Композитно-модульные конструкции земляного полотна для строительства железных дорог на полуострове Ямал

В соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2020 года» освоение и ввод в эксплуатацию газовых и газоконденсатных месторождений севера Западной Сибири и полуострова Ямал является одним из важнейших условий сохранения стабильности на Российском и Европейском рынках энергетического сырья. Согласно стратегическим наметкам до 2010 г. должны быть завершены работы по обустройству Бованенковского месторождения. Затягивание сроков ввода в эксплуатацию новых месторождений, как показали события конца 2005 и начала 2006 годов, может поставить перед страной чрезвычайно сложные экономические и политические проблемы.

Для обустройства Ямальских месторождений необходимо доставить десятки миллионов тонн строительных грузов. Поэтому опережающее строительство надежных круглогодичных путей сообщения на полуострове Ямал было и остается одной из наиболее актуальных задач.

Строительство железных дорог на полуострове Ямал не следует рассматривать только как региональную проблему. Ямальские железные дороги — это также звенья транспортной решетки, объединяющей уже построенные широтные (ТрансСиб, СевСиб, СредСиб, БАМ) и меридиональные (Котлас — Воркута, Тюмень-Сургут-Коротчаево-Ямбург, АЯМ) железнодорожные магистрали, водные пути бассейнов Печоры, Оби, Енисея и Лены и Северный Морской Путь в Единую Транспортную Систему (ETC) страны. Дорога Обская — Бованенково — Харасавэй может рассматриваться в качестве северного участка меридианной ЯмалоУральской рокады (серебряного звена ETC [98]), определяющего начало формирования транспортного коридора Ямал — Ближний ВостокЦентральная Азия, который позволит эффективно включить в хозяйственный оборот сотни новых месторождений минерального сырья и будет способствовать ускорению экономического развития примыкающих к нему территорий [74].

В специфических мерзлотно-грунтовых условиях Ямала ключевым объектом путевого комплекса железных дорог, определяющим экономическую целесообразность и экологическую безопасность строительства, а также безопасность движения поездов при эксплуатации является земляное полотно.

Однако, как показал анализ опыта проектирования, строительства и эксплуатации дорог в районах вечной мерзлоты, конструкции и технологии сооружения земляного полотна, разработанные для районов с меньшей, чем на Ямале, интенсивностью снегопереноса и с более благоприятными мерзлотно-грунтовыми условиями, не удовлетворяют современным требованиям к потребительским свойствам железных дорог в Заполярье. Необходимы другие принципы и методы проектирования и конструктивно-технологические решения.

Должны быть разработаны и применены конструктивно-технологические решения, обеспечивающие нормируемые потребительские свойства (критерии качества) земляного полотна по условиям эксплуатационной безопасности в специфических условиях арктической и субарктической тундры полуострова Ямал, в том числе, с учетом рисков, связанных с прогнозируемым глобальным потеплением климата.

В связи с предстоящим завершением строительства железной дороги Обская-Бованенково, совершенствование методов проектирования и строительства земляного полотна с максимальным использованием местных грунтов при гарантированном обеспечении прочности, устойчивости и стабильности пути является одной из наиболее актуальных задач в области железнодорожного строительства в специфических природных условиях Ямала.

В настоящей работе основное внимание уделено разработке и обоснованию конструктивно-технологических решений, обеспечивающих нормируемые потребительские свойства (критерии качества) земляного полотна по условиям эксплуатационной безопасности в специфических условиях арктической и субарктической тундры полуострова Ямал, в том числе, с учетом рисков, связанных с возможным развитием деструктивных криогенных процессов при повышении температуры или оттаивании вечномерзлых грунтов.

С целью обеспечения безопасности движения поездов в процессе эксплуатации в период глобального потепления климата необходимо определить условия и области рационального применения известных технических решений, разработать научно обоснованные новые конструктивно-технологические решения по земляному полотну для специфических природных условий Ямала, а также сформулировать предложения по учету новых результатов исследования при дальнейшем развитии и совершенствовании норм проектирования и строительства земляного полотна железных дорог в районах вечной мерзлоты.

Как показал анализ опубликованных источников информации и сложившейся проблемной ситуации для решения названных задач было необходимо:

1) На основе обобщения опыта проектирования и строительства дорог Обская-Паюта и Ягельная-Ямбург выявить закономерности формирования устойчивого равновесного состояния грунтовых массивов земляного полотна существующих конструкций с учетом влияния снеговых отложений на элементах поперечного профиля;

2) Разработать и обосновать конструктивно-технологические решения по сооружению земляного полотна композитно-модульного типа;

3) С использованием современных численных методов расчетов теплового режима и напряженно-деформированного состояния земляного полотна обосновать конструктивные параметры композитно-модульных конструкций земляного полотна применительно к железнодорожной линии Обская-Бованенково и разработать методики расчета необходимой толщины и глубины размещения прослоек пенопласта и глинистых грунтов в пределах модулей;

4) На основе применения предложенных композитно-модульных конструкций земляного полотна разработать рекомендации по совершенствованию норм проектирования и строительства железных дорог в условиях Ямала.

Комплексное решение сформулированных задач в соответствии с основными положениями паспорта специальности 05.23.11 возможно на основе экосистемного метода, стержнем которого является понятие о природно-технической системе, как об основном результате хозяйственной деятельности Человека при взаимодействии его с Природой.

Соответственно, должны быть системно обобщены и проанализированы результаты натурных исследований температурного режима грунтовых массивов земляного полотна железнодорожных линий Ягельная-Ямбург и Обская-Паюта, построенных в период с 1985 по 1992 годы по проектам, разработанным с участием и под руководством автора.

При этом расчетно-теоретические оценки и обоснования параметров новых конструкций насыпей должны быть обоснованы численными расчетами теплового режима насыпей с учетом прогнозируемого потепления климата, что раньше не учитывалось. В связи с тем, что в пределах сезонно деятельного слоя насыпей земляного полотна используются, в основном, дренирующие грунты, оценка прочности, устойчивости и стабильности земляного полотна может быть достаточно корректно выполнена по критериям сдвиговой прочности сезонно оттаивающего грунта под верхним строением пути с использованием известных программных комплексов для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов.

Выполненные автором в период с 1991 по 2006 гг. проектные разработки и теоретические и натурные исследования по названным выше вопросам позволили сформулировать основные научные положения, представленные к защите:

1. При сооружении земляного полотна на полуострове Ямал для обеспечения безопасного движения поездов следует применять композитно-модульные типы конструкций земляного полотна, отличающиеся тем, что их верхняя сезонно оттаивающая и наиболее нагруженная часть выполнена из непучинистых дренирующих грунтов и усилена геосинтетическими материалами, а нижняя часть выполнена из местных грунтов, сохраняемых в мерзлом состоянии в течение всего расчетного срока эксплуатации (обеспечение первого принципа использования вечномерзлых грунтов оснований).

2. Для гарантированного сохранения основания и нижней части дорожных насыпей в мерзлом состоянии и уменьшения риска деградации мерзлоты и образования термокарста у подошвы откосов вследствие прогнозируемого потепления климата необходимо применять комплекс методов и устройств для регулирования внешнего теплообмена и теплооборотов в грунтовом массиве земляного полотна.

3. Для регулирования внешнего теплообмена наиболее эффективно применение аэродинамически обтекаемой геометрии поперечного профиля насыпей и выемок, обеспечивающей ограничение толщины снеговых отложений на любых элементах профиля не более критических значений: не выше головки рельса на основной площадке и не более 0.4 — 0,8 м на откосах.

4. Для регулирования теплооборотов в грунтовом массиве рекомендуется применять прослойки из экструзионного пенопласта, выполняющие функции тепловых амортизаторов, выполняющие функции тепловых амортизаторов, толщину и глубину размещения которых устанавливают так, чтобы верхняя граница мерзлоты оставалась в пределах модуля при расчетных внешних воздействиях.

5. Восстановление термодинамического равновесия, нарушенного в результате сооружения земляного полотна, может быть обеспечено за счет применения эффективных методов регулирования теплового режима грунтовых массивов земляного полотна и прилегающих территорий. Это обусловливает необходимость проектирования, нормирования и выполнения комплекса работ по выправке пути, лечению и ремонту земляного полотна и искусственных сооружений, регулированию температурного режима грунтовых массивов до ввода дороги в постоянную эксплуатацию.

6. Для обеспечения функциональной, экономической и экологической безопасности железных дорог на Ямале в условиях глобального потепления климата необходимо контролировать параметры взаимодействия основных компонентов транспортной природно-технической системы с целью своевременного выявления и предупреждения развития опасных процессов, угрожающих безопасности движения (просадок, пучения, сплывов, оползней, обрушения откосов, размывов, подтопления). При этом скорость изменения нормируемых и контролируемых параметров (геометрии и температуры), может и должна быть ограничена за счет применения эффективных методов регулирования теплового режима грунтовых массивов на всех стадиях жизненного цикла дороги. Это принципиально новое требование должно быть включено в нормы по проектированию, строительству и эксплуатации земляного полотна железных дорог в районах вечной мерзлоты.

В ходе выполненных экспериментальных натурных и расчетно-теоретических исследований были получены новые научные результаты:

1) Выявлены закономерности формирования теплового режима грунтовых массивов существующего железнодорожного земляного полотна с традиционными и пологими аэродинамически обтекаемыми откосами в условиях полуострова Ямал;

2) Сформулированы требования к конструированию земляного полотна на основе учета закономерностей формирования снеговых отложений на элементах поперечного профиля насыпей в зависимости от их высоты и крутизны откосов;

3) Разработаны новые (патенты России № 2 256 031 и № 2 256 032) композитно-модульные конструкции земляного полотна минимальной высоты с применением геосинтетических материалов и местных мерзлых, в том числе глинистых, грунтов, сохраняемых в мерзлом состоянии в период эксплуатации;

4) Разработана методика определения оптимальной толщины и глубины размещения прослоек пенопласта и связного грунта в пределах модуля в конструкции земляного полотна;

5) Установлены основные требования к проектированию земляного полотна на основе учета закономерностей формирования устойчивого состояния грунтовых массивов в процессе строительства и временной эксплуатации железной дороги в условиях тундры Ямала с учетом прогнозируемого глобального потепления климата;

6) Результаты исследований включены в строительные нормы (Стандарт организации РАО Газпром) «Проектирование и строительство железных дорог на полуострове Ямал».

Результаты исследования применены при выполнении проектно-изыскательских и строительно-монтажных работ на железнодорожной линии Обская-Бованенково, а также при составлении нормативных документов, регламентирующих изыскания, проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию заполярных железных дорог на севере Западной Сибири. Их реализация позволяет уменьшить стоимость и сократить сроки строительства и, соответственно, ускорить освоение газовых и газоконденсатных месторождений на полуострове Ямал.

В настоящее время основные результаты исследования используются ООО «Инжиниринговый Центр «Ямал», институтами ОАО «Ленгипротранс» и ОАО «ЮжНИИГипроГаз» при проектировании транспортных подходов к газовым и нефтяным месторождениям на Севере Западной Сибири, ОАО «Ямалтрансстрой» при строительстве железной дороги Обская-Бованенково и организации временной эксплуатации участка Обская-Паюта, а также ОАО «Ямальская железнодорожная компания» при реконструкции и вводу в постоянную эксплуатацию железнодорожной линии Коротчаево-Ягельная-Ямбург.

Материалы диссертации использованы при разработке проектной документации железнодорожной линии Обская-Бованенково и прошли соответствующую апробацию на научно-технических конференциях в Санкт-Петербургском государственном университете путей сообщения в 1999 и 2002 гг., рассмотрены и одобрены на секции комплексных проблем транспортного строительства Ученого Совета ЦНИИС (2002г., 2005 г.), на научно-практическом семинаре в РАО ГазПром (09.04.2002г.), на научно-методической конференции ОАО ЦНИИС, посвященной 100-летию В. С. Лукьянова (2002г.), на коллегии МПС в г. Уренгое (2003г.), на научно-технической конференции ЗАО СИБЦНИИТС (2004г.). С использованием основных положений диссертации разработаны технические регламенты усиления и реконструкции земляного полотна железнодорожной линии Коротчаево-УренгойЯмбург.

Эффективность принципиальных технических решений по проектированию и сооружению земляного полотна обоснована результатами многолетних наблюдений на опытно-экспериментальных объектах железной дороги Обская-Паютаразъезд Хралов.

Основные результаты исследования опубликованы в 6 научных статьях и использованы при разработке Технических Условий проектирования и строительства железных дорог на полуострове Ямал (Стандарт организации РАО Газпром, 2005 г.). Две конструкции насыпей защищены патентами России.

Основная идея, положенная в основу настоящего исследования, заключается в поиске и обосновании технических решений по сооружению железнодорожного земляного полотна, основанных на принципах максимального ускорения достижения прогнозируемого равновесного состояния грунтовых массивов земляного полотна и оснований сооружений в процессе строительства, и минимизации скорости изменения параметров состояния (геометрии, температуры, плотности, влажности) грунтовых массивов земляного полотна в процессе эксплуатации дороги с учетом факторов риска в связи с прогнозируемым потеплением климата.

Реализация этой идеи позволяет обосновать концепцию скоростного круглогодичного строительства с применением композитно-модульных конструкций земляного полотна и эффективных методов и устройств для управления тепловым режимом и напряженно-деформированным состоянием грунтовых массивов. Применение новых конструкций насыпей позволит расширить объемы применения местных мерзлых грунтов при круглогодичном строительстве железных дорог и ограничить объемы применения привозных дренирующих грунтов за счет применения в конструкциях насыпей геосинтетических материалов для регулирования теплового режима и усиления наиболее нагруженной верхней подбалластной части земляного полотна.

Реализация результатов исследования с учетом требований СНиП 32.01−95, ВСН 61−89, СП 32−104−98 позволит обеспечить технологическую (функциональную), экономическую и экологическую безопасность железнодорожного строительства на Ямале.

Автор выражает благодарность коллективу Центральной лаборатории инженерной теплофизики ОАО ЦНИИС, ее руководителю д. т. н. Пасеку В. В. и к. т. н. Цуканову НА. за консультационную помощь при проведении исследований.

10. Основные результаты исследования используются рядом организаций при проектировании транспортных подходов к газовым и нефтяным месторождениям на Севере Западной Сибири, включая полуостров Ямал.

Их реализация позволяет уменьшить стоимость и сроки строительства и, соответственно, ускорить обустройство и освоение газовых и газоконденсатных месторождений на полуострове Ямал.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Обобщение опыта проектирования и строительства железных и автомобильных дорог на вечной мерзлоте, в том числе железных дорог Обская — Бованенково, Ягельная — Ямбург, Коротчаево — Надым, Коротчаево — Ягельная, где автор был главным инженером проекта, позволило выявить сильные и слабые стороны реализованных технических решений, наметить основные направления дальнейших исследований и разработок и сформулировать основные положения Технических Условий по проектированию железнодорожного земляного полотна на Ямале.

Из положительного опыта следует использовать применение снегонезаносимых очертаний поперечного профиля в конструкциях насыпей, которые особенно хорошо проявили себя в подходных насыпях к мостам.

Из отрицательного опыта следует отметить нерешенность обустройства участков полосы отвода, примыкающих к подошве откоса насыпей, где скапливается снег, происходит подтопление и др., что зачастую приводит к существенным деформациям.

2. Ввиду дефицита сухомерзлых песчаных грунтов их применение в земляном полотне целесообразно ограничить минимально необходимыми объемами, достаточными для обеспечения общей и местной устойчивости земляного полотна: сезонно-деятельного слоя в рабочей зоне основной площадки, откосов и берм насыпей. Уменьшить глубины сезонного оттаивания грунтов в насыпи и снизить потребность в дренирующих грунтах можно путем применения эффективных методов регулирования температурного режима грунтовых массивов, в том числе теплоизоляции в виде плит экструзионного пенополистирола, толщина и глубина размещения которых назначается на основе теплотехнических расчетов.

3. Применение твердомерзлых грунтов в теле насыпей допустимо при условии, если в период эксплуатации они будут гарантированно находиться вне зон сезонного и многолетнего оттаивания, а также в тех случаях, когда их оттаивание не может привести к нарушению устойчивости земляного полотна и последствия этого оттаивания могут быть устранены достаточно простыми средствами (досыпка, планировка и т. п.).

4. Анализ опубликованных данных о прогнозируемых изменениях климата в XXI веке показал необходимость учета предстоящих изменений температурного режима вечномерзлых грунтов и при проектировании конструкций земляного полотна на ж.д. линии Обская-Бованенково.

Специфические условия строительства в рассматриваемом регионе на просадочных вечномерзлых грунтах и при отсутствии пригодных для сооружения земполотна материалов предопределяют необходимость применения конструкций с использованием пенопласта для регулирования температуры вечномерзлых грунтов оснований и сокращения потребности в кондиционных грунтах.

5. Исследование влияния потепления среднегодовых температур воздуха на температурный режим грунтов, находящихся под естественным (ненарушенным) поверхностным покровом при различных исходных температурах вечной мерзлоты (-5 °С и -2 °С) показали, что прогнозируемое потепление климата может привести к значительному повышению температуры мерзлых грунтов (до -1,7 °С при исходной температуре -5 °С и до О °С при исходной температуре -2 °С). На территориях с вечномерзлыми грунтами, имеющими в настоящее время температуру около -2 °С и выше, повышение среднегодовых температур воздуха приведет к деградации вечномерзлой толщи с поверхности и появлению таликовых зон.

При отсутствии теплоизоляции сезонное оттаивание грунта на основной площадке земляного полотна может достигать 1,6 м и еще возрастает на 0,30 м при прогнозируемом потеплении климата. Укладка же под балластной призмой 0,2 м пенопласта полностью исключает выход изотермы О °С за пределы балластной призмы даже при прогнозируемом повышении температуры воздуха.

6. По данным двумерных расчетов грунтовой массив земляного полотна обычной конструкции без теплоизоляции в условиях современного климата глубина сезонного оттаивания мало зависит от исходной температуры мерзлоты. Она составляет 1,60 ± 0,3 м. На прилегающей к насыпи территории с ненарушенными теплобалансовыми характеристиками поверхностей глубина сезонного оттаивания вдвое меньше. Вследствие этого под низкими насыпями поверхность вечномерзлых грунтов образует понижение (желоб), способствующее обводнению основания земполотна. При прогнозируемом потеплении климата глубина сезонного оттаивания под насыпью увеличится до 1,90 м. На окружающей территории увеличение глубин сезонного оттаивания зависит от исходной температуры мерзлоты (на 0,2 м при Тг = -5 °С и на 0,40 м при Тг = -2 °С). Более опасным является растепление вечномерзлых грунтов в основании земляного полотна, особенно при Тг = -2 °С, переводящее их в пластично-мерзлое состояние.

Уширение основной площадки насыпи позволяет уменьшить толщину снеговых отложений и значительно улучшить условия тепловой устойчивости земляного полотна. Однако при начальных температурах мерзлоты Тг > -2 °С следует учитывать возможность растепления мерзлых грунтов до температур, переводящих их в пластично-мерзлое состояние, тогда потребуется применять дополнительные меры по понижению температур грунта в основании.

Нарушение поверхностных условий теплообмена на территории, примыкающей к подошве откосов земляного полотна, в период строительства или вследствие устройства притрассовой дороги приводит к нарушениям температурного и мерзлотного режима грунта не только непосредственно под нарушенной поверхностью, но и под насыпью.

Под нарушенной поверхностью формируется зона более глубокого сезонного оттаивания грунта. Вследствие отепляющего влияния со стороны оголенной зоны грунта происходит растепление мерзлоты под земляным полотном, что может привести к сезонному оттаиванию мерзлого грунта под теплоизолирующим слоем.

Прогнозируемое повышение среднегодовых температур воздуха при относительно высоких исходных температурах мерзлоты (Тг > - 2 °С) может привести к многолетнему оттаиванию грунта с образованием глубоких таликов на участках территории с нарушенным поверхностным мохо-растительным покровом.

Воздействие краткопериодных (в течение 1 -3 лет) экстремальных повышений среднегодовых температур воздуха на грунты оснований насыпей проявляется в увеличении глубин сезонного оттаивания на 10−15 см за каждый год потепления. Степень влияния экстремальных воздействий на температурный режим мерзлоты зависит от степени нарушения поверхностных условий у насыпи и среднегодовой температуры мерзлоты.

7. С использованием современных численных методов расчетов теплового режима и напряженно-деформированного состояния земляного полотна обоснованы основные конструктивно-технологические решения по сооружению земляного полотна композитно-модульного типа и методы их проектирования применительно к железнодорожной линии Обская-Бованенково.

Показано, что на полуострове Ямал для обеспечения безопасного движения поездов композитные модули, размещаемые в верхней сезонно оттаивающей и наиболее нагруженной части насыпей должны быть выполнены из непучинистых дренирующих грунтов и усилены геосинтетическими материалами, а нижняя часть насыпи может отсыпаться из местных грунтов, сохраняемых в мерзлом состоянии в течение всего расчетного срока эксплуатации (при первом принципе использования вечномерзлых грунтов оснований) или не снижающих прочностные свойства ниже установленного предела (8 МПа) при оттаивании (при втором принципе).

8. В результате многолетних комплексных исследований, выполненных автором лично и в составе творческих коллективов в период с 1986 по 2006 годы разработаны и применены на строительстве железных дорог в районах вечной мерзлоты Севера Западной Сибири, включая полуостров Ямал, новые конструктивно-технологические решения по сооружению земляного полотна, основанные на управлении тепловым режимом грунтовых массивов.

9. Разработаны и реализованы предложения по корректировке строительных норм проектирования и строительства земляного полотна железных дорог в специфических условиях арктической и субарктической тундры полуострова Ямал с учетом требований комплексной безопасностидля обеспечения функциональной, экономической и экологической безопасности железной дороги Обская — Бованенково в условиях глобального потепления климата в нормах установлены требования к системе мониторинга, позволяющие контролировать параметры взаимодействия компонентов транспортной природно-технической системы с целью своевременного выявления и предупреждения развития опасных процессов, угрожающих безопасности движения (просадок, пучения, сплывов, оползней, обрушения откосов, размывов, подтопления).