• Сегодня: Пятница, Апрель 28, 2017

«Вечная» проблема железных дорог на вечной мерзлоте

«Золотой» километр Забайкальской ж. д. — участок 65-летних деформаций пути, 6277 — 6278 км, сентябрь 2013 г.

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.

«Золотой» километр Забайкальской ж. д.
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).

Участок многолетних деформаций пути и опор контактной сети БАМ
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.

Разрушение подъездного железнодорожного пути Чара–Чина
Рис. 3. Разрушение подъездного железнодорожного пути Чара–Чина геологическими и геокриологическими процессами и явлениями, июль 2015 г.
Засыпка термокарстовых просадок балластом
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.

Деформации земляного полотна Аляскинской ж.д.
Рис. 5. Деформации земляного полотна Аляскинской ж.д. вследствие развития термокарста, июнь 2008 г.
Деформации земляного полотна Цинхай-Тибетской ж.д.
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:

  • увеличение поглощения солнечной радиации земляным полотном по сравнению с естественной поверхностью;
  • инфильтрация теплых летних осадков в тело и основание земляного полотна;
  • увеличение толщины снежного покрова у основания насыпи и на прилегающей территории;
  • фильтрация поверхностных и подземных вод в тело и основание земляного полотна на косогорных участках.

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.

Солнцеосадкозащитные навесы на откосах насыпи Цинхай-Тибетской ж.д.
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.

Понижение среднегодовой температуры грунтов откосов насыпи
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:

  • навесы на откосах насыпей и выемок позволяют уменьшить на 10–31% (в среднем на 22,4%) глубину залегания кровли многолетнемерзлых грунтов по оси пути по сравнению с каменной наброской;
  • навесы на откосах насыпей и выемок, а также доломитовая обсыпка (покраска) поверхности основной площадки позволяют уменьшить на 25–35% (в среднем на 30,6%) глубину залегания кровли многолетнемерзлых грунтов по оси пути по сравнению с каменной наброской;
  • навесы на откосах насыпей и выемок, а также доломитовая обсыпка (покраска) поверхности основной площадки и противофильтрационная пленка под ней позволяют уменьшить на 28–40% (в среднем на 34,6%) глубину залегания кровли многолетнемерзлых грунтов по оси пути по сравнению с каменной наброской.

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.

Солнцеосадкозащитные навесы на 1841-ом км ВСЖД
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].


Литература

  1. Валиев Н.А., Кондратьев В.Г. Эксперименты по стабилизации земляного полотна на Центральном участке БАМ с помощью солнцеосадкозащитных навесов // Инженерная геология – 2015 (в печати).
  2. Кондратьев В.Г. Новые способы укрепления основания железнодорожного земляного полотна на сильнольдистых вечномерзлых грунтах // Ж.-д. транспорт. Сер. «Строительство. Проектирование»: ЭИ/ЦНИИТЭИ МПС. 1995. Вып. 1.
  3. Кондратьев В.Г. Изменение геокриологических условий при сооружении и эксплуатации железнодорожного пути и некоторые способы обеспечения его устойчивости на сильнольдистых грунтах // Сб. «Докл. 1 съезда Российских геокриологов». М.: МГУ, 1996.
  4. Кондратьев В.Г. Стабилизация земляного полотна на вечномерзлых грунтах. Чита: Забтранс, 2011.
  5. Кондратьев В.Г. Инженерно-геокриологический мониторинг Байкало-Амурской магистрали: опыт, проблемы, задачи // Путь и путевое хозяйство. 2012. № 10. С. 26–31.
  6. Кондратьев В.Г., Позин В.А. Концепция системы инженерно-геокриологического мониторинга строящегося железнодорожного пути Беркакит–Томмот–Якутск. Чита: Забтранс, 2000.
  7. Сумгин М.И. Вечная мерзлота почвы в пределах СССР. Изд. 1: Владивосток, 1927; изд. 2: М., 1937.
  8. Feng W.J., Ma W., Sun Z.Z., Li G.Y., Yu W.B., Zheng J.F. Radiation effect analysis of the awning measure on the embankment slope field test in cold regions. Proc. IX International Symposium on Permafrost Engineering. 3–7 September 2011. Mirny, Russia. С. 319–325.
  9. Kondratiev V.G. Strengthening railroad roadbed bases constructed on icy permafrost soils // Proceeding of Eighth International Conference on Cold Regions Engineering. Fairbanks, Alaska, 1996.
  10. Kondratiev V.G. Measures to control deformation of roadbeds on icy rich permafrost // Proceeding 8th Congress of International Association for Engineering Geology and the Environment. Vol. V. Vancouver, Canada, 1998.
  11. Kondratiev V.G. Design and experience controlling railroad embankment deformation on ice-rich permafrost // Proceeding of the Eleventh International Conference «Сold Regions Impacts on Transportation and Infrastructure». Anchorage, 2002.
  12. Kondratiev V.G. Problems and ways of permafrost preservation in the roadbed basis // Journal of Glaciology and Geocryology. Vol. 26. Beijing, 2004.
  13. Kondratiev V.G. The active methods of stabilization of roadbed and contact-line and air line supports on permafrost // Abstracts of Asian Conference on Permafrost. Aug. 7–9. Lanzhou, China, 2006.
  14. Niu Fujin & Shen Yongping. Guide of Field Excursion after Asian Conference on Permafrost. Aug. 10–16. Lanzhou, China, 2006.
Валентин Кондратьев

Профессор ЗабГУ, научный руководитель НПП «ТрансИГЭМ»
Доктор геолого-минералогических наук