Для примера взят небольшой участок (7 км). Деление на проектнотехнологические модули получилось достаточно дробным. В дальнейшем будет исследован вопрос о возможности увеличении протяженности ПТМ исходя из степени однородности конструктивных и технологических решений.

Для расчета вариантов календарного графика в составе ПОС мы ис-

пользовали программы «Potok-СибАДИ» [19] и MS Project Professional 2010. Схема расчета чистого дисконтированного дохода по вариантам изображена на рис. 4.7. В качестве доходов от строительства дороги приняты только доходы в транспортной сфере. Срок строительства по второму варианту сокращен на 9 месяцев, индекс доходности по первому варианту составил 1,078; по второму варианту (с параллельно-поточной организацией работ) – 1,236.

Рис. 4.7. Интегральный дисконтированный эффект по двум вариантам организации строительства

4.3. Имитационная модель проектирования организации строительства дорог на многолетнемерзлых грунтах

Для моделирования производства работ в сложных условиях наиболее приемлемой с научной и практической точки зрения можно считать методологию управления проектами (УП) [27,34,134, 135,150,157]. С поз иций проектного управления составление календарного плана включает следующие процедуры:

113

−структурная декомпозиция работ проекта, исходя из конструк- тивно-технологических особенностей объекта;

−установление последовательности и взаимосвязей работ с использованием организационно-технологических моделей;

−оценка потребности работ проекта в ресурсах на основе нормати-

вов;

−определение продолжительности работ с учетом ограничений по ресурсам;

−разработка вариантов графика работ и потребности проекта в ресурсах по периодам строительства;

−оптимизация графиков работ по временным, ресурсным и стоимостным критериям.

Наиболее проработанные в настоящее время модели формируют стандартный подход к управлению жизненным циклом проекта. Эти модели имеют лучшее на современном этапе программное обеспечение, в

том числе Microsoft Project 2010, Spider Project, Primavera, Sur e T rak Project и др. Техника разработки календарного графика отображена на рис. 4.8.

Реализация процесса планирования по приведенной схеме (см. рис. 4.8) позволяет в автоматическом режиме формировать различные графические модели календарного планирования: линейные графики Ганта, сетевые модели. MS Project автоматически формирует критический путь проекта, т.е. выделяет задачи, которые определяют длительность проекта

вцелом и не имеют резервов времени.

Кроме планирования современное программное обеспечение позволяет решать многие задачи управления ресурсами и сроками: корректировать графики при отклонении от плана, выравнивать потребности ресурсов, учитывать риски при выполнении проекта, вести бюджетирование проекта и многие другие. Однако многие технологические параметры в приведенных моделях (например, организационные и технологические перерывы) не могут быть заданы как исходные данные без дополнительных расчетов с применением специальных организационнотехнологических моделей. Кроме того, данные модели не в полной мере приспособлены к решению задач календарного планирования в линейном транспортном строительстве. Приведенный в работе [129] порядок моделирования сетевых графиков в природно-технологических системах учитывает ряд особенностей, связанных со строительством земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах (ММГ), но оставляет нерешенными вопросы расчета некоторых параметров самих графиков.

114

Рис. 4.8. Принципиальная схема разработки календарного плана в программе Microsoft Project 2010

Сетевые модели не в полной мере приспособлены к решению задач календарного планирования в линейном транспортном строительстве, так как в качестве основной характеристики работ принята их продолжительность. В то же время для определения сроков производства работ на про- ектно-технологических модулях, для оценки величины фронтальных связей между процессами необходимы дополнительные расчеты с использованием специальных организационно-технологических моделей.

В работах [19,31,94] дано обоснование перехода от моделей «временного типа», в которых рассматривается степень совмещения работ во времени, к моделям «объемного типа», в которых увязка работ осуществляется по степени совмещения по фронту работ, применительно к строительству линейно-протяженных объектов.

115

где VA(t) , VB (t) – объемы работ A и B , выполняемые к моменту t ; VC – величина задела, т.е. объем работы A, который нужно выполнить прежде, чем приступить к работе B ; VA – полный объем работы A.

Из известных имитационных моделей наиболее соответствует требованиям линейного транспортного строительства в сложных условиях ор- ганизационно-технологическая модель, представленная в работах [18,19,94], так как именно в ней учитываются следующие факторы:

−неравномерность распределения объемов работ по длине дороги;

−разные конструктивные решения земляного полотна, связанные с изменением природных факторов на отдельных участках;

−изменение сменной производительности отрядов по длине дороги под действием климатических, технологических и организационных факторов;

−изменение технологии при производстве работ в разные сезоны года (летний, зимний);

−степень готовности слоев земляного полотна для выполнения следующих технологических операций.

Вто же время данная модель не в полной мере удовлетворяет особенностям работы отрядов при возведении земляного полотна на ММГ. Требуется определенная модернизация модели для учета следующих факторов:

−декомпозиция объекта на проектно-технологические модули;

−изменение интервала планирования от декадного к суточному для более детального учета динамики производства работ;

−учет особенностей производства работ поточно-участковым методом разными специализированными отрядами при параллельном производстве работ на проектно-технологических модулях;

−возможность задания разных сроков начала работ специализированным отрядам на проектно-технологических модулях;

−разработка современного программного обеспечения расчетов с использованием модели.

Нами выполнена корректировка модели с расширением функций для расчета графиков при параллельно-поточной организации работ, предпо-

116

лагающей декомпозицию линейно-протяженного объекта на проектнотехнологические модули. При этом возможно задание разных сроков работы специализированных отрядов на ПТМ с учетом наиболее благоприятных условий для производства работ по определенной технологии.

Работу специализированных отрядов при сооружении земляного полотна должны обеспечивать вспомогательные подсистемы, деятельность которых должна быть синхронизирована во времени с основными работами или минимально опережать их. Связи между работами определяются следующими условиями:

− множество работ s+ , непосредственно выполняемых после работы s;

− множество работ s- , непосредственно выполняемых перед рабо-

той s;

−множество подготовительных работ q- , предшествующих .

Вразработанной математической модели организации работ на участках ПТМ условия взаимодействия технологических процессов по временным параметрам формализованы и представлены в виде следующих зависимостей [16,52]:

1. Расчет сроков начала и окончания технологических процессов на участках ПТМ:

окончания и продолжительности выполнения s-го технологического процесса на j-м участке i-го ПТМ, сутки; − соответственно про-

должительности передислокаций, технологических и организационных перерывов в работе отрядов, сутки.

2. Условия выполнения технологических процессов в определенные сезоны года (лс) − летний; (зс) – зимний:

зимнего сезонов.

3. Условие предшествования или совмещения подготовительных и основных работ на общем фронте (ПТМ) по временным параметрам:

117

где − соответственно срок окончания и продолжительность подготовительных работ, сутки; β – относительный показатель совмещения основных и подготовительных работ во времени; при β = 1 подготовительные и основные работы начинаются одновременно.

Проектирование организации строительства других структурных модулей автомобильной дороги (искусственных сооружений, слоев дорожной одежды, обустройства) выполняется также с использованием деления на проектно-технологические модули. При однотипной конструкции слоев дорожной одежды на небольших участках дороги каждый конструктивный слой может рассматриваться как один проектно-технологический модуль. Работы на конструктивных элементах, предшествующих строительству земляного полотна (участки сосредоточенных работ, искусственные сооружения и т.д.), как правило, должны быть завершены к подходу линейных специализированных отрядов.

В комплекс подготовительных работ включаются чаще всего следующие работы:

−подготовка карьеров, снятие растительного слоя;

−заготовка в бурты глинистого грунта для упорных призм;

−заготовка торфа, просушивание в валах;

−заготовка торфопесчаной смеси;

−очистка дорожной полосы от леса и кустарника;

−строительство автозимников, подготовка землевозных дорог;

−устройство водоотводных канав и труб;

−устройство мерзлотных валиков для водоотвода;

−подготовка карьеров к разработке в зимних условиях буровзрывным методом;

−создание и развитие производственной базы строительства. Перечень подготовительных и вспомогательных работ уточняется в

конкретном проекте с детальным расчетом объемов работ. На рис. 4.9 приведен фрагмент укрупненного сетевого графика строительства земляного полотна на участке автомобильной дороге «Лена» в условиях высокотемпературной мерзлоты, рассчитанного с применением программных комплексов «POTOK+» и «Project Professional 2010».

При расчете календарного графика организации строительства автомобильной дороги между структурными модулями обеспечиваются фронтальные и технологические связи в зависимости от степени готовности предшествующего элемента конструкции [19].

118

Рис. 4.9. Фрагмент сетевого графика строительства земляного полотна на ММГ

Выполнение комплекса подготовительных и обеспечивающих работ в условиях Севера играет важную роль и должно быть увязано со сроками выполнения работ основных структурных модулей. Состав и содержание проектных решений и документации в ПОС определяют в зависимости от вида и сложности объекта строительства. Общая направленность органи- зационно-технологических решений ПОС должна способствовать своевременному вводу в действие объектов строительства с наименьшими за-

119

тратами трудовых, материальных и топливно-энергетических ресурсов при обеспечении качества работ в соответствии с техническими регламентами и стандартами. Предлагаемые методы организационнотехнологического проектирования и программное обеспечение были использованы при разработке проектной документации на объектах общей протяженность 47,4 км.

Проектирование организации работ на проектно-технологических модулях при строительстве земляного полотна выполняется в следующей последовательности:

1.Выполнение линейного дорожного районирования на основе полного комплекса инженерных изысканий.

2.Проектирование конструкций земляного полотна на участках ЛДК с относительно однородными природными условиями.

3.Обоснование выбора варианта конструкции.

4.Выделение участков с региональными природными особенностями (глубокие выемки, болота, подходы к мостам, мари и т.д.) в отдельные

модули для сосредоточенных работ − сосредоточенные проектнотехнологические модули (СПТМ).

5.Уточнение количества линейных проектных модулей (ЛПТМ). При однотипных конструктивных решениях земляного полотна на разных ЛДК возможно их объединение в укрупненный линейный проектнотехнологический модуль.

6.Составление перечня подготовительных и сопутствующих работ.

7.Расчет объемов работ на проектно-технологических модулях.

8.Вариантное проектирование линейных графиков строительства по схемам:

а) последовательно поточный метод – один отряд для выполнения всех линейных работ на дороге;

б) формирование организационной схемы для параллельно-поточного метода на ЛПТМ;

9.Критериальная оценка и выбор варианта организации строительст-

ва.

Обобщенная схема структурно-модульного проектирования с учетом разработанных рекомендаций представлена на рис. 4.10.

120

Анализ и обработка информации по результатам инженерных изысканий трассы дороги. Группировка и оценка природноклиматических, геологических и гидрогеологических факторов

Реализация методики линейного дорожного районирования (ЛДР) трассы. Создание линейных дорожных комплексов (ЛДК) с учетом зональных, интразональных и региональных факторов

Проектирование и расчет дорожных конструкций с учетом параметров ЛДК.Формирование проектно-технологических модулей (ПТМ)

Расчет организационно-технологических параметров специализированных отрядов на (ПТМ)

Расчет вариантов сетевых графиков организации строительства земляного полотна

Технико-экономическое обоснование выбора варианта организации строительства

Рис. 4.10. Схема структурно-модульного проектирования земляного полотна на ММГ

4.4. Оценка экономической эффективности проектных решений земляного полотна на ММГ с учетом прогнозирования состояния дорожной конструкции

В соответствии с современными методами экономической оценки эффективности инновационных мероприятий в дорожном строительстве необходимо учитывать не только капитальные вложения, но и дисконтируемые эксплуатационные затраты на ремонт и содержание дорог, доходы пользователей дорог, а также экологические результаты дорожной деятельности за период срока службы дорожной конструкции [46].

Технико-экономическое сравнение и выбор вариантов конструктивных и организационно-технологических решений должны производиться на основе прогнозных оценок технического состояния автомобильной дороги.

Трудности технического прогнозирования состояния дорожных объектов на ММГ связаны с недостаточной и неполной информацией о фак-

121

тическом состоянии различных дорожных конструкций с применением новых материалов и технологий в межремонтный период.

Как правило, оценка эффективности инновационных решений базируется на увеличении сроков службы и снижении затрат при эксплуатации дороги. Эти показатели не всегда подкреплены наблюдениями за реальными объектами в различных климатических условиях РФ и в дальнейшем должны уточняться, так как при назначении новых конструктивных решений необходимо исключать субъективный подход.

Поскольку затраты на сооружение и эксплуатацию земляного полотна существенно зависят от возможной осадки грунтов основания и тела насыпи, в нормативной и научной литературе предлагаются различные методы ее прогнозирования. Прогнозирование – это способ научного предвидения, в котором используется накопленный опыт и вырабатывается научно обоснованное суждение о возможном состоянии объекта в будущем. При этом, в отличие от экономического, научно-технический прогноз определяет натурально-вещественное состояние прогнозируемого объекта.

Согласно общей теории прогнозирования [113] процесс прогнозирования можно представить как некоторое операторное преобразование (П) исходной информации об исследуемом объекте в виде ее отображения на будущее, ограниченное глубиной прогноза:

где П – оператор прогнозирования; I – информация об исходном состоянии объекта; – период упреждения прогноза (горизонт прогноза); R –

результат прогноза.

Оценка прогноза выполняется в определенных, наиболее вероятных внешних условиях. Из большого количества методов прогнозирования наиболее приемлемы для прогнозирования состояния дорожных конструкций на ММГ методы комбинированного и структурного прогнозирования, позволяющие найти решение при сохранении функций объекта, но при изменении значений внешних параметров прогнозирования. Например, в качестве моделей структурного прогнозирования можно использовать модели теплофизических режимов в жизненном цикле конструкций

[8,108,144].

Для оценки точности прогнозирования используют коэффициент парной корреляции между последовательностями прогнозных значений для разных моделей. Наиболее распространенными оценками точности прогнозирования являются средняя ошибка аппроксимации и средняя квадратическая ошибка прогнозов.

122

Различные методы прогнозирования теплотехнического режима дорожных конструкций позволяют оценить необходимые объемы земляных работ для компенсации строительных и эксплуатационных осадок. Расчет дополнительных объемов работ за счет осадки при строительстве по 2-му принципу выполняют по методике, приведенной в [102].

Суммарную осадку S насыпей определяют по формуле

где So − величина осадки, возникающая при оттаивании ММГ основания, см; Sд − осадка насыпи за счет деформации грунтов деятельного слоя, см; Sc, − осадки, происходящие соответственно в строительный и эксплуатационный периоды, см.

Процесс формирования осадок насыпей во времени за счет оттаивания и уплотнения ММГ основания можно описать зависимостями на основе экспериментальных данных для конкретных регионов и типов конструкций дорог. Так, в работе [102] прогнозируемая осадка описывается формулой

где e − основание натурального алгоритма; Т –время осадки оттаявших

грунтов основания, годы; β, f − параметры зависимостей, отражающие влияние местных условий на осадку оттаивающих грунтов основания (для

насыпей от 2 до 4 м β=79,000; f = −0,070).

Строительные осадки грунтов основания как на стадии рекогносцировочных изысканий, так и на стадии составления рабочих чертежей для разной высоты насыпи определяют по формулам [65]. В расчетах строительной осадки грунтов следует учитывать время производства работ (лето, зима), технологию и организацию возведения земляного полотна и подготовительных работ.

В качестве примера оценки эффективности рассмотрим два типа конструкций земляного полотна автомобильной дороги III технической категории. (рис. 4.11, а, б). Конструкции дорожной одежды приняты по данным проектной документации (Транспроект). Конструкция дорожной одежды представлена в следующем виде: покрытие из горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона типа Б II марки на модифицированном битуме ПБВ 130 толщиной h = 5 см; верхний слой основания из пористого крупнозернистого асфальтобетона II марки на битуме марки БНД 90/130 толщиной h = 7 см; основание из черного щебня, приготовленного в уста-

123

новке, уложенного по способу заклинки, толщиной h = 8 см; нижний слой основания из щебеночно-песчаной смеси С-4 толщиной h = 22 см; рабочий слой грунта земляного полотна из крупнообломочного грунта h = 100 см. Характеристики конструктивных слоев земляного полотна приведены на схеме (рис. 4.11).

Снижение затрат на второй вариант конструкции (рис. 4.11, а) получено за счет:

−уменьшения объема привозных качественных грунтов и открывающихся возможностей использования в нижней части насыпи местных мерзлокомковатых грунтов с сохранением их в мерзлом состоянии с помощью конструктивных методов;

−сокращения сроков строительства и ускорения ввода дороги в эксплуатацию;

−повышения надежности и долговечности конструкции, устраиваемой с сохранением вечной мерзлоты;

−снижения экологического ущерба при строительстве дорог в зоне вечной мерзлоты;

−снижения затрат на ремонтные работы.

Распределение строительных затрат во времени соответствует следующим графикам производства работ.

Вариант 1. Строительство земляного полотна (рис. 4.11, а) осуществляют в летнее время из талых грунтов. Заготовку талого глинистого грунта выполняют частично в предшествующий летний период, частично по мере оттаивания из резервов в летнее время. Очистка полосы отвода от леса и кустарников выполняется в зимнее время. Растительный слой сохраняется. Дорожную одежду строят в две стадии: щебеночное основание

– через год после строительства земляного полотна и досыпки земляного полотна на величину осадки деятельного слоя под насыпью. Учитывая продолжительный период стабилизации осадки основания насыпи при летнем строительстве земляного полотна, к строительству покрытия приступают только на третий год – в летнее время.

Вариант 2. Сооружение земляного полотна (рис. 4.11, б) осуществляют в зимнее время из мерзлых грунтов. В предшествующий летний сезон осуществляют подготовку карьеров со снятием растительного слоя. Заготовку торфа выполняют ранней весной с просушиванием в валах в летнее время. После просушивания производят заготовку торфопесчаной смеси для укрепления откосов. Осенью ведут подготовку карьеров к буровзрывным работам. Очистку дорожной полосы от леса и кустарника выполняют после промерзания растительного слоя в начале зимы.

124

Рис. 4.11. Схемы конструкций земляного полотна:

а − второй принцип проектирования: 1 − крупнообломочный грунт; 2 − суглинок легкий; 3 − почвенно-растительный слой; 4 − щебенистый грунт с супесчаным

и суглинистым твердым заполнителем до 27,4 %; 5 − дресвяный грунт с супесчаным и суглинистым заполнителем, мерзлый, малольдистый; 6 – верхний горизонт многолетнемерзлых грунтов (ВГММГ);

б − первый принцип проектирования: 1 – крупнообломочный грунт; 2 – суглинок легкий мерзлый; 3, 5 – геотекстиль; 4 – крупнообломочный скальный грунт; 6 – торф; 7 – почвенно-растительный слой; 8 − щебенистый грунт с супесчаным и суглинистым твердым заполнителем до 27,4 %; 9 – ВГММГ до строительства насыпи

(после строительства поднят к основанию насыпи); 10 − дресвяный грунт

ссупесчаным и суглинистым заполнителем, мерзлый, малольдистый

Вэтот же период готовят автозимники и землевозные дороги для эксплуатации в зимний период при строительстве земляного полотна. Должен быть обеспечен водоотвод от земляного полотна путем устройства водоотводных канав в летнее время. В зимнее время устраивают специальные мерзлотные валики. Разработку мерзлых глинистых грунтов и скального грунта осуществляют буровзрывным методом. Строительство нижнего слоя основания по этому варианту предусматривается в следую-

щий летний сезон, укрепленных слоев основания и покрытия − через год. Для упрощения расчетов из всех положительных результатов от

строительства дороги в данном примере учтен только эффект в сфере транспорта, рассчитанный по формуле

где Nt − среднегодовая суточная интенсивность движения в t-м году; c − среднее снижение себестоимости одного автомобиле-километра (при сравнении: старая дорога − новая дорога), тыс.руб.; – количество дней

125

эксплуатации дороги в t-м году; L − протяженность эксплуатируемого участка дороги, км.

Среднесуточная интенсивность движения и прирост интенсивности приняты по проектным данным. Включение других видов доходов (социального и внетранспортного) мало изменит соотношение результатов по двум вариантам, но сократит сроки окупаемости капиталовложений.

Моделирование дисконтированных удельных затрат и доходов из расчета на 1 км участка дороги выполнено за расчетный период 17 лет и представлено на рис. 4.12. По результатам расчета интегрального дисконтированного эффекта преимущество имеет второй вариант.

Рис. 4.12. Интегральный дисконтированный эффект по двум вариантам

Выполненная оценка эффективности проектных решений позволяет сделать следующие выводы:

1.Декомпозиция элементов дорожной конструкции на проектнотехнологические модули, учет особенностей фронтальных и технологических связей между работами в разработанной математической модели календарного планирования позволяют вести вариантное проектирование организации работ при строительстве дорог в условиях многолетнемерзлых грунтов.

2.Использование предлагаемой математической постановки при решении задач структурно-модульного проектирования организации работ при строительстве земляного полотна создает условия для выбора и осуществления эффективных вариантов организации строительства дорог на основе рационального подбора составов отрядов по критерию энергетических затрат, технического нормирования применяемой новой техники

126

в северных условиях. В приведенном примере в результате использования схемы параллельно-поточной организации работ и модульного принципа проектирования индекс доходности увеличился на 14,6 %. Уточнение схем организации работ и расчет экономической эффективности необходимо выполнять в составе ПОС для каждого объекта с учетом природных условий и конструктивных решений.

3. Все дорожные проекты при строительстве на многолетнемерзлых грунтах должны рассматриваться и оцениваться с точки зрения их эффективности при сравнении вариантов дорожных конструкций и методов организации работ на протяжении срока службы до капитального ремонта. Важную роль при этом играет прогнозирование технического состояния дорожной конструкции в период жизненного цикла. Данное обстоятельство требует расширить объемы опытного строительства и длительного наблюдения за состоянием дорог, построенных с использованием различных инновационных решений, в том числе с использованием линейного дорожного районирования трассы дороги по результатам инженерных изысканий.

127