бабулер85

Деформации земляного полотна и искусственных сооружений на Восточно-Сибирской железной дороге из-за сейсмических воздействий

ГАВРИЛОВ И.И., ОАО «Российские железные дороги», Хабаровский центр диагностики и мониторинга устройств инфраструктуры, начальник сетевой мерзлотной станции

Осадки и оседания насыпей внешне выглядят одинаково, независимо от вызвавших их причин. В этом заключается одно из главных затруднений в диагностике земляного полотна.
Опыт диагностики земляного полотна Сетевой Мерзлотной станцией показывает, что наибольшее распространение на БАМе и Транссибе получили осадки и оседания насыпей вследствие следующих причин:

• деградации многолетнемерзлых грунтов оснований, просадочных при оттаивании;
• бокового выпора текучих (текучепластичных) глинистых грунтов основания. Слой текучих глинистых грунтов толщиной 10—30 см под подошвами насыпей и берм образуется ежегодно в результате оттаивания распученных сезоннопромерзаю-щих глинистых грунтов [1];
• многолетней консолидации оттаявших торфов и органоминеральных грунтов [2];
• суффозионных выносов мелкой фракции из тела и основания земляного полотна [3];
• сейсмических воздействий.

Осадки и оседания насыпей однозначно связываются с сейсмическими воздействиями только после ощутимых людьми землетрясений. Например, 27 августа 2008 г. в 30 км к северо-востоку от станции Слюдянка Восточно-Сибирской дороги произошло Култукское землетрясение магнитудой по поверхностной волне Ms = 6,1, которое в баллах шкалы MSK-64 составило: в Култуке — 7—8 баллов, Слюдянке — 7,5, Иркутске — 6 [4]. Сейсмические толчки ощущались сразу на нескольких железнодорожных станциях, что привело к временному прекращению движения поездов на участке Ангасолка—Слюдянка. Серьезных повреждений искусственные сооружения и земляное полотно не получили, за исключением оползания четного откоса насыпи с провисанием рельсошпальной решетки на 5308 км с 03 по 50 м (рис. 1). Характер и величина деформаций подтверждаются видеозаписью, сделанной после землетрясения.
Примечательно, что через 2 ч после выправки наружная нить II пути вновь просела на 30 мм, осадки пути продолжались еще две с половиной недели после землетрясения с интенсивностью 10—12 мм в сутки.
Диагностика земляного полотна показала следующее:

• насыпь высотой 3,5 м отсыпана местными, преимущественно песчаными, грунтами, с двух сторон укреплена контрбанкетами из крупнообломочных грунтов. В основании насыпи залегает консолидированный торф толщиной 0,3—0,5 м, подстилаемый до разведанной глубины (10 м) талыми водонасыщенными песками различной крупности (рис. 2);
• в непосредственной близости от подошвы земляного полотна с обеих сторон обнаружена высокотемпературная многолетняя мерзлота на глубине 1,1 м и ниже;
• в конструктивном и геологическом отношении короткий участок разрушенной насыпи ничем не отличается от соседних, во время эксплуатации до землетрясения он был стабильным;
  
• причиной деформации стало резкое возрастание разрушительного воздействия сейсмической волны из-за расположенного под земляным полотном талика, который создает условия для проявления резонансных явлений и кумуляции энергии сейсмических волн, отраженных от «стен» таликов [5].

Кроме того, при воздействии сейсмической нагрузки на водонасыщенные пески давление поровой воды возрастает, что приводит к разжижению грунта и потере его прочности. Процесс разжижения водонасыщенных песков достигает 13 м в глубину [6]. Во время землетрясения тяжелые сооружения на таких грунтах «тонут», легкие «всплывают».
Значительно сложнее диагностировать осадки и оседания насыпей в случаях, когда землетрясения не ощущаются людьми либо оцениваются ими как слабые. Так, в 2017 г. Сетевой мерзлотной станцией Хабаровского РЦДМ была проведена диагностика насыпи на 1111 км участка Холодный—Кичера Восточно-Сибирской дороги.
По данным Северобайкальской инженерно-геологической базы Иркутского РЦДМ (ИГБ Северо-байкальск) насыпь высотой до 4,0 м принята в эксплуатацию в 1981 г. Осадка насыпи на 1111 км с 570 по 700 м отмечается с 1999— 2000 гг. После многочисленных подъемок пути толщина балластной призмы увеличилась до 1,6 м. Для удержания балластной призмы с левой стороны от оси пути построен забор из старогодных шпал (рис. 3). Скорость движения поездов регулярно ограничивается, на момент проведения диагностики действовало постоянное ограничение до 60 км/ч. Отмечено, что периоды активизации осадки сменяются периодами относительной стабилизации. Диагностика участка показала следующее (рис. 4): земляное полотно сложено галечниковым грунтом с песчаным заполнителем; многолетнемерзлые и слабые грунты в основании насыпи не встречены, в разрезе преобладают водонасыщенные пески средней крупности; насыпь устойчива, расчеты в программе Гео-5 показали, что коэффициент устойчивости откосов равен или больше 1,5.


По данным Службы срочных донесений ФГБУН ФИЦ ЕГС РАН [7] с 1991 по 1998 г. в радиусе 50 км от 1111 км не произошло ни одного сейсмического события, в 1999 г. зарегистрировано 62 землетрясения (см. таблицу), что совпадает с началом оседания насыпи. За период с января по декабрь 1999 г. в межвпадинной перемычке между Кичерской депрессией и Верхнеангарской впадиной произошло более 6000 толчков. По суммарной сейсмической энергии данная последовательность превзошла все известные в Байкальской рифтовой зоне, начиная с 1960 г. [8].
С 2000 по 2017 г. землетрясения магнитудой по поверхностной волне Ms от 3,3 до 5,4 происходят регулярно в радиусе 50 км. Насыпь продолжает оседать, выправки путевыми машинами выполняются в среднем один раз в два года.
Таким образом, главной причиной оседания насыпи на 1111 км следует считать разжижение водонасыщенных песков в основании насыпи из-за регулярных землетрясений.
В последнее десятилетие деформативность пути обусловлена также расползанием балластной призмы высотой до 1,6 м в связи с возросшим вибро-динамическим воздействием подвижного состава (повышением осевых нагрузок и длины поездов).
Деформации опор мостов также редко связывают с землетрясениями. В 2017 г. специалистами «Иркутскжелдорпроект» (ИЖДП) обследовано четыре моста с фундаментами мелкого заложения на участке от станции Наледный до станции Салликит (1644 км ПК10, 1652 км ПК6, 1673 км ПК6, 1677 км ПК2), построенных в период с 1984 по 1989 г. На всех мостах обнаружены крены устоев и промежуточных опор и, как следствие, многочисленные дефекты опорных частей и пролетных строений (упирание и врезание пролетных строений в шкафные блоки, отклонение баланси
ров, срез болтов крепления опорных частей, отрыв шкафных блоков и т.д.). Крен устоев моста на 1644 км ПК10 вызван неполной вырезкой подземного льда, просадочных при оттаивании супесей и органоминеральных грунтов. Деформации устоев впервые описаны Тындинской мерзлотной станцией уже через пять лет после строительства моста.

В основании опор остальных трех мостов залегают крупнообломочные, непросадочные при оттаивании, либо талые грунты. По материалам Мостоиспытательной станции № 27 Иркутского РЦДМ и ИЖДП крены опор этих мостов впервые зафиксированы в 1994—1995 гг. после сильного Чарского II землетрясения 21.08.1994 [10] магнитудой по поверхностной волне Ms = 6,4, эпицентр которого располагался в 25—50 км от указанного участка (рис. 5). После Чарского III и IV землетрясений 29.06.2004 и 02.01.2005 техническое состояние мостов на 1673 и 1677 км заметно ухудшилось (сдвижка опорных частей, срез анкерных болтов, погнутость торцевых листов пролетного строения). Наиболее вероятная причина кренов опор мостов — потеря прочности водонасыщенных песков и крупнообломочных грунтов с песчаным заполнителем во время сейсмических воздействий. Таким образом, решение ИЖДП о переустройстве фундаментов мелкого заложения на буронабивные столбы является обоснованным.
По материалам Северобайкальской тоннелеобследовательской станции Иркутского РЦДМ, в конпе 80-х и в начале 90-х годов прошлого века на участке Северобайкальск—Олекма функционировала система оповещения о землетрясениях, разработанная согласно Техническим указаниям [11]. Система оповещения состояла из сети сейсмостанций, откуда информация о произошедшем землетрясении поступала на пульт поездного диспетчера на станции Северобайкальск.
В настоящее время информация о землетрясениях поступает в линейные предприятия через Центр управления содержанием инфраструктуры из Байкальского филиала ГС СО РАН с задержкой.


Прогноз воздействия землетрясения на путь и сооружения часто не соответствует действительности. Так, 29.10.2013 диспетчер Центра управления перевозками выдал предупреждение о землетрясении в Северо-муйском тоннеле интенсивностью 5 баллов. По показаниям же сейсмостанции ПЧ-24, расположенной в районе третьего ствола тоннеля, интенсивность землетрясения не превысила 3 балла.
Сейсмостанции, входящие в состав системы геотехнического мониторинга Северомуйского тоннеля, запроектированной НИПИ «Ленметрогипротранс», смонтированы, но не сданы в эксплуатацию с 2003 г.

Выводы

Сейсмические деформации земляного полотна и сооружений Восточно-Сибирской дороги имеют больший масштаб, чем это представляется сегодня, так как их значительную часть не связывают с землетрясениями.
Наиболее уязвимы при землетрясениях объекты с таликами или водонасыщенными песчаными грунтами в основании.
Деформации земляного полотна и сооружений с водонасыщенными песками в основании после землетрясения продолжаются в течение несколько недель.
Опоры мостов с фундаментами мелкого заложения деформируются даже на участках с благоприятными инженерно-геологическими условиями при сейсмических воздействиях интенсивностью ниже заложенных в проект.
Количество уязвимых объектов при сейсмических воздействиях в области распространения многолетнемерзлых грунтов возрастает главным образом из-за повышения температуры воздуха в последние десятилетия, что ведет к увеличению количества таликов в основании земляного полотна и сооружений. Так, по данным Росгидромет [12], с 1976 г. среднегодовая скорость повышения температуры воздуха в России — 0,43 °C в 10 лет. Фактическая среднегодовая температура воздуха, осредненная за последние 11 лет, по данным метеостанций, расположенных в районе БАМа и Транссиба, выше, чем в СП 131.13330.2012 «Строительная климатология», на 2,0—2,4 °C.
Существующая система оповещения о землетрясениях работает не эффективно даже в Северомуйском тоннеле, расположенном в исключительно сложных инженерно-геологических и сейсмотектонических условиях.

Предложения
В сейсмоопасных районах проектировать фундаменты опор мостов исключительно глубокого заложения.
При проектировании противодеформационных мероприятий в сейсмически опасных районах распространения многолетнемерзлых грунтов отдавать предпочтение охлаждающим, а не укрепляющим конструкциям.
Усовершенствовать систему оповещения о землетрясениях с учетом накопленного опыта. Необходимо создать автоматизированную систему, которая на основе данных ФГБУН ФИЦ ЕГС РАН о расположении эпицентра и магнитуде землетрясения позволит вычислять сейсмические воздействия на объекты инфраструктуры в баллах шкалы MSK-64 и выявлять опасные перегоны, где согласно техническим указаниям [11] необходимо ограничивать скорость движения поездов, а также оперативно передавать данные в линейные подразделения.

Список источников
1. Дыдышко П.И. Деформации насыпей на мари, их устранение и предупреждение // Железнодорожный транспорт. Серия 4. Путь и путевое хозяйство: ЭИ / ЦНИИТЭИ МПС. 1991. С. 17-32.
2. Солодовников Б.И. Магистраль и мерзлота: Опыт и проблемы строительства восточного участка БАМа. Хабаровск: Книжное издательство, 1976. 152 с.
3. Гаврилов И.И. Земляное полотно в сложных условиях БАМ // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути: Труды XI Междунар. научно-техн, конференции. М.: МИИТ, 2014.
4. Байкальский филиал Геофизической службы Сибирского отделения Российской академии наук: официальный сайт. URL: http://www.seis-bykl.ru (дата обращения 01.10.2019).
5. Харитонов В.А. Сейсмостойкое строительство на вечномерзлых грунтах. Л.: Стройиздат, 1980. 79 с.
6. Ишихара К. Поведение грунтов при землетрясениях: пер. с англ. СПб., 2006. 384 с. (Достижения современной геотехники / НПО «Геореконструкция-Фундаментпроект»).
7. Единая геофизическая служба Российской академии наук: Федеральный исследовательский центр: официальный сайт. URL: www.ceme.gsras.ru (дата обращения 01.10.2019).
8. Мельникова В.И. Деформационные параметры земной коры Байкальской рифтовой зоны по сейсмологическим данным: автореферат дис. доктора геолого-минералогических наук: 25.00.10 / Место защиты: Институт Земной коры СО РАН. Иркутск, 2008. 37с.
9. Вознесенский Е.А. Землетрясения и динамика грунтов // Соросовский образовательный журнал. 1998. № 2. С. 101-108.
10. Гилёва Н.А., Радзиминович Я.Б., Мельникова В.И., Радзиминович Н.А. Чарское-Ш землетрясение 28 июня 2004 г. с MPSP=4.7, КР=13.5, 10=6 (Прибайкалье) // Землетрясения Северной Евразии, 2004: сборник науч, трудов / Геофизическая служба РАН. Обнинск, 2010. С. 324—334.
11. Технические указания по эксплуатации железных дорог на участках сейсмической опасности: ЦД-4762: утв. 02.01.1990.
12. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Основной том / Росгидромет. М.: НИЦ «Планета М», 2014. 1008 с.