ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. В настоящее время на Дальнем Востоке активно развивается строительство новых и реконструкция существующих автомобильных и железных дорог. В регионе проектируются и вводятся в эксплуатацию целый ряд значительных транспортных объектов. Это федеральная автомобильная дорога «Чита-Хабаровск-Находка», уникальный вантовый и низководный мосты в г. Владивостоке. Усиливается мощность Транссибирской магистрали, входящей в международный транспортный коридор «Запад-Восток».
Важнейшим фактором функционирования автомобильных и железных дорог является получение геопространственных данных (ГПД) для изысканий, проектирования и строительства всего комплекса сооружений.
Инфраструктура построения ГПД обуславливается конструктивными особенностями объектов автомобильных и железных дорог.
В состав технического проекта строительства автомобильных дорог входит план и продольный профиль трассы, в которых используют длину трассы. Реальное положение трассы является пространственным, и ее истинная (фактическая) длина не учитывается в проектной документации, что приводит к занижению фактической длины дороги и, как следствие, к уменьшению объемов земляных работ и дорожной одежды. Решение этой проблемы имеет важное научное значение.
Внедряются в производство современные геодезические средства измерений (приёмники ГНСС, электронные тахеометры, цифровые нивелиры, системы наземного и воздушного лазерного сканирования) и соответствующие программное обеспечение, предназначенные для получения ГПД.
При строительстве и эксплуатации автомобильных дорог сложной задачей является съёмка криволинейных участков. При этом необходимо определить элементы кривых, прежде всего радиус и длину кривой, а также биссектрису, тангенсы, угол поворота. Решают эту задачу различными способами, в том числе с использованием механизированных и автоматизированных средств диагностики, которые не всегда позволяют учитывать технологические особенности геодезических работ. Поэтому необходимо разработка универсального способа определения геометрических параметров автомобильных дорог, позволяющего оперативно определять радиусы, как в процессе строительства, так и эксплуатации.
Одной из наиболее технически сложных работ в инженерно-геодезических изысканиях является съёмка железнодорожных станций и узлов. Для повышения производительности и снижения трудоёмкости работ необходимо разрабатывать специальные методики выполнения геодезических изысканий, учитывающие специфику конкретной станции, сезонность, наличие геодезических пунктов и др.
Для качественного проектирования автомобильных дорог следует уточнять фактическую площадь участков водосбора.
При возведении мостовых переходов необходимо оперативно и с высокой точностью контролировать пространственное положение опор мостов с надёжных геодезических пунктов и принимать инженерные решения по корректировки их пространственного положения.
Поэтому совершенствование технологии построения инфраструктуры геопространственных данных для автомобильных и железных дорог является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Требования к качеству и методам построения инфраструктуры ГПД для автомобильных и железных дорог отражены в соответствующих научно-технических документах: СНиП 11.02.96 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»; «Инструкция по межеванию земель, 1996г.»; «Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемки ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, 2002г.»; «Специальная реперная система контроля состояния железнодорожного пути в плане и профиле. Технические требования, 1998г».
Вопросам разработки способов получения ГПД для автомобильных и железных дорог посвящены работы учёных и специалистов в области геодезии и транспорта: Бронштейна Г.С., Величко Г.В., Коугия В.А., Лютца А.Ф., Матвеева С.И., Столбова Ю.В., Райфельда В.Ф., Федотова Г.А.
Однако, в результатах исследований этих и других разработчиков и учёных в недостаточной степени решены вопросы учета пространственной длины трассы, определения площадей водосбора, оптимального определения осей опор мостов с надёжных геодезических пунктов.
В данное время, встаёт необходимость уточнять правила и нормы проектирования инженерных объектов. СНиПы и ведомственные инструкции, в том числе и в геодезии должны отвечать вышеприведённым особенностям и требованиям к точности построения ГПД для автомобильных и железных дорог. В результате проведённых автором исследований выявлены следующие недостатки:
- При проектировании продольного профиля автомобильных дорог необходимо определять пространственную длину трассы. На данный момент в нашей стране и за рубежом отсутствует единый подход к решению этой проблемы. Это снижает точность, достоверность и качество проектирования.
- При установлении границ автомобильных и железных дорог определяют площади земельных участков, которой является площадь геометрической фигуры, образованной проекцией границ земельного участка на горизонтальную плоскость на основании требований Федерального закона (ФЗ №221) и «Инструкции по межеванию земель». Однако в действительности эта площадь отличается от фактической (физической).
- В некоторых программных продуктах инженерного назначения определяют физическую площадь по цифровой модели местности с определённой степенью приближения. Поэтому, необходимо при определении площадей земельных участков для оценки земель и определения площадей водосбора разработать способ определения фактической площади, обеспечивающий максимально возможную точность результатов.
Эти и некоторые другие требующие решения вопросы и определяют актуальность постановки и решения научной проблемы исследования и совершенствования технологии построения инфраструктуры ГПД для автомобильных и железных дорог Дальнего Востока.
Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование и совершенствование технологии построения инфраструктуры геопространственных данных, обеспечивающих формирование достоверной геодезической информации при изысканиях, проектирование, строительстве и эксплуатации автомобильных и железных дорог.
Для достижения цели исследования были поставлены следующие основные задачи:
а) провести анализ разработанности современных методов построения ГПД для автомобильных и железных дорог;
б) обосновать необходимость и разработать способ учёта пространственной длины трассы в проектно-технической документации для автомобильных дорог;
в) разработать способ уточнения фактической площади земельных участков в соответствии с границами, позволяющий также получать достоверные пространственные данные для определения площадей водосбора;
г) разработать методику контроля геометрических параметров автомобильных дорог с применением спутниковых приёмников ГЛОНАСС/GPS;
д) разработать способы оперативного получения ГПД при строительстве и эксплуатации мостов;
е) обосновать и реализовать оптимальные схемы построения инфраструктуры ГПД на железнодорожных станциях и узлах, учитывающих специфику конкретной станции, климатические условия, существующие геодезические пункты и реперы.
Научная новизна:
– разработанный теоретически обоснованный способ определения длины трассы повышает точность расчёта фактической длины, поскольку она определяется как сумма пространственных длин прямых участков, горизонтальных и вертикальных кривых;
− разработанный способ уточнения физической (фактической) площади водосборного участка, отличается тем, что учитываются продольные и поперечные углы наклона участка по взаимно-перпендикулярным направления, а искомая площадь вычисляется по формулам через измеренные геодезические данные с учётом суммарной поправки за переход на поверхность эллипсоида и на поверхность нормальной отметки участка, а также за влияние рельефа.
– предложенные методы построения ГПД при строительстве мостов позволяют определять оптимальное положение опор мостов и их крен;
– предложенная методика контроля элементов автомобильных дорог с применением современных геодезических средств измерений позволяет оперативно, надёжно и с высокой производительностью определять геометрические параметры дороги.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная в диссертационной работе технология построения инфраструктуры ГПД для автомобильных и железных дорог обоснована не только теоретически, но и предложены методики её практического применения. Так способ определения пространственной длины трассы на стадии проектирования дорог позволяет реализовать более высокую точность геодезических измерений, достигаемую в процессе изысканий и улучшить точность и качество данных проектирования. В настоящее время в РФ изменяются нормы и правила для проектирования автомобильных дорог в соответствии с Европейским соглашением о международных автомагистралях (ЕЭК ООН) и Межправительственным соглашением по сети азиатских автомобильных дорог (ЭСКАТО ООН). Очевидно, что способ определения пространственной длины трассы должен быть включён в соответствующие нормативные документы.
Практическое значение имеют способы уточнения фактической (физической) площади земельных участков, что важно при ведении земельного кадастра, оценки земель и определении площадей полосы отвода и водосбора.
Одним из наиболее трудоёмких видов работ при строительстве и паспортизации автомобильных дорог является процесс определения радиусов кривых, поэтому существенную практическую ценность представляет предложенный способ оперативного определения геометрических параметров с использованием спутниковых приёмников ГЛОНАСС/GPS.
Практическую значимость имеет способ разбивки опор с использованием цилиндрических оболочек большого диаметра в мостостроении и возведении портовых сооружений.
Применение традиционных и современных методов геодезических работ на железнодорожных станциях и узлах, учитывающая специфику конкретной станции, климатические условия, наличие геодезических пунктов, количество объектов инфраструктуры позволяет увеличить производительность и качество работ.
Методология и методы исследований. Методологической базой исследования являются методы инженерно-геодезических работ и методы получения ГПД. Теоретической базой исследования служат методы математической обработки результатов измерений и математического моделирования. Эмпирическая база исследования включает продольные профили автомобильных дорог, материалы инженерно-геодезических изысканий при строительстве и эксплуатации мостов, нормативно-технические документы, регламентирующие геодезические работы, экспериментальные и производственные работы на железнодорожных станциях и узлах Дальневосточного региона.
Положения, выносимые на защиту:
− усовершенствованную технологию построения инфраструктуры ГПД для автомобильных и железных дорог, в том числе способ определения пространственной длины трассы и методика его применения при проектировании автомобильных дорог;
− способ уточнения фактической (физической) площади земельных участков и определения водосборных площадей при проектировании объектов автомобильных и железных дорог, позволяющий получать достоверные пространственные данные;
− методика оперативного контроля геометрических параметров автомобильных дорог с применением спутниковых приёмников ГЛОНАСС/GPS;
− методы геодезических работ на железнодорожных станциях и узлах, учитывающие специфику конкретной станции, климатические условия, наличие геодезических пунктов, количество объектов инфраструктуры.
Степень достоверности и апробация результатов исследований. Основные концептуально–теоретические положения, рекомендации и результаты исследований диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно- технических конференциях и научных конгрессах: Научно-практические конференции ДВГУПС, Хабаровск (2004–2012 г.); Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы инженерной геодезии», Санкт–Петербург, 2009; VIII Международная выставка и научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2012», Новосибирск, 2012 г.; IX Международная выставка и научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013».
Методы получения ГПД на железнодорожных станциях и узлах, а также способ определения геометрических параметров автомобильных дорог были внедрены в производство при выполнении инженерно-геодезических работ, проводимых кафедрой «Изыскания и проектирование железных дорог» ДВГУПС (2005–2012 г.) на Забайкальской и Дальневосточной железных дорогах. Автор принимал непосредственное участие в выполнении геодезических работ для съёмки более 15 железнодорожных станций и узлов, а также геодезических изысканий на участках железных дорог общей протяжённостью около 400 км в Забайкальском, Приморском, Хабаровском крае и Амурской области, о чём свидетельствует акт, о внедрении результатов исследования.
Способ определения крена применялся для контроля вертикальности объектов радиорелейных линий связи в Приморском и Хабаровском крае.
Материалы исследований внедрены в учебный процесс в Тихоокеанском государственном университете для студентов специальностей «Землеустройство», «Строительство автомобильных дорог», «Мосты и транспортные тоннели», и в Дальневосточном государственном университете путей сообщения для специальностей «Строительство железных дорог», «Экспертиза и управление недвижимостью». Были изданы по результатам исследований четыре учебных пособия.
Количество публикаций автора. Основные положения диссертации опубликованы в 45 научных журналах и изданиях, из которых 12 входят в Перечень рецензируемых журналов и изданий, определённых ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объём работы. Общий объем диссертации составляет 241 страницу печатного текста и включает введение, заключение, пять разделов, 18 таблиц, 66 рисунков, 2 приложения, список литературы из 202 наименований.
Автор выражает глубокую признательность коллективу изыскательской партии и кафедре «Изыскания и проектирование железных и автомобильных дорог» ДВГУПС, а также В.С. Шварцфельду, А.Р. Едигаряну, О.В. Яковлеву за плодотворное совместное сотрудничество в области инженерно-геодезических изысканий в реализации целого ряда производственных проектов. Материалы совместно выполненных производственных работ были использованы в диссертации.