пролет. Усовершенствованной разновидностью этого способа строительства является метод попролетной сборки. Подмости представляют собой в этом случае специальный агрегат, который перемещается из пролета в пролет, опираясь на опоры эстакады и собранную часть конструкции. Здесь конструкция пролетного строения должна быть такой, чтобы обеспечивалось беспрепятственное перемещение подмостей в очередной пролет.
Продольную надвижку железобетонных пролетных строений применяют при пролетах 40-60 метров. По этому методу пролетное строение собирают из отдельных коротких блоков и выдвигают в проектное положение системой лебедок или толкающими домкратными установками без использования или с использованием временных промежуточных опор. Этот способ применим для балочно-неразрезных пролетных строений с постоянной высотой.
