Наука о земляном полотне для железнодорожных магистралей

Статья заведующего кафедрой «Путь и путевое хозяйство» МГУ ПС (МИИТ), доктора технических наук, профессора Евгения Самуиловича Ашпиза касается опыта проектирования и строительства земляного полотна железных дорог России, расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов.

12 июля 2014

Памяти выдающегося ученого Георгия Михайловича Шахунянца посвящается статья.

Остановлюсь только на вкладе Г.М. Шахунянца в развитие науки о земляном полотне. В 1938 году им была выпущена работа «Ликвидация пучин на железнодорожном пути», в которой заложены теоретические и практические основы по процессам морозного пучения земляного полотна и методам его предотвращения. В 1953 году выпущен фундаментальный труд «Земляное полотно железных дорог», рассматривающий вопросы проектирования и расчетов земляного полотна, в том числе и для сложных условий. Многие положения теории и методы расчета, изложенные в этой книге, остаются актуальными и сейчас.

Отдельно надо отметить, что профессор Г.М. Шахунянц создал в России Комитет по земляному полотну – научно-технический совет, который в течение 20 лет координировал и обобщал научные исследования, опыт проектирования, сооружения и эксплуатации земляного полотна на железных дорогах Советского Союза. По результатам работы Комитета по земляному полотну под его редакцией было выпущено 13 сборников трудов:

«Борьба с оползнями, обвалами и размывами на железных дорогах» (1961 г.);
«Защита железных дорог от селевых потоков» (1962 г.);
«Сооружение и эксплуатация земляного полотна из пылеватых грунтов» (1964 г.);
«Вопросы сооружения эксплуатационных насыпей на болотах» (1965 г.);
«Борьба с пучинами на железных и автомобильных дорогах» (1965 г.);
«Сооружение и эксплуатация земляного полотна в районах распространения засоленных грунтов и подвижных песков» (1966 г.);
«Борьба с наледями на железных и автомобильных дорогах»;
«Проектирование, строительство и эксплуатация земляного полотна в карстовых районах» (1968 г.);
«Сооружение земляного полотна железной дороги Новокузнецк – Абакан – Тайшет» (1970 г.);
«Земляное полотно, сооружаемое в зимних условиях» (1970 г.);
«Земляное полотно вторых путей» (1974 г.);
«Защита земляного полотна от горных рек» (1975 г.);
«Земляное полотно в районах распространения легковыветривающихся скальных пород. Стабильность высоких насыпей» (1977 г.).

Одно из последних заседаний состоялось в 1978 году и было проведено на строительстве Байкало-Амурской магистрали, расположенной на территории с вечной мерзлотой.

Общая характеристика железных дорог России в зонах распространения мерзлоты

Большая часть России расположена на территории, где распространены многолетнемерзлые грунты. При этом, учитывая расположение основных сырьевых ресурсов и необходимость их дальнейшего освоения, в ближайшее время интенсивное новое строительство железных и автомобильных дорог следует ожидать в основном как раз на этих территориях. В настоящее время протяжение эксплуатируемых железных дорог России в зонах распространения многолетнемерзлых грунтов составляет около 8 тысяч километров. Ввод в эксплуатацию первой железной дороги на многолетней мерзлоте (Забайкальская – часть Транссиба) относится к началу XX века, а последние железные дороги построены в настоящее время. Эксплуатация этих железных дорог показывает, что имеются многочисленные деформации земляного полотна, связанные с деградацией мерзлоты. Такое положение вызывает необходимость постоянных работ по исправлению пути, приводит к многочисленным ограничениям скоростей движения поездов и, в конечном счете, значительно увеличивает эксплуатационные расходы. Основной причиной этих деформаций является отепляющее влияние сооружения земляного полотна на мерзлые грунты основания, которые при оттаивании становятся слабыми, не воспринимая нагрузку.

Все железные дороги России, расположенные в зоне мерзлоты, по условиям ее формирования могут быть разделены на две большие группы:

1 группа – железные дороги, расположенные в Северном регионе (проходят в высоких широтах в районе полярного круга, широта выше 64 градусов);
2 группа – железные дороги, расположенные в Дальневосточном регионе (расположены в широтах 52–56 градусов).

Северный регион расположен в климатической зоне с относительно невысокой годовой амплитудой воздуха (60–70 °С), где отмечается короткое прохладное лето с невысокой радиационной составляющей и большим количеством осадков и суровая длительная зима, характерная сильными ветрами, большой толщиной снежного покрова и его метелевым переносом. Для региона характерна малая глубина сезонного оттаивания грунтов деятельного слоя.

Дальневосточный регион характеризуется резко континентальным климатом с высокой годовой амплитудой воздуха (80– 90 °С), имеющим жаркое лето с высокой радиационной составляющей и большим количеством теплых осадков и суровую холодную зиму, с небольшой толщиной снежного покрова и отсутствием метелей. В регионе отмечается большая глубина сезонного оттаивания грунтов деятельного слоя.

Этапы проектирования и строительства

По условиям проектирования и сооружения железных дорог в условиях многолетнемерзлых грунтов в историческом плане могут быть выделены 5 этапов.

1 этап – последнее десятилетие XIX века и начало XX века

Строительство первой железной дороги в условиях мерзлоты Транссиба осуществляется без достаточного опыта и ведется по нормам для обычных условий, без учета особенностей мерзлоты в основании. В результате большое количество деформаций земляного полотна в виде осадок при деградации мерзлоты и пучения при промерзании пучинистых грунтов земляного полотна и основания. Деформации земляного полотна на отдельных участках дороги продолжаются до настоящего времени.

2 этап – 30–50 годы XX века

Строительство линий севернее Транссиба до Второй мировой войны и в Северном регионе после ее окончания ведется с учетом опыта первого строительства Транссиба по нормам временного документа – проекта «Технических условий по строительству железных дорог в районах вечной мерзлоты», разработанного в 1939 году.

В этот период осуществлено накопление фактического материала о мерзлоте и работе сооружений, построенных на мерзлых грунтах, проведено лабораторное изучение процессов и создаются методы расчета промерзания земляного полотна. Основное внимание при этом обращается на два процесса, приводящих к деформациям на мерзлоте: процессу пучинообразования и процессу потери грунтами при их оттаивании несущей способности.

На этом этапе были даны рекомендации по предупреждению деформаций с применением различной теплоизоляции: шлака, торфа и торфогрунтовых смесей, разработаны конструкции водоотводных сооружений. Несмотря на неполный учет особенностей происходящих тепловых процессов и даже некоторые неверные выводы, в целом на данном этапе было накоплено большое количество фактического материала, разработаны основы методик как полевых изысканий, так и научных исследований. Были созданы конструктивные решения, способствующие уменьшению деформаций. Тогда же было сформулировано одно из основных положений о двух принципах строительства на мерзлоте. I принцип – сохранение и использование при эксплуатации основания в мерзлом состоянии и II принцип – допущение оттаивания основания с использованием грунтов в талом состоянии.

3 этап – 70–80 годы XX века

Осуществляется строительство Байкало-Амурской магистрали (БАМ) на Дальнем Востоке и линии на север Тюменской области. Проектирование и строительство этих линий ведется по первому постоянному нормативному документу «Технические указания по изысканиям, проектированию и постройке железных дорог в районах вечной мерзлоты» ВСН 61-61, который и определил основные решения. Учитывая, что после 50-х годов новых железных дорог в зоне мерзлоты до строительства БАМа не было, решения ВСН 61-61 во многом были приняты на эмпирическом уровне. К сожалению, поэтому далеко не все из них, использованные при проектировании БАМа, оказались эффективными.

Так, например, для Восточного участка БАМа, где наиболее сложные мерзлотно-грунтовые условия и температура грунтов в естественном состоянии – 0,5°С – 1,0°С было ошибочно принято положение, что насыпи должны отсыпаться оптимальной высотой 4 м из дренирующих грунтов из условия вхождения мерзлоты в тело насыпи, а для предотвращения оттаивания с боков устраиваться бермы. Насыпи предписывалось отсыпать на мерзлое основание, без нарушения мохового покрова. При расчетном обосновании учитывалась только кондуктивная теплопередача.

Фактически такое решение привело к серьезному нарушению естественного теплообмена грунтов с воздухом. Основным условием существования мерзлых грунтов в этом регионе являлось интенсивное охлаждение их за счет мохового покрова через испарение влаги в летний период и разницы в теплопроводности его в теплый и холодный периоды, что не было предусмотрено в расчетах. Также большое отепляющее влияние и предпосылки для образования термокарста создали неудачные решения с водоотводами, которые привели к подтоплению прилегающей к земляному полотну территории.

В результате на БАМе отмечается большое количество деформаций земляного полотна, в основном – осадок, которые происходят из-за деградации мерзлоты длительное время.

Осадки проявляются как в виде резких локальных просадок пути протяжением в несколько десятков метров, так и в виде протяженных «волнообразных» участков длиной до 1 км и более. При этом осадки протекают крайне неравномерно, приводя к значительным расстройствам рельсовой колеи, вызывая необходимость частых выправок и подъемок пути. По причине этих деформаций снижается безопасность движения поездов, что приводит к ограничениям скоростей движения. В местах интенсивных деформаций отмечаются трещины по обочинам и бермам и значительная просадка последних вплоть до их погружения в марь. Годовая величина осадки по результатам инструментальных измерений составляет до 10–20 см. Большинство осадок насыпей приходится на маревые ландшафты, сложенные сильнольдистыми грунтами III и IV категории просадочности. У подошвы насыпей образуются термокарстовые понижения, ускоряющие процесс деградации мерзлоты.

Основной причиной деформаций является деградация мерзлоты в основании, вызванная нарушением естественных условий теплообмена между атмосферой и грунтовым массивом, выражающимся:

в замене в зоне сезонного оттаивания-промерзания слоя торфа или переувлажненного суглинка на дренирующий маловлажный грунт;
в уменьшении испарения и увеличении инфильтрации тепловых атмосферных осадков через оголенные поверхности контура насыпи по сравнению с естественными маревыми ландшафтами;
в увеличении поглощения солнечной радиации поверхностями контура насыпи по сравнению с естественными маревыми ландшафтами;
в ухудшении условий стока поверхностных вод вблизи насыпей, приводящему к отепляющему влиянию углублений поверхности, заполненных водой и фильтрующихся через насыпь потоков.

Строительство БАМа вызвало активизацию мерзлотных исследований в этом регионе, позволившую, объединив усилия ученых геологов-мерзлотоведов и ученых геотехников-строителей, существенно продвинуться в изучении процессов, происходящих при взаимодействии сооружений с основаниями из многолетнемерзлых грунтов.

В это время создается современное понимание взаимодействия железнодорожного земляного полотна с многолетнемерзлыми основаниями, разрабатываются математические модели, определяющим становится численное моделирование тепловых процессов с применением ЭВМ. Но данные исследования уже работают на будущее, так как основные проектные решения по БАМу выполнены и полученные научные результаты удается внедрить только на отдельных опытных объектах.

В качестве мероприятий по стабилизации деформаций осадок был предложен ряд конструктивных решений, направленных на охлаждение оснований и регуляцию поверхностного стока, которые вошли в разработанный в 1993 году нормативный документ «Технические указания по стабилизации деформирующихся насыпей железных дорог, расположенных на протаивающих основаниях из вечномерзлых грунтов». Такими мероприятиями явились охлаждающие каменные наброски на откосы насыпей, сезонные охлаждающие установки (СОУ) из труб, различные экраны откосов и др.

Для обеспечения отвода воды от земляного полотна были предложены в качестве водопропускных сооружений бесфундаментные металлические гофрированные трубы, а для продольных водоотводов лотки из композитных стеклопластиковых материалов, которые меньше нарушают естественные условия и менее чувствительны к деформациям.

Согласно основным выводам, вытекающим из результатов работ, при строительстве земляного полотна на мерзлоте необходимо учитывать изменение условий теплообмена и выполнять прогнозные расчеты положения мерзлоты, а для участков, сложенных в основании грунтами III и IV категории просадочности, где возможна деградация мерзлоты, необходимо принятие мероприятий по сохранению грунтов в мерзлом состоянии. Если не учитывать эти особенности и допустить оттаивание (II принцип строительства на мерзлоте), то при эксплуатации происходят многолетние осадки, вызывающие потери, которые превышают начальные капитальные вложения на охлаждающие мероприятия.

4 этап – 80–90 годы XX века

Строительство Амурско-Якутской магистрали (АЯМ) на Дальнем Востоке и продолжение строительства линий в Заполярье происходит с учетом накопленного богатого опыта на строительстве БАМа. Проектирование АЯМа ведется по новой редакции ведомственных норм ВСН 61-89 «Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты», созданной на базе ВСН 61-61. Этот документ явился компромиссом между устоявшимися принципами, заложенными в проектные решения БАМа, и отдельными новыми решениями.

Несколько иное положение сложилось в середине 80-х годов с проектированием участков линий в Заполярье: линии Ягельная – Ямбург и линий на полуострове Ямал. Для этих линий под руководством СибЦНИИСа были разработаны ведомственные строительные нормы ВСН 200-85 и ВСН 203-85, в которых конструктивные решения для земляного полотна были основаны на классификации методов управления тепловым режимом грунтовых массивов, разработанной проф. А.А. Цернантом.

Классификация учитывает все изменения теплового баланса мерзлого основания, вызванные сооружением земляного полотна, и предлагает теоретически обоснованные методы управления температурным режимом, позволяющие сохранить мерзлоту. Поэтому в решения, содержащиеся в нормах, были введены новые к тому времени синтетические материалы: геотекстиль и пенополистирол, позволяющие значительно повысить надежность земляного полотна. Данные нормы для дорог Заполярья в основном сохраняют свою актуальность и в большинстве своем были применены и при проектировании и строительстве железных дорог на 5 этапе.

5 этап – начало XXI века

Продолжение строительства АЯМа с выходом к Якутску на Дальнем Востоке и строительство линий на полуострове Ямал в Заполярье происходит с учетом всего накопленного богатого опыта строительства. Проектирование ведется по специальным техническим условиям отдельно для линии Томмот – Якутск и отдельно для линии Обская – Бованенково Карская на Ямале.

В основу данных нормативных документов положены современные теоретические представления о взаимодействии земляного полотна с грунтовым основанием, результаты многочисленных натурных наблюдений за температурным режимом грунтов и поведением земляного полотна, численное моделирование и прогноз процессов с применением компьютерных программ.

Основные принципы проектирования и сооружения земляного полотна железных дорог в условиях мерзлоты, заложенные в современных нормах, сводятся к следующему:

основой для проектирования должны быть результаты изысканий, в ходе которых получена достаточная информация об инженерно-геологических, в целом, и мерзлотных условиях, в частности, участков прохождения трассы линии;
проектные решения по земляному полотну должны приниматься на основе прогноза изменения мерзлотных условий после сооружения полотна, при этом температурный режим и развитие деформаций должно проектироваться на перспективу не менее 50 лет;
прогноз температурного режима земляного полотна с основанием должен выполняться с учетом всех составляющих теплообмена между атмосферой и грунтовым массивом, особое внимание должно уделяться изменению характеристик поверхностных покровов (мох, снег) и условиям изменения поверхностного стока;
трассирование и проектирование продольного профиля линии на участках со сложными инженерно-геологическими условиями должно вестись в комплексе с проектированием земляного полотна;
сравнение вариантов технических решений земляного полотна должно производиться не только по первоначальной строительной стоимости, но и с учетом расходов при эксплуатации;
для участков трассы, расположенных на сильнольдистых грунтах III и IV категории просадочности, как правило, следует отдавать предпочтение I принципу использования грунтов основания, т.е. не допускать их оттаивания в период эксплуатации; для этих целей на участках, где типовыми решениями не удается предотвратить деградацию мерзлоты, необходимо выполнение специальных охлаждающих мероприятий;
особенное внимание при проектировании должно уделяться надежному водоотведению от земляного полотна.

Основные конструктивные решения, предложенные для участков льдистых грунтов в основании, для линии Томмот – Якутск, предусматривают сохранение мерзлоты применением различных охлаждающих конструкций.