Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности обоснования организационно-технологических решений при проектировании и строительстве водопропускных сооружений в условиях севера России 13
1.1 Существующие способы строительства водопропускных сооружений в условиях Севера РФ, их особенности и сферы применения 13
1.2. Особенности строительства линии Обская-Бованенково и используемых организационно-технологических решений при возведении водопропусков 30
1.3 Методы и модели выбора и обоснования организационно-технологических решений в железнодорожном строительстве 43
1.4 Проблемы обоснования эффективных организационно-технологических способов строительства транспортных объектов в северных условиях и область исследования 48
2. Теоретические и практические аспекты оптимизации и моделирование производственных процессов при строительстве водопропускных сооруженийв северных условиях 60
2.1. Обоснование применимости методов оптимизации к решению задач выбора способов строительства транспортных объектов в северных условиях 60
2.2 Теоретическое обоснование оптимизации способов строительства водопропускных сооружений 72
2.3 Разработка имитационной модели сооружения водопропусков с учетом переменных временных оценок производительности исполнителей, машин и механизмов 84
2.4 Разработка и анализ стохастической модели организационно-технологических решений при выборе способов производства работ в северной климатической зоне 101
3. Способы интенсификации производства работ при строительстве транспортных объектов в северных условия 110
3.1. Объемно-конструктивные и организационно-технологические решения при возведении водопропускных сооружений на строительстве линии Обская-Бованенково 110
3.2 Использование предложенных способов принятия и реализации обоснованных управленческих решений применительно к конкретному объекту 120
4. Оптимизация процесса возведения водопропускных сооружений на объектах железнодорожной линии обская-бованенково-харасавей 144
4.1 Оптимизация технологии производства работ при строительстве свайно-эстакадных мостов 144
4.2 Программа оптимизации технологического процесса строительства мостов 154
Заключение 159
Литература 161
Приложение 1 174
- Особенности строительства линии Обская-Бованенково и используемых организационно-технологических решений при возведении водопропусков
- Теоретическое обоснование оптимизации способов строительства водопропускных сооружений
- Объемно-конструктивные и организационно-технологические решения при возведении водопропускных сооружений на строительстве линии Обская-Бованенково
- Оптимизация технологии производства работ при строительстве свайно-эстакадных мостов
Введение к работе
Условия строительства инженерных сооружений на территории полуострова Ямал по степени сложности не имеют аналогов в мире. Это низкие деформационно-прочностные свойства грунтов, вызванные повсеместным распространением вечной мерзлоты, высокая заболоченность и заозеренность территории, сложные климатические условия, почти полное отсутствие местных кондиционных строительных материалов. Такие уникальные по сложности условия требуют разработки новых подходов к обеспечению эксплуатационной надежности объектов добычи, транспорта газа и инфраструктуры, которые являются перспективой газодобывающей отрасли России на ближайшие десятилетия. Интересы страны требуют освоения газовых и газоконденсатных месторождений на севере, прежде всего - на полуострове Ямал. Именно поэтому Стратегией — 2030 [90], а также Федеральной целевой программой «Модернизация транспортной системы России (2002—2010 годы) в рамках реализации «Транспортной стратегии РФ на период до 2020 года» предусмотрено развитие транспортной инфраструктуры районов Сибири и Дальнего Востока, на территории которых расположены богатейшие месторождения. В частности, Стратегией-2030 предусмотрено строительство 4660 км технологических железных дорог, предназначенных для транспортного обеспечения новых месторождений полезных ископаемых и промышленных зон.
На сегодняшний день можно считать доказанным, что эффективная разработка месторождений углеводородного сырья на Ямале затруднительна без основного объекта транспортной инфраструктуры - железной дороги Обская - Бованенково. С учетом изложенного, первоочередной задачей является обеспечение транспортной безопасности этой линии, решение которой возможно только с системных позиций.
Железнодорожная линия Обская — Бованенково представляет собой сложную производственно-технологическую систему, одной из наиболее
ресурсоемких подсистем в которой является комплекс работ по строительству массовых водопропускных сооружений.
Среди них наиболее распространены трубы и малые мосты, которые сооружают, как правило, по типовым проектам раздельно-последовательным способом, в средних мостах используют унифицированные конструкции. С точки зрения организации и управления работ, водопропускные сооружения представляют собой типичную разновидность линейно-рассредоточенных объектов, строительство которых играет важную роль в своевременном сооружении нижнего строения пути в целом, включая земляное полотно.
Важнейшим условием эффективной реализации проектов водопропускных сооружений является развитие и создание конкурентоспособных строительных технологий и организационно-технологических решений, обеспечивающих интенсификацию процессов, повышение качества возведения, реконструкции и модернизации сооружений при снижении трудовых, материально-технических и топливно-энергетических ресурсов и неблагоприятных воздействий на окружающую среду. Особо актуальным становится поиск новых методологических подходов, которые должны способствовать повышению обоснованности организационно-технологических решений, в значительной степени зависящих от влияния климатических и геокриологических условий.
При этом уровень организационно-технологических решений проекта в значительной степени влияет на продолжительность этапа строительства, поскольку производственные затраты составляют значительную часть стоимости объекта.
Анализ показывает, что вопросы научного обоснования надежности организационно-технологических решений в условиях рынка еще недостаточно разработаны. Это создает риск невыполнения этапа строительства в срок, снижения качества работ, а, следовательно, надежности структуры объекта и, соответственно, снижает эффективность
деятельности строительных организаций и в целом всех участников реализации проекта.
Методология обоснования проектных решений разрабатывалась в 1930-
50-е гг. Т.С. Хачатуровым, А.В. Гориновым, М.М. Протодьяконовым, далее
А.Е. Гибшманом, А.Л. Лурье, В.И. Петровым, В.П. Красовским и др.учеными
[106, 33, 80, 30, 54, 51], в 70-80 гг. и далее - В.Н. Лившицем, М.Ф. Трихун-
ковым, Б.А.Волковым и др. [53, 24, 102, 119]; конструктивных решений и
проектирования транспортных, в т.ч. водопропускных, сооружений -
Е.С.Ашпизом, В.М.Кругловым, Г.М.Власовым, В.В.Пассеком,
А.И.Белозеровым, А.С.Потаповым, Г.К. Евграфовым, Т.А. Скрябиной, А.В. Носаревым, В.О. Осиповым [4,5, 52, 23, 68, 11, 77, 37, 36, 66]; технологии монтажа стальных мостов - А.С.Платоновым, А.В. Кручинкиным, К.М. Акимовой, Г.А.Ярлыковым [72, 73, 34]; технологии строительства водопропускных труб - Э.С. Спиридоновым, П.М. Токаревым [87, 28]. В теорию организации строительства железных дорог большой вклад внесли известные ученые А.Ф. Акуратов, Е.В.Басин, И.А.Грачев, Г.Н.Жинкин, М.И. Иванов, СЯ. Луцкий, Г.С. Переселенков, СП. Перший, И.В.Прокудин, Э.С.Спиридонов, В.Г. Тайц, С.К. Терлецкий, В.Я. Ткаченко, А.А Цернант, Т.В. Шепитько [2, 8, 40-44, 46, 69-71, 107-110, 114]; организации строительства труб и мостов - СП. Перший, Е.Прейс, В.Н. Полоз, В.Б.Бобриков [70, 71, 74, 75, 12,13]. Разработке теоретических и прикладных основ организационно-технологических решений различных аспектов железнодорожного строительства посвятили работы Бардышев О.Д., Гаркави Н.Г., Ратнер А.М.(организация обслуживания техники), Бокарев С. А., Велли Ю.Я., Гапеев СИ. , Грицык В.И., Докучаев В.И., Конюхов И.Н., Морарескул Н.Н., Нак И.В., Переселенков Г.С, Призмазонов A.M., Шепитько Т.В., Федоров Н.Ф., Федоров Д.И. , Ястребов А.Л. [7, 14, 29, 32, 50,61,62,41,78,89,112,120].
К организационно-технологическим решениям относится
исследование и совершенствование методов сетевого планирования: Луцкий С.Я., Добшиц Л.М., Кантор И.И., Малышев Б.С., Сычев А.И., Фищуков М.А., Шатилов А.Г. и др. ученые [55, 56].
В ряде случаев единственно возможным инструментом решения этих задач являются методы математического моделирования на всех этапах жизненного цикла проекта. Разработке и применению математических методов и моделей в железнодорожном строительстве посвятили свои исследования Бабич В.В., Воробьев B.C., Жинкин Г.Н., Кокин М.В., Шепитько Т.В. и многие другие [25-27, 44, 114].
В задачах оценки характеристик сложных строительных систем на различных этапах (фазах) их жизненного цикла основную роль играют разнообразные методы исследования и, в первую очередь, имитационное моделирование, вероятностно-статистические методы, методы анализа сложных систем, а также оптимизационные модели.
Несмотря на большое число работ в области разработки теоретических положений выбора эффективных организационно-технологических способов строительства транспортных объектов, остается нерешенным ряд задач обоснования организационно-технологических решений на строительстве водопропускных сооружений железной дороги «Обская — Бованенково». Организационно-технологические решения (ОТР) определим как систему оптимальных технологических и организационных параметров работ на объекте, обеспечивающих достижение целей в пределах заданного ограничения затрат и времени при распределении ресурсов, установленных на стадии планирования.
Основная идея исследования автора состоит в необходимости совершенствования методического обеспечения организационно-технологических решений (ОТР) строительства водопропускных сооружений на Крайнем Севере, основанного на методах оптимизации выбора способов
производства работ по стадиям строительства, детерминированных и стохастических моделях строительных процессов, учитывающих сезонный характер работ в северных условиях, сложный характер их технологических связей, переменную во времени выработку трудовых ресурсов и производительность строительной техники.
Изложенное позволяет считать тему диссертационной работы актуальной и сформулировать цель исследования в следующей редакции:
Цель диссертационного исследования - разработать теоретические и методические положения обоснования эффективных организационно-технологических способов строительства транспортных объектов в северных условиях на основе системного взаимодействия объемно-конструктивных и организационно-технологических решений (на примере водопропускных сооружений).
Задачи исследования:
Оценить существующие способы и особенности строительства водопропускных сооружений в условиях Крайнего Севера России.
Выполнить анализ особенностей конструктивных решений и технологии сооружения водопропусков на железнодорожной линии Обская-Бованенково.
Обосновать методы оценки организационно-технологических решений строительства водопропускных сооружений и критериев их оптимизации.
Разработать методику обоснованного выбора оптимальных организационно-технологических решений на основе динамического программирования в рамках системного подхода на примере строительства водопропускных сооружений в условиях Заполярной тундры РФ.
5. Разработать имитационную модель сооружения водопропусков с
учетом переменных временных оценок производительности исполнителей,
строительных машин и механизмов.
6. Разработать стохастическую модель организационно-технологичес
ких решений при выборе способов производства работ в северной
климатической зоне.
7. Разработать программное обеспечение для выполнения
автоматизированных расчетов по выбору оптимальных технологических и
организационных решений при сооружении водопропусков и исследовать
адекватность реальным процессам.
Объект исследования - система инженерного проектирования и строительства объектов водопропускных сооружений в северной климатической зоне.
Предмет исследования - закономерности влияния организационно-технологических решений на эффективность строительства водопропускных сооружений в условиях Крайнего Севера.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что автором:
Выявлены существующие способы и особенности строительства водопропускных сооружений в условиях Крайнего Севера, особенности конструктивных решений и технологии сооружения водопропусков на железнодорожной линии Обская-Бованенково и предложены новые организационно-технологические решения в виде технологических карт, а также направления эволюции теоретических представлений о развитии методического обеспечения организационно-технологических решений производственных систем в северной климатической и геокриологической зоне.
Развиты теоретические и методические положения обоснования эффективных организационно-технологических способов строительства водопропускных сооружений в северных условиях, отличающиеся от известных оптимизацией объемно-конструктивных и организационно-технологических решений на основе динамического программирования в
рамках системного подхода и стохастическим моделированием производства работ в северной климатической зоне с учетом переменных временных оценок производительности строительных машин и механизмов.
Основные результаты диссертационной работы, полученные лично автором.
1. Разработана имитационная модель сооружения водопропусков с
учетом переменных временных оценок производительности исполнителей,
строительных машин и механизмов.
Разработана стохастическая модель организационно-технологических решений при выборе способов производства работ в северной климатической зоне.
Разработана методика формирования рациональных технологических комплексов средств механизации для строительства водопропускных сооружений в условиях Заполярной тундры РФ.
Разработано программное обеспечение для выполнения автоматизированных расчетов по выбору оптимальных технологических и организационных решений при сооружении водопропусков.
Защищаемые автором положения.
Качество и эффективность организационно-технологических решений во взаимосвязи с объемно-конструктивными в условиях Заполярья определяют качество и темпы строительства транспортных объектов.
Выбор эффективных способов производства работ при строительстве водопропускных сооружений в северной климатической зоне определяется степенью обоснованности и разработанности оптимизационного модельного комплекса, учетом переменных временных оценок производительности исполнителей, строительных машин и механизмов.
Стохастическая модель ОТР при выборе способов производства работ в северной климатической зоне позволяет комплексно учитывать
организационно-технологические особенности строительного процесса и оценивать их вероятностными показателями.
4. Совокупность оптимизационных объемно-конструктивных и организационно-технологических решений обеспечили интенсификацию производства работ при возведении водопропускных сооружений на строительстве линии Обская - Бованенково.
Методология исследований. В качестве методологической базы при выполнении исследования используются системный подход к решению производственных задач, теория оптимального управления, динамическое программирование, современная теория управления сложными производственными-техническими системами, общая теория организации, методы моделирования сложных процессов..
Практическая значимость работы состоит в направленности разработанной методики на повышение эффективности строительства за счет новых методов выбора организационно-технологических решений при возведении водопропусков и форсайтной проработки вопросов эффективности инвестиций в сложных природно-климатических условиях Заполярья.
Пользователями являются строительные организации, выполняющие работы в этих условиях, проектные и научно-исследовательские институты, занимающиеся научным сопровождением строительства, представительства Заказчика.
Работа выполнена в ходе строительства водопропускных сооружений железнодорожной линии Обская - Бованенково производственными подразделениями Мостостроя-13 с последующим мониторингом, выполняемым МИИТом, Ленгипротрансом, Ямалгипротрансом, ИЦ «Ямал», ПНИИСом, ЦЫИИСом и др. организациями в период 2005-2009 г.г.
Внедрение разработок, выполненных лично автором, под его руководством или в соавторстве, в районах освоения месторождений
нефтегазового комплекса, в частности, на железнодорожной новостройке Обская-Бованенково, позволяет решить с минимальными затратами важные народно-хозяйственные задачи социально-экономического развития Севера страны, включая п-ов Ямал.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседании кафедры «Организация, технология и управление строительством» (2007 г.), совместном заседании кафедр «Мосты» и «Организация, технология и управление строительством» (2008 г.) МИИТа, а также - на научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (2008 г., 2009 г.), «Наука МИИТа - транспорту» (2007 г.), Чехия (2008 г.). Основные результаты исследований опубликованы в материалах этих конференций, а также отражены в журнале «Транспортное строительство», сборнике научных трудов ОАО ЦНИИС «Научные проблемы мостостроения», 3-х патентах РФ на полезную модель. Полученные результаты использованы ВНИИ транспортного строительства при разработке разделов по строительству стальных мостов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 127-и источников. Работа содержит 177 страниц машинописного текста, 24 иллюстрации, 13 таблиц, 2 приложения.
Особенности строительства линии Обская-Бованенково и используемых организационно-технологических решений при возведении водопропусков
В более поздних исследованиях [1, 71, 74] предложены модели производственных ситуаций, которые позволяют решать сравнительно небольшие, технологически завершенные задачи, показывают возможность целенаправленного поиска путей улучшения и совершенствования строительного производства.
Интересны работы Бобрикова В.Б., Саморядова СВ. [12, 105], которым удалось получить аппроксимирующие зависимости трудоемкости производства работ при сооружении труб, малых и средних мостов от их геометрических размеров и конструктивных решений.
Специфические природные условиями севера полуострова Ямал приводили к тому, что попытки применить традиционные технические и технологические решения строительства мостов либо приводили к неоправданно большой стоимости сооружения, либо оказывались практически неприемлемыми по надёжности. В результате десятилетней совместной работы Ленгипротранса и ЦНИИСа удалось повысить технику мостостроения применительно к рассматриваемому региону, что позволило обеспечить реальную возможность сооружения надёжных и экономически обоснованных мостов. Были разработаны несколько принципиально новых направлений проектирования и строительства мостов, а также существенно повышен уровень некоторых существующих направлений.
Одной из главных трудностей при возведении мостов на Севере Ямала является наличие засоленных, слабых при протаивании грунтов, несущая способность которых слабая даже при отрицательных температурах. Поэтому естественным решением является миновать глубинные слои при возведении фундаментов и более широко использовать поверхностные слои. В связи с этим было разработано принципиально новое направление, основанное на применении уширенных площадок. В условиях специфического для рассматриваемого региона сильного снегопереноса уширенные площадки являются надёжной охлаждающей системой, позволяющей обеспечить расчётный температурный режим грунтов оснований как береговых, так и промежуточных опор.
Другим принципиально новым направлением, которое в рассматриваемых условиях позволяет эффективно обеспечивать надёжность грунтов оснований, являются термоопоры. Разработан и запатентован целый ряд новых технических решений как сквозных, так и коаксиальных систем термоопор. Сделаны важные разработки, позволяющие в данных условиях применить известные методы и конструкции: - сделаны разработки по применению воздушных полостей различных систем; - определён характер воздействия летней и зимней отсыпки подходов конусов различной высоты на температурный режим грунтов оснований; - разработаны различные рациональные схемы применения жидкостных и парожидкостных термосифонов. Одной из главных разработок является создание метода прогнозирования температурного режима грунтов оснований применительно к рассматриваемому участку и к намечаемому классу технических решений. Указанный метод содержит две основные части: - разработанный ЦНИИСом метод численного моделирования тепловых процессов на ЭВМ; - методика задания исходных данных, разработанная ЦНИИСом в результате многолетних натурных наблюдений в условиях Севера Западной Сибири, в том числе Ямала, за температурой грунтов оснований на построенных мостах и условиями формирования снегозаносов, растительного покрова и другими параметрами. Научная и инженерная школа мостовиков ВНИИ транспортного строительства вносит большой вклад в решение проблем экономичного строительства водопропускных сооружений [72-73, 65, 3], в том числе в районах с экстремальными условиями - на Крайнем Севере, в Якутии, Сибири, на Ямале. В частности, в работе [34] при участии автора доказываются преимущества стальных мостов. Научный интерес представляют работы зарубежных авторов, излагающих опыт строительства мостов на Крайнем Севере. В работе [120] указывается, что железобетонные мосты, равно как и железобетонные водопропускные трубы за рубежом на Крайнем Севере (Аляска, Канада, Гренландия) не применяются. Показываются преимущества строительства мостов из металлических сборных элементов систем Каллендр - Гамильтон, Бэйли и др. Например, мост системы Каллендр — Гамильтон в устье р. Макензи (Канада) пролетом 18,3 м построен бригадой из 8 чел. под руководством одного инженера за 40 ч. Элементы таких мостов соединяются болтами, что, по мнению канадских инженеров, является идеальной конструкцией для условий Арктики. Каждый элемент оцинкован, так что конструкция защищена от коррозии. Используются алюминиевые конструкции системы Бэйли, например, арочный мост под автомобильную дорогу пролетом 88,4м в провинции Квебек (Канада). Две арки пролетного строения моста со стрелой подъема 14,5 м выполнены из алюминиевого сплава и имеют замкнутое коробчатое сечение 1,3x0,58м. Вертикальные стенки коробчатого сечения сделаны из листов толщиной 14 мм, горизонтальные - из листов толщиной 19мм. Мост из алюминия оказался на 55% легче моста, запроектированного первоначально из стали. Известны случаи использования искусственного льда для устройства временных ледяных переправ, например, для доставки балластных материалов из карьеров.
Таким образом, для обоснования принимаемых решений в исследуемой предметной области к настоящему времени выполнен целый ряд исследований, построен ряд организационно-технологических схем, но большинство из них отражают специфику только конкретной задачи, решаемой исследователем, и направлены на решение проблем, характерных именно для этой задачи. До настоящего времени не решены вопросы комплексного выбора оптимальных организационно-технологических и конструктивных решений при строительстве водопропускных сооружений в сложных условиях Севера.
К настоящему времени выполнено не много исследований общих методов формирования оптимальных конструкторских, технологических, организационных и управленческих решений. Одним из последних исследований такого рода является разработка Шепитько Т.В. методики выбора оптимальных организационно-технологических решений при строительстве и реконструкции железных дорог [112]. Тот же подход используется и в настоящей работе. При этом учитывается, что в практике руководителей строительных организаций пространство организационно-технологических решений сужено рамками имеющихся у них ресурсов. При этом число вариантов решений может быть все же велико для полного перебора, поэтому для направленного поиска используются математические методы.
Теоретическое обоснование оптимизации способов строительства водопропускных сооружений
Основное питание рек рассматриваемой территории осуществляется поверхностными водами снегового происхождения.
Половодье на реках имеет довольно высокую и острую волну, что объясняется быстрым стоком поверхностных вод, а также слабым влиянием пойменного, руслового и озерного регулирования.
В период половодья вода идет поверх льда и слоя снега на льду, при таянии талая вода смешивается с русловым снегом, образуя снежуру, в этот период обычно наблюдаются максимальные уровни. В зимний период реки не получают дополнительного питания из-за влияния вечной мерзлоты, в результате чего они имеют сильно пониженный зимний сток или промерзают до дна. Водный режим рек характеризуется весенним половодьем со средней продолжительностью 20-40 дней. Начинается половодье в конце мая - начале июня. Продолжительность подъема половодья значительно меньше спада. Спад длится в 2-2.5 раза дольше подъема. Во время половодья проходит 70% годового стока. После спада, который заканчивается в июле, наступает летне-осенний период, продолжающийся до середины октября.
Зимняя межень длится от 8.5 месяцев в северных районах и до 7-8 в южных. Формирование ледяного покрова на севере области начинается в первой половине сентября, а на юге - в конце сентября - начале октября. Ледостав устойчивый, средняя продолжительность его 220-240 дней. Максимальные расходы воды определялись по СНиП 2.01.14-83 при h0, изменяющемся от 535 мм у ст. Обская до 470 мм в районе 450 км трассы, Ко=0.004... 0.005. Cv=0.30; Cs=30v. Кроме того, расчеты выполнялись по УВВ, найденным на местности. Как правило, сходимость результатов получалась хорошая, в качестве расчетных чаще принимались расходы, определенные по УВВ, как наиболее достоверные. Геокриологические условия. Район проектируемой железной дороги характеризуется сложными инженерно-геологическими и, в особенности, геокриологическими условиями строительства мостовых переходов. Это объясняется, в первую очередь, повсеместным распространением сливающейся вечной мерзлоты, сильнольдистых просадочных при оттаивании грунтов, наличия на значительной части территории засоленных грунтов и весьма существенных колебаний температур грунтов в пределах мостовых переходов. Температура грунтов в речных долинах колеблется в широких пределах от -0.2С до -3С у русла, и до -1... -6 на пойме. В целом по железнодорожной линии температуры грунтов понижаются с юга на север, но из-за влияния растительности, в первую очередь, кустарниковой, усилий накопления снега и отепляющего влияния руслового потока происходят их значительные колебания. Проектируемые мостовые переходы представляется возможным разделить на следующие группы, инженерно-геологические и криологические условия строительства которых имеют существенные различия. Мерзлые рыхлые верхнечетвертичные ледниковые, леднико-морские и прибрежно-морские осадки, представленные в основном глинистыми грунтами и пылеватыми песками, имеют повсеместное распространение в южной и центральной части трассы. Поверхностные грунты, как правило, суглинистого состава обладают высокой льдонасыщенностью. Категория просадочности III-IV. Относительная осадка при оттаивании 0.2 - 0.4 и более. Мощность их достигает 10-15 м. Ниже эти грунты подстилаются пылеватыми песками или суглинками со сравнительно небольшой льдистостью. Категория просадочности I-II, редко III. Относительная осадка грунтов при оттаивании 0.0 -0.10. Тип основания и принцип проектирования опор мостовых переходов в этом случае рекомендуется выбирать в зависимости от температур вечномерзлых грунтов. Эти грунты оснований выявлены на мостовых переходах на км 189, 202,209,252,273,283,317,335, 340, 342, 348 и 350. Мерзлые рыхлые отложения, представленные верхнечетвертичными и современными засоленными осадками морского происхождения, широко распространены на центральном и северном участках трассы - км 210-506. Поверхностные глинистые грунты большей частью сильнольдистые III-IV категорий просадочности с относительной осадкой 0.1 - 0.3, редко более. Мощность этих грунтов обычно на превышает 10 м. Ниже они подстилаются пылеватыми песками и суглинками с небольшой льдистостью. Температуры грунтов колеблются в довольно широких пределах от -2 до -6С. Однако наличие засоленности изменяет начало замерзания грунтов и они при более низких температурах переходят в твердомерзлое состояние.
В химическом составе водных вытяжек преобладают ионы натрия, магния и хлора. Величина засоления грунтов легкорастворимыми солями колеблется в довольно широких пределах: пески 0.05-0.15%, в редких случаях 0.5-1%, супеси 0.15-0.2%, суглинки и глины 0.3-0.6%, в редких случаях до 1.0-2.0%.
Величины засоленности изменяются не только по простиранию слоя, но и по глубине на довольно значительные величины (особенно у суглинков и глин). Характерной особенностью засоленных песчаных грунтов Ямала является наличие в них межмерзлотных напорных высокоминерализованных вод - криопэгов. Они залегают в виде линз мощностью до 1.0 -1.5 м, а местами их мощность измеряется первыми сантиметрами. Температура криопэгов равна температуре окружающих мерзлых пород, минерализация вод достигает 40-120 г/л и чем ниже температура вечномерзлых грунтов, тем выше концентрация рассолов.
Объемно-конструктивные и организационно-технологические решения при возведении водопропускных сооружений на строительстве линии Обская-Бованенково
Разработке математических моделей и методов в железнодорожном строительстве посвящено значительное количество работ отечественных ученых, среди которых выделяются научные школы МИИТа, ЛИИЖТа, ЦНИИСа, НИИЖТа и др.[1, 4, 6, 13-14, 17, 26-28, 34, 44, 53, 69, 73, 78, 85-86,112].
Математические методы анализа вероятностных процессов, к числу которых относится выработка организационно-технологических решений в железнодорожном строительстве, предполагают наличие математической модели исследуемого процесса. В большинстве случаев в научных исследованиях в качестве идеализированных схем производственных ситуаций используются математические модели, созданные в рамках соответствующих разделов математики. Так, для решения задач планирования и составления графиков производства работ используются методы линейного и динамического программирования, сетевое планирование; решение задач перспективного планирования основывается на использовании методов множественной регрессии и т.п. [22, 111]. Полезность таких подходов, с точки зрения получения практически значимых результатов, подтверждается использованием основанных на них расчетных алгоритмов в различных АСУТП и АСУС. Они получили широкое распространение и в научной практике, что видно на примере множества диссертационных работ по организации строительства. Общую задачу календарного планирования сформулируем следующим образом [50, 75]. Заданы: 1) перечень планируемых к строительству объектов и характеристики выполняемых на них работ (объемы, трудоемкость, стоимость и т.д.); 2) общее количество ресурсов на любой отрезок планируемого периода; 3) производительность ресурсов типа мощности (кадры, строительная техника); 4) технологические требования производства работ. Требуется построить календарный план, удовлетворяющий всем условиям задачи и лучший с позиции заданного критерия качества. План должен удовлетворять ограничениям, в качестве которых могут выступать требования: 1) выполнения одной или нескольких работ (объектов) в заданные сроки; 2) уложиться в заданные лимиты по используемым ресурсам; 3) соблюдения заданных значений технико-экономических показателей; 4) соблюдения установленной технологии выполнения работ и очередности строительства объектов; 5) соблюдения заданных значений параметров, характеризующих надежность принимаемых организационных, технологических и экономических решений. В проектировании организации работ и управлении строительством процессы строительного производства моделируются, в основном, с помощью линейных графиков, циклограмм и сетевых графиков. Как указывается в [116], модель должна быть адекватна строительному процессу, то есть - отражать процесс строительства во взаимосвязи всех составляющих элементов; - отражать динамику процесса строительства и возможные отклонения параметров работ от первоначальных значений; - отражать влияние отклонений отдельных параметров на ход процесса и конечный результат; - быть формализованной, то есть отображаться в математических символах. Циклограмма не отвечает перечисленным требованиям. Во-первых, она не отражает взаимосвязи и взаимовлияния работ, неявно отображает технологически возможную последовательность работ. Во-вторых, динамику строительства она может отражать только в том случае, если последовательность и продолжительность работ не отклоняются от запланированных, иначе циклограмма нуждается в перестроении. Третьему и четвертому из перечисленных требований циклограмма не отвечает вообще. Линейный график отражает взаимосвязь и взаимовлияние работ лучше, чем циклограмма, но не столько по технологическим требованиям, сколько по соображениям поточной организации работ. Динамику строительства и возможные отклонения линейный график отражает недостаточно, только в пределах критических сближений между смежными потоками и при строгом соблюдении запланированной последовательности работ. При значительных отклонениях продолжительностей работ линейный график должен быть перестроен. Линейный график может быть отображен в математических символах, но расчеты по выявлению влияния отдельных отклонений не дают полезных для управления результатов, поскольку любое отклонение от линейного графика (например, превышение продолжительностей работ) приводит к отклонению от запланированной продолжительности строительства в целом и требует изменения принятой организации работ. В силу перечисленных недостатков линейный график, как модель вероятностного строительного процесса, не может быть выбран для настоящего исследования.
Всем перечисленным требованиям наилучшим образом отвечает сетевой график, который позволяет отразить технологические и организационные взаимосвязи между составляющими технологического процесса последовательностью стрелок-работ и зависимостей между событиями, а также любые отклонения параметров и состояние строительства в любой момент съема информации, благодаря его безмасштабности. Сложнее, с точки зрения отражения динамики . строительства, обстоит дело с моделированием на сетевом графике возможных вариантов технологической последовательности работ, но как показано в [116], возможно.
Преимуществом сетевого графика является, кроме того, возможность выделить из общего числа работ цепочку, определяющую продолжительность процесса - критического пути, а для работ, не лежащих на критическом пути, можно рассчитать резервы времени, отклонения в пределах которых сроки выполнения работ являются допустимыми.
Оптимизация технологии производства работ при строительстве свайно-эстакадных мостов
Полностью же формализованные алгоритмы решения оптимизационных задач управления, выбора решений имеют следующие недостатки. Во-первых, нельзя раз и навсегда предусмотреть все особенности и трудности изучаемой системы, с которыми можно встретиться в процессе ее функционирования в реальной обстановке, а, следовательно, и нельзя «наизобретать» впрок все возможные варианты и усовершенствования. Какова бы ни была степень универсальности алгоритма, всегда существуют патологические ситуации, для которых алгоритм окажется неполным.
Во-вторых, высокая степень универсальности приводит к очень сложным и медленно работающим алгоритмам. На самом же деле алгоритм как инструмент расчетов должен быть разумным сочетанием формализованных и неформальных процедур, оставляя возможность исследователю вмешиваться в процедуру расчетов на любом этапе, управлять процессом, варьируя управляемыми параметрами. То есть речь идет о необходимости создавать нестандартные, уникальные конструкции решения оптимизационных задач. Если все же попытаться сформулировать некоторые общие положения к формализации этих процедур, то они включают в себя обязательно следующие шаги: принцип сжатия множества вариантов, их последовательный анализ и отбраковка.
Методы решения различных оптимизационных задач, к числу которых относятся метод динамического программирования, метод ветвей и границ, декомпозиционный подход П.С. Краснощекова, градиентные методы (метод наискорейшего спуска, метод оврагов, новая реализация метода оврагов Н.Н. Моисеевым), которые соответствуют линейной аппроксимации функции f(x), метод Ньютона, который исходит из квадратичной аппроксимации f(x), то есть более точен, квазиньютоновские методы, в которых за счет модификаций устраняются некоторые недостатки метода Ньютона (демпфированный метод, метод Левенберга-Марквардта, метод тяжелого шарика и др.), в частности, снижается трудоемкость одной итерации, поисковые методы (не использующие производных) - все эти методы есть частные реализации общих принципов последовательного анализа. Их описание приведено в [112]. Приблизительное сравнение основных методов оптимизации может выглядеть следующим образом (табл. 2.1). Обобщая изложенное, можно отметить, что вариационное исчисление позволяет получить решение оптимизационной задачи, когда оптимум или экстремум лежат внутри области. В случае, когда оптимум находится на границе области, используются методы математического программирования.
При решении оптимизационных задач идут по пути использования готовых математических методов отыскания оптимумов. При этом на пути исследователя встречается много трудностей, не предусмотренных математической теорией, которые надо преодолевать, опираясь только на интуицию, опыт и понимание конкретного содержания задачи.
На I этапе исследования составляется представление о пределах регулирования выходных параметров модели с помощью входных, наличия или отсутствия оптимумов в поведении системы и т.д. На II этапе объект исследования описывается с помощью модели, учитывающей принципиально дискретный характер некоторых производственных ситуаций, их стохастический характер и т.п. Это описание уже применимо для получения количественных оценок характеристик реальной производственной ситуации в зависимости от ее пространственной топологии, включающей распределение объемов работ, и ресурсного оснащения. При этом информация, полученная на I этапе, позволяет сузить область поиска экстремумов.
Назначение и оконтуривание областей поиска оптимальных решений полностью возлагается на лицо, принимающее решения (ЛПР), а программный математический аппарат будет осуществлять в заданной области выбор узлов сетки, представляющий собой решение с экстремальными параметрами и при необходимости выполнять имитацию поведения производственной системы при реализации этих решений. В связи с тем, что выбор предпочтительного решения может производиться по нескольким критериям, руководителю может быть предъявлено для отбора несколько решений, представляющих собой множество Парето.
Таким образом, достигается рациональное соотношение между использованием мощностей вычислительных комплексов для выполнения расчетных операций и использованием знаний и опыта руководителя производства для выполнения трудно формализуемых процедур, требующих, к тому же, информации, которая часто не может быть получена в полном объеме или недостаточная достоверность которой должна компенсироваться опытом работы человека в-аналогичных ситуациях.
Целью научного исследования, как уже отмечалось, является поиск оптимальных режимов функционирования некоторой производственной системы, а сама эта система представляется идеальной схемой, для которой формируется критерий оптимизации и выполняются расчеты. Если в качестве идеальной схемы объекта исследования принимаются известные математические модели, то в качестве критерия оптимизации используется некоторая комбинация количественных характеристик этого объекта, построенная в соответствии с формальными правилами использования математической модели. Например, в задаче линейного программирования критерием оптимальности является линейная комбинация аргументов и параметров задачи. При оптимизации сетевых моделей в качестве критериев используются величины потоков в сети (длины путей), при использовании динамического программирования критерием является длина траектории перехода исследуемой системы через ряд ее состояний. Важной особенностью способов исследований подобного рода является гарантированная возможность получения численных оценок состояния системы. Однако, при этом требуется строгое установление соответствия "готовой" математической модели тем особенностям объекта исследования, которые должны быть учтены при решении задачи.
