СОВРЕМЕННАЯ МЕТОДИКА ПОСТРОЙКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПУТЕЙ В ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

MODERN METHODS OF CONSTRUCTION METALWAYS IN THE CIRCUMSTANCES OF THE FAR NORTH

Анищенко Елизавета Сергеевна, кафедра ТОСП МГСУ 

Файзуллин Дмитрий Андреевич, кафедра Железобетонных и каменных конструкций НИУ МГСУ

Anishchenko E. S., Fayzullin D.A.

Аннотация: При строительстве  железных дорог в условиях Крайнего Севера необходимо учитывать суровые природно-климатические условия строительства, вечномерзлое состояние грунтов и высокую себестоимость работ. Кроме учета особенностей грунтовых условий, влияющих на устойчивость дорог, необходимо совершенствовать и их конструкцию, особенно в случае вынужденной отсыпки насыпи из некондиционных тонкодисперсных грунтов, повсеместно распространенных в этих районах.

В статье рассматриваются вопросы совершенствования технологии строительства железных дорог в сложных инженерно-геологических условиях Арктических зон.

Предложена новая оригинальная конструкция насыпи железной дороги повышенной устойчивости, позволяющая значительно сократить объем грунта для отсыпки насыпи.

Summary: In the construction of Railways in the Far North, it is necessary to take into account the harsh natural and climatic conditions of construction, the permafrost state of the soil and the high cost of work. In addition to taking into account the peculiarities of soil conditions affecting the stability of roads, it is necessary to improve their design, especially in the case of forced backfilling of the embankment from substandard fine soils, widespread in these areas.

The article deals with the issues of improving the technology of construction of Railways in complex engineering-geological conditions of the Arctic zones.

A new original design of the railway embankment of increased stability is proposed, which allows to significantly reduce the amount of soil for filling the embankment.

Ключевые слова: насыпь, железная дорога, высокольдистый грунт, строительство дорог.

Key words: embankment, railway, high-hilly soil, construction of roads.

В связи с тем, что в последние годы резко возрос объем перевозимых грузов, связанный с обустройством месторождений, транспортированием извлекаемого сырья и обустройством оборонных объектов в Арктических зонах, Правительство РФ приняло решение по ускоренному строительству сети железных дорог. Построена уникальная железная дорога Салехард-Бованенково для эффективного освоения месторождений на п-ове Ямал и начаты работы по строительству другой уникальной железной дороги в рамках проекта Северный широтный ход, который планируется реализовать к 2023 г.

Предполагается, что эта новая магистраль даст толчок экономическому развитию Заполярья, разгрузит Транссиб и увеличит грузопоток по Северному морскому пути. Однако при этом необходимо учитывать высокие затраты на прокладку железнодорожных путей.

По данным Института исследования проблем железнодорожного транспорта, стоимость строительства 1 км дороги новой железнодорожной магистрали может обойтись в 2,8 млн. долларов! Эффективное освоение уникальных месторождений нефти и газа, а также ускоренное обустройство оборонных объектов в Арктических зонах требуют и более быстрого развития транспортной сети.

Однако суровые природно-климатические условия, повсеместное распространение структурно-неустойчивых при оттаивании многолетнемерзлых тонкодисперсных грунтов, отсутствие в достаточном количестве кондиционных грунтовых материалов, необходимых для строительства дорог, сдерживают широкомасштабное освоение арктических территорий.

При этом известно, что эффективное освоение уникальных и стратегически важных для нашей страны месторождений, а также надежная их защита невозможна без применения новых технологических и конструктивных решений при сооружении объектов в сложных удаленных районах Крайнего Севера [1].

Кроме суровых климатических условий, арктические территории отличаются широким распространением высокольдистых и в особенности тонкодисперсных грунтов, которые являются наиболее сложными и опасными с точки зрения строительства. Такие грунты в процессе оттаивания переходят в структурно-неустойчивое состояние. Дорожные насыпи и площадки, отсыпаемые из таких грунтов, подвержены сильным деструктивным процессам, приводящим к их разрушению [2].

Известно три основных метода повышения устойчивости грунтовых насыпей, отсыпаемых на мерзлых грунтах: сохранение основания и самой насыпи в мерзлом состоянии; использование особых конструктивных решений насыпи; модифицирование – структурное упрочнение грунтовой отсыпки насыпи [3].

Данная работа посвящена решению важного вопроса повышения устойчивости грунтовой насыпи, отсыпаемой из некондиционных тонкодисперсных высокольдистых грунтов, путем сохранения основания и насыпи в мерзлом состоянии за счет применения новой конструкции насыпи, позволяющей значительно сократить объем отсыпаемого грунта.

Известно техническое решение – способ температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах путем использования охлаждающей системы в виде труб, уложенных под слоем теплоизоляции по всей площади основания, размещенной в теленасыпи железной дороги, организации искусственного промораживания грунта и поддержания его в мерзлом состоянии [4].

Недостатком данного технического решения является высокая стоимость его реализации, а также малая эффективность охлаждения за счет сложности охвата всего объема насыпи и, как следствие, создание условий развития неравномерных осадок насыпи, что приводит к снижению устойчивости насыпи, а в целом – к снижению эффективности способа.

Учитывая важность решения проблемы повышения эффективности транспортного строительства в Арктических зонах, была предложена новая оригинальная конструкция железнодорожной насыпи повышенной устойчивости (рис. 1) [5].

В случае реализации предложения технический эффект будет получен за счет повышения устойчивости насыпи, снижения объема грунтовой отсыпки с попутной утилизацией отработанных железнодорожных цистерн.

Поставленная проблема решается путем устройства в насыпи объемной охлаждающей системы – из отработанных железнодорожных цистерн (из-под бензина, нефти и др.). Такая конструкция насыпи позволяет, во-первых, выгодно утилизировать отработанные цистерны, во-вторых, за счет жесткости цистерн существенно экономить на объеме грунтовой отсыпки насыпи, особенно для тех регионов, где ощущается недостаток в кондиционных грунтах; в-третьих, снижаются и общие объемные деформации грунта насыпи, повышая тем самым ее устойчивость и, в-четвертых, выполняя функцию аккумулятора холода за счет своего большого объема, существенно увеличивается ореол охлаждения грунта вокруг цистерны, сохраняя его более длительное время, что повышает эффективность использования охлаждающей системы в целом.  При этом эффективность промораживания цистернами может быть повышена за счет установки на них ребер радиаторных.

Следует отметить, что работа охлаждающей системы может быть автоматизирована путем установки температурных датчиков и управляющего компьютера, что дополнительно повысит эффективность ее работы.

Установка поперечных цистерн в промежутках между продольными цистернами позволяет более равномерно распределять температурное поле, особенно в местах поворота насыпи (рис. 3).

Укладка железнодорожных цистернв две нитки позволяет значительно снизить объем отсыпаемого грунта, уменьшить объемные деформации грунта, увеличить зону промораживания насыпи и в целом повысить устойчивость насыпи, особенно при прокладке дороги на особо опасных с точки зрения геокриологических (грунтовых) условий строительства.

В качестве модели работы цистерны в насыпи может быть использована схема работы водопропускных труб, укладываемых в насыпях дорог. При этом надо иметь в виду, что в северных регионах страны имеется мало крупных песков, гравелистых и щебенисто-галечных грунтов, которые при соответствующем уплотнении до 0,95–0,98 стандартной плотности могли бы обеспечить надежную работу насыпи и системы «труба-грунт». В основном распространены мелкие или влажные пылеватые и водонасыщенные (высокольдистые) пески с малым модулем деформации (Е < 20 кПа), которые практически непригодны для засыпки труб и отсыпки насыпи [6].

Практика строительства дорог в сложных мерзлотных условиях Севера и на БАМе показала, что многие водопропускные трубы деформируются. Наибольшие деформации проявляются в виде удлинения – растяжки и осадки. Как правило, растяжка сопровождается неравномерной осадкой секции труб.

Постоянные наблюдения за состоянием труб показали, что основные деформации приходятся на период отсыпки насыпи и в первый год эксплуатации. Так, удлинение отдельных труб могло достигать 50% от общей деформации за десятилетний период наблюдений [7].

Для предотвращения могут быть использованы экранирующие элементы в виде гибких полос. Экранирующие элементы предназначены для уменьшения сил трения вдоль наружных поверхностей [7].

Для расчета работы цистерны – для одной нитки или двух цистерн – для двух ниток в насыпи может быть принята методика расчета металлических гофрированных труб, широко используемых при строительстве дорог на Севере [8; 9].

Принимается, что в начальный период послойной отсыпки насыпи сечение трубы (цистерны) вверху принимает овальную форму 2 (рис. 2). По мере отсыпки насыпи цистерна деформируется внутрь по вертикали и в наружные стороны по горизонтали. Боковые деформации (перемещения) цистерны вызываютответную реакцию со стороны окружающего грунта в виде упругого отпора 4, что обеспечивает общее равновесие системы «цистерна–грунт». Принимаем, что со стороны откосов упругий отпор грунта будет несущественным.

В основе расчетного метода лежит идея, что предельное состояние гибкой трубы (цистерны) под нагрузкой P может достигать при нулевых значениях пассивного отпора грунта 4.

Это объясняется тем, что вследствие роста поперечных деформаций трубы (цистерны), направленных внутрь, объем трубы начинает уменьшаться и дальнейшее уплотнение грунта не происходит. Принятое условие дает возможность определить предельные значения вертикальной нагрузки P и вертикальной деформации трубы (цистерны).

Исполнение охлаждающей системы объемной в виде жесткого элемента из отработанных железнодорожных полуцистерн позволяет, во-первых, увеличить контактную площадь с основанием и, соответственно, повысить эффективность действия охлаждающего эффекта от совместной работы полуцистерн с мерзлым основанием, а во-вторых, за счет увеличенной опорной площади с основанием и, соответственно, повышенного сцепления с грунтом основания повысить устойчивость насыпи, что в целом повышает эффективность их использования.

Заглубление цистерн в мерзлое основание на глубину h, равную глубине естественного оттаивания грунта, позволяет повысить зону охвата и влияния на область оттаивания основания, тем самым сохраняя его более надежно в мерзлом состоянии (рис. 4).

Расстояние между цистернами b, равное не более двух величин ореола промерзания грунта вокруг торца цистерны, назначают и выбирают из условия сохранения устойчивого состояния насыпи. В случае назначения расстояния между цистернами, равного более двух величин ореола, это приведет к появлению зон оттаивания, а при назначении менее двух величин ореола – к лишнему расходу хладагента и увеличению количества цистерн.

Насыпь железной дороги на вечномерзлых грунтах состоит из собственно насыпи 1, отсыпанной на подготовленное основание 2, на котором уложены, например, в две нитки отработанные цистерны 3, выполняющие функцию объемной охлаждающей системы и соединенные трубопроводами 7 (см. рис. 1, рис. 3). Отработанные цистерны соединены поперечными гибкими связями – канатами 4 и имеют вентиляционные выпуски 8 и ребра радиаторные 9.  В верхней части насыпи 1 – в основании балластной призмы 6 уложено геополотнище или геосетка 5 для повышения несущей способности дорожного полотна.

Предложенная технология реализуется следующим образом. При работе в зимний период на расчищенном участке трассы строящейся дороги собирают охлаждающую систему.

Для этого укладывают отработанные цистерны 3 в одну или две нитки, фиксируя их, например, деревянными уголками (см. рис. 1). В случае отсыпки невысокой насыпи охлаждающую систему собирают из полуцистерн, фиксация ко торых не требуется. Цистерны соединяют между собой трубопроводами 7 и с устройством подачи хладоагента. Затем отсыпают насыпь 1 из высокольдистого грунта на мерзлое основание 2, оставляя вентиляционные выпуски 8 свободными в откосах насыпи из цистерн, установленных поперек трассы дороги (рис. 3).

С целью повышения степени уплотнения грунта насыпи может быть использована операция ее прогрева для частичного протаивания грунта. В этом случае рекомендуется кратковременное прокачивание горячего воздуха по ниткам из цистерн.

После этого отсыпают балласт 6 и укладывают рельсовый путь. Открываются вентиляционные выпуски 8 цистерн в откосах насыпи, установленных поперек трассы дороги, и производится естественная или принудительная вентиляции холодным воздухом через все цистерны, тем самым поддерживая насыпь в мерзлом устойчивом состоянии.

При работе в летний период на расчищенном участке трассы строящейся дороги организуют одну или две тран шеи, в зависимости от того сколько запроектировано ниток цистерн, извлекают грунт на глубину его оттаивания h и устраивают охлаждающую систему, согласно операциям, выполненным и описанным выше (рис. 4).

В теплое время года закрываются вентиляционные выпуски 8 цистерн в откосах насыпи, установленных поперек трассы дороги, и производится промораживание насыпи путем пропускания хладагента через цистерны 3 (см. рис. 3).

Прокачивая хладоагент через систему цистерн, производят охлаждение насыпи и основания. При этом эффективность промораживания насыпи 1 цистернами 3 повышается за счет установки на них ребер радиаторных 9.

Включив охлаждающую систему, производят промораживание окружающих слоев грунта вокруг цистерн с возможностью поддержания их в заданном термо-реологическом состоянии с формированием ореола промерзания вокруг цистерн, захватывающего весь объем насыпи. При этом работа охлаждающей системы может быть автоматизирована путем установки температурных датчиков и управляющего компьютера.

В заключение можно сделать следующий вывод. Выполненные предварительные поисковые работы показали, что устойчивость грунтовой насыпи, отсыпаемой из некондиционных высокольдистых тонкодисперсных грунтов, можно повысить за счет изменения ее конструкции, позволяющей поддерживать насыпь в устойчивом состоянии в случае ее оттаивания.

Использование для этого отработанных цистерн в качестве аккумуляторов холода позволяет добиться структурного термоупрочнения грунтовой насыпи во всем ее объеме в периоды оттаивания. При этом значительно сокращается объем отсыпаемого некондиционного грунта с попутной эффективной утилизацией отработанных цистерн.

Внедрение предлагаемого технического решения, безусловно, позволит обеспечить устойчивость железной дороги в летний период и значительно сократить материальные затраты на ее возведение в сложных условиях Крайнего Севера.

Особенно эффективно использовать предлагаемое техническое решение на сложных участках строительства в Арктических зонах, характеризуемых широким распространением структурно неустойчивых высокольдистых грунтов и отсутствием в достаточном количестве кондиционных грунтовых материалов, используемых для возведения дорожных насыпей.

Список литературы

1. Атаев С.С. Технология строительного производства: Учебник для вузов / С.С. Атаев, Н.Н. Данилов, Б.В. Прыкин [и др.]. – Стройиздат, 2014.- С.432
2. Водопропускные трубы в районах вечной мерзлоты / А.С. Потапов, Р.Е. Повальный, Е.Ф. Казначеева, Р.С. Клейнер // Трансп. стр-во. – 2018. – №1.
3. Взаимодействие гофрированных труб с грунтом в процессе их засыпки / А.С. Потапов, Е.Ф. Казначеем, З.М. Палькина, М.Г. Раткевич // Трансп. стр-во. – №5. – 2018. – С. 43–45.
4. Кондратьев В.Г. Стабилизация земляного полотна на вечномерзлых грунтах: монография. – Чита: ПолиграфРесурс, 2011. – 176 с.
5. 0пыт строительства гофрированных водопропускных труб / В.П. Чернявский, С.А Фейтельман, П.Д. Стрельников [и др.] // Трансп. стр-во. – №1. – 2017. – С. 8–11.
6. Патент РФ № 2415226. МПК: Е02D 3/115. Система для температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах / Г.М. Долгих [и др.]. – 2016. – 8 с.
7. Патент РФ 2657310. МПК: E01C 3/06. Насыпь железной дороги на вечномерзлых грунтах / В.И. Трофимов. Опубликовано: Бюл. №17. – 2018. – 8 с.
8. Строительство путей сообщения на Севере / С.Я. Луцкий, Т.В. Шепитько, П.М. Токарев, А.Н. Дудников. – М.: ЛАТМЭС, 2009. – 286 с.
9. Трофимов В.И. Повышение эффективности транспортного строительства в Арктических зонах // Научный вестник Арктики. – 2018. – №3. – С. 31–39.
10. Трофимов В.И., Кондратьев В.Г. Геотехнология и строительство на мерзлых органоминеральных грунтах: монография. – Тверь: ТвГТУ, 2014. – 268 с.

List of references

1. Ataev S. S., Technology of building production: the Textbook for high schools / S. S. Ataev, N. N. Danilov, B. V. Prikin [and others]. – ], 2014.- 432 p.
2. Culverts in permafrost / A. S. Potapov, R. E. Povalny, E. F. Kaznacheeva, R. S. Kleiner // Transp. page. – 2018. – №1.
3. Interaction of corrugated pipes with soil in the process of filling / A. S. Potapov, E. F. Treasurer, Z. M. Palkina, M. G. Ratkevich // Transp. page. – №5. – 2018. – P.43-45.
4. Kondratyev V. G. Stabilization of the roadbed on permafrost soils: monograph. – Chita: Poligrafresurs, 2011. – 176 p.
5. 0пыт construction of corrugated culverts / V. P. Chernyavskaya, S., Teitelman, P. D. Strelnikov [et al.] / / Transp. page. – №1. – 2017. – Pp. 8-11.
6. Patent RF № 2415226. IPC: Е02D 3/115. System for temperature stabilization of the base of structures on permafrost soils / G. M. Dolgikh [etc.]. – 2016. – 8 PP.
7. RF patent 2657310. IPC: E01C 3/06. Railway embankment on permafrost / V. I. Trofimov. Published: Byul. No. 17. – 2018. – 8 PP.
8. Construction of communication routes in the North / S. Ya. Lutsky, T. V. Shepitko, P. M. Tokarev, A. N. Dudnikov. – M.: LATMES, 2009. – 286 p.
9. Trofimov V. I. Improving the efficiency of transport construction in the Arctic zones. Scientific Bulletin of the Arctic. – 2018. – №3. – P. 31-39.
10. Trofimov V. I., Kondrat’ev, V. G. Geotechnology and construction of frozen organic and mineral soils]. – Tver: Tvstu, 2014. – 268 s