Выберите ваш город
Или укажите в поле
Главная Новости и события Новости компании Технология северных строек (дороги Ямала)

Технология северных строек (дороги Ямала)

10 Июня 2011
Технология северных строек (дороги Ямала)

Луцкий С.Я., д.т.н., профессор, Черкасов А.М., .к.т.н., Хрипков К.В., инженер (МИИТ)

 

Создание транспортной инфраструктуры – решающее условие для развития экономики на обширной территории в северных и восточных районах страны, освоения газово-конденсатных месторождений полуострова Ямал. Однако современные транспортные связи Сибири включают довольно редкую сеть путей сообщения различных видов транспорта в виде трасс, опирающихся в широтном направлении на юге на Транссибирскую и Байкало-Амурскую железнодорожные магистрали, с севера – на Северный морской путь, а в меридиональном – на Амуро-Якутскую автомагистраль, строящуюся железную дорогу Тында – Беркакит – Томмот – Якутск и на речные пути.

 

 

Строительство объектов в арктической и субарктической тундре связано в первую очередь и главным образом с уникальными природными условиями и явлениями. В практике применяют технологию и организацию работ, ориентированные на практически полное отсутствие грунтов, пригодных для возведения насыпей, и распространение многолетнемерзлых болот. Условия производства работ: среднегодовая темпеpатуpа составляет –5-9 0С, минимальная отрицательная темпеpатуpа –57 0С, количество дней со снежными метелями 70-80, повышенная снегозаносимость. Из-за большой льдонасыщенности грунтов наблюдаются значительные деформации естественных склонов и откосов насыпей, термоэрозионные и солифлюкционные процессы.

В экстремальных условиях строительства объектов транспорта на Севере особенно актуален выбор взаимосвязанных конструктивных, технологических и экологических решений, обеспечивающих надежность сооружений. Чем сложнее условия, тем важнее взаимодействие ученых, проектировщиков, строителей и научное сопровождение проектов на всех стадиях до ввода в эксплуатацию. Природу Севера можно познать только на экспериментальных участках и только совместно.

Опыт экспертизы строительства и временной эксплуатации железных дорог Ягельная – Ямбург, Обская – Бованенково – Карская и Беркакит – Томмот – Якутск показал необходимость обеспечения безопасности сооружений, начиная со строительного периода. В данной проблеме основное внимание отечественных и зарубежных ученых уделяется совершенствованию конструкции и способов усиления готовых объектов, обеспечивающих их стабильность и устойчивость. Между тем не менее важны задачи технологической надежности. При строительстве на многолетнемерзлых грунтах в зависимости от времени года и осадков меняются их физические свойства, что может потребовать изменения не только технологии, но и конструкции сооружений.

Грунты на полуострове Ямал и Тазовском п-ве состоят в основном из твеpдомеpзлых песков с большим содержанием льда. Глубина сезонного оттаивания не превышает 1 м. По физико-механическим свойствам грунты соответствуют V-VI категориям и имеют прочность на срез около 3 МПа. Разработка песчаных каpьеpов на глубину более 2 м нецелесообразна из-за чpезмеpной льдонасыщенности нижележащих слоев. Большинство разведанных карьеров располагают пылеватыми грунтами высокой влажности – до 40%. Твердомерзлые грунты не поддаются уплотнению, а при оттаивании превращаются в жидкую суспензию.

Что же может предложить сегодня строительно-технологическая наука для этих условий? Среди прогрессивных решений назовем разработанную в МИИТе композитную технологию, объединяющую возможности современных геосинтетических материалов, мобильной техники в северном исполнении, устройств для терморегулирования и приборного мониторинга процессов.

Наиболее сложные условия относятся к земляным сооружениям. Конструктивно-технологический фундамент для них был заложен многолетними научно-практическими исследованиями ОАО «ЦНИИС», СоюздорНИИ, ОАО «Ленгипротранс», ООО «Инжиниринговый центр “Ямал”», МГУ, Московского и Санкт-Петербургского университетов путей сообщения. Базовая конструкция земляных сооружений предусматривает наличие в теле насыпи защитных слоев из сухомерзлого песка, плоских и объемных георешеток и скального грунта, обойм и полуобойм из геотекстиля, в которые заворачивается твердомерзлый грунт, и защиту от протаивания основания с помощью пенополистирола. Разработан способ возведения нижней части насыпи из мелких пылеватых песков. В соответствии с ним сухомерзлые пески, имеющие естественную влажность до 6%, применяют для отсыпки насыпей без ограничений. Их уплотнение виброкатками обеспечивает проектную плотность.

Твердомерзлые грунты, имеющие влажность до 25%, применяют для отсыпки нижних слоев насыпи с использованием двухэтапной технологии. Зимой отсыпают карьерные бунты и нижние слои насыпи до 2 м. Летом производят гидротермическую мелиорацию грунтов в бунтах, перемещение их послойно в верхнюю часть насыпей, уплотнение, планирование и укрепительные работы. При этом количество технологических переделов возрастает по сравнению с обычными условиями в 5 раз. Если твердомерзлые песчаные грунты содержат большое количество пылеватых частиц (до 60-70%), то насыпи сооружаются в обоймах и полуобоймах из геотекстиля.

Запроектированная конструкция и соответствующая ей технология определяют состав, объемы земляных работ и, как следствие, сроки их выполнения. Именно эти сроки контролируются с позиций своевременной сдачи под укладку пути каждого участка насыпи и выемки. В случае невозможности выполнения сроков рассматривается возможность и целесообразность принятия альтернативных вариантов конструктивно-технологических решений ускорения земляных работ.

Алгоритм взаимосвязи организационных и технологических параметров основан на расчете комплексной характеристики – сроков сдачи земляного полотна под укладку пути:

где Vij – объем работ i-го исполнителя на j-м участке;

Ni – количествo исполнителей (машин, бригад в комплекте);

Пij, Фi – производительность и фонд рабочего времени машин;

Q, G – грунтовые и технологические характеристики.

Организационные схемы объединяют локальные технологические решения по производству подготовительных, карьерных, транспортных работ, строительству земляных сооружений комплексной конструкции. Опыт их разработки на строительстве ж.д. линий Обская – Бованенково – Карская, Томмот – Якутск (Кердем) показал, что на сложных объектах особенно важно учитывать взаимосвязь параметров технологических функций, экологических требований и организационной структуры строительного производства и на их основе регулировать конструктивно-технологические решения. Невозможно регулировать сроки за счет применения типовых схем и насыщения их машинными и трудовыми ресурсами, так как срокообразующим фактором являются тепловые и механические процессы в основаниях, имеющих сложную в гидрогеологическом отношении структуру.

Базовые технологические решения, в первую очередь ЦНИИСа, ОАО «Ленгипротранс», и ООО «Инжиниринговый центр “Ямал”», предусматривают отсыпку верхней части насыпи во всех конструкциях земляного полотна на высоту 0,8 м из сухомерзлого песчаного грунта, покрытого слоем толщиной 0,3 м песчано-гравийной смеси или скальным грунтом. Скальный грунт из карьера для отсыпки насыпей и укрепительных работ доставляется поездной возкой по технологическому железнодорожному пути до ближайшего раздельного пункта с выгрузкой на одну сторону в перегрузочные «блуждающие» карьеры. В перегрузочных карьерах производится его окучивание бульдозером и погрузка на автосамосвалы экскаваторами с ковшом емкостью 1,6-2,0 м3 с дальнейшей транспортировкой к месту работ.

Средняя часть высоких (высотой более 4,5 м) насыпей отсыпается местными песчаными грунтами, предварительно подготовленными и просушенными в бунтах до проектной влажности. Для укрепления откосов насыпей и основной площадки земляного полотна используется скальный грунт. Научное сопровождение строительства, новые модульно-композитные конструкции и снегонезаносимые профили насыпей позволили в принципе решить проблему сооружения земляного полотна на Ямале. Внедрена двухэтапная организация работ: на первом этапе – возведение насыпи пониженного профиля для проезда автомобилей и строительной техники, развертывания первоочередных работ на объектах с сосредоточенными объемами; на втором – отсыпка насыпи на полный профиль при круглогодичном проезде строительной техники и автомобилей вдоль трассы по уширенной берме или поездной возкой.

Вместе с тем двухэтапная организация работ связана с длительными сроками производства и нарушением полосы отвода под бермы. Обследование построенных участков вскрыло крайне негативные процессы деградации веками сложившейся мерзлоты на границе техногенного вмешательства в природу (насыпь – основание). С некоторым упрощением можно сказать, что на изучении процессов, проходящих по этой границе, сосредоточены многие исследования геокриологической и строительной науки. Нарушение гидрологического режима поверхностных вод приводит к формированию подтопленных зон, образованию термокарста и разрушению водоотводных и водопропускных сооружений. Снегонакопления в полосе отвода стали участками отепляющего воздействия и изменили температурный баланс в мерзлой толще. Нарушилась устойчивость мерзлотных процессов, и началось образование сквозных и несквозных таликовых зон. А это уже новое нестабильное образование в организме природы.

На участках таликовых зон необходимы особо сложные решения. Талики – массивы талого грунта, залегающие внутри толщи многолетнемерзлых пород, – являются источником нестабильности основания, деформаций земляных сооружений. Причина их появления – аномальные явления, вызывающие нарушение естественного температурного режима многолетнемерзлого основания, сложенного льдистыми грунтами. Повышение температур основания происходит в основном в связи с изменением условий поверхностного теплообмена на границе насыпи с воздухом. Но возможны и другие причины, например минерализация грунтов, понижающая их температуру замерзания (у проектировщиков есть даже термин – «жидкая вечная мерзлота»).

Как совместить лечение этих больных мест основания и строительство дороги?

Свой технологический вклад в решение этой проблемы внесли ученые МИИТа. Для ОАО «Ямалтрансстрой» составлен технологический регламент строительства экспериментального участка раз. Хралов – ст. Сохонто, в котором предложено построить технологическую автодорогу в теле насыпи, обеспечивающую постоянный внутрипостроечный транспорт с целью доставки грунта из притрассовых карьеров, строительных материалов и конструкций. В потенциально опасных местах возникновения и развития термокарста предложено организовать терморегулирование мерзлотных процессов за счет устройства СОУ. Идея состояла в том, чтобы уже в строительный период, при негативном прогнозе растепления в связи с накоплением снега или подтоплением насыпи, понизить температуру грунтов основания (проведем аналогию природы с организмом человека – при возможном повышении температуры нужна профилактика).

Предложенная в регламенте новая технология включает следующие процессы. В период отрицательных температур выполняется отсыпка землевозных подъездов 1 от карьеров 2 к трассе 3 с устройством блуждающих карьеров 4 вдоль всего годового фронта сооружения земляного полотна железной дороги. По землевозным подъездам производится доставка грунта и возведение внутри тела будущей железнодорожной насыпи технологической автодороги, обеспечивающей одно- или двухсторонний автопроезд. Для предотвращения деформаций при оттаивании грунта в технологической автодороге устраиваются геотекстильные обоймы, в основание укладывается пенополистирол, основная площадка укрепляется георешеткой и скальным грунтом (высота конструкции не должна допускать сезонного оттаивания основания и проверяется теплотехническим расчетом). Технологическая автодорога должна быть завершена до начала летнего периода на всем фронте отсыпки.

В таком исполнении технологическая автодорога приобретает, во-первых, конструктивную функцию – становится ядром жесткости, на которое опирают геообоймы будущей постоянной насыпи железной дороги, а во-вторых – организационную функцию, так как обеспечивает внутрипостроечный транспорт для всех подрядных организаций на трассе.

Но при таком интенсивном воздействии необходимо особо внимательно, в режиме мониторинга отслеживать наличие или потенциальную возможность появления таликовых зон. Именно здесь приходят на помощь композитные технологии с применением сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ) в сочетании с теплоизоляцией из пенополистирола, устанавливаемых вдоль полотна железной дороги.

Известен положительный опыт применения СОУ. Охлаждение пластичномерзлых грунтов производится с целью превращения их в твердомерзлые и, соответственно, повышения их прочности и снижения деформационных свойств. Замораживание талых грунтов – с целью создания однородных мерзлотных условий на строительной площадке путем промораживания несквозных таликов. Термосифоны являются закрытой охлаждающей системой (не сообщающейся с атмосферным воздухом), работают за счет низких температур атмосферного воздуха в зимнее время и не требуют энергетических затрат в процессе эксплуатации. В простейшем варианте термосифоны представляют собой герметическую трубу, заполненную хладагентом и одним концом погруженную в скважину. Для действия термосифона требуется перепад температур между грунтом и атмосферным воздухом не более 1 0С, так как гидродинамическое сопротивление в раздельно движущихся потоках восходящего пара и нисходящей жидкой пленки незначительно, а силы, обусловливающие их движение (гравитация, перепад давлений), достаточно велики.

Применяемые СОУ – стальные, диаметром 40-45 мм (диаметр оребренной части 100-120 мм), общей длиной 6,2 м, из которых 1,2 м – надземная часть, 1,0 м – в берме и 4,0 м – в грунтах основания. Применяют также конструкции, выполненные из алюминиевых сплавов, они имеют меньшее термическое сопротивление, что позволяет быстрее выходить на рабочий режим и увеличивать период работы за один сезон на 1,0-1,5 месяца.

Бурение скважин для устройства СОУ осуществляется буровой техникой с обеих сторон насыпи. Шаг расстановки определяется теплотехническими расчетами. Для условий сооружения земляного полотна на участке Бованенково – Карская расчетный радиус составил 3,0-3,5 м. СОУ устанавливаются в пробуренные скважины строго вертикально. Цикл испарение-конденсация продолжается непрерывно, пока температура подземной части (испарителя) будет выше температуры надземной части (конденсатора). В летнее время, а также во время зимних оттепелей температура надземной части станет ниже температуры хладагента, конденсации паров не происходит, и цикл прерывается, термосифон запирается.

Композитная технология объединяет (во времени и по совместному влиянию на температурный режим основания) положительные качества технологической автодороги и СОУ. Она включает два зимних процесса: 1) устройство СОУ у основания технологической автодороги, промораживание талика; 2) отсыпка над таликом нижней части насыпи и берм над СОУ с доставкой грунта по технологической автодороге. В период положительных температур земляное полотно возводят до проектного очертания с использованием технологической автодороги как ядра насыпи, имеющей конструкцию, защищенную геообоймами и скальным грунтом.

Эффективность разработанной композитной технологии состоит в повышении надежности земляных сооружений в наиболее уязвимых местах потенциальной деградации вечной мерзлоты на основе профилактики техногенных и мерзлотных процессов в строительный период, а также в реализации технологических режимов, обеспечивающих сокращение сроков возведения земляного полотна в экстремальных природных условиях Севера.

Поделиться: