Облегченная» железная дорога

Стратегия развития железнодорожного транспорта Российской Федерации предусматривает существенное увеличение объемов железнодорожного строительства в районах распространения многолетнемёрзлых грунтов [1]. Необходимое условие выполнения этой задачи – разработка и выбор обоснованных конструктивно-технологических и организационных решений по земляному полотну железных дорог на многолетнемёрзлых основаниях с целью повышения его надежности, снижения общего срока строительства, обеспечения возможности круглогодичного производства земляных работ и сохранения экологии в зоне транспортного освоения.

Наличие природных ресурсов в северной климатической зоне России, разработка карьеров для добычи полезных ископаемых, их транспортировка предопределяет создание надежной бесперебойной транспортной сети (Приложение 1).

В связи с необходимостью транспортного освоения существующих и новых месторождений алмазов в Якутии, (Приложение 2 3 4), было предложено использовать для этих целей «облегченные» железные дороги – железные дороги со специальным подвижным составом, однопутные, с облегченной нагрузкой на ось q = 10 – 12 т, пониженными скоростями движения и сроком эксплуатации не более 15 лет.

Район проектирования «облегченной» железной дороги, рис. 1, Республика Саха (Якутия). Изучив рельеф местности рис. 2, платформенная равнина и ознакомившись с параметрами новой линии, мы предлагаем облегченный вариант земляного полотна, в частности, конструкцию «облегченной» насыпи.

Рис.1. Карта района проектирования (по материалам Интернета)

Рис. 2. Продольный профиль шаблонного участка трассы (по материалам АК «АЛРОСА» ОАО)

Сооружение железнодорожного земляного полотна в районах вечной мерзлоты требует особой осмотрительности и осторожности. Температура и мощность вечномерзлых грунтов изменяются в ши­роких пределах в зависимости от климатических особенностей района, среднегодовых и минимальных температур воздуха, релье­фа местности, характера растительности, геологического строения и гидрогеологических условий [1].

В нашем районе проектирования, мощность вечномерзлых грунтов доходит до 500 м, рис. 2. Среднегодовая температура Республики Саха – –9,8°С, максимальная амплитуда средних температур самого холодного месяца — января и самого тёплого — июля составляет 70—75 °C. По абсолютной величине минимальной температуры (в восточных горных системах — котловинах, впадинах и других понижениях до −70 °C) и по суммарной продолжительности периода с отрицательной температурой (от 6,5 до 9 месяцев в год) республика не имеет аналогов в Северном полушарии [4].

Рис. 2. Распространение вечномерзлых грунтов, глубина промерзания (по материалам Интернета)

Изменение сложившейся природной обстановки приводит к изменению уровня теплообмена, увеличению глубины сезонного протаивания, что может вызвать развитие неблагоприятных явлений: неравномерную осадку земляного полотна, появление пучин и наледей, выпучивание свай и многое другое. Поэтому при сооружении земляного полотна, мостов и капитальных зданий различного назначения учитывают все местные особенности.

В зависимости от природных условий и особенностей земля­ных сооружений, вечномерзлые грунты в качестве основания сооружения или среды, где его возводят, можно использовать по следующим принципам [1]:

принцип I – грунты используют в мерзлом состоянии в тече­ние всего периода эксплуатации сооружения;

принцип II – грунты при эксплуатации сооружения исполь­зуют в оттаивающем или оттаявшем состоянии.

Сооружение земляного полотна по принципу I. В этом случае для сохранения мерзлого состояния грунтов в подготовительный период строительства принимают меры к сохранению торфяно-мохового покрова. Поэтому лес и кустарник вырубают строго в границах и в сроки, предусмотренные проектом. С целью сохранения растительно-мохового покрова возведение насыпей на участках вечной мерзлоты целесообразно после промерзания верхней части деятельного слоя зимой.

Траншеи и котлованы отрывают в холодное время года и до наступления теплого периода засыпают на всю глубину дренирующим грунтом (песок, скальнообломочные породы), а весной такие места засевают семенами трав и засаживают кустарником и деревьями или закрывают слоем мха и дерна, предохраняющим вечномерзлые грунты от оттаивания.

Откосы насыпей, сооружаемые из обыкновенного и дренирую­щего грун­тов, обычно утепляют наброской из скального грунта толщиной 1–1,5 м, что предохраняет их основания от протаивания. На участках залегающих близко льдонасыщенных грунтов для предохранения откосов насыпей от оползания создают бермы[1] из скальных грунтов шириной 1–1,5 м.

Для высоких насыпей учитывают запас на осадку, которая достигает значительных размеров в результате осадки грунта дея­тельного слоя, и оттаивающего слоя вечной мерзлоты, если работы выполняются летом. При сооружении зимой насыпей высотой бо­лее 2,5 м осадку основания не учитывают. Для равнинного рельефа Якутии с учетом облегченных норм проектирования железной дороги высота насыпи не превышает 2,5 м.

Водоотводные канавы предусматривают лишь в тех случаях, когда четко прослеживается продольный уклон местности.

На участках с пластами, линзами и жилами подземных льдов насыпи возводят из скальных грунтов. В таких местах избегают сооружения выемок. При необходимости грунт ниже основной пло­щадки и поверхности откосов заменяют скальным на глубину по расчету, но не менее 1,5 м.

При сооружении насыпей минимальной высоты на марях и торфяниках недопустимо скопление воды в непосредственной бли­зости к ним. Нельзя осушать заболоченную и заболачиваемую сухую местность, устраивать резервы, прорези.

Участки с наличием подземных льдов выделяют в запретную зону, в пределах которой во время строительства и эксплуатации запрещают движение транспорта (вне дорог), разведение костров, возведение различных сооружений, сенокос, выгон скота. В засушливое время с целью предохранения растительного покрова от выгорания за запретной зоной устанавливают наблю­дение.

Временные дороги прокладывают на расстоянии, обеспечиваю­щем устойчивость земляного полотна в случае понижения поверх­ности вечномерзлых грунтов под временной дорогой.

Сооружение земляного полотна по принципу II. Там, где со временем отходящая вечная мерзлота не может служить надежным основанием, учитывают возможные осадки земляного полотна и осуществляют меры, предотвращающие его опасные деформации.

Грунты для отсыпки насыпи от ее основания до высоты, равной расчетной осадке плюс 0,5–1,0 м, применяют дренирующие. На слабом основании предусматривают двусторонние бермы, ширину которых принимают по расчету, но не менее 2 м. На марях и просадочных грунтах избегают излишней высоты насыпи, так как увеличение массы насыпей способствует более интенсивной и порой неравномерной осадке с выдавливанием грунта из тела насыпи.

Выемки в грунтах, содержащих подземный лед, раскрывают в пределах контура линзы на такую ширину, чтобы лед из откосов был удален полностью. При значительном простирании льда, про­резаемого выемкой, ее раскрывают не полностью. В таких случаях лед, обнаженный в откосах, прикрывают слоем дренирующего грунта или скальной отсыпкой с тем, чтобы при таянии вода стекала в кювет.

В случае недостаточной несущей способности грунтов преду­смат­ривают их замену ниже основной площадки выемки на рас­четную глубину.

Противоналедные устройства на участках действующих наледей, а также в местах возможного их появления в период строительства и в процессе эксплуатации сооружают по индивидуальным проектам.

Рассматривая принципы строительства «облегченной» железной дороги, выбираем принцип I возведения земляного полотна, то есть грунты используют в мерзлом состоянии в тече­ние всего периода эксплуатации сооружения [1]

Параметры «облегченной» железной дороги представлены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры «облегченной» железной дороги

Параметры грунтов насыпи и основания

Насыпь отсыпана из мелких пылеватых песков, хвостов алмазных месторождений. В основании насыпи уложен теплоизоляционный слой из металлургического шлака высотой в плотном теле 0,25 м. Балластный слой – щебеночный, высотой 0,40 м, считая до верха шпал. Грунты в основании насыпи – моренные суглинки с примесью щебня и гальки до 30 %. Влажность грунтов основания – 45 %, число пластичности W_п = 9. Мохорастительный покров толщиной 0,10 м сохраняется в процессе строительства под насыпью и в полосе отвода [2].

Расчет оптимальной высоты насыпи, при которой не будет происходить оттаивания основания облегченного сооружения (облегченной насыпи)

Высота насыпи должна рассчитываться и проверяться по двум условиям: устойчивость и прочность; морозоустойчивость.

Учитывая, что железная дорога «облегченная», ведем расчеты только на морозоустойчивость.

Глубину сезонного оттаивания грунтов основания насыпи рассчитываем как двухслойную толщину. Для верхнего слоя (мохорастительный покров) находим = м, для нижнего слоя (моренный суглинок) = м.

= .

Дорожная конструкция состоит их трех слоев. Толщина верхнего слоя (балластная призма) и нижнего (металлургический шлак) известна. Толщина среднего слоя (тело насыпи) неизвестна. Чтобы можно было воспользоваться методом эквивалентных слоев, надо условно поменять порядок слоев (на результатах расчета это не отразится) и считать вторым слоем торфяную подушку, а третьим – грунт самой насыпи. Нормативная влажность для первого слоя (щебеночный балласт) – 3 %; для второго слоя (подушка из металлургического шлака) влажность не принимается в расчет, для третьего слоя (песок мелкий пылеватый) – 9 % [2].

Определяем глубину оттаивания каждого слоя в отдельности:

= м;

= м;

= м.

Находим :

= м.

W = 45 %, W_п = 9; относительное сжатие грунтов – δ = 0,27. Так как в грунте имеются крупные фракции, вносим поправку и принимаем δ = 0,8 · 0,27 = 0,22. Расчетная осадка насыпи S = 0,08 м. Полученные величины подставляем в формулу:

= м.

Посмотрим, какая должна быть высота насыпи, если исключить теплоизоляционную подушку из металлургического шлака в ее основании.

Глубина оттаивания насыпи как двухслойной конструкции, принимаем во внимание, что м, а м, будет

= м.

Оптимальная высота насыпи:

= · м.

Высота насыпи за вычетом толщины балластного слоя в первом случае будет 1,36 м, во втором – 2,10 м [2].

Оптимальная расчетная высота насыпи и оптимальные параметры конструкции насыпи представлены в таблице 2.

Таблица 2

Параметры земляного полотна

В связи с использованием современных материалов в области строительства, предлагаем рассмотреть использование пенополистерола в сооружении «облегченной» насыпи.

Использование пенополистирола при сооружении насыпи на вечномерзлых основаниях

Конструкция 1 [3]

Рис. 3. Конструкция «облегченной» насыпи

Осуществления строительства модернизированных конструкций земляного полотна происходит с помощью современных строительных материалов. Одной из последних передовых технологических новинок явилось устройство «облегченных» насыпей. Конструкция «облегченной» насыпи представлена на рис. 3. Впервые используется экструзионный пенополистирол как элемент, облегчающий насыпь.

Применение экструзионного пенополистирола позволило кардинально сократить величину пассивного давления на основание насыпи, что позволяет строить железную дорогу на слабом основании без свай. Последнее обстоятельство очень важно там, где грунты имеют модуль деформации ниже 5 МПа [3].

Преимущества и направление применения пенополистирола позволяет отметить, что в строительстве дорожных насыпей на слабых грунтах это технически и экономически выгодный заполнитель, и это подтверждается тем, что общее время строительства значительно уменьшается и становится более определенным; легковесные заполнители создают относительно меньшую осадку; при использовании легковесного заполнителя уменьшаются эксплуатационные затраты из-за меньшей осадки; большая долговечность (подтверждается международным опытом) [3]. Технология возведения «облегченной» насыпи с использованием пенополитерола представлена в приложении 5.

Строительство «облегченной» железной дороги ведется в северной климатической зоне Российской Федерации на слабых основаниях. При использовании на слабых грунтах «облегченных» насыпей можно получить следующие технико-экономические эффекты: обеспечение устойчивости насыпи и слабого основания; уменьшение величины осадки насыпи; значительное снижение времени консолидации слабого основания; сокращение времени строительства; строительство без специализированной техники и рабочих высокой квалификации; существенное сокращение затрат на строительство; сокращение полосы отвода. Стоимость железной дороги, приведенная к 1 км кратчайшего расстояния, представлена в приложении 6.

Литература

1. Дальневосточный университет путей сообщения. URL: http://edu.dvgups.ru/METDOC/ITS/GDPUT/GD_PUT/METOD/METOD_POS/WEBUMK/frame/10.htm (дата обращения: 19.03.2014).

2. Велли Ю. Я., Докучаева В. В., Федорова Н. Ф. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. – Л.: Стройиздат. Ленинградское отделение, 1977. – 103 с.

3. НТЦ «Геотехнологии СПб». URL: http://www.ntcgeotech.ru/index.htm (дата обращения: 19.03.2014).

4. Академик. URL: http://dic.academic.ru/.htm (дата обращения: 19.03.2014)