• Новый тип пересечений в одном уровне  с непрерывным транспортным потоком по главной из пересекающихся дорог

 

Краткий обзор существующих направлений в строительстве городских магистралей и автомобильных дорог

С развитием автомобильного транспорта в различных странах проявились различные направления в строительстве магистралей. Использование автомобильного транспорта позволило городам Америки, зажатым в высотных зданиях, далеко перешагнуть свои прежние границы. Они раскинулись в своём радиусе до 60-80 километров. Скоростные магистрали соединили периферию - частную малоэтажную жилую застройку с центром города. Тёплый климат, большие территории Америки и дешевая рабочая сила начала прошлого века благоприятствовали высоким темпам строительства магистралей одновременно с ростом автомобилизации. Разрабатывались новые технологии, материалы и строительные машины. Большой динамический габарит между автомобилями на скоростных магистралях не ограничивал в размерах большой - престижный американский автомобиль. Индивидуальный транспорт в своём развитии далеко опережал общественный.

В Японии, из-за высокой ценности территорий, города в основном сохраняли своё развитие по вертикали и приобретали дополнительно к сети прежних улиц многоярусные, извивающиеся между зданиями и с плотными транспортными потоками (малые радиусы магистралей, проходящих между зданиями, обуславливают низкие скорости и небольшие транспортные габариты - транспортный поток уплотняется) магистрали непрерывного движения. В связи с плотными транспортными потоками и проблемами с парковкой престижный крупногабаритный автомобиль в своём количестве уступал малогабаритному - лёгкому и экономичному автомобилю, отчасти из-за этого японская автомобильная промышленность получила более выгодное направление чем американская. Широкая и продолжительная государственная программа по строительству дорог, начавшаяся с середины 60-х годов, обеспечила для Японии возможность создать хорошо развитую сеть магистралей настоящего времени. Постоянное использование новейших систем управления транспортными потоками позволило максимально использовать пропускную способность магистральной сети в целом. Это также позволило, сохранив относительную компактность городов, обеспечить дальнейшее эффективное использование общественного транспорта.

В европейских странах автомобилизация имела большое отставание. В начале 30-х годов в Америке уже насчитывалось 250 автомобилей на 1000 жителей (сейчас около 700), в Англии и Франции - 40, а в Германии - 10 (сейчас 530). В Европе в строительстве магистралей особенным является направление сформировавшееся в Германии. Здесь больший акцент был сделан в области строительства автомобильных дорог - автобанов. В этом смысле широко известно довоенное время. Экономическое и политическое положение страны позволили привлечь тогда многочисленные рабочие силы. В городах же, особенно в их агломерациях, в большинстве случаев сохранилась сеть узких, в основном двухполосных улиц. Позже дифференциация улиц достигалась путём вытеснения транспорта из жилых районов посредством ограничения скорости движения и мероприятий по "успокоению движения". Относительно небольшая часть уличной сети оказалась перегруженной, а остальная её часть служит для местного движения и парковки. В последующем внутренний транспорт агломераций вытесняется на сеть прилегающих автобанов, что приводит к пробкам и в некоторых случаях к введению ограниченного - регулируемого въезда на автобан. Вероятнее всего, что таким образом, переростающая в единый город, агломерация приобретает магистрали непрерывного движения. Общественный транспорт в Германии осуществляет не более 23% пассажироперевозок.

 

Совершенствование и строительство городских магистралей и автомобильных дорог в России

Каждое направление в строительстве магистралей складывается в силу влияния различных факторов, соответствует настоящему времени, имеет свои перспективы, достоинства и недостатки. Особенностью в развитии магистральных сетей России прежде всего является сама причина - опережающий, а не одновременный рост автомобилизации. Это всё равно, что европейские страны догнали бы Америку по автомобилизации к началу 40-х годов, то есть за десять лет, сумев построить соответствующую магистральную сеть только к началу 80-х. Россия должна решать эту проблему действительно в сжатые сроки. Важными факторами при этом являются:

1. Её большая территория, то есть большой объём строительства.

2. Холодный климат - сложности при строительстве и эксплуатации дорог.

3. Очень большое к настоящему времени удорожание дорожно-строительных работ, дорожных сооружений и увеличение их эксплуатационных расходов в соотношении с другими областями производства. То есть простые работы, дорожные сооружения и их эксплуатация обходились обществу в прошлом веке на много дешевле.

Вместе с тем важно, что Россия уже имеет развитую сеть автомобильных дорог с твёрдым покрытием и проблема отчасти сводится к её усовершенствованию. К преимуществам настоящего времени как к положительным факторам надо отнести:

1. Высокий технический уровень современного автомобиля.

2. Высокий уровень культуры вождения автомобиля.

3. Высокий уровень технических средств управления движением.

4. Накопленный отечественный и зарубежный опыт.

Важные преимущества российских городов это их относительная компактность и заложенные основы для высокоразвитого общественного транспорта.

С учётом приведенных факторов и существующего опыта можно сформулировать основные перспективы совершенствования и развития сети городских магистралей и автомобильных дорог настоящего времени.

Городские магистрали:

1. Строительство сети магистралей непрерывного движения. (Повышение этажности центров городов и умеренная частная застройка в их периферии).

2. Совершенствование существующей сети улиц, ее элементов с учетом обеспечения условий для дальнейшего эффективного использования общественного транспорта.

3. Создание высокотехнических систем управления транспортом.

Автомагистрали:

1. Повышение пропускной способности существующих дорог за счет улучшения их профилей, качества их покрытия, использование эффективных пересечений и увеличения числа полос движения.

2. Высокие темпы строительства новых скоростных дорог с максимальным использованием преимуществ современного атомобильного транспорта.

Пропускная способность городских магистралей и автомобильных дорог и вместе с тем их эффективность практически полностью зависят от пропускной способности их пересечений. Это основной и самый дорогостоящий элемент дороги. Поэтому на протяжении всей истории строительства магистралей и на различнах направлениях их развития всегда в центре внимания оставались пересечения, их планировочные решения и возможности их совершенствования. (В этой области в Москве уже сейчас проявились издержки бурного роста автомобилизации. С увеличением интенсивности движения на МКАД на существующих развязках типа "клеверный лист" появились дополнительные рампы для левых поворотов. Наличие здесь двух возможностей для осуществления левых поворотов является вынужденным и особенным в мировой практике решением. Оно оправдывается в настоящее время возможностью разворота на развязке и наличием общественного транспорта на МКАД.)

Эффективное и перспективное развитие сети магистралей в России, учитывая приведенные выше особенности, может быть успешно реализовано при применении предлагаемых пересечений нового типа.

 

Пересечения нового типа и их основные два элемента

В начале прошлого века активно велась разработка и строительство различных развязок в разных уровнях. Их применение давало возможность значительно (теоретически в два раза) повысить пропускную способность магистралей, организовав непрерывное движение. Но уже во второй половине века из-за их высокой потребности в городских территориях и высокой стоимости всё чаще использовались более компактные и не столь дорогие решения такие как "клеверный лист" и его модификации. Не заменимыми остались развязки в разных уровнях при пересечении скоростных дорог между собой - Freeway Interchanges. Одновременно специалисты транспортники стали пытаться усовершенствовать пересечения в одном уровне. И в 70 - 80 годы было разработано комплексное пересечение в одном уровне с непрерывным движением по всем направлениям. Оно было запатентовано (рис.1) во Франции (а) в 1972 году и в США (б) в 1966 году.

На рис. 2 приведена схема теоретического развития – две ступени преобразования этого пересечения из простого перекрёстка

Основной его смысл заключается в том, что транспортный поток разбивается на отдельные равные части по двум направлениям. Эти части потока синхронно пересекаются уже на нескольких простейших пересечениях, которые и образуют в целом одно большое комплексное пересечение с непрерывным движением. По прохождении этих простейших перекрёстков поток вновь сливается. Практическое использование этого пересечения не представляется эффективным по двум причинам. Во-первых, оно является альтернативой для клеверного листа, то есть оно предназначено для непрерывного движения по обеим дорогам, а его площадь (примерно 25 га) значительно превышает площадь "клеверного листа". Во-вторых: оно основано на строго синхронном движении постоянных потоков транспорта. Но даже при успешном современном электронном управлении движением, его трудно в случае аварии задержать на одной из фаз. Своё практическое применение комплексные пересечения получили в их комбинации с кольцевыми пересечениями (Рис. 1а и Рис. 1б). Здесь транспортный поток каждой из пересекающихся дорог также разделяется и движется по двум направлениям, чему служат два основных кольца. Простые перекрёстки комплексных пересечений заменены здесь элементами разветвления и слияния потоков и в том числе и на четырёх малых пересечениях. Они давно построены в Англии (в Лондоне, в Швиндоне и в Кардиффе – www.sanjoc.de)

Такие пересечения обладают теоретически в два раза большей пропускной способностью чем обыкновенные кольцевые пересечения и могут в будущем найти применение в России.

Практически осуществимое, но только для Т- образного перекрёстка, пересечение этого типа было запатентовано в США Кауфманом (рис.3). Прогрессивным здесь явилось непрерывное движение по одной - главной дороге и наличие накопительных полос (площадок). Недостатком этого пересечения является отсутствие левого поворота с второстепенной магистрали и одного из разворотов. В теории развития комплексных пересечений является важной и практически легко осуществимой промежуточная ступень (рис.2,б) -пересечение с непрерывным движением по одной из пересекающихся дорог. Эта ступень в данной теории является принципиальной схемой предлагаемого  маятникового типа пересечений. (Возможно, этот рисунок уже сейчас должен быть дополнен рисунком 7). Таким образом, первым элементом пересечений маятникового типа является смена полосы движения непрерывного транспортного потока. Второй элемент лежит в основе пересечения, разработанного в Англии Кимбером и Семенсом. Это - вытягивание пачки автомобилей вдоль стоп-линии перед перекрёстком и съезд её в воронку после перекрёстка (рис.4). Этот элемент является прогрессивным, так как он в наилучшей степени отвечает вероятностным свойствам транспортного потока, нежели накопление автомобилей перед стоп-линией в колонну. (В колонне может стоять 15 автомобилей и продолжительность фазы может быть расчитана на это колличество, а может и один автомобиль, при этом продолжительность фазы будет уже потерянным временем). Его использование позволяет сократить длительность светофорных фаз и тем самым снизить потери времени и увеличить пропускную способность пересечения. Само пересечение Кимбера и Сименса в силу своей геометрии не имело в целом достаточной эффективности (оно увеличивается в размерах с удлинением стоп-линий), а осталось только ступенью в развитии кольцевых пересечений.

Оба эти элемента - смена направления движения при непрерывном потоке и накопление автомобилей вдоль стоп-линии по отдельности имеют в той или иной степени применение на практике и являются легко осуществимыми в комплексе. Съезд автомобилей в воронку уже давно и широко применяется на платных автомагистралях. На предлагаемом пересечении это уже отдельный элемент и он может не рассматриваться как элемент, относящийся к этому комплексу.

Движение транспортных потоков на маятниковых пересечениях

Данный тип пересечений (Рис.5) имеет много видов и вариантов. Его размеры по ширине лежат в пределах от 42 м до 60 м, по длине - от 80 м до 170 м. На рис.6 показаны фазы светофорного цикла основного вида пересечений (Вариант 1). Транспорт на пересечении движется следующим образом: по средней проезжей части поток непрерывен, одновременно первые накопительные площадки заполняются транспортом с боковых проезжих частей, поворачивающим налево с главной дороги (Фаза А). Эта фаза "левых поворотов с главной магистрали" длится примерно 20 секунд. Затем начинается заполнение этих площадок транспортом со второстепенной дороги. Одновременно автомобили, находящиеся на вторых накопительных площадках, покидают их. Это фаза В - "фаза заполнения и освобождения накопительных площадок" длится также примерно 20 секунд. Прежде чем начнётся третья фаза, имеет место вспомогательная фаза - подфаза перевода непрерывного транспортного потока со средней проезжей части на боковые. Транспорт переводится пополосно со сдвижкой во времени. Эта сдвижка принимается примерно в 5 секунд. Третья фаза С - "фаза переезда автомобилей с первых накопительных площадок на вторые". Одновременно осуществляется левый поворот с второстепенной дороги. Затем снова с временным интервалом пополосно непрерывное движение транспорта переводится с боковых проезжих частей на среднюю. Отсюда начинается новый цикл. Цикл длится примерно 70 секунд, скорость непрерывного движения - 60 км/ч. Второй вариант имеется левый поворот с главной магистрали в зоне разделительной полосы. Там, как на обычном развитом перекрёстке выделена полоса для левого поворота. Длительность светофорных фаз и ёмкость накопительных площадок согласованы между собой и расчитываются в зависимости от необходимой пропускной способности пересечения. Управление пересечением, его светофорной сигнализацией может поддерживаться сенсорами.  На этом же принципе разработано ещё пять видов пересечений для улиц с односторонним движением. Принцип предлагаемых пересечений может применятся и во многих других частных случаях.

Пропускная способность пересечений нового типа и потери времени на них

Предлагаемое пересечение имеет примерно в 1,5 раза выше общую пропускную способность чем традиционное пересечение в одном уровне. Потери времени, приходящиеся на одного участника движения, на этом пересечение не превышают потерь времени на простом перекрёстке. На рис.7 приводится упрощенное сравнение пропускной способности, а на рис. 8 демонстрируется результат математического моделирования нового пересечения.

Здесь очень важно подчеркнуть (это видно из диаграмм), что суммарная пропускная способность повышается с увеличением объёма накопительных площадок только в очень незначительном интервале. Поэтому существующие методики определения пропускной способности пересечения в одном уровне не могут быть применимы для предлагаемого типа пересечений. При длине накопительных площадок примерно в 21 м уже достигается максимальная пропускная способность второстепенной магистрали (1000 - 1800 авт/час по двум полосам движения), что соответствует 70 сек продолжительности светофорного цикла. Математическая модель и программа для определения геометрических параметров и пропускной способности пересечений написаны для различных их видов и различных схем организации движения. Отдельные параметры для математической модели были определены при физическом моделировании пересечения и его элементов на полигоне в Казахстане.  Общая пропускная способность пересечения по главной дороге в одном направлении 3 - 4,5 тысяч автомобилей в час и 1 - 1,8 тысяч автомобилей в час по второстепенной дороге, включая 300 - 600 авт/час поворачивающих налево и 600 - 800 авт/час - направо (при наличии наземных пешеходных переходов). Число полос непрерывного движения может быть увеличено до трёх в одном направлении, что соответственно обеспечит ещё более высокую пропускную способность главной магистрали в прямом направлении.

 

Обоснование к использованию предлагаемых пересечений в городах

В настоящее время резко увеличился автомобильный парк городов России, которые оказались в определённой мере не приспособленными к высокой интенсивности движения индивидуального автомобильного транспорта. Чрезмерные задержки транспорта, перерасход топлива и т.д., обусловили острую необходимость совершенствования улично-дорожной сети (у.д.с.) городов. Это связано главным образом со строительством магистралей непрерывного движения (м.н.д.). Эффективность такого исторически сложившегося решения подтверждена опытом ряда стран с высоким уровнем автомобилизации. Однако строительство м.н.д. является очень дорогостоящим мероприятием. Это первый основной их недостаток. Смысл второго, тоже исторически подтвержденного, основного недостатка заключается в том, что при наличии в городе м.н.д. падает эффективность работы общественного транспорта. А также увеличивается непроизводительный перепробег транспорта в целом. Причиной падения эффективности работы общественного транспорта является противоречие между требованиями, предъявляемыми к улично-дорожной сети со стороны общественного транспорта и требованиями к у.д.с. со стороны индивидуального автомобильного транспорта. Противоречие между требованиями конкретно выражается в том, что необходимая для индивидуального автомобильного транспорта сеть магистралей непрерывного движения имеет плотность 0,2-0,3 км/км2. Уличная сеть, необходимая для общественного транспорта, имеет плотность 3-4 км/км2 (что связано с удобной пешеходной доступностью остановок общественного транспорта). Таким образом, магистрали непрерывного движения как железная дорога, разрезают город на отдельные районы, лишая общественный транспорт удобной, прямой корреспонденции.

Проявление этого противоречия хорошо видно на следующем примере: В городах США при высоком развитии сети скоростных магистралей индивидуальный транспорт ранее осуществлял до 95% всех пассажирских перевозок. В городах России до недавнего времени 95% пассажирских перевозок осуществлял общественный транспорт. При этом транспортные территории в городах США занимали до 40% городской площади, в России - 14-18%, а территории городов в США намного больше территорий городов  России при   одинаковой   численности  населения. Такое смещение в пропорциях развития основных видов транспорта в сторону индивидуального транспорта приводит к большим энергетическим потерям и большим эксплуатационным расходам на дороги. Уже где-то 30 лет назад в США стал вопрос о пропорциональном развитии общественного транспорта, что является при столь больших городских территориях и наличии развитой сети м.н.д. проблематичным и малоэффективным. Проявление противоречия между видами транспорта в городах США ранее не имело места, т.к. строительство сети скоростных магистралей там началось практически в ногу с автомобилизацией. А вот первый их недостаток - высокая стоимость и большая потребность в городских территориях проявился уже в 1956 году. Наиболее дорогостоящей и требующей больших городских территорий частью такой сети являются пересечения в разных уровнях. Их стоимость составляет примерно до 50% от стоимости всей сети. Страны Европы, столкнулись с обоими недостатками м.н.д. практически одновременно. В Англии, Германии, Франции общественный транспорт осуществляет примерно 20% пассажирских перевозок. На сегодняшний день при высокой стоимости горючего и строительства магистралей (развязка в разных уровнях стоит 40 млн. Евро, 15 лет назад она стоила 8 - 10 млн. Марок) в Германии прикладываются большие усилия в области развития альтернативного общественного транспорта.

В городах России наоборот - прежнее доминирующее развитие общественного транспорта и слабое развитие индивидуального транспорта явилось большим тормозом для дифференцированной подвижности населения в целом. Отсутствовала возможность пропорционального индивидуального передвижения.     Однако такое формально традиционное, существующее уже 60-70 лет, решение проблемы как строительство м.н.д. для российских городов означает практически тотальную перестройку. Это будет возвращение в прошлое городов других стран с черезмерным территориальным развитием. Территориальное развитие приведет к большим энергетическим затратам, а строительство магистралей непрерывного движения - к потере главного преимущества в дальнейшем пропорциональном развитии общественного транспорта и к потере времени при передвижении общества в целом. Это как раз сейчас и является проблемой городов западных стран, начавших с развития индивидуального транспорта. Формально повторив решение запада, российские города окажутся рядом с западными городами по решению проблемы, фактически имея уже ранее это решение.

На рис.9 приведена принципиальная схема по применению предлагаемых пересечений на магистральной сети города, иллюстрирующая саму идею разрешения противоречия двух видов транспорта на уровне развития улично-дорожной сети города. Это конечно чисто теоретическая основа (на практике вместо предлагаемых пересечений применяются более редко расположенные неполные развязки в разных уровнях). Но, логическое подчинение этой теории вопросу более высокого уровня - пропорциональности общих и индивидуальных интересов общества в целом определяет её состоятельность и подтверждается приведенным опытом в градостроительстве. Выполнение этой идеи в чистом виде не является необходимым и возможным градостроительным мероприятием, но использование этой теории и применение предлагаемых пересечений при создании м.н.д. даёт новое более гибкое и экономичное направление в развитии транспорта. К этому преимуществу использования пересечений нового типа следует добавить ещё ряд преимуществ более низкого уровня:

1. Создание связанной, более плотной сети улиц снизит непроизводительный пробег транспорта, обеспечит возможность создания более компактной городской структуры.

2. Применение таких пересечений позволит создать эффективное координированное движение на второстепенной сети магистралей. (Для главного направления движения не важно в какой момент будет пропущен транспорт по второстепенной магистрали. Этот момент легко может быть скоординирован с приближением пачек автомобилей от перекрёстков второстепенной сети).

3. На этих пересечениях легко организовать остановки общественного транспорта и пересадку на общественном транспорте.

4. На них не требуется устройства подземных пешеходных переходов.

5. В сравнении с самыми компактными развязками в разных уровнях - с "обжатым клеверным листом" они занимают в 2-3 раза меньшую площадь при равной пропускной способности (0,9 - 1,4 га в городских условиях) и имеют в 10-20 раз меньшую стоимость.

6. Могут строиться в зонах мелкого заложения метрополитена.

7. Легко переоборудуются и перестраиваются.

Скорости автомобиля на улицах города 50-60 км/ч и на магистралях непрерывного движения 80-100 км/ч являются из условий движения практически предельными. Это уже сейчас реально ограничивает размеры города при данном виде транспорта. Дальнейшая эффективность городской структуры может достигаться принципиально за счёт повышения этажности и совершенствования элементов магистральной сети.

Рис.9             

2,0 P 1,5 p 1,0 p

Принципиальная схема по применению предлагаемых пересечений на магистральной сети города   

Практическая возможность использования маятниковых пересечений

Основной вопрос возможности практического использования предлагаемых пересечений лежит в области организации движения и её надёжности. Здесь помимо положительной оценки специалистов при обсуждении различных аварийных ситуаций, технических вопросов и результатов первых экспериментов можно привести ещё ряд доводов, которые конечно могут только приблизить к практике. Эти аргументы можно сформулировать следующим образом:

• В практике имеется много исторически сложившихся сложных пересечений.

• Постоянный рост культуры вождения, уровня организации движения и развитие техники способствуют сокращению числа капиталоёмких транспортных сооружений.

• Основные элементы предлагаемого пересечения имеют практическое применение и легко осуществимы в комплексе.

• Предлагаемый тип пересечений отвечает современному уровню организации движения и его технического обеспечения, динамическим характеристикам современного автомобиля и современному уровню культуры вождения.

Использование этих пересечений определяет новое направление в развитии магистральных сетей. Экспериментальное строительство пересечения и анализ его функционирования положат конкретное начало его практического применения.

 

Новый тип пересечений для автомобильных дорог

Пересечения маятникового типа, разработанные специально для скоростных автомагистралей, отличаются своей геометрией, размерами и занимаемой площадью от пересечений этого же типа для городских магистралей. На рис.10  показан основной вид этого пересечения. Оно обеспечивает непрерывное движение транспорта с максимальной скоростью 80 - 100 км/ч по главному направлению. Это скорость в черте пересечения. Такое же ограничение скорости для обеспечения безопасности движения и необходимой пропускной способности чаще всего применяется и на традиционных развязках в разных уровнях из - за разветвления и сплетения транспортных потоков. Длина пересечений маятникового типа лежит в пределах 400 м, ширина - 250 м, занимаемая площадь - в пределах 4,0 - 4,2 га. Площадь неполной транспортной развязки на автомобильных дорогах составляет примерно 6,0 га, полный клеверный лист занимает от 8,0 до 16,0 га. Ширина накопительных площадок определена условием размещения на них автомобилей и автомобильных поездов с предельными габаритными размерами, допускаемыми в России - с длиной 24,0 м. По европейским стандартам эта величина может быть сокращена до 19,0 м

Рис.10 SX1, 2006

Предлагаемые пересечения могут иметь 2 или 3 полосы для непрерывного движения в одном направлении:

• пересечения с 2 -мя полосами непрерывного движения могут использоваться на дорогах с 4 и 6 полосами движения и с интенсивностью движения - 30 - 45 тыс. авт. в день в одном направлении. В случае 4 - полосной магистрали при выходе с пересечения магистраль должна имеет три полосы движения с последующим сужение в две полосы;

• пересечения с 3 -мя полосами непрерывного движения предназначены для дорог с 6 - 8 полосами и с интенсивностью движения - от 45 и до 55 тыс. авт. в день в одном направлении.

Маятниковые пересечения могут быть использованы вместо всех типов неполных развязок в разных уровнях при пересечении основных магистралей со второстепенными.  Элементы проезжей части приведенного в примере пересечения соответствуют стандартам и проектным нормам. Так как ранее организация непрерывного движения могла быть осуществлена только с применением развязок в разных уровнях, нормы проектирования скоростных автодорог не рассматривают возможность применения пересечений в одном уровне. С использованием предлагаемых пересечений в одном уровне, нормы проектирования должны быть дифференцированы.