Современные методы усиления земляного полотна

Стратегическими задачами развития ОАО «РЖД» на современном этапе является организация на сети дорог в грузовом движении ведения тяжеловесных поездов, а в пассажирском – высокоскоростных поездов. Решение этих задач требует усиления существующего земляного полотна, построенного по техническим нормам предыдущих лет, и которое, в отличие от верхнего строения железнодорожного пути, в течение срока его эксплуатации не заменялось и не обновлялось.

Вопросам современных инновационных подходов к решению этих важнейших задач для обеспечения безопасности движения посвящена статья заведующего кафедрой «Путь и путевое хозяйство» МГУПС (МИИТ), д.т.н. Е.С. Ашпиза.

К настоящему времени в земляном полотне под влиянием многочисленных внешних переменных во времени природных и техногенных факторов с момента его сооружения произошли изменения, которые привели к возникновению различных деформаций и дефектов, протяжение которых составляет около 7% от длины сети железных дорог.

Большую долю среди этих деформаций составляют деформации, связанные с природными неблагоприятными экзогенными (поверхностными) геологическими процессами и явлениями (ЭГПЯ), такими как оползни, сели карсты, обвалы и др., и на этих участках для обеспечения требуемой безопасности необходимо устройство различных сооружений инженерной защиты земляного полотна.

Усиление земляного полотна при реконструкции

В соответствии с Положением о реконструкции железнодорожного пути, действующем в ОАО «РЖД», приоритетными работами по усилению земляного полотна являются:

• устройство защитных слоев под балластом в зоне основной площадки;
• восстановление водоотводов и дренажей и устройство новых при изменении в процессе эксплуатации гидрологической ситуации;
• проведение противодеформационных мероприятий на участках деформирующегося и неустойчивого земляного полотна (высокие насыпи, участки пути со слабым основанием, на оползневых косогорах, распространение карста и мерзлоты, скально-обвальные места).

Основные особенности усиления существующего земляного полотна при реконструкции линии состоят в том, что работы должны выполняться в сжатые сроки в условиях движения поездов на ограниченном стесненном для производства работ пространстве, поэтому многие способы, которые могут быть применены при строительстве нового полотна, в данных условиях не подходят.

Данным условиям хорошо отвечают способы усиления земляного полотна с применением геосинтетических материалов, которые в последнее время нашли широкое применение.

Усиление основной площадки

Основная площадка земляного полотна является одним из важных элементов железнодорожного пути, определяющих стабильность геометрии рельсовой колеи. Вместе с тем сложные условия работы грунтов основной площадки привели к широкому распространению на сети железных дорог дефектов и деформаций этого элемента в виде балластных углублений и пучин, что вызывает повышенные затраты на содержание пути. Эти деформации являются самыми многочисленными на сети дорог. Проблема обеспечения стабильности основной площадки особенно важна для линий, где предусматривается введение скоростного пассажирского движения либо организация тяжеловесного движения для грузовых поездов.

Одним из наиболее эффективных способов усиления основной площадки является устройство под балластом защитных слоев, имеющих повышенные прочностные и деформационные свойства, что регламентируется нормативными документами. При этом защитные слои предназначены для выполнения следующих пяти основных функций:

• разделительной – не допускать взаимного проникновения и перемешивания частиц балластной призмы и грунтов земляного полотна;
• гидроизоляционной – защищать основную площадку земляного полотна от атмосферной воды;
• морозозащитной – защищать от промерзания нижележащие пучинистые грунты земляного полотна;
• армирующей – распределять напряжения от поездной нагрузки на грунты земляного полотна, снижая максимальныеих величины с целью обеспечения несущей способности;
• виброзащитной – обеспечивать эффективное гашение колебаний от поездов.

Устройство классических защитных слоев из смеси щебеночно-гравийно-песчаных грунтов является надежным решением усиления основной площадки земляного полотна. К его основному недостатку при усилении существующего полотна относится необходимость вырезки грунтов на глубину до 1 м, что в условиях большинства российских железных дорог становится дорогостоящим и не вписывается в традиционные технологии ремонта пути.

С целью уменьшения толщины защитного слоя в нем применяются различные геосинтетические материалы (геотекстиль, георешетки и плиты пенополистирола), которые позволяют обеспечивать выполнение необходимых его функций при меньшей толщине. Так, применение георешеток позволяет сократить толщину защитного слоя более чем в 2 раза, улучшив при этом его характеристики.

Проверка свойств защитного слоя с армированием георешеткой проведена на испытательном полигоне под г. Зеленогорск Ленинградской области. Модели конструкции железнодорожного пути выполнялись в натурную величину. Поездная нагрузка имитировалась вибрационной машиной, обеспечивающей приложение к рельсам статической нагрузки 25 тс/ось. Было промоделировано три варианта конструкции:

• без защитного слоя;
• стандартный защитный слой из щебне-гравийно-песчаной смеси толщиной 0,4 м;
• армированный плоской георешеткой ТХ 170 защитный слой из щебне-гравийно-песчаной смеси толщиной 0,2 м.

Результаты моделирования двух вариантов защитных слоев показали значительно лучшие характеристики для армированного георешетками защитного слоя.

На железных дорогах России применение защитного слоя при реконструкции целенаправленно началось практически с 2003 года. Эффективность применения защитного слоя подтверждена опытом эксплуатации на линии Москва – Санкт-Петербург, где на сопоставимых участках после реконструкции при устройстве защитного слоя выправка проводилась на 4-ый год, а без укладки защитного слоя на второй год, а потом каждый год.

Восстановление водоотводов

Стабильность основной площадки земляного полотна в выемках и на нулевых местах во многом определяется исправной работой водоотводных сооружений, поэтому при реконструкции одной из первостепенных задач является обеспечение в этих местах круглогодичного гарантированного отвода поверхностных и грунтовых вод от железнодорожных путей.

При проведении реконструкции сооружения восстанавливаются в прежнем виде, но при наличии кюветов в стесненных условиях, когда при их устройстве нормального профиля подрезается существующий откос выемки или оголяется фундаменты опор контактной сети, либо из-за слабых плывунных грунтов не удается нарезка кюветов, вместо них могут приниматься лотки либо дренажи.

Типовой конструкцией лотков являются железобетонные лотки П-образного сечения высотой 0,75–1,25 м. Недостатком данной конструкции являются большие стоимость и продолжительность их сооружения. Вместе с тем расчеты расходов ливневого стока показывают, что при отсутствии грунтовых вод для большинства встречающихся условий существующие типовые решения имеют значительный резерв пропускной способности, поэтому в целях уменьшения затрат они могут быть заменены лотками уменьшенных размеров.

Другим решением, существенно снижающим трудоемкость и продолжительность укладки лотков, является применение вместо железобетонных лотков легких лотков из композитных материалов конструкции «АпАТэК».

Лотки изготавливаются из стеклоткани, обрабатываемой полиэфирной смолой ПНМ-2, с усилением их поперечными ребрами жесткости, выполняемыми из того же композитного материала. Длина секций лотков принята из условия их монтажа вручную и составляет от 2 м до 6 м.

Лотки из композитных материалов прошли полный комплекс испытаний, в том числе в эксплуатационных условиях на ряде железных дорог, где была подтверждена их техническая надежность и эффективность работы.

Устройство инженерной защиты от неблагоприятных природных воздействий

Стоимость устройства защитных сооружений от неблагоприятных природных воздействий очень велика, что сдерживает их строительство в необходимом количестве, поэтому важным является снижение стоимости за счет применения армогрунтовых и сетчатых конструкций и изделий из композитных материалов.

Так, в МИИТе совместно с НПП «АпАТэК» была разработана концепция защиты железнодорожного пути от воздействия моря на линии Туапсе – Адлер с применением композитных материалов, позволяющая устранить недостатки существующих бетонных подпорно- волноотбойных стен, повысив надежность решений, снизив их стоимость и увеличив долговечность конструкций.

Согласно этой концепции главными направлениями для разработки новых берегоукрепительных конструкций и технологий являются применение композитных материалов для:

• ремонта бетонных волноотбойных стен в зонах с максимальными разрушениями;
• реконструкции подпорно-волноотбойных стен с учетом увеличения их высоты, для предотвращения размыва откосов земляного полотна;
• строительство новых волноотбойных стен, предусматривающих уширение основной площадки под строительство второго пути.

Предложенная конструкция новой подпорно-волноотбойной стены из композиционных материалов состоит из 2-х основных элементов армированного георешетками массива грунта и стеклопластиковых панелей, соединенных между собой при помощи якорных тяг (анкеров).

Разделение конструкции на две части было сделано для восприятия сочетания действующих нагрузок. Армированный массив (со стороны берега) воспринимает нагрузку от подвижного состава и веса грунта, а стеклопластиковая панель (со стороны моря) воспринимает нагрузку от морских волн и воздействие галечниковых взвесей, предохраняя от размыва армированный массив.

Благодаря физическим свойствам стеклопластиковых панелей удалось сократить вес элементов конструкции и, следовательно, снизить количество техники для их доставки и установки в проектное положение и сроки возведения стены. Для сравнения, вес одного погонного метра секции стеклопластиковой панели высотой 4,0 м составляет 269 кг, а бетонной волноотбойной стены – 38 400 кг. Сроки строительства на экспериментальном участке также были сокращены в сравнении с типовым решением до 4 раз.

Другим инновационным решением является ремонт существующих стен с применением композитного материала. Сквозные промоины в существующих бетонных стенах образуются в зонах, расположенных вблизи уровня моря, поэтому для увеличения срока эксплуатации волноотбойных стен предлагается монтировать панели из композитного материала на поврежденную поверхность.

Данная технология позволяет проводить строительно-монтажные работы со скоростью 5 погонных метров в сутки, что в несколько раз быстрее традиционного решения.

Другим примером инновационного решения для защиты пути на скально-обвальных участках является использование легких сетчатых конструкций в виде покровных сеток и противокамнепадных барьеров.

Для проектирования таких конструкций в МИИТе были разработаны технические указания, утвержденные в ОАО «РЖД».

Эти решения в несколько раз дешевле, чем традиционные противообвальные галереи, и сроки их строительства также значительно меньше.

© Евразия Вести VIII 2015

www.eav.ru