Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методов выбора положения трассы и задачи исследования 8
1.1. Применение математических методов и ЭВМ при выборе положения трассы 8
1.2. Задачи исследования и сфера применения 25
2. Цифровые модем инншерно-гео логических условий и рельефа для автоматизации трассирования в равнинной местности 29
2.1. Обзор цифровых модолей местности 29
2.2. Стоимостно-цифровая модоль инженерно-геологических данных для трассирования в равнинном рельефе и ее обоснование 33
2.3. Совмещенная модоль рельефа и инкенерно-ге о логических данных 48
3. Поиск направления трассы проекгирумой еелезнои дорош в виде магистрального хода 54
3.1. Основные предпосылки для построения магистрального хода 54
3.2. Построение магистрального хода на участке в несколько перегонов с размещением раздельных пунктов 58
3.3. Построение магистрального хода в пределах перегона 76
4. Расчет критерия оптимальности при трассировании е слоеных природных условиях равнинной местности 82
4.1. Общие положения
4.2. Построение профиля земли по назначенному плану трассы 84
4.3. Проектирование продольного профиля для сравнения вариантов трассы в равнинной местности 86
4.4. Подсчет объемов работ по сооружению земляного полотна 91
4.5. Определение стоимости малых водопропускных сооружений 98
4.6. Определение строительной стоимости варианта трассы 100
4.7. Определение эксплуатационных расходов по варианту трассы 104
5. Методика выбора направления трассы в сложных природных условиях равнинной местности и пншенше результатов исследования 106
5.1. Методика выбора направления трассы в сложных
природных условиях равнинной местности 106
5.2. Применение результатов исследования ИЗ
Выводы 121
Список использованных источников 124
Приложение 1
- Задачи исследования и сфера применения
- Стоимостно-цифровая модоль инженерно-геологических данных для трассирования в равнинном рельефе и ее обоснование
- Построение магистрального хода на участке в несколько перегонов с размещением раздельных пунктов
- Проектирование продольного профиля для сравнения вариантов трассы в равнинной местности
Задачи исследования и сфера применения
При проектировании первых железных дорог сразу возникла проблема получения экономически наилучшей трассы, С накоплением опыта проектирования железных дорог вырабатывались приемы трассирования, с помощью которых сразу отбрасывались заведомо нерациональные варианты, А получаемые трассы отвечали существующим в то время техническим ограничениям, Принципы трассирования были разработаны основоположником отечественной транспортной науки П,П. Мельниковым во время проектирования первой русской магистрали Петербург - Москва. В качестве основного требования проведения трассы на ровной местности ученый выдвинул прямизну. При трассировании на местности со сложной топографией П.П. Мельников выдвинул принципы максимального использования предельного уклона и наивыгоднейшего вписывания в рельеф местности. Однако в ряде случаев, особенно в сложных инженерно-геологических и орографических условиях, выработанные приемы трассирования не позволяют получать трассу, достаточно близкую к оптимальной. Поэтому в теории и практике трассирования наметился переход к машинно-ориентированным методам поиска наилучшего варианта трассы из всех технически возможных.
В настоящее время уже разработаны методы, которые позволяют получать оптимальные решения при трассировании на локальных участках трассы и решении отдельных проектных задач.
Процесс трассирования неразрывно связан с такими проектными задачами, как проектирование продольного профиля, распределение земляных масс, выбор типов и размеров водопропускных сооружений, определение эксплуатационных расходов по передвижению поездов и др. Совместное решение этих задач чрезвычайно сложно и пока практически не реализовано на ЭВМ.
Важное место при трассировании дорог занимают вопросы автоматизированного проектирования продольного профиля.
В 1961 году ВНИИ транспортного строительства и Институтом кибернетики АН УССР для автоматизированного проектирования продольного профиля был предложен метод последовательного анализа вариантов /3.13, 2.18, 2.19, 3.14/, разработанный на базе динамического программирования /2.20/. Как известно, применение методов динамического программирования допустимо для задач с аддитивным критерием. При проектировании продольного профиля возникают задачи распределения земляных масс и определения эксплуатационных расходов по передвижению поездов. В связи с этим применение метода последовательного анализа вариантов на стадии разработки технического проекта не гарантирует получения оптимального продольного профиля для дорог в пересеченной местности. Разработка этого метода имеет большое значение для развития автоматизации проектирования автомобильных и железных дорог в районах с равнинным рельефом местности.
Значительное место уделено методам оптимального проектирования продольного профиля проф. Ю.К. Полосиным в работе /2.2/. В качестве возможных методов оптимизации предлагаются методы дифференциального и вариационного исчисления, сочетания дифференциального исчисления и итераций, оптимального программирования, поиска кратчайшего пути в графе, проб и статических испытаний, обхода узлов многомерной сетки, возможных направлений. В работе разработаны рекомендации по использованию этих методов при проектировании продольного профиля.
Применение метода статических испытаний для оптимизации продольного профиля рассмотрено проф. Б.А. Волковым в /3.18/ на примере проектирования продольного профиля второго пути. Этот метод дает возможность оптимизировать продольный профиль с наперед заданной вероятностью путем анализа проб - случайных положений проектной линии профиля. Однако при этом можно получить недопустимый по техническим условиям вариант проектной линии, если оптимальное решение получается при использовании предельных уклонов или их разностей. Для сокращения числа испытаний используется поэтапная процедура поиска. Полученные в работе результаты справедливы для оптимизации профиля любого линейного объекта.
В 1970 году проф. И.В. Турбин предложил метод улучшения продольного профиля на основе численного решения вариационной задачи /3.21/. Этот метод позволяет улучшать проектную линию при неаддитивном критерии. Однако при оптимизации предполагается фиксированное количество элементов профиля. Подробный анализ методов проектирования продольного профиля - II дан в работах /2.21, 3.15/. В лаборатории автоматизации проектно-изыскательских работ ВНИИ транспортного строительства под руководством проф. Б.К. Ма-лявского к.т.н. В.И. Струченковым разработан градиентный метод оптимизации продольного профиля. В /3.15/ приводятся результаты сопоставления разработанных программ с применением методов наискорейшего спуска с использованием штрафных функций, покоординатного спуска для решения двойственной задачи, сопряженных градиентов для решения исходной и двойственной задач, проекции градиента. В результате установлено, что наиболее эффективным оказывается использование модификации алгоритма метода проекции градиента /2.21, 3.16, 3.17/.
Оптимизации продольного профиля второго или реконструируемого пути посвящены работы к.т.н. В.А. Бучкина /3.19, 2.22/. Разработанный им метод минимальных перепроектировок позволяет производить улучшение проектного решения с оптимизацией размещения переломов проектной линии.
Для автоматического проектирования продольного профиля в настоящее время наиболее детально разработаны и нашли широкое применение на практике метод последовательного анализа вариантов и метод проекции градиента.
При определении суммарных приведенных затрат, которые являются критерием для оценки вариантов трассы, нужно знать затраты на единицу объема земляных работ. Эти единичные затраты можно правильно установить только после выбора способов производства земляных работ и распределения земляных масс.
Стоимостно-цифровая модоль инженерно-геологических данных для трассирования в равнинном рельефе и ее обоснование
Сложность и разнообразие природных условий значительно увеличивают количество факторов, влияющих на положение трассы. Для выбора объективно наилучшего варианта трассы в этих условиях необходима оценка стоимости строительства и эксплуатации дороги на территориях с различными инженерно-геологическими, гидрологическими и геокриологическими условиями.
В 1977 году автором совместно с кандидатами технических наук Г.Л. Аккерманом и Г.Д. Михайловым была разработана стоимостно-цифровая модель инженерно-геологических условий, которая несет в себе информацию о сложности строительства и эксплуатации дорог в равнинной местности со сложными природными условиями /3.37/.
Стоимостно-цифровая модель инженерно-геологических данных (СЦММ) представляет собой совокупность однородных областей, в пределах которых покилометровые стоимости строительства и эксплуатации дороги практически не изменяются.
В настоящее время разработаны методики выделения областей с примерно однородными природными условиями, которые основаны на использовании ландшафтно-индикационного метода дешифрования аэрофотоснимков /2.32, 2.33, 4.1, 3.51/.
Стоимостные показатели для каждой однородной области могут быть определены с помощью выражения Э-&{К„ Кк+КеНСт +С„у)Е н\ (2-і) где Kjf] - стоимость сооружения I км земляного полотна; і вс - стоимость водопропускных сооружений, отнесенная к I км трассы; /\ - стоимость по главам I и 4-9 сметы, отнесенная к I км трассы; - 34 к - коэффициент, учитывающий стоимость по главам 10-13 сметы, а также непредвиденные работы и затраты; Lgfj - годовые эксплуатационные расходы по передвижению поездов, приходящиеся на I км линии; СЛу- годовые эксплуатационные расходы на содержание I км постоянных устройств; LH - отраслевой нормативный коэффициент сравнительной эффективности. При расчете стоимостных показателей предполагается, что в пределах каждой однородной области можно выбрать рациональную конструкцию земляного полотна, определить объемы и способы производства работ, распределить малые водопропускные сооружения, определить расходы по передвижению поездов. Однако в связи с тем, что стоимостные показатели определяются до начала трассирования, при их вычислении возможны некоторые погрешности.
Наиболее существенными факторами, влияющими на стоимость земляного полотна, являются: - конструкции земляного полотна; - рабочие отметки; - способы производства работ и дальности возки грунтов.
Государственным научно-исследовательским и проектным институтом Гипротгоменнефтегаз отработана методика выделения однородных областей и уже проведены обследования обширных территорий Западной Сибири (районы Верхнего, Среднего и Нижнего Приобья), для которых определены характеристики свойств грунтов.
«Идя выделенных однородных областей разработаны свои типы конструкций земляного полотна. Так, для различных типов болот и переувлажненных оснований разработаны типовые конструкции поперечных профилей земляного полотна, которые вошли в альбом типовых поперечных профилей (инв. & 366). Для затопляемых и замерзлочен - 35 ных территории конструкции земляного полотна назначаются по аналогии с конструкциями на других линиях, построенных в схожих условиях. Такие решения часто применялись при проектировании железной дороги Сургут-Уренгой. Аналогами в этом случае были линии Тюмень-Тобольск-Сургут и Сургут-Нижневартовск. На линии Сургут-Уренгой участки индивидуального проектирования земляного полотна составили лишь 18$ (100 км), из них подтопляемые насыпи в пределах пойм больших и малых рек - 79$ /3.39/.
При проектировании дорог в сложных природных условиях равнинной местности используются конструкции земляного полотна в виде насыпей /3.39/. Причем конструкцию их определяет не рельеф, а геологические, гидрологические и геокриологические условия.
В /3.48/ приводятся результаты сопоставления точности определения мощностей торфяных залежей, полученных по материалам специализированных инженерно-геологических съемок на картах масштаба 1:25000 и по данным традиционных наземных изысканий (табл. 2.1 и 2.2).
Выявленные ошибки показывают, что точность определения мощностей торфяных залежей, влияющая на выбор конструкции земляного полотна, по материалам специализированных инженерно-геологических съемок, проводимых ландшафтно-индикационным методом дешифрирования аэрофотоматериалов, не уступает точности определений по материалам наземных изысканий. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о достаточной информативности материалов специализированных съемок. Это дает основание считать, что конструкции земляного полотна в пределах однородных областей могут быть выбраны с достаточной точностью для выбора направления трассы.
При определении границ однородных областей также возможны погрешности, которые могут привести к ошибкам при вычислении критерия оптимальности. Причем эти ошибки зависят от типов соседних однородных областей.
На примере одного из районов Среднего Приобья определены погрешности определения границ однородных областей, которым соответствует ошибка при вычислении критерия оптимальности в один процент. На схеме природно-территориального комплекса были веделены следующие типы однородных областей:
Построение магистрального хода на участке в несколько перегонов с размещением раздельных пунктов
Однако при этом приходится вводить ряд допущений: не учитывается распределение земляных масс между грунтопоставщиками, эксплуатационные расходы определяются по средней ходовой скорости, считается, что взаимосвязь соседних элементов магистрального хода не оказывает существенного влияния на положение трассы.
Специфические условия района проектирования дают основания считать, что указанные факторы не являются определяющими при выборе направления трассы. Например, на линии Сургут-Уренгой максимальное использование геологических предпосылок дало возможность разведать свыше 200 месторождений песков, что в среднем составило одно на 3,2 км трассы /3.39/. Значит, неучет распределения земляных масс между грунтопоставщиками не приводит к большой погрешности при вычислении критерия оптимальности. Степень влияния различных факторов на критерий оптимальности исследована в разделе 2.2. Результаты исследования позволяют сделать вывод, что при построении магистрального хода критерий оптимальности практически можно считать аддитивным по длине трассы.
Принцип построения магистрального хода основан на использовании метода последовательного анализа вариантов, разработанного в Институте кибернетики Академии наук УССР. Основными достоинствами метода последовательного анализа вариантов являются: - поэтапное сравнение и отсев вариантов во всех точках, где рассматриваемые варианты сходятся, что значительно сокращает количество комбинаций вариантов магистрального хода; - возможность остановки и возобновления работы программы на ЭВМ на любом участке трассирования.
При построении магистрального хода в широкой полосе варьирования на участке протяженностью порядка 50-70 и более километров эти факторы имеют решающее значение, так как они значительно сокращают время счета и позволяют использовать приемлемый объем оперативной памяти ЭВМ.
Совокупность достоинств и недостатков дает все основания считать, что применение метода последовательного анализа вариантов является правомерным при выборе направления трассы в виде магистрального хода. Задача поиска магистрального хода может быть разбита на две части: 1. Построение магистрального хода на участке в несколько перегонов с размещением раздельных пунктов. 2. Уточнение положения магистрального хода в пределах перегонов. На первом этапе важно установить принципиальное расположение раздельных пунктов и основное направление проектируемой железной дороги на всем участке. На этом этапе определяется положение магистрального хода, состоящего из отрезков большей длины, в широкой полосе варьирования. Эта часть задачи поиска магистрального хода решается без учета ограничений на величину утла поворота между соседними отрезками магистрального хода.
Во второй части задачи определяется положение магистрального хода из отрезков меньшей длины в узкой полосе варьирования, с учетом ограничений на величину угла поворота между соседними отрезками магистрального хода. Эти ограничения вводятся для того, чтобы получаемый магистральный ход максимально приближался к плану трассы, удовлетворяющей всем требованиям СЕиП П-39-76. Построение магистрального хода на участке в несколько перегонов с размещением раздельных пунктов
Комплексное решение задачи размещения раздельных пунктов на участке значительной протяженности оказывает влияние на положение трассы железной дороги, ее пропускную, а следовательно, и провозную способность, условия и стоимость ее эксплуатации, а также расположение поселков, величину первоначальных капитальных вложений, возможные мероприятия по этапному увеличению мощности дороги. Результаты исследований, изложенные в /3.59, 3.60/, доказывают, что изменение размещения площадок раздельных пунктов как на участках напряженного хода, так и на вольных ходах, вызывает необходимость изменения положения трассы.
Основной нормой, определяющей схему размещения раздельных пунктов и соответственно длину перегонов, является расчетная пропускная способность.
Наличие сложных природных условий значительно усложняет размещение раздельных пунктов. Это связано с тем, что в этих условиях сложно найти территории, в пределах которых допускается располагать раздельные пункты. Поэтому при проектировании в районах со сложными природными условиями часто получаются неидентичные по времени хода перегоны. Так, для железной дороги Тобольск-Сургут-Нижневартовск получены следующие характеристики распределения длин перегонов (табл. 3.1).
Проектирование продольного профиля для сравнения вариантов трассы в равнинной местности
Переход от имеющегося магистрального хода к трассе осуществляется в диалоговом режиме. Вблизи магистрального хода наносится трасса, удовлетворяющая всем требованиям СНиП. Для этого варианта трассы вычисляется величина критерия оптимальности с учетом распределения земляных масс между грунтопоставщиками, инерции движения поездов, а также с выбором типов и типоразмеров водопропускных сооружении.
Автоматизация расчета критерия оптимальности позволяет существенно уменьшить трудоемкость оценки проектных решений, задаваемых инженером, и способствует улучшению качества вариантного трассирования.
Для любого уровня автоматизации процесса трассирования за проектантом остается ведущая роль в анализе и выборе проектных решении, корректировке исходных данных, ограничений, изменений планового положения трассы, а также выработка новых ее вариантов. При переходе к автоматизированной технологии трассирования изменяются функции инженера-проектироБЩИка. Его творческая роль возрастает, так как главной задачей становится анализ положения трассы, уже имеющей конкретные оценки в соответствии с принятым критерием, и его уточнение /3.2/.
В зависимости от стадии проектирования уровень автоматизации, степень детализации и методы технико-экономических расчетов при сравнении вариантов трассы могут быть различны. Менее точные расчеты допустимы на предпроектных стадиях, а также при сравнении вариантов, существенно различающихся по объемам и стоимости - строительных работ. При выборе положения трассы на предпроектной стадии в диалоговом режиме предполагается нанесение плана трассы на совмещенную модель рельефа и инженерно-геологических условий (см. раздел 2.3) инженером-проектировщиком и автоматизированный расчет критерия оптимальности.
Не исключена возможность использования механической модели магистрального хода для выделения мест расположения вершин углов поворота трассы и определения направлений и величин сдвижек отрезков магистрального хода при переходе к трассе в диалоговом режиме /3.62/. Б этом случае магистральный ход рассматривается в виде механической системы, находящейся под действием сил, характеризующих изменение приведенных затрат. При определении величин и направлений сил применяется метод итераций. Для окончательного загружения строится эпюра относительной эффективности сдвижек участков магистрального хода. Если трассу не удается гладко уложить вблизи магистрального хода, то наибольшие отклонения следует делать в местах и наибольшими ординатами эпюры. Такое представление магистрального хода позволяет получить наглядную картину о направлении и относительной эффективности сдвижек для обеспечения минимума потерь критерия оптимальности при нанесении плана трассы вблизи магистрального хода.
Определение технико-экономических показателей для назначенного варианта плана трассы выполняется последовательными этапами: - построение профиля земли по оси трассы; - проектирование продольного профиля; - размещение и определение стоимости водопропускных сооружений; - подсчет объемов земляных работ и составление оптимального - плана распределения земляных масс между грунтопоставщиками; - определение строительной стоимости варианта трассы; - определение эксплуатационных расходов по варианту трассы. Затем проводится анализ плана, продольного профиля и полученных оценок и корректируется план трассы с целью ее улучшения. При достижении наилучшего решения расчеты прекращаются.
Предлагаемый метод автоматизированного расчета критерия оптимальности отвечает требованиям, отмеченным в /3.2/: - возможность автоматизированной подготовки исходных данных и использование единого информационного обеспечения в процессе вариантного проектирования; - развитое программно-математическое обеспечение; - техническое оснащение, характеризующееся высоким быстродействием процессора, большим объемом его оперативной памяти; - возможность участия инженера в проектном процессе на базе оперативного контакта с ЭВМ на различных этапах проектных расчетов. Для обеспечения объективности выбора положения трассы в критерий оптимальности включаются те слагаемые, которые могут отличаться по вариантам. Структура критерия оптимальности представлена формулой (2.1).
Похожие диссертации на Выбор направления трассы железной дороги в сложных условиях равнинной местности
