[01-2020] Новые технологии для укрепления карстоопасных участков

[бабулер84]

Новые технологии для укрепления карстоопасных участков

АТАПИН В.В., Самарский государственный университет путей сообщения, канд. техн, наук,
ВЛАСОВА С.Е., Самарский государственный университет путей сообщения, старший преподаватель,
ЧЕКИН А.А., Самарский государственный университет путей сообщения, преподаватель,
СТРЕЛЬЦОВ Н.В., Самарский государственный университет путей сообщения, студент

Земляное полотно — это один из основных элементов железнодорожного пути. От его состояния и качества во многом зависит работоспособность верхнего строения. В связи с этим к земляному полотну предъявляются повышенные требования с точки зрения прочности, стабильности, минимальной деформируемости и долговечности.
Железнодорожный путь с 1622 по 1629 км перегона Уфа-Черниковка Куйбышевской дирекции инфраструктуры проходит по Уфимскому карстово-оползневому косогору, где распространены сильно карстующиеся гипсоносные пермские породы. На участке расположено 32 кривые, в том числе восемь радиусом менее 500 м. На I главном пути уложены плети из рельсов Р65, железобетонные шпалы, рельсовые скрепления типа КБ, щебеночный балласт, пропущенный тоннаж на участке составляет более 700 млн т груза брутто, класс, группа и категория пути — 1Б2. На II главном пути в весенне-летний период 2014 г. была проведена модернизация (уложены плети из рельсов Р65, железобетонные шпалы, рельсовые скрепления типа АРС-4, щебеночный балласт), пропущенный тоннаж составляет 231 млн т груза брутто, класс, группа и категория пути — 1Б2.
В последние годы наблюдается активизация карстово-суффозионных процессов вблизи железнодорожного полотна перегона Уфа-Черниковка. В результате в руслах на подходах к искусственным сооружениям появилось много карстовых воронок и понор, что способствует нарушению стока поверхностных вод и не гарантирует устойчивость земляного полотна и безопасность движения поездов на перегоне Уфа-Черниковка [1].

Уфимский косогор имеет площадь 7 км2, на востоке от него протекает река Уфа, а на западе — река Белая. Анализ геологического строения косогора показывает, что склоны в нижней части обрывистые с отложениями пермского и четвертичного возраста. Многочисленные обнажения представлены пестроцветными породами уфимского яруса верхней перми и гипсами кунгурского яруса нижней перми. Косогор пересекают 16 оврагов,
имеющих протяженность от 200 до 1500 м, 10 из которых карстового происхождения. Поверхностный сток в них отсутствует, вода поглощается воронками и понорами. К четвертичным относятся аллювиальные и элювиальные отложения, представленные суглинками с включениями известняка, песчаника и мергеля [2].
По данным проектно-изыскательской организации «Ленгипротранс», на Уфимский косогор поступает 4018 тыс. м3 воды в год, из них на косогоре поглощается 450 тыс. м3.
Частое переслаивание пород различного состава в разрезе уфимского яруса обуславливает наличие в них преимущественно безнапорных межпластовых вод. Воды кунгурского водоносного горизонта не имеют естественных выходов на поверхность. Глубина залегания трещинно-карстовых вод кунгурского яруса находится в пределах абсолютных отметок 82-113 м. Питание подземных вод кунгурского яруса происходит как за счет инфильтрации атмосферных осадков на участках выхода гипсов на поверхность и поглощения вод ручьев в оврагах карстовыми воронками, так и за счет перетока вод уфимского яруса по трещинам [3]. Водоносный горизонт, приуроченный к аллювиальным отложениям, имеет глубину залегания от 0,2 до 8—10 м. Питание его осуществляется за счет инфильтрации поверхностных вод и атмосферных осадков. Воды, относящиеся к элювиально-делювиальным отложениям, залегают на различных отметках в склоновых отложениях оврагов, где они выходят на поверхность в виде источников.
В целом гидрогеологическая обстановка Уфимского косогора характеризуется интенсивным водообменом и свободной разгрузкой трещинно-карстовых вод, что способствует значительному увеличению образования карстовых провалов непосредственно в пределах железнодорожного полотна.
На косогоре наблюдаются три формы карстовых проявлений: поверхностные (воронки, котловины и карстово-эрозионные овраги); глубинные (пещерные полости и пустоты); погребные (воронки, полости). Более чем за 30 лет зафиксировано около 200 карстовых проявлений.

С 2001 г. увеличивается количество карстовых провалов — более пяти случаев на 1 км2 в год, что непосредственно связано с изменением климатических условий и количества выпадающих атмосферных осадков.
По результатам наблюдений можно сделать вывод, что участок склона относится к I (неустойчивой) и II (весьма неустойчивой) категориям карстовых провалов, процесс карстообразования на косогоре беспрерывный, за последние годы заметно активизировались проявления карста на поверхности (рис. 1).
Дополнительным подтверждением нестабильного поведения верхнего строения пути и земляного полотна на участке с 1622 по 1629 км перегона Уфа-Черниковка являются результаты оценки пред-отказного состояния геометрии рельсовой колеи [4, 5, 6, 7] с помощью программы ПГРК, а также данные, полученные программой StabWay [8, 9], которая реализует методику МИИТа наблюдения за состоянием земляного полотна.
На картах развития предотказ-ного состояния пути (рис. 2) наглядно видно, что отдельные участки являются нестабильными и подвержены ухудшению в весенне-летний период. Особо следует отметить, что такие участки имеются одновременно как по I, так и по II пути, где в 2014 г. была выполнена модернизация.
При более детальном анализе обнаружен ряд участков с нестабильным состоянием земляного полотна, например на 1622 км. Это отчетливо видно на графике (рис. 3), где показана сумма превышения положительного приращения скользящего среднего квадратического отклонения (ССКО) (зеленая линия), заданного порога (красная пунктирная линия). При анализе выявленных мест нестабильности можно сделать вывод, что причина их появления связана с состоянием земляного полотна [8, 9].

Таким образом, модернизация II главного пути в 2014 г. не решила описанных выше проблем, которые отмечаются на локальных участках. Они проявляются как до, так и после ремонта и связаны исключительно с земляным полотном, а именно с карсто-образованием.
Для снижения активности развития карста и повышения устойчивости территории вдоль анализируемого участка необходимо ликвидировать очаги поглощения поверхностного стока. Это наиболее распро
страненная и доступная поверхностная категория карстовых форм, в основном воронки и поноры. Также следует упорядочить пропуск воды по оврагам.
Воронки встречаются самой разнообразной формы: конусообразные, чашеобразные, блюдцеобразные, реже — шахтообразные колодцы. В большинстве случаев конусообразные воронки сопровождаются гравитационным смещением грунтов на бортах провалов. В пределах земляного полотна наименьший диаметр воронки — 3,8 м при глубине 1,4 м, а максимальный — 7,1 м при глубине 3,6 м. В настоящее время на протяжении участка пути с 1622 по 1629 км насчитывается около 40 воронок.
Вместо традиционного цементного раствора для заполнения поверхностных воронкообразных карстовых форм вдоль железнодорожного полотна можно использовать органоминеральную двухкомпонентную вспенивающуюся смолу Geofoam. Ее основным преимуществом является высокая кратность вспенивания при низком расходе материала. Большая скорость отверждения полимерного состава позволяет быстро заполнять значительные объемы пустот. Geofoam состоит из двух жидких невозгораемых компонентов: компонент А — модифицированное жидкое стекло, компонент В — модифицированный изоцианат.
Оба компонента в объемном соотношении 1:1 при помощи двух компонентного насоса подаются раздельно по шлангам, смешиваются в смесителе и затем методом набрызга наносятся на стенки полости.
Реакция компонентов происходит с увеличением объема полимерного состава. Параметры реакции
следующие:

• Время начала реакции при 15 °C, с 20±10
• Время окончания реакции, с 85±20
• Кратность вспенивания Около 40
• Расход исходного материала для образования 1 м3 затвердевшего раствора при 12—15 ”С, кг 50—60
• Плотность компонентов
• при 25 °C, кг/м3 1140—1455
• Предел прочности на сжатие, МПа 0,35—0,40

Снизить стоимость работ при применении данного метода позволяет послойное заполнение объема воронок силикатной смолой и гранитным щебнем фракции 25—60 мм (рис. 4). При нагнетании под давлением пена проникает в пустоты между щебнем и склеивает трещины в стенках воронки. Заполнение воронки происходит за счет подъема щебня при увеличении объема смолы при вспенивании.

Ниже приведен пример расчета стоимости заполнения щебнем и смолой Geofoam конусообразной воронки диаметром 5 м, глубиной 2,5 м.
Объем воронки определяется по формуле V = 1/ЗлЯ2Н, где R — радиус основания конусообразной воронки; Н - глубина конусообразной воронки. Таким образом, V = 16,35 м3.
Предлагается послойное заполнение воронки гранитным щебнем объемом 6,5 м3 и силикатной смолой объемом 7 м3. Учитывая кратность вспенивания, к концу твердения объем компонентов сотавит 9,8 м3. В результате воронка заполнится смолой и щебнем на 16,35 м3 с небольшой погрешностью. Расчет стоимости заполнения воронок по усредненным показателям представлен в таблице.
Современная активность провалообразований на Уфимском карстовом косогоре достаточно высока и в последние годы имеет тенденцию к значительному увеличению. На основе приведенного выше материала и выполненных примерных расчетов можно сделать вывод, что предложенный вариант ликвидации воронок не является дешевым, но отличается простотой и долговечностью выполненных работ. Добавление гранитного щебня способствует уменьшению стоимости материалов. Для удешевления мероприятий рекомендуется воронки, расположенные не вдоль земляного полотна, заполнять местным грунтом ввиду отсутствия непосредственной угрозы.

Список источников

1. Скворцов Г.Г. Вопросы инженерно-геологического изучения и оценки карста в основании железнодорожных сооружений // Специальные вопросы карстоведе-ния: материалы совещания 30 янв.—3 февр. 1956 г. М.: Издательство АН СССР, 1962. С. 43-57.
2. Смирнов А.И., Абдрахманов РФ. Карстоопасность территории Республики Башкортостан // Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2007. Т. 12. № 2. С. 5—11.
3. Смирнов А.И. Оценка воздействия карстового процесса на населенные пункты Республики Башкортостан // Карстоведение — XXI век. Теоретическое и практическое значение: материалы междунар. симпозиума. Пермь, 2004. С. 325-328.
4. Седелкин Ю.А., Атапин В.В. Методология УРРАН для определения предотказного состояния инфраструктуры // Путь и путевое хозяйство. 2015. № 3. С. 8—11.
5. Седелкин Ю.А., Атапин В.В. Анализ верхнего строения пути и земляного полотна на основе результатов обследования диагностическими средствами // Путь и путевое хозяйство. 2015. № 7. С. 13—15.
6. Седелкин Ю.А., Атапин В.В. Новые горизонты технологии УРРАН // Путь и путевое хозяйство. 2015. № 8. С. 15—17.
7. Комплексный подход к мониторингу железнодорожной инфраструктуры на основе технологии УРРАН / И.К. Михалкин, О.Б. Симаков, Ю.А. Седелкин, В.В. Ершов, В.В. Атапин // Транспортная газета Евразия-Вести. 2013. № 12. С. 15-16. URL: http://eav.ru/publl. php?publid=2013-12al0
8. Сазонов В.Н., Ашпиз Е.С. Надежное земляное полотно — основа эффективной работы пути // Железнодорожный транспорт. 2013. № 4. С. 52—57.
9. Ашпиз Е.С., Михалкин И.К., Симаков О.Б. Технология мониторинга путевой инфраструктуры // Мир транспорта. 2011. Т. 9. № 5 (38). С. 124—129.


НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ КАРСТООПАСНЫХ УЧАСТКОВ
Ключевые слова: земляное полотно, косогор, порода, деформации, карстовый провал, гидрогеологическая обстановка, борьба, воронки, предотказ-ное состояние, ПГРК, StabWay, карта развития, нестабильное состояние, спектральная плотность мощности, ремонт, смола, реакция, стоимость, пустоты, заполнение, опыт, мероприятия,
Атапин Виталий Владимирович — канд, техн, наук, доцент кафедры «Путь и путевое хозяйство» Самарского государственного университета путей сообщения. Самара, Россия, E-mail: vitap88@ramblerru, atapin@infotrans-logistic ru
Власова Светлана Евгеньевна — старший преподаватель кафедры «Строительство» Самарского государственного университета путей сообщения. Самара, Россия. E-mail: wlasswet@mail.ru
Чекин Артем Анатольевич — преподаватель кафедры «Путь и путевое хозяйство» Самарского государственного университета путей сообщения. Самара, Россия. E-mail: chekiLi@infotrans-logistic.ru
Стрельцов Николай Валерьевич — студент факультета «Строительство железных дорог и информационные технологии» Самарского государственного университета путей сообщения. Самара, Россия. E-mail: nikolaystrl7@gmail.com
Аннотация. На примере участка с 1622 км по 1629 км перегона Уфа-Черни-ковка Куйбышевской дирекции инфраструктуры, который проходит по Уфимскому карстово-оползневому косогору рассматриваются проблемы, связанные с содержанием железнодорожного пути и земляного полотна. Приводится техническая характеристика участка, описывается гидрогеологическая обстановка на косогоре и статистическая информация о карстовых процессах за последние годы.
На основе анализа данных о предотказном состоянии геометрии рельсовой колеи и состоянии земляного полотна, полученном из программы StabWay, сделан вывод о том, что на анализируемом участке пути находится большое количество мест с деформациями земляного полотна, в том числе после проведения капитальных ремонтных работ. Для решения данной проблемы предлагается использование органоминеральной двухкомпонентной вспенивающейся смолы Geofoam, которая позволяет быстро заполнить пустоты в земляном полотне. Приведен опытный пример совместной работы щебня и смолы, описана технология заполнения пустот, а также представлен усредненный расчет стоимости заполнения воронок на анализируемом участке пути.

NEW TECHNOLOGIES FOR STABILIZATION OF THE ROADBED ON KARST AREAS
Keywords: roadbed, sidehill, massive material, yielding, doline, hydrogeological appointments, conical depresion, pre-failure condition, PGRK, StabWay, sheet development, unstable state, power spectral density, lay-over, resin oil, reaction, expense, vugs, filling, experimentation, measures.
Atapin Vitaliy — Ph.D., associate Professor of the department of «Rail and railway equipment» of Samara State Transport University. Samara, Russia E-mail: vitap88@rambler.ru, atapin@infotrans-logistic.ru
Vlasova Svetlana — senior lector of the department «Project» of Samara State Transport University. Samara, Russia. E-mail: wlasswet@mail ru
Chekin Artem — lector of the department «Rail and railway equipment» of Samara State Transport University. Samara, Russia, E-mail: chekin@infotrans-logistic.ru
Streltsov Nikolay - student of the department «Construction of track and information technology» of Samara State Transport University, Samara, Russia. E-mail: nikolaystrl7@gmail.com
Abstract. On the example of the district from 1622 km to 1629 running line Ufa-Chernikovka of the Kuibyshev directorate of infrastructure traversing Ufa karstic-land fall sidehill, the problems connected with the maintenance of track and roadbed are discussed. Technical characteristics of a track are given, the hydrogeological situation on a sidehill and statistical information on karst processes for the last years are described.
Based on the data analysis on the pre-failure condition of the geometry of the track and state of the roadbed, received from the program «StabWay», it is concluded that there is a large number of places with yielding of the roadbed on the analyzed track, including after handling of the general rehabilitation. In order to solve this problem, we propose to use organomineral two-component expandable resin oil Geofoam, which allows quickly undertake works on filling vugs in the roadbed. An experimental example of the joint work of crushed ballast and resin oil is given, the technology of filling vugs is described and the average calculation of the cost of filling the conical depression on the analyzed section of track is presented.