Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты

На современном этапе развития Забайкалья и Дальнего Востока совокупность геополитических и экономических причин определяет необходимость дальнейшего совершенствования транспортной системы региона. Возможность формирования международных транспортных коридоров, доступ к уникальным природным ресурсам северных регионоввсе это обусловливает повышенное внимание ведущих научных центров и отдельных ученых к вопросам проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна, преимущественно, в условиях вечной мерзлоты.

При этом некоторые вопросы, связанные с обеспечением стабилизации земляного полотна при его усилении (реконструкции), а также строительстве новых линий и дополнительных главных путей, в том числе в связи с перспективой увеличения осевых и погонных нагрузок, а также обращением поездов увеличенной массы в северных регионах, остаются пока до конца не исследованными. Эти вопросы влияют на сбалансированное развитие транспортной сети региона.

Актуальность проблемы обусловлена тем, что на значительном протяжении (более тысячи километров) существующих железных дорог Забайкалья, БАМ, эксплуатируемого участка Амуро-Якутской магистрали (АЯМ), расположенных на высокотемпературных вечномерзлых грунтах, проявляются часто неравномерные и недопустимые искажения продольного профиля и плана линии, негативно влияющие на безопасность и бесперебойность движения поездов.

Земляное полотно железных дорог в южной зоне вечной мерзлоты в районах Забайкалья и Дальнего Востока подвержено деформациям, которые в значительной мере обусловлены оттаиванием грунтов оснований и их переувлажнением. В настоящее время на Северном широтном ходу Дальневосточной железной дороги (ДВЖД) общая протяженность деформаций земляного полотна по данным АСУ ЗП составляет 964 кмиз них 684,2 км подвержено осадкам. Протяженность мест с недостаточной шириной земляного полотна по верху составляет 292 км (30,3%) и с повышенной крутизной откосов — на 116,95 км (5,5%). Большинство дефектов также являются следствием осадок. Осадки на оттаивающих вечномерзлых грунтах составляют 51.9% общей протяженности осадочных мест ДВЖД. На Забайкальской железной дороге (ЗАБЖД) деформациям земляного полотна подвержено 29,1% ее протяженности. Осадки составляют 85,1 км или 17,5% от протяженности всех деформаций и дефектов, из них 49 осадочных мест на вечномерзлом основании общей протяженностью 14,3 км.

Деформациям земляного полотна способствуют неисправности водоотводных сооружений и недостаточное количество (до 40% от потребного) запроектированных и построенных малых водопропускных сооружений. Более 500 км водоотводных сооружений на ЗАБЖД и более 2000 км на ДВЖД находятся в неисправном состоянии. Количество ограничений скорости движения поездов на участках железных дорог в южной зоне вечной мерзлоты значительно больше среднедорожных и среднесетевых показателей.

Для обеспечения прогнозируемого прироста объемов перевозок к 2010 г. примерно на 50% (главным образом, за счет экспорта нефти, угля, лесных грузов) потребуется реализация мероприятий по устранению и предупреждению деформаций земляного полотна в рассматриваемых условиях.

Происходящие процессы и явления в оттаивающих вечномерзлых грунтах основания железных дорог остаются до настоящего времени недостаточно изученными, что негативно влияет на принимаемые проектные решения по усилению (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, строительству вторых путей и новых линий. Эти решения нуждаются также в дополнительном научном обосновании в связи с вводом прогрессивных технологий перевозок.

Проектирование земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты должно осуществляться на основе исходных данных, результатов расчетов температурного режима и напряженно-деформированного состояния оттаивающих вечномерзлых грунтов, а также технико-экономического сравнения вариантов по приведенным затратам (капитальные вложения на усиление земляного полотна и эксплуатационные расходы).

Выбор вариантов проектирования необходимо производить с учетом основных закономерностей стабилизации геотехнической системы (ГТС) «земляное полотно-основание».

Данная работа посвящена проблеме совершенствования системы проектирования земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты для обеспечения его стабилизации и эксплуатационной надежности в условиях термодинамической нестабильности после его возведения с учетом изменений условий эксплуатации.

Для совершенствования общепринятой системы проектирования разработаны методики, позволяющие осуществлять выбор вариантов проектирования на основе определения затрат на стабилизацию деформирующегося земляного полотна, обоснования конструктивно-технологических решений и их качественного и количественного контроля.

Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты, исследуемые в настоящей диссертационной работе, являются методологической концепцией, которая использует наиболее приемлемый функционально-системный подход, позволяющий дополнить существующую систему новыми элементами и методиками, а также логически придать проекту практическую направленность.

Целью исследования является разработка методов проектирования земляного полотна на основе функционально-системного подхода к усилению (реконструкции) существующих линий и строительству новых линий, вторых путей в южной зоне вечной мерзлоты для снижения эксплуатационных расходов железных дорог и обеспечения рентабельности вводимых прогрессивных технологий перевозок, предусматривающих повышение осевых и погонных нагрузок, а также обращение поездов увеличенной массы, в районах Забайкалья и Дальнего Востока за счет стабилизации земляного полотна и основания из оттаивающих вечномерзлых грунтов.

Для достижения поставленной цели в работе решается ряд задач на основе комплексного анализа проблем строительства и эксплуатации геотехнических систем (TTC) «земляное полотно-основание» в условиях южной зоны вечной мерзлоты и исследования причин незатухающих деформаций, связанный с разработкой методик: учета теплового влияния противодеформационных конструктивно-технологических мероприятий при составлении проектов нового строительства и усиления (реконструкции) земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты (качественный анализ) — количественной оценки деформативности ГТС на оттаивающих вечномерзлых грунтах с учетом перспективного увеличения осевых и погонных нагрузок, а также обращения поездов увеличенной массы (с помощью расчетов напряженно-деформированного состояния, НДС) — прогноза и нового принципа диагностики земляного полотна, а также дополнением информационной противодеформационной конструктивно-технологической базы новыми решениями и частными методиками, позволяющими осуществить наиболее прогрессивные проектные решения для создания метода проектирования земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты, использующей функционально-системный подход на уровне реализации проектно-технологических решений (на конкретном примере).

Совокупность вышеуказанных задач позволяет разработать принципы обеспечения стабилизации объектов усиления (реконструкции) и строительства земляного полотна в районах южной зоны вечной мерзлоты.

Научная новизна работы состоит в постановке и решении в едином алгоритме комплекса задач для разработки проектов усиления (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, строительства земляного полотна новых линий и дополнительных главных путей в условиях южной зоны вечной мерзлоты на основе функционально-системного подхода.

Для решения поставленных задач использовались методы исследования, связанные с проведением многолетних экспериментальных полевых, лабораторных и теоретических работ. В работе использованы физические и математические методы моделирования, расчетно-теоретического анализа работы ГТС, синтеза накопленной совокупности научных знаний по теории и практике проектирования земляного полотна эксплуатируемых и строящихся транспортных объектов, математической статистики для обработки экспериментальных данных, экономической оценки эффективности вариантов проектных решений, системный метод и другие методы, прямо или косвенно влияющие на совершенствование системы проектирования земляного полотна с целью безопасного и бесперебойного функционирования железных дорог в регионах Забайкалья и Дальневосточного Севера.

На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну д иссертациирезультаты комплексного анализа проблем эксплуатации геотехнической системы (ГТС) «земляное полотно-основание» в условиях вечной мерзлотырезультаты исследования причин незатухающих деформаций в районах вечной мерзлотыметодика учета теплового влияния различных конструктивно-технологических мероприятий на стабильность ГТС при их реконструкции и усиленииметодика количественной оценки работы элементов ГТС «земляное полотно — протаивающее вечномерзлое основание» под воздействием статических и вибродинамических нагрузокметодики рационального выбора конструктивно-технологических решений для стабилизации ГТС при проектировании земляного полотна новых и эксплуатируемых объектов с учетом закономерности его стабилизацииметодики прогноза и типизации деформаций земляного полотна с учетом затрат при реализации протаводеформационных мероприятийметод проектирования земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты на основе выбора эффективных проектных решений и вариантов проектирования с использованием функционально-системного принципа.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты составляют методологическую основу комплексной технологии высокоэффективного проектирования ГТС в южной зоне вечной мерзлоты с учетом перспективных условий эксплуатации железных дорог. Протяженность железных дорог в этой зоне составляет более четверти их общей протяженности в рассматриваемом регионе Забайкалья и Дальнего Востока. Разработанные методики, дополняющие и совершенствующие традиционные методы проектирования, предназначены для использования при составлении проектов усиления (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, а также строительства новых линий и дополнительных главных путей в рассматриваемом регионе, что способствует снижению капитальных затрат и эксплуатационных расходов.