[11-2010] Опыт изучения карста на Горьковской дороге

[Admin]

Опыт изучения карста на Горьковской дороге

В.В. ТОЛМАЧЕВ, М.В. ЛЕОНЕНКО, О.В. ЮРГИН

Из всех железных дорог России Горьковская считается наиболее карстоопасной. Это отмечалось в специальном Указании МПС Российской Федерации № М-215у (1994 г.). В некоторых зарубежных публикациях отмечалось, что опыт Горьковской дороги весьма полезен для ряда известных специалистов в области инженерного кар-стоведения, в частности, из США, Германии и Испании.

Суммарная протяженность карстоопасных участков на дороге составляет не менее 1000 км. С проблемой карста на направлениях Москва—Нижний Новгород, Казань—Екатеринбург инженеры-путейцы столкнулись еще в конце XIX — начале XX вв. Особенность карста заключается в том, что он представляет собой саморазвивающийся и вероятностный природно-техногенный процесс и поэтому относится к трудно прогнозируемым инженерно-геологическим процессам, т.е. представляет собой «вещь в себе», как в шутку говорил профессор Г.М. Шахунянц. Однако принципиально неверно относить карст к стихийным явлениям. По отдельным участкам Горьковской дороги в разные годы проводили инженерно-геологические изыскания и научно-технические исследования. На их основе назначали различные противокарстовые мероприятия, направленные на повышение безопасности
движения поездов, обобщение и анализ которых чрезвычайно полезны для выработки принципов стратегии (на уровне руководства дороги) и тактики (на уровне линейных работников) обеспечения надежной эксплуатации дорог на карстоопасных территориях.

По инициативе Г.М. Шахунянца первое обобщение по проблеме карста на Горьковской дороге выполнил инженер Е.И. Буйнаков. Вследствие необходимости регулярного анализа инженерно-геологической ситуации на закарстованных участках и принятия в оперативном порядке обоснованных мер в 1967 г. по инициативе Е.И. Буйнакова и при активной поддержке Г.М. Шахунянца на дороге была создана Инженерно-геологическая база, специалистам которой оказывала по мощь Дзержинская карстовая станция при Академии наук СССР (сейчас ОАО «Противокарстовая и береговая защита»).

Из закарстованных участков наиболее значимым и в то же время самым карстопасным является участок Сейма—Доскино (линия Москва—Горький), обслуживаемый Дзержинской дистанцией пути. Здесь регулярно происходят карстовые деформации земляного полотна, искусственных сооружений и полосы отвода. Некоторые из них приводили к серьезным последствиям (см. рисунок).
Аварийные ситуации возникали на 411 км в 1903 г. (сход вагонов), на 395 км в 1943 г. (крушение поезда, перерыв движения на сутки), в 1960 г. (сход вагонов, остановка движения на 6 ч), в 1995 г. (остановка движения поездов на 12 ч по I пути и длительное ограничение скорости движения), в 2008 г. (длительное ограничение скорости).

На 406 км в 2004 г. образовалась карстово-суффозионная просадка в 1,5 м от опоры автодорожного путепровода через пути на станции Дзержинск. Аналогичный случай произошел на 403 км весной 2009 г. В декабре 2006 г. в районе 411 км в 50 м от земляного полотна на путях сортировочного парка химического предприятия ООО «Корунд» почти одновременно образовалось пять небольших карстовых провалов диаметром 2—5 м. В феврале 2007 г. на 414 км в 30 м от бровки выемки произошел крупный карстовый провал диаметром 20 м, в результате чего был разрушен трамвайный путь и несколько опор контактной сети.

Хотя описанные ситуации не привели к авариям, их всегда следует принимать во внимание, так как они являются симптомом повышенной вероятности образования в будущем карстовых деформаций в основании железнодорожных сооружений.

Так, в карстовом районе г. Дзержинск примерно в 30 % случаев образованию провалов предшествовало достаточно регулярное формирование просадок земной поверхности. Подобные деформации привели к образованию в 1992 г. крупного провала на заводе «Дзержинскхиммаш» (район 418 км, примерно в 0,5 км от пути), когда разрушилось промышленное здание. (Эта карстовая катастрофа считается крупнейшей в Европе за последние полвека.) В зоне будущего провала, начиная с 1982 г., эпизодически каждые 2—3 года возникали небольшие просадки. Именно о такого рода симптомах возможного провалообразования говорится в Инструкции по текущему содержанию пути в карстоопасных районах (ЦПИ-22/1), а также Технологическом регламенте диагностики и режимных наблюдений объектов земляного полотна для постоянной эксплуатации.

Рассматриваемый участок Горьковской дороги в определенном смысле является базовым. Здесь апробировали различные методики инженерных изысканий, оценки карстовой опасности и технологии проведения на практике противокарстовых мероприятий. Он находится на территории Дзержинского карстового района, хорошо известного как отечественным, так и зарубежным исследователям в области инженерного карстоведения. Район хорошо изучен в инженерно-геологическом отношении, главным образом, благодаря деятельности Дзержинского карстового стационара, созданного в 1953 г.

Опишем в хронологическом порядке основные мероприятия, проводимые в целях решения проблемы карстообразования.

Еще в 1905 г. для рассматриваемого участка известный русский геолог А.В. Павлов составил приложение «Оползни, обвалы, провалы» к Инструкции для технического надзора за состоянием местности, по которой пролегает путь Тимирязево-Нижегородской линии Московско-Казанской железной дороги на берегу р. Оки около Нижнего Новгорода. В нем впервые были изложены правила эксплуатации железнодорожного пути в провалоопасных районах и специфика наблюдений за местностью вдоль трассы.

После аварии на 395 км в 1960 г. по инициативе Г.М. Шахунянца проведены инженерногеологические изыскания с целью выявления условий для развития карста вдоль трассы участка Сейма—Ворошиловская (392— 420 км). Исследования в 1960 — 1963 гг. выполняла Горьковская геологическая экспедиция Министерства геологии СССР (руководитель Л.А. Дычаковская). Было пробурено более 100 скважин глубиной 60—70 м, что позволило уже в первом приближении наметить границы наиболее карстоопасных участков и рекомендовать комплекс противокарстовых мероприятий. Последние стали осуществлять после оперативного проектирования, выполненного в специализированных организациях, а также на Горьковской дороге.

В качестве основного противокарстового мероприятия рекомендовали тампонаж полостей, обнаруженных в карстующейся толще при бурении. Такие работы начались в 1962 г. по проектам московского института «Гидроспецпроект». Бурение и тампонаж полостей до 1982 г. проводила Центральная (Городецкая) и Солнечногорская экспедиции института «Гидропроект». В дальнейшем тампонировать стали не только карстовые полости, но и трещиноватые зоны в карстующихся породах. Надо отметить, что тампонажные работы на рассматриваемом участке продолжаются до настоящего времени, т.е. почти 50 лет. Но сейчас их выполняет специально созданная ПМС-278. За этот период было закачано около 50 тыс. м3 тампонажного раствора, что является своего рода рекордом не только в отечественной, но и в мировой практике. Но все же требуется провести специальный научно-технический анализ, так как существуют различные точки зрения в отношении необходимости и эффективности данной технологии.

На наиболее карстоопасных участках в 1962 г. усилили верхнее строение пути (рельсы Р65, эпюра шпал — 2000 шт/км), а на 5 км по обоим главным путям уложили контррельсы с внешней стороны колеи. Однако такое решение малоэффективно и даже опасно при образовании карстового провала диаметром более 2 м в плане, а также если есть вероятность формирования медленных карстовых оседаний. Кроме того, контррельсы существенно затрудняют текущее содержание и ремонт пути. Именно поэтому их вскоре демонтировали. В дальнейшем в зонах, где прогнозировалась повышенная вероятность образования карстовых провалов, в качестве временного мероприятия несколько раз укладывали рельсовые пакеты.

По инициативе службы пути в 1964 г. выполнили оценку эффективности тампонажа полостей, который был осуществлен в течение предшествующих двух лет на 395 км. С этой целью силами Пермского филиала института «Гипротранскарьер» (г. Чайковский) пробурили несколько контрольных скважин с отбором керна из зоны тампонажа. В результате эффективность тампонажных работ признали низкой (отсутствие цементного камня в полостях, маленький процент цемента в закачанном тампонажном растворе). Авторы статьи считают, что подобного рода контроль необходимо регулярно осуществлять и сейчас.

На 395 и 413 км в 1964 г. установили линейную оповестительно-заградительную сигнализацию электрорелейного типа, которая должна фиксировать возникновение карстовых деформаций на обочинах земляного полотна и в междупутье и передавать запрещающий сигнал на светофоры. Сигнализация работала несколько лет. Однако из-за конструктивных недостатков ее демонтировали, так как несколько раз движение поездов прерывалось вследствие появления ложных сигналов. Это обстоятельство всегда следует учитывать при создании современных сигнальных устройств.

Комитет по земляному полотну при научно-технических советах МПС и Минтранстроя СССР в г. Горький в 1965 г. провел совещание на тему «Проектирование, строительство и эксплуатация земляного полотна в карстовых районах». В нем приняли участие не только представители дорог, где наблюдались карстовые процессы, но и известные ученые в области карстоведения. В своем докладе профессор Г.М. Шахунянц неоднократно обращался к опыту организации противокарстовой защиты на участке Сейма—Доскино. Участники совещания побывали на участке строительства двухъярусного моста через Волгу вблизи станции Горький, на котором шло закрепление карстующихся пород в основании одной из опор.

По заданию Горьковской дороги специалисты МИИТа под руководством профессора Г.М. Шахунянца в 1966 — 1968 гг. выполнили исследование устойчивости земляного полотна на участке Сейма — Доскино и выбрали основные параметры проектирования противокарстовых мероприятий. В результате удалось разработать методику использования региональных особенностей карстопроявления применительно к линейным объектам, которая основывалась на обнаружении на территории Дзержинского карстового района стохастических закономерностей провалообразований. Учет таких зависимостей крайне важен при решении инженерных задач противокарстовой защиты.

На наиболее карстоопасных участках (395, 410 — 413 км) специалисты кафедры геодезии и инженерной геологии Уральского электромеханического института инженеров железнодорожного транспорта под руководством И.Н. Шаклеина и Б.Г. Чернявского в 1976 — 1996 гг. проводили регулярное высокоточное нивелирование бровки и подошвы земляного полотна с целью определения возможной связи между медленными оседаниями земной поверхности и карстовыми провалами. Установили, что на всех выбранных участках постепенные оседания земной поверхности происходят с разной скоростью сдвижения по вертикали в разные периоды. Наибольшие скорости оседания зафиксированы на 411 км (до 27 мм в год). Вертикальные сдвижения всегда сопровождаются горизонтальными деформациями пород. Следует отметить, что при надлежащем содержании пути постепенные (достаточно медленные) карстово-суффозионные оседания не представляют угрозы для безопасности движения поездов.

Результаты данного исследования целесообразно использовать при проектировании и эксплуатации противокарстовых конструкций на пути и искусственных сооружений, а также при подготовке специальных правил текущего содержания пути в условиях режима скоростного движения.

По инициативе И.Н. Шаклеина в 1978 г. в полосе отвода на 411 км организовали экспериментальную площадку, где смонтировали два образца точечной глубинной сигнализации для отслеживания возможного подземного сдвижения в толще карстующихся пород. Однако эксперимент не был завершен, а предложенные конструкции сигнальных точечных устройств не нашли применения на практике. К сожалению, не используются и простейшие точечные сигнальные устройства (грунтовые реперы), предложенные в 1995 г. ГП «Противокарстовая и береговая защита» (по опыту Германии) для контроля за карстовыми деформациями в основании опор путепроводов.

Изосстио, что степень опасности карстовых полостей, обнаруженных бурением, особенно в условиях глубокого залегания карстующихся пород, различна. Это следует учитывать при тампонаже полостей, представляющем собой достаточно дорогое противокарстовое мероприятие. В 1978 — 1979 гг. специалистами Дзержинской карстовой лаборатории выполнена оценка сравнительной опасности выявленных бурением карстовых полостей. Для этой цели разработали экспертнобалльный метод, учитывающий всю доступную карстологическую информацию по трассе и окружающей местности, вероятностно-статистические расчетные характеристики карстовых провалов, механизмы провалообразования вдоль трассы, устойчивость кровли обнаруженных полостей. После этого были подготовлены рекомендации по очередности тампонажа полостей.

По указанию МПС Российской Федерации № М-215у в 1994 г. разработана программа по обеспечению безопасности движения поездов на Горьковской дороге. В соответствии с ней специалистами ГП «Противокарстовая и береговая защита» в 1995 г. проведено обследование закарстованного участка 395 — 420 км с использованием комплекса инженерно-геологических и геофизических методов. В результате выполнено предварительное районирование территории по категориям устойчивости относительно удельной интенсивности провалообразования с учетом действующих нормативных документов Госстроя России, подготовлены рекомендации по проведению противокарстовых мероприятий капитального и эксплуатационного характера. Именно регулярное осуществление эксплуатационных противокарстовых мероприятий следует считать необходимым условием обеспечения безопасности движения поездов. В дальнейшем эта тенденция была отражена в Инструкции ЦПИ-22/1 и Технологическом регламенте диагностики и режимных наблюдений земляного полотна для постоянной эксплуатации.

Согласно программе на учас тках с наибольшей карстовой опасностью (I — II категории устойчивости) было необходимо провести детальные геофизические исследования с целью выявления наиболее опасных локальных зон с последующим заверочным бурением. Однако служба пути эти работы отложила на более поздний срок.

В 1995 г. подготовлена Временная инструкция по контролю за состоянием земляного полотна железнодорожного пути в карстоопасных районах Горьковской железной дороги. В ее создании принимали участие специалисты ГП «Противокарстовая и береговая защита» совместно со службой пути и Инженерно-геологической базой дороги. Этот документ позднее послужил основой для разработки Инструкции ЦПИ-22/1. Составители последней (ВНИИЖТ и ГП «Противокарстовая и береговая защита») учли как положительный, так и отрицательный опыт эксплуатации пути прежде всего на Дзержинской дистанции.

После создавшейся в 1995 г. на 395 км аварийной ситуации вследствие локального оседания по проекту ГП «Противокарстовая и береговая защита» силами ПМС-278 были закреплены аномально разуплотненные зоны в песчаной толще и подстилающих их глинистых породах. В грунтовую толщу инъектировано около 1 тыс. м3 цементного раствора. Для оценки эффективности подобных мер крайне необходимы особые геотехнические исследования.

В 1996 г. на 395 км уложили противокарстовый лежень для восприятия воздействий от возможного карстового провала, который может образоваться под балластным слоем непосредственно при проходе поезда. Конструкция представляет собой систему взаимосвязанных сталебетонных балок, при устройстве которых максимально использовали старогодные материалы (рельсы и железобетонные шпалы). Идею создания конструкции предложил профессор Э.П. Исаенко, а ее проект выполнил Нижегородский филиал института «Желдорпроект». К сожалению, проектировщики не консультировались со специалистами-карстоведами. По этой причине противокарстовый лежень имел небольшие, но принципиальные недоработки, которые резко снизили его эффективность. Это указывалось в отчетах об оценке карстоопасности рассматриваемого участка (1995, 2007 гг.), а также отмечалось на Третьей научнотехнической конференции

«Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (2006 г.). Однако недостатки так и не были учтены и даже не обсуждались при подготовке новых проектов.

В 2007 г. образовался крупный карстовый провал в районе 414 км (за пределами полосы отвода). Создавшуюся ситуацию обсуждали на рабочих совещаниях на Горьковской дороге и в ОАО «РЖД». По их итогам приняли решения о проведении дополнительных противокарстовых мероприятий капитального и эксплуатационного характера. При этом эксплуатационным мероприятиям уделялось особое внимание. По заданию Управления Горьковской дороги Инженерно-геологической базой совместно с ОАО «Противокарстовая и береговая защита» для линейных работников были разработаны следующие документы, нормативы которых необходимо выполнять в оперативном порядке:

Местная инструкция по надзору и текущему содержанию железнодорожного пути на закарстованных участках Дзержинской дистанции пути;

Памятка для путевых обходчиков по осмотру карстоопасных участков Горьковской железной дороги;

Памятка для локомотивных бригад об особой бдительности при проследовании карстоопасных участках на Горьковской железной дороге.

По мнению авторов статьи, только неукоснительное выполнение положений перечисленных документов позволяет снизить риск аварий с тяжелыми последствиями в 2 — 3 раза. Необходимо регулярно проводить техническую учебу с работниками дистанции пути по содержанию пути в условиях карстовой опасности. К сожалению, это простейшее, но эффективное мероприятие на Дзержинской дистанции проводят крайне нерегулярно.

Специалисты ОАО «Противокарстовая и береговая защита» в 2007 г. выполнили оценку рисков поражения железнодорожного полотна карстовыми провалами и разработали рекомендации по созданию системы противокарстовых мероприятий на линии Сейма — Доскино на участках пути, отнесенных ранее (в 1995 г.) к I — II категориям устойчивости по интенсивности провалообразования. Подготовлена методика оценки уровней карстового риска с учетом конкретных объектов инфраструктуры (например, искусственных сооружений, пересечений пути газопроводами и др.). При этом в максимальной степени приняты во внимание требования новых Федеральных законов («О техническом регулировании», «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», Градостроительный кодекс). Были разработаны типы рекомендуемых противокарстовых мероприятий и очередность их реализации с учетом конкретных уровней карстовых рисков, апробирована указанная методика для участков III, IV и V категорий устойчивости, а также подготовлены предложения по шкале ограничений скоростей движения поездов на участках с различными уровнями рисков.

В том же году ООО «Мостранспроект» запроектировал конструктивное усиление закарстованного участка длиной 750 м на 410 — 411 км в два этапа. На первом предусматривалась укладка на основную площадку земляного полотна высокопрочной георешетки «Tensar SS-40» с прикрепленными оптиковолоконными датчиками, позволяющими фиксировать появление деформаций и передавать сигнал о них в систему СЦБ. Такое усиление предполагалось в качестве временного мероприятия. На втором этапе предполагалось устройство на обходном пути (со сдвижкой главного пути на 4,1 м) сети буронабивных свай с заглублением на 23 м в водонасыщенную песчаную толщу с последующим объединением железобетонной плитой и укладкой под нее георешетки с оптиковолоконными датчиками. При этом сдвижка пути потребовала бы устройства четырех кривых малого радиуса. В.В. Толмачев подготовил по этому проекту развернутое экспертное заключение, где отметил ряд принципиальных недостатков, из-за которых реализацию проекта признали нецелесообразной. В то же время в заключении говорилось о возможности осуществления первого этапа проекта.

В 2009 г. с помощью геофизических методов детально исследован участок на 413 км (ПК1 — ПКЗ), предварительно отнесенный в 1995 г. к I — II категориям устойчивости. Это позволило более детально дифференцировать участок и рекомендовать комплекс противокарстовых мероприятий мониторингового, эксплуатационного, капитально-эксплуатационного и капитального характера, необходимый и достаточный для снижения карстового риска до допустимого уровня.

Полагаем, что почти вековой опыт совместных исследований инженеров-путейцев и геологов, направленный на поддержание нормальной эксплуатации пути в условиях карстовой опасности и отраженный в данной статье, поможет разработать стратегию и тактику обеспечения безопасного движения поездов на закарстованных участках дорог, что особенно актуально в условиях планирования и организации скоростного движения.

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Путь и путевое хозяйство".

Перенес: Admin