9. Техника изысканий и проектирования дорог

Создание современной автомобильной дороги, соответствующей требованиям технической эстетики, возможно лишь при использовании современных прогрессивных методов изысканий и проектирования. В настоящее время разработаны технологические схемы проектно - изыскательского процесса, основанные на достаточно хорошо изученной аэрофотограмметрической съемке с применением радио- и светодальномеров для точного измерения расстояний и радиоэлектронных цифровых средств измерения углов и с широким использованием вычислительной техники на всех стадиях проектно - изыскательских работ. При этом электронные средства измерения расстояний и углов обеспечены регистрирующими цифровыми устройствами, позволяющими освободиться от традиционных журналов полевых работ, ошибок в записях результатов измерений, резко сократить время на обработку материалов полевых геодезических работ.

Применение стереофотограмметрических методов обработки материалов аэрофотосъемки, сгущение планово - высотного геодезического обоснования съемки на основе применения аналитических методов и ЭВМ, полуавтоматические и автоматические методы получения цифровых моделей местности (ЦММ) и цифровых геологических моделей местности (ЦМГ), трассирование по стереомоделям и ЦММ, профилирование и ортофотографирование и т. п., позволило в настоящее время перенести основные объемы изыскательских работ в камеральные условия, увеличить достоверность и объем изучаемой топогеодезической, геологической и экономической информации о районе изысканий, а также существенно повысить обоснованность принимаемых проектных решений.

В разных странах варианты технологических схем изысканий и проектирования несколько отличаются друг от друга, что связано с различной обеспеченностью территории топографической информацией, однако в целом схемы характеризуются применением материалов аэро- и наземной фотосъемки на всех стадиях работ, надежной и густой опорной геодезической сетью для обоснования фотосъемок, выборочным объемом полевых работ, высоким уровнем автоматизации как полевых, так и камеральных работ, широким применением аэровизуальных методов на рекогносцировочных изысканиях.

Применение аэрометодов существенно облегчает проведение полевых инженерно - геологических и гидрологических изысканий, особенно в труднодоступных районах. По материалам геологической аэросъемки получают обширную и разнообразную геологическую информацию, выявляемую при рассматривании снимков, по косвенным признакам или на основе ландшафтного анализа с учетом различных закономерностей отдельных элементов ландшафта между собой.

На стадии изучения и выбора вариантов трассы изыскиваемой дороги используют материалы аэрофотосъемки прошлых лет или вновь выполняемой, существующие топографические планы масштабов 1:25000 - 1:10000. При изысканиях небольших по протяжению участков и в горных условиях местности применяют наземные стереофотограмметрическую или инструментальную съемку. Масштабы аэрофотосъемки назначают в зависимости от возможностей стереофотограмметрических приборов и с учетом применения материалов аэрофотосъемки на всех стадиях. Учитывая, что проектные организации страны оснащены в основном стереопроекторами СПР - 2 и СПР - 3, "стереометрографами" и в малом числе "топокартами", масштаб аэросъемки назначают 1:15 000 - 1:8000. По материалам аэрофотосъемки составляют топографические планы в масштабах 1:5000 - 1:2000, а на сложные местности в масштабе до 1:500. Полученную топографическую информацию используют для выбора конкурентно способных вариантов, из сопоставительного анализа которых определяют окончательный вариант трассы.

Выбор вариантов трассы возможен и при использовании топографических карт масштаба 1:10 000 - 1:25 000. Как показали исследования, выполненные Гипродорнии Минавтодора РСФСР в 1973 г., ошибки, свойственные картам данного масштаба, не оказывают существенного влияния на транспортную составляющую. В этом случае на карте намечают конкурентно способные варианты, по каждому из которых снимают с карты необходимую топографическую информацию и с учетом конкретных условий проектирования, используя, например, программу оптимизации продольного профиля канд. техн. наук В. И. Струченкова, проектируют продольный профиль и основные элементы трассы.

Анализ результатов проектирования по вариантам позволяет отобрать перспективные, по которым осуществляют аэрофотосъемку, выполняемую криволинейными маршрутами, масштаба 1:10 000 - 1:8000. Применение вместо традиционной прямолинейной (рис. 82, а) криволинейной аэрофотосъемки позволяет сократить объемы полевых и камеральных фотограмметрических работ, располагая маршруты вдоль оси исследуемой трассы дороги (рис. 82, б).

82

Аэрофотосъемку, выполняемую криволинейными маршрутами, можно производить с использованием разного рода носителей: самолетов, вертолетов и радиоуправляемых моделей. Для осуществления аэрофотосъемки криволинейным маршрутом ГосНИИ ГА разработано новое навигационное оборудование, позволяющее автоматически вести аэрофотосъемочный самолет по заданной оси фотографируемого маршрута, обеспечивая необходимую величину перекрытия фотоснимков и допустимые величины углов наклона оптической оси фотокамеры.

Исследования, выполненные ЦНИИГАиК и Гипродорнии, с целью определения возможности применения вертолетов для крупномасштабной (до 1:500) аэрофотосъемки убедительно показали целесообразность применения таких носителей. Особенно большой эффект может дать применение вертолета КА - 26 для изысканий линейных инженерных объектов (автомобильные и железные дороги, газо- и нефтепроводы, радиорелейные линии связи и т. д.), а также для паспортизации и обследования существующих и реконструируемых дорог.

По материалам криволинейной аэрофотосъемки осуществляют сопоставительный анализ оставшихся конкурентноспособных вариантов трассы дороги. Для этой цели на основе фотограмметрической обработки материалов аэрофотосъемки получают необходимую топографическую, геологическую и другую информацию на особо сложные участки местности, требующие проектирования крупных инженерных сооружений (мосты, тоннели и т. п.). Эту информацию используют для проектирования элементов трассы с последующей транспортно - экономической оценкой по вариантам. Анализ результатов позволяет выбрать окончательный вариант трассы, проектирование которой может осуществляться разными путями в зависимости от степени использования ЭВМ.

Существующие в настоящее время автоматизированные системы трассирования и проектирования дорог основаны на принципиально одинаковых положениях независимо от того, в какой стране они разработаны и на какое техническое оснащение рассчитаны. Но во всех случаях автоматизированные системы представляют собой человеко-машинные комплексы, в которых четко разделены функции инженера - изыскателя и проектировщика, с одной стороны, и автоматизированные системы геодезических, фотограмметрических измерений, а также вычислительные и графические возможности ЭВМ и терминальных устройств, с другой стороны. В существующих автоматизированных системах человек участвует во всех этапах проектно - изыскательского процесса.

Рассмотрим более подробно некоторые этапы изыскании и проектирования дороги, оригинальные решения которых представляют интерес с точки зрения эффективности использования ЭВМ. Зону трассирования на первых этапах выбирают по материалам аэрофотосъемки, по картам и топопланам с учетом геометрических параметров проектируемой дороги и топографо-геологических характеристик местности. Для выбора зоны трассирования в некоторых странах применяют специальные программы для ЭВМ, с помощью которых зоны трассирования учитывают два вида параметров: "стоимостные зоны" и "стоимостные линии". Стоимостные линии, имея любую форму, намечаются проектировщиком в изучаемом районе с присвоением определенной стоимости. При пересечении зоной трассирования таких линий их стоимость складывают или вычитают из существующей стоимости. Стоимостные линии аппроксимируют прямыми линиями, координаты которых вводят в ЭВМ. За стоимостные линии принимают: реки, ирригационные сооружения, дороги, геологические особенности рельефа, характерные элементы ситуации.

Стоимостные зоны представляют в виде замкнутых контуров с заданными значениями стоимости на единицу длины трассы, расположенной внутри зоны. Стоимостные зоны аппроксимируют ломаными линиями, координаты которых вводят в ЭВМ. При пересечении трассой дороги зоны стоимость варианта увеличивают или уменьшают пропорционально длине участка трассы, проходящей через данную зону. ЭВМ позволяет на основе введенной информации выбрать зону трассирования, обеспечивающую минимальную стоимость строительства дороги при заданной эффективности капитальных вложений.

Применяют и другие способы выбора зоны трассирования с использованием материалов аэрофотосъемки (в том числе и перспективной), ЭВМ, аналитических методов обработки материалов фотограмметрических измерений.

После выбора зоны трассирования с фиксированными точками трассы на нее в некоторых странах составляют ЦММ разного типа в зависимости от принятой технологии проектирования. Иногда составляют на зону цифровую модель рельефа (ЦМР), которую используют для автоматизированного составления топографического плана исследуемой местности.

Для автоматизированного получения ЦММ и ЦМР существует значительное число специальных фотограмметрических приборов, снабженных автоматическими регистрирующими устройствами, устройства регистрации и преобразования графической информации в цифровую форму, удобную для непосредственного ввода в ЭВМ.

В результате машинной обработки ЦММ получают числовую информацию по рассматриваемому варианту трассы (плановое положение трассы, профиль местности по оси дороги и необходимые геодезические данные для проектирования элементов трассы).

В результате аналитической обработки ЦМР при помощи ЭВМ и разного рода картосоставительных приборов получают топографический план местности, который используется как исходный материал для проектирования.

В настоящее время при изысканиях дорог и других линейных объектов наземную стереофотограмметрическую съемку (НСС) применяют с аналитической обработкой материалов измерений при помощи ЭВМ. В зависимости от способа планово - высотной подготовки НСС, пространственного положения базиса фотографирования и элементов внешнего ориентирования фотоснимков ее подразделяют: на фотограмметрическую съемку общего случая, когда пространственное положение базиса фотографирования произвольно и не известно; фотограмметрическую маршрутную съемку с разреженным геодезическим обоснованием, аналитическое сгущение которого выполняют при помощи ЭВМ.

Фотограмметрическую съемку общего случая применяют при изысканиях как труднодоступных горных участков местности с наклонными оптическими осями фотокамер, так и плоскоравнинных застроенных территорий местности (промплощадки, железнодорожные станции, путепроводы и т. п.). Фотографирование ведут при произвольном, но наиболее целесообразном для каждого конкретного случая съемки положении базиса фотографирования. Аналитический и строгий способ обработки материалов съемки позволяет фотосъемку производить и с качающейся опоры (с автовышек, с речных и морских судов). В результате обработки материалов съемки при помощи ЭВМ получают величины геодезических координат любого количества точек исследуемой местности, которые используют для составления при помощи графопостроителей топографических крупномасштабных планов, ЦММ и т. п.

Вторая группа способов НСС позволяет сократить объемы полевых геодезических работ по созданию планово - высотного обоснования, осуществлять маршрутную фотосъемку исследуемой территории, в процессе камеральной обработки которой вычислять геодезические координаты необходимого числа точек местности и величины установочных элементов для последующей графо - механической рисовки топографических планов.

В ряде стран для получения крупномасштабных топопланов применяют специальную технологическую схему изысканий, основанную на применении электронных тахеометров.

Известны и другие полуавтоматические методы инструментальных съемок локальных участков местности.

Применение ЭВМ при проектировании элементов трассы дороги позволяет получить большой экономический эффект по сравнению с традиционными методами. Однако аналитические методы не являются универсальными и не позволяют решать все вопросы, стоящие перед проектировщиком. Следует учитывать не только стоимость дороги, но и безопасность движения, развитие дорожной сети и другие факторы.

Известно, что основным источником получения информации для водителя является зрение. Скорость движения автомобиля также оценивается через относительное перемещение отдельных объектов ландшафта в поле зрения водителя. Через индивидуальное восприятие скорости водитель вносит необходимые коррективы в управление автомобилем. Естественно, чем стабильнее обстановка, воспринимаемая водителем, тем увереннее он управляет и тем меньше необходимость менять режим движения. Оптическая неопределенность направления трассы, резкое изменение условий движения являются причиной снижения безопасности движения.

Совокупность восприятия деталей ландшафта может быть причиной и оптических иллюзий. Неправильное восприятие окружающей среды и дорожных условий приводит к ошибочным действиям водителя. Поэтому трасса дороги, придорожные сооружения, окружающий ландшафт должны обеспечивать "оптическую безопасность".

Существует ряд эмпирических правил, которыми пользуются в целях обеспечения оптической ясности трассы.

Одним из наиболее распространенных правил является соблюдение требований, чтобы изменения кривизны в плане 1 и в профиле 2 примерно совпадали (рис. 83).

83

Не менее важным требованием современного проектирования является обеспечение гармонического сочетания дороги с окружающим ландшафтом.

Для визуальной оценки проектов часто прибегают к пространственному их анализу с рассмотрением отдельных проекций (плана, профиля и поперечников). Такую оценку выполняют по перспективным изображениям, по фотомонтажам и масштабным моделям. Для этих же целей в настоящее время применяют ЭВМ с дисплеем, которые позволяют выводить на телевизионный экран запроектированные участки трассы (план, профиль, поперечники и перспективы дороги). Необходимые изменения осуществляются прямо на экране с помощью светового пера с автоматическим переносом изменений на чертежи плана и профиля трассы с помощью графопостроителя.

Для визуальной оценки запроектированных транспортных развязок, участков пологих уклонов, сочетаний различных по величине уклонов и т. п. изготовляют масштабные модели на основе составленной проектной документации. Для этой цели разработаны моделескопы.

Анализ гармоничности сочетания элементов плана и профиля является весьма сложной задачей. Применение моделей позволяет проектировщику эффективно вносить необходимые исправления в проект, оценивать "провалы" на участках трассы. В настоящее время для особенно сложных участков трассы изготавливают и анализируют мелкомасштабные модели, позволяющие исследовать большие по протяжению участки дорог.

Однако не всегда удается добиться хорошей гармонии сочетания элементов дороги и окружающего ландшафта, особенно это относится к скоростным магистралям, имеющим широкое земляное полотно, которое на фоне окружающей местности выглядит массивным. Выполненные при помощи ЭВМ перспективы, фотографирование масштабных моделей также не всегда решают задачу эстетики дороги. Для более качественной оценки проекта применяют метод фотомонтажа, по которому фотографию окружающего ландшафта объединяют с перспективным изображением участка дорожного полотна, полученным при помощи ЭВМ (рис. 84), и анализируют сочетание рельефа и элементов дороги (рис. 85).

84

85

Существует несколько методов фотомонтажа, в основе которых заложены фотограмметрические методы. Для получения фотоизображений по данному методу используют разную фотоаппаратуру (фототеодолиты, фотоаппараты, АФА и т. п.). Фотомонтаж выполняют на увеличенных до размеров 45X60 см снимках. Точное местоположение съемочной фотокамеры определяют аналитически при помощи ЭВМ на основе известных величин геодезических координат трех точек, изобразившихся на фотографии. Построенные при помощи ЭВМ перспективы для той же точки фотографирования (визирования) выводят на экран ЭЛТ или графопостроитель в том же масштабе и фотографируют. Далее осуществляют фотомонтаж двух изображений с использованием трех общих точек.