[02-2020] Устройство выемок в условиях арктической тундры

[Admin]

Устройство выемок в условиях арктической тундры

СЕЛЕЗНЕВ А.В., генеральный директор ООО «Гипротранспроект»

Земляное полотно железных и автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты в соответствии с действующими нормативными документами рекомендуется проектировать по возможности в насыпях. Главный аргумент — разработка выемки может вызвать деградацию вечной мерзлоты, что в зависимости от суммарной льдистости мерзлой породы приведет к деформации грунтовых сооружений и фундаментов от незначительных осадок (малопросадочные грунты с суммарной льдистостью до 3—7 %) до полного разрушения сооружения (грунты IV категории просадочности).
Отказ от выемок при проектировании дорог приводит к резкому удорожанию строительства: даже на слабо всхолмленной местности для соблюдения требуемого продольного уклона (не выше максимально допустимого) возникает необходимость сооружения высоких насыпей (выше 6 м).
Грунты, наиболее пригодные для сооружения насыпей — песчаные непылеватые, а также крупнообломочные — присутствуют далеко не во всех регионах распространения вечномерзлых грунтов. Так, в газоносных районах севера Тюменской области, где в настоящее время ведется строительство железных и автомобильных дорог в большом объеме, преобладают пылеватые разновидности грунтов, малопригодных для сооружения насыпей. Такие грунты плохо уплотняются в зимнее время и в связи с этим летом дают значительную осадку.
Кроме того, разработка карьеров большой площади в зоне вечной мерзлоты без выполнения рекультивационных работ приводит к необратимой деградации мерзлоты, что вызывает изменения макрорельефа и может, в свою очередь, привести к катастрофическим последствиям.

Отсюда возникает необходимость устройства выемок. Это позволит:

• уменьшить объем земляных работ, связанных с сооружением высоких насыпей (разработка, доставка и укладка грунта в насыпь);
• сократить сроки строительства и снизить его стоимость;
• сократить площади карьеров и в связи с этим уменьшить ущерб, наносимый окружающей среде, а также минимизировать объем работ, необходимый для рекультивации.

Север Тюменской области отличается значительным снегопереносом, поэтому там требуются конструктивные решения выемок, учитывающие эту особенность. Действующими нормативными документами при сооружении выемок предусмотрены снегозащитные сооружения — лесопосадки внутри полости и снегозадерживающие заборы. Однако эти мероприятия в условиях вечной мерзлоты далеко не везде применимы. Так, при мощности деятельного слоя менее 1,5 м деревья не способны расти. Установка заборов связана с необходимостью погружения опор забора (свай) в мерзлый грунт, что требует применения специальной техники. Если деятельный слой имеет значительную мощность, то основание сваи и в этом случае должно быть заглублено в вечномерзлый грунт, иначе при многократном промерзании-оттаивании свая будет постепенно выдавливаться из грунтового массива вверх. Кроме того, в зоне вечной мерзлоты практически отсутствует древесина, пригодная для изготовления заборов. Отсюда возникает необходимость поиска иных конструктивных решений выемок, на эксплуатацию которых не влияют снежные заносы. К таким решениям относятся выемки тоннельного типа (тоннели мелкого заложения).
Тоннель мелкого заложения представляет собой выемку, в которой размещена ограждающая конструкция, внутри которой расположен путь. При этом нижняя часть конструкции находится ниже естественной поверхности местности, а верхняя часть — выше.
Поскольку среднегодовая температура воздуха внутри полости тоннеля отрицательна, суммарный за год тепловой баланс в грунте также будет отрицателен, что сохранит вечную мерзлоту. Этому поспособствует грунтовая призма с оголенной поверхностью над тоннелем и внутренний объем тоннеля, сообщающийся с наружным воздухом.
На рис. 1 приведена принципиальная схема выемки тоннельного типа, которая содержит ограждающую конструкцию 3, размещенную на грунтовой площадке 8. Конструкция расположена в траншее с боковыми границами 5 и нижней границей 7. Вынутый из траншеи грунт используется для обратной засыпки 4 и верхней аэро-обтекаемой призмы 2. Положение нулевой изотермы 9 показано на момент окончания теплого сезона в установившемся режиме.

Траншею желательно сооружать в зимний период с практически вертикальными стенками (уклон 1 : 0,5), чтобы по минимуму нарушить окружающую территорию. Ограждающая конструкция 3 не является несущей, поэтому может быть выполнена из гофрированного металла.
Балластная призма 6 с рельсо-шпальной решеткой расположена внутри ограждающей конструкции. При таком варианте выемки снежный покров займет положение по линии 1.
Ниже приведено два примера эффективного применения выемки тоннельного типа.
Выемка тоннельного типа на участке пересечения останцов II морской террасы. Возможность внедрения выемки тоннельного типа рассмотрена при проектировании железнодорожной линии, проходящей по территории полуострова Ямал в зоне сплошного распространения вечномерзлых грунтов. На данном участке трасса представлена прямой, которая пересекает останец II морской террасы, сложенный льдистыми пылеватыми песками. Проектирование плана и профиля выполнено по нормам для линии IV категории.
В точке ПК 208+70 трасса линии подходит к подошве склона останца. Отметка земли на ПК 208+70 — 17,50 м. Наивысшая точка земли — 23,70 м — приходится на ПК 210+05. Трасса переваливает останец на ПК 210+66, отметка земли в этой точке 21,0 м.
В проекте дороги рассмотрены два варианта продольного профиля:
вариант 1 — земляное полотно запроектировано устройством выемки глубиной 0,67 м со снегонеза-носимыми откосами (заложение откосов 1:10);
вариант 2 — земляное полотно запроектировано с устройством выемки глубиной 3,09 м тоннельного типа.
Варианты продольного профиля рассматриваемого участка представлены на рис. 2, а технические показатели — в табл. 1.
Выемка тоннельного типа на участке пересечения поймы реки. Проектирование плана и профиля выполнено по нормам для линии III категории. Трасса железной дороги пересекает несудоходную реку.
С южной стороны трасса подходит к бровке пойменной террасы на пикете 80+30, отметка земли в этой точке 30,31 м. С северной стороны бровка пойменной террасы расположена на ПК 82+30, отметка земли в этой точке 33,35 м. УВВ 0,33 % — 22,80 м. Отметка дна реки — 20,12 м.

Пойменная терраса и русло реки сложены льдистыми пылеватыми песками.
В проекте дороги рассмотрены два варианта продольного профиля:

• вариант 1 — земляное полотно запроектировано насыпями;
• вариант 2 — земляное полотно запроектировано с устройством выемок тоннельного типа.
• Варианты продольного профиля рассматриваемого участка представлены на рис. 3, его технические показатели — в табл. 2.
• Выводы. Внедрение в конструкцию дороги выемок, в том числе тоннельного типа, позволяет: преодолевать рельефные препятствия с большой алгебраической разностью высот при минимальном развитии трассы дороги;
• сокращать длину мостов и высоту опор мостов;
• уменьшать высоту насыпи и объемы земляных работ подходных насыпей, тем самым сокращая потребность в притрассовых карьерах.

Список источников

1. Патент № 2275472 РФ E02D 29/045. Тоннель мелкого заложения на вечной мерзлоте / В.В. Пассек, А.А. Цернант, А.Х. Дацковский, В.А. Линник
№ 2004129250/03; заявл. 06.10.2004; опубл. 27.04.2006. Бюл. № 12.
2. Защита от снегозаносов портальной части конструкции тоннельного типа в регионах с сильным снего-переносом / В.В. Пассек, С.Я. Герценштейн, А.А. Цср-нант, А.Х. Дацковский, В.А. Герасимов // Строительство железных и автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты. М.: ОАО ЦНИИС, 2007. С. 117-123 (Научные труды ЦНИИС. Вып. 242).
3. Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты: ВСН 61-89: введ. 01.01.90 / Минтрансстрой СССР. М.: ВПТИтрансстрой, 1990. 208 с.
4. Пособие по проектированию земляного полотна и водоотвода железных и автомобильных дорог промышленных предприятий (К СНиП 2.05.07-85). М.: Стройиз-дат, 1988. 176 с.
5. ВСН 203-89. Нормы и технические условия на проектирование и строительство железных дорог на полуострове Ямал / Минтрансстрой, МПС. Введ. 01.01.1990. М., 1990.
6. ВСН 84-89. Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты / Минтрансстрой СССР. Введ. 30.03.1989. М_, 1990.
7. Пшеничникова Е.С., Селезнев А.В. Выемки железных и автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты (обзор технических решений) // Строительство железных и автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты. М.: ОАО ЦНИИС, 2011. С. 139-151. (Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. № 263).