Характеристика условий строительства земляного полотна в районе вечной мерзлоты
При возведении земляного полотна в районе вечной мерзлоты необходимо учитывать природно-климатические и грунто-гидрогеологические особенности, которые определяют условия работы дорожно-строительных машин, основные способы и технологические схемы возведения земляного полотна, а также сроки производства работ.
Характеристику условий района строительства составляют по данным ближайших метеорологических станций. Пользуясь данными метеостанций, делают анализ температурного режима воздуха, его изменение по месяцам. Устанавливают максимальную и минимальную температуру, мощность деятельного слоя, количество осадков в виде дождя и снега, направление ветров. Разрабатывают дорожно-климатический график, на основании которого устанавливают период распутицы, простои в работе из-за осадков в летний период и из-за метелей в зимний период, время разработки талого и мерзлого грунтов. Каждому принятому принципу проектирования земляного полотна соответствует свой способ его возведения (табл. 4.4.1).
Таблица 4.4.1
Источник:http://www.gosthelp.ru/text/PosobieSpravochnikdorozhn.html
Способы возведения земляного полотна
На участках, где земляное полотно запроектировано по первому принципу, все подготовительные и основные работы выполняют с таким расчетом, чтобы обеспечить сохранение водно-мерзлого режима местности. Это определяет особенности возведения земляного полотна и сроки производства работ. Подготовительные работы выполняют только в зимний период.
При втором принципе все работы выполняют так, чтобы обеспечить как можно большее осушение грунтов в притрассовых резервах и возможно меньшее протаивание их в основании насыпи. В этом случае подготовительные работы выполняют за год до начала земляных работ. Лес вырубают и удаляют с просеки в зимний период, чтобы не нарушать мохорастительного покрова в основании насыпи. С полосы резервов мохорастительный покров удаляют сразу после его протаивания, а в основании его сохраняют полностью.
Земляное полотно в основном возводят из местных грунтов с использованием бульдозеров, скреперов и других дорожных машин.
При третьем принципе выполняют так же, как и при втором, с той лишь разницей, что мероприятия по осушению грунтов проводят на всей дорожной полосе. Мохорастительный покров в основании насыпи не сохраняют.
Строительство автомобильных дорог в условиях вечной мерзлоты так же, как и в других районах страны, осуществляют поточным методом.
В летний период производят те работы, выполнение которых в зимний период затруднительно (удаление мохорастительного покрова, разработка, перемещение, уплотнение глинистых грунтов, устройство водоотводных канав).
В зимний период следует производить: постройку временных зданий и сооружений; расчистку дорожной полосы от леса, кустарника; буровзрывные работы в мерзлых грунтах, переходящих при оттаивании в текучее состояние; возведение насыпей из скальных и несмерзающихся дренирующих грунтов, на участках, устраиваемых по первому принципу; отсыпку берм и утепление откосов.
Возведение насыпей из несцементированных грунтов производят круглогодично. Расчетное годовое число рабочих смен определяют по формуле
Расчетное количество рабочих смен в летнем строительном сезоне определяют по формуле
Скорость протаивания грунта
| Район дорожно-климатической зоны | Грунт | Скорости протаивания, см/сутки | |
| май | июнь-июль | ||
| 1 южнее 65-й параллели | Супесь | 4. 5,5 | 7. 9 |
| Суглинок легкий | 3. 4.5 | 5. 7 | |
| Суглинок тяжелый, глина | 2,5. 4 | 4. 6 |
Вероятность выпадения осадков
| Метеорологические станции | Вероятность выпадения осадков a(в долях длительности безморозного периода) | |
| 5 мм/сутки | 8 мм/сутки | |
| Якутск | 0,06 | 0,021 |
| Иркутск | 0,12 | 0,06 |
| Улан-Удэ | 0,08 | 0,04 |
| Чита | 0,127 | 0,062 |
| Богучаны | 0,10 | 0,038 |
Время, необходимое для протаивания грунта в районе вечной мерзлоты южнее 65-й параллели на глубину, позволяющую рационально использовать дорожные машины, принимают по табл. 4.4.2.
Вероятность выпадения осадков определяют по средним, многолетним данным метеостанций. Расчет ведут по формуле
Ориентировочные значения снижения влажности и времени просыхания слоя грунта глубиной 0,2 м в резервах по данным [ 49] приведены в табл. 4.4.4
Снижение влажности и время просыхания грунта
| Грунт | Влажность грунта до осушения в долях от оптимальной влажности | Средняя величина просыхания за сутки в долях оптимальном влажности | Время на просушивание допустимой влажности, сутки |
| Суглинок легкий | 1,8. 1,5 | 0,10 | 1. 2 |
| Суглинок пылеватый | 1,5. 2,0 | 0,12 | 2. 6 |
| Суглинок тяжелый | 1,4. 1,8 | 0,09 | 7. 9 |
| Глина | 1,8. 2,0 | 0,08 | 9. 10 |
Более быстрое просыхание грунта наблюдается при его рыхлении за один-два дня до разработки.
Расчистку дорожной полосы от леса, кустарника, пней производят при сооружении земляного полотна по первому и второму принципам только в зимний период. При строительстве земляного полотна по третьему принципу расчистку дорожной полосы можно производить в любое время года.
Мохорастительный слой удаляют с поверхности боковых резервов при строительстве земляного полотна по второму принципу и на всю ширину дорожной полосы при сооружении земляного полотна по третьему.
Толщина мохорастительного слоя зависит от множества различных факторов и составляет в среднем от 5 до 30 см. Большая мощность слоя наблюдается во II, III типах местности (сырые и мокрые места).
Характеристика условий строительства земляного полотна в районе вечной мерзлоты
При возведении земляного полотна в районе вечной мерзлоты необходимо учитывать природно-климатические и грунто-гидрогеологические особенности, которые определяют условия работы дорожно-строительных машин, основные способы и технологические схемы возведения земляного полотна, а также сроки производства работ.
Характеристику условий района строительства составляют по данным ближайших метеорологических станций. Пользуясь данными метеостанций, делают анализ температурного режима воздуха, его изменение по месяцам. Устанавливают максимальную и минимальную температуру, мощность деятельного слоя, количество осадков в виде дождя и снега, направление ветров. Разрабатывают дорожно-климатический график, на основании которого устанавливают период распутицы, простои в работе из-за осадков в летний период и из-за метелей в зимний период, время разработки талого и мерзлого грунтов. Каждому принятому принципу проектирования земляного полотна соответствует свой способ его возведения (табл. 4.4.1).
Способы возведения земляного полотна
На участках, где земляное полотно запроектировано по первому принципу, все подготовительные и основные работы выполняют с таким расчетом, чтобы обеспечить сохранение водно-мерзлого режима местности. Это определяет особенности возведения земляного полотна и сроки производства работ. Подготовительные работы выполняют только в зимний период.
При втором принципе все работы выполняют так, чтобы обеспечить как можно большее осушение грунтов в притрассовых резервах и возможно меньшее протаивание их в основании насыпи. В этом случае подготовительные работы выполняют за год до начала земляных работ. Лес вырубают и удаляют с просеки в зимний период, чтобы не нарушать мохорастительного покрова в основании насыпи. С полосы резервов мохорастительный покров удаляют сразу после его протаивания, а в основании его сохраняют полностью.
Земляное полотно в основном возводят из местных грунтов с использованием бульдозеров, скреперов и других дорожных машин.
При третьем принципе выполняют так же, как и при втором, с той лишь разницей, что мероприятия по осушению грунтов проводят на всей дорожной полосе. Мохорастительный покров в основании насыпи не сохраняют.
Строительство автомобильных дорог в условиях вечной мерзлоты так же, как и в других районах страны, осуществляют поточным методом.
В летний период производят те работы, выполнение которых в зимний период затруднительно (удаление мохорастительного покрова, разработка, перемещение, уплотнение глинистых грунтов, устройство водоотводных канав).
В зимний период следует производить: постройку временных зданий и сооружений; расчистку дорожной полосы от леса, кустарника; буровзрывные работы в мерзлых грунтах, переходящих при оттаивании в текучее состояние; возведение насыпей из скальных и несмерзающихся дренирующих грунтов, на участках, устраиваемых по первому принципу; отсыпку берм и утепление откосов.
Возведение насыпей из несцементированных грунтов производят круглогодично. Расчетное годовое число рабочих смен определяют по формуле
Расчетное количество рабочих смен в летнем строительном сезоне определяют по формуле
Скорость протаивания грунта
| Район дорожно-климатической зоны | Грунт | Скорости протаивания, см/сутки | |
| май | июнь-июль | ||
| 1 южнее 65-й параллели | Супесь | 4. 5,5 | 7. 9 |
| Суглинок легкий | 3. 4.5 | 5. 7 | |
| Суглинок тяжелый, глина | 2,5. 4 | 4. 6 |
Вероятность выпадения осадков
| Метеорологические станции | Вероятность выпадения осадков a(в долях длительности безморозного периода) | |
| 5 мм/сутки | 8 мм/сутки | |
| Якутск | 0,06 | 0,021 |
| Иркутск | 0,12 | 0,06 |
| Улан-Удэ | 0,08 | 0,04 |
| Чита | 0,127 | 0,062 |
| Богучаны | 0,10 | 0,038 |
Время, необходимое для протаивания грунта в районе вечной мерзлоты южнее 65-й параллели на глубину, позволяющую рационально использовать дорожные машины, принимают по табл. 4.4.2.
Вероятность выпадения осадков определяют по средним, многолетним данным метеостанций. Расчет ведут по формуле
Ориентировочные значения снижения влажности и времени просыхания слоя грунта глубиной 0,2 м в резервах по данным [49] приведены в табл. 4.4.4
Снижение влажности и время просыхания грунта
| Грунт | Влажность грунта до осушения в долях от оптимальной влажности | Средняя величина просыхания за сутки в долях оптимальном влажности | Время на просушивание допустимой влажности, сутки |
| Суглинок легкий | 1,8. 1,5 | 0,10 | 1. 2 |
| Суглинок пылеватый | 1,5. 2,0 | 0,12 | 2. 6 |
| Суглинок тяжелый | 1,4. 1,8 | 0,09 | 7. 9 |
| Глина | 1,8. 2,0 | 0,08 | 9. 10 |
Более быстрое просыхание грунта наблюдается при его рыхлении за один-два дня до разработки.
Расчистку дорожной полосы от леса, кустарника, пней производят при сооружении земляного полотна по первому и второму принципам только в зимний период. При строительстве земляного полотна по третьему принципу расчистку дорожной полосы можно производить в любое время года.
Мохорастительный слой удаляют с поверхности боковых резервов при строительстве земляного полотна по второму принципу и на всю ширину дорожной полосы при сооружении земляного полотна по третьему.
Толщина мохорастительного слоя зависит от множества различных факторов и составляет в среднем от 5 до 30 см. Большая мощность слоя наблюдается во II, III типах местности (сырые и мокрые места).
«Вечная» проблема железных дорог на вечной мерзлоте
Валентин Кондратьев
Аннотация
Железные дороги в зонах вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов нуждаются в постоянной защите от разрушающих воздействий инженерно-геокриологических процессов и явлений. Деформацию полотна можно предотвратить, сохраняя грунты основания в постоянном мерзлом состоянии или превентивно растапливая льдистые грунты и замещая их. Соответствующие технические решения были апробированы автором статьи и его коллегами в проектах Амуро-Якутской железнодорожной магистрали, на Забайкальской железной дороге, на участках Цинхай-Тибетской дороги в Китае.
История создания железных дорог в районах вечной мерзлоты насчитывает уже около 120 лет: Забайкальская, Амурская, Аляскинская, Норильская, Гудзонская, Лабрадорская, Байкало-Амурская (БАМ), Амуро-Якутская (АЯМ), Ямальская и другие железные дороги в России, США и Канаде. Строительство каждой из этих дорог – выдающийся этап транспортного строительства и попытка решить проблему обеспечения стабильности пути на участках вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов.
Новейший этап такого строительства и новая, колоссальная по масштабам и средствам попытка решить указанную проблему – сооружение в 2000–2006 гг. Цинхай-Тибетской железной дороги в Китае, на участке Голмуд–Лхаса, где вечномерзлые грунты распространены почти на половине из 1142-километровой трассы. Затем, в 2010–2014 гг., эта дорога была продлена на 251 км из Лхасы до Шигадзе – второго по величине города на Тибете.
Автору довелось консультировать китайских специалистов по вопросам геокриологического обеспечения Цинхай-Тибетской железной дороги с 1995 г. А в России этими проблемами автор занимается с 1986 г. В итоге сложилось определенное понимание закономерностей взаимодействия железнодорожного пути и вечномерзлых грунтов и приемов управления этим взаимодействием, чему и посвящена настоящая статья.
За более чем вековую историю железнодорожного освоения криолитозоны никому и нигде не удалось построить железнодорожный путь, который бы не испытывал деформаций вследствие осадок при оттаивании льдистых грунтов или пучения при промерзании влажных дисперсных грунтов основания. Эти проблемы характерны для всех железных дорог независимо от срока их эксплуатации: для Забайкальской ж.д., находящейся в эксплуатации более ста лет, БАМ и АЯМ – десятки лет, подъездных путей Чара–Чина и Улак–Эльга – несколько лет и недавно построенной Цинхай-Тибетской ж.д.
Так, на Забайкальской ж.д. известен «золотой» километр – участок км 6277 – км 6278 (рис. 1), где систематические деформации земляного полотна и рельсошпальной решетки отмечаются с 1949 г., а постоянное ограничение скорости движения поездов до 40, иногда 15 км/час введено с 1969 г. и где ежегодно по несколько раз приходится выправлять и поднимать путь на балласт.
Рис. 1. «Золотой» километр Забайкальской ж. д. — участок 65-летних деформаций пути, 6277 — 6278 км, сентябрь 2013 г.
Местами балласт уже провалился на 5–7 м, однако осадки пути не прекращаются. По нашей оценке, они могут продолжаться еще 100–150 лет, поскольку в основании пути местами залегают льдистые многолетнемерзлые породы мощностью 25–30 м.
Еще в 1926 г. основатель мерзлотоведения Михаил Иванович Сумгин [7] писал, что только перманентный ремонт деформирующихся зданий и сооружений на Забайкальской и Амурской железных дорогах уже обошелся государству в 50 млн золотых рублей, не считая убытков от нарушения правильности движения по этим дорогам. С тех пор, как видим, мало что изменилось на Забайкальской ж.д., да и на вновь построенных дорогах те же проблемы.
Так на Восточно-Сибирской ж.д. в районе разъезда Казанкан, 1374-й км БАМ, более 35 лет деформируется железнодорожный путь (рис. 2).
Рис. 2. Участок многолетних деформаций пути и опор контактной сети БАМ, 1374-й км, сентябрь 2003 г. (фото Е.А. Козыревой)
Из первоначальных 4 путей остался 1, но и его приходится постоянно выправлять и периодически ремонтировать. За последние 14 лет на ремонт участка затрачено около 1 млрд рублей, но проблема стабилизации пути так и осталась не решенной: скорость движения по-прежнему ограничена 15–25 км/час, угроза внезапного схода пути по косогору остается. Участок дороги электрифицирован, приходится также постоянно ремонтировать и контактную сеть.
Еще пример по Восточно-Сибирской ж.д. В 2001 г. были в основном завершены работы по сооружению подъездного железнодорожного пути Чара–Чина, проходящего по территории с чрезвычайно сложными инженерно-геокриологическими условиями, обусловленными, в частности распространением многолетнемерзлых сильнольдистых пород, нередко с подземными льдами мощностью до 5–10 м. Сегодня эта линия разрушается под действием геологических, в том числе и криогенных процессов и явлений (рис. 3), а мероприятия по обеспечению проезда поездов до недавнего времени сводились к перманентной выправке пути и засыпке просадок (рис. 4). После 2008 г. ремонт пути и движение поездов прекратились.
Рис. 3. Разрушение подъездного железнодорожного пути Чара–Чина геологическими и геокриологическими процессами и явлениями, июль 2015 г. 
Рис. 4. Засыпка термокарстовых просадок балластом, подъездной путь Чара–Чина, май 2008 г.
Аналогичные проблемы характерны и для Аляскинской (рис. 5) и Цинхай-Тибетской (рис. 6) железных дорог, введенных в эксплуатацию в 1921 и 2006 гг. соответственно.
Так можно ли построить железные дороги на участках льдистых многолетнемерзлых грунтов, не обрекая их на перманентный ремонт?
Можно. Причем двумя принципиально различными путями: сохраняя грунты основания в мерзлом состоянии на протяжении всего времени эксплуатации дороги или, если невозможно вырезать, превентивным оттаиванием льдистых грунтов и замещением их. Тот или иной вариант стабилизации земляного полотна следует выбирать на основе теплотехнических расчетов и технико-экономического сравнения вариантов с учетом затрат как на строительство, так и на содержание железнодорожного пути и иной инфраструктуры, а также с учетом эксплуатационных расходов.
Но прежде надо выявить, качественно и количественно, все факторы возможного оттаивания мерзлых грунтов в конкретных природных и техногенных условиях, а затем воздействовать на эти факторы, добиваться нужного температурного режима грунтов основания земляного полотна.
Рис. 5. Деформации земляного полотна Аляскинской ж.д. вследствие развития термокарста, июнь 2008 г. 
Рис. 6. Деформации земляного полотна Цинхай-Тибетской ж.д. вследствие развития термокарста, август 2004 г.
Оттаивание вечномерзлых грунтов под земляным полотном железных дорог обычно вызывают:
С учетом этого нами разработано несколько способов укрепления основания земляного полотна на сильнольдистых вечномерзлых грунтах, предусматривающих понижение среднегодовой температуры грунтов и сохранение их в постоянно мерзлом состоянии путем регулирования соотношения охлаждающих и отепляющих факторов или, наоборот, превентивное оттаивание сильнольдистых массивов с одновременным замещением их непросадочной грунтовой массой [2, 4].
Эти технические решения прошли определенную апробацию путем публикации статей, докладов и монографий в отечественных и зарубежных изданиях [3, 9–13], а также использования в опытно-экспериментальных проектах строящихся Амуро-Якутской железнодорожной магистрали и подъездного железнодорожного пути Улак–Эльга при технико-экономическом обосновании стабилизационных мероприятий для Забайкальской железной дороги. Некоторые из них применены в Китае на Цинхай-Тибетской железной дороге, в частности солнцеосадкозащитный навес (рис. 6), который исключает прогрев земляного полотна прямой солнечной радиацией, теплыми летними осадками и под которым нет снежного покрова, что усиливает зимнее охлаждение грунтов.
Рис. 6. Солнцеосадкозащитные навесы на откосах насыпи Цинхай-Тибетской ж.д., август 2006 г.
По данным натурных наблюдений [14] навес на откосах насыпи может понижать температуру грунтов на 3–5оС (рис. 7) и обеспечивать стабильность земляного полотна на сильнольдистых вечномерзлых грунтах.
Рис. 7. Понижение среднегодовой температуры грунтов откосов насыпи с помощью солнцеосадкозащитного навеса [14]
Перспективно применение солнцеосадкозащитных навесов и на российских железных дорогах, в частности на Амуро-Якутской железнодорожной магистрали, в особенности на подходе к р. Лена, где на десятках километрах трассы имеются грунты так называемого ледового комплекса мощностью в несколько десятков метров. Такую толщу ни вырезать, ни предварительно оттаять невозможно. Поэтому ее придется предохранять от оттаивания на протяжении всего периода эксплуатации дороги.
В 2007 г. было выполнено теплотехническое обоснование применения навесов для предотвращения деградации сильнольдистых многолетнемерзлых грунтов в основании земляного полотна строящейся железной дороги Томмот–Кердем на примере пяти участков (трех насыпей высотой по оси пути 3,48; 6,64 и 7,31 м и двух выемок глубиной 2,38 и 5,5 м). Для этих же участков были выполнены теплотехнические расчеты охлаждающего влияния каменной наброски на откосы насыпей и выемок. Сравнение результатов расчетов показало высокую эффективность солнцеосадкозащитных навесов для охлаждения грунтов тела и основания земляного полотна и предотвращения деградации подстилающих многолетнемерзлых грунтов, в особенности в сочетании с доломитовой обсыпкой (покраской) поверхности основной площадки и противофильтрационной пленкой под ней:
В последнем случае охлаждение насыпи и грунтов основания происходит значительно быстрее, чем при каменной наброске. Уже через 5 лет грунты основания и значительной части тела насыпи оказываются в многолетнемерзлом состоянии, тогда как под каменной наброской и через 5 лет все еще сохраняется талик, а его полное промерзание происходит лишь через 50 лет.
В 2009 г. Новочарская дистанция пути ВСЖД впервые в России начала опытно-экспериментальную проверку солнцеосадкозащитных навесов на Центральном участке БАМ. На рис. 8 показаны солнцеосадкозащитные навесы на 1841-ом км БАМ.
Рис. 8. Солнцеосадкозащитные навесы № 1 (справа) и № 2 (слева) на 1841-ом км ВСЖД, 5.08.2014 г. (вид против хода километров)
Температурные наблюдения в специально оборудованных скважинах показали, что навесы на 1841, 1935 и 1685-ом км позволили прекратить деградацию многолетней мерзлоты, стабилизировать путь и значительно сократить затраты на его содержание [1].
Результаты экспериментальных исследований на Тибете и БАМ, позволяют утверждать, что солнцеосадкозащитный навес может стать основным противодеформационным устройством для земляного полотна железных дорог на участках льдистых многолетнемерзлых грунтов. Положительный эффект применения навеса достигается тем, что под ним создаются возможности интенсивного зимнего охлаждения земляного полотна и его основания и исключаются инфильтрация летних осадков и прямая солнечная радиация. При сохранении высоких прочностных свойств мерзлых грунтов основания на протяжении всего периода эксплуатации дороги отпадает необходимость в дополнительных противодеформационных мероприятиях, упрощается конструкция насыпи, возрастает пропускная способность дороги и увеличиваются межремонтные сроки пути.
Нами исследовались и другие способы охлаждения земляного полотна на участках многолетнемерзлых грунтов, в частности, снегоочистка и окраска поверхности, поперечные вентилируемые трубы [4], которые при определенных условиях могут быть полезны для превентивного предохранения многолетнемерзлых грунтов в основании земляного полотна от деградации.
Эксплуатационная надежность дорог в области распространения вечной мерзлоты предопределяется не только правильностью (обоснованностью) выбора конструктивно-технологических решений и способов производства работ при их сооружении и содержании. Это необходимое, но не достаточное условие. Нужна также постоянная защита дорог, в особенности на участках льдистых грунтов, от разрушающего воздействия инженерно-геокриологических процессов и явлений, иначе невозможно экономически целесообразным путем обеспечить их стабильность и проектные скорости движения. Наиболее эффективно такую защиту можно осуществить в рамках системы инженерно-геокриологического мониторинга дороги, предусматривающей систематический контроль, анализ, оценку и прогноз изменения мерзлотных условий на трассе дорог для своевременного обнаружения, ослабления или подавления нежелательного развития криогенных процессов и явлений.
Концепция такой системы мониторинга была разработана для строящегося железнодорожного пути Беркакит–Томмот–Якутск [6], в 2001 г. она также была опубликована в Пекине, а затем использована на Цинхай-Тибетской железной дороге. В 2012 г. были сформулированы и опубликованы основные требования к инженерно-геокриологическому мониторингу БАМ [5].
Наступивший в стране экономический кризис должен положить конец расточительному перманентному ремонту БАМ, Транссиба и других дорог на вечной мерзлоте. Нужна разработка новой идеологии дорожного хозяйства в криолитозоне, в которой мерзлотная составляющая пронизывала бы весь процесс изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации дорог. На участках льдистых многолетнемерзлых грунтов в основании земляного полотна дорог необходимо прежде всего предотвратить (прекратить) их деградацию, арсенал таких мероприятий разработан [4] и в значительной степени проверен [1, 8, 14].