Строительство и реконструкция железных дорог

Под термином «вечномерзлые» понимают многолетнемерзлые грунты, температура которых остается отрицательной независимо от сезонных изменений температуры воздуха в течение длительного периода (годы, сотни, тысячи лет). На территории России эти грунты занимают более 65% площади страны в Восточной Сибири, на Крайнем Севере, в Якутии и на Дальнем Востоке. В отдельных местах (Оймякон, Верхоянск) зимняя температура достигает -72 °С, а летом повышается до +25 °С. Самыми холодными месяцами в году являются декабрь, январь и февраль. Ручьи, малые и средние реки в этих местах полностью промерзают уже в начале января, а паводок проходит в конце мая — начале июня.

В теплый период года грунт оттаивает на некоторую глубину, а с наступлением зимы вновь замерзает — этот слой называется деятельным (рис. 8.1).

В верхних горизонтах, как правило, преобладают мощные залежи пылеватых суглинков, супесей и других мелкозернистых льдонасыщенных отложений. Под поверхностью могут протекать грунтовые воды, которые в зависимости от расположения относительно толщи вечной мерзлоты подразделяются на фи категории:

• надмерзлотные, залегающие над верхней границей вечной мерзлоты;

• межмерзлотные, расположенные в толще многолетнемерзлых грунтов;

• подмерзлотные, залегающие под нижней границей вечной мерзлоты.

Особенностями природных условий, влияющих на строительство дорог, являются:

• наличие толщи вечной мерзлоты мощностью до 500 м;

• малая толщина деятельного слоя, равная 0,5...2,5 м, и наличие в нем водо-льдонасышенных глинистых и пылеватых грунтов;

• залегание на глубине до 10 м надмерзлотных вод, способствующих переувлажнению земляного полотна и образованию наледей;

• наличие ледяных линз у верхней границы вечномерзлых грунтов;

• малая продолжительность периода с положительными температурами воздуха.

При промерзании грунтов происходит перераспределение влаги, которое заключается в миграции ее к границе промерзания. Вода, заполнившая поры грунта, при замерзании увеличивается в объеме, в результате чего происходит пучение земляного полотна, которое из-за неоднородности грунтов не везде одинаково. Максимальная величина пучения наблюдается в пылеватых и глинистых грунтах, минимальная — в макропористых грунтах. Зимнее пучение вызывает деформацию земляного полотна и нежестких покрытий и приводит иногда к разрушению жестких.

В насыпях высотой до 0,8 м наблюдается понижение верхней границы вечной мерзлоты, вызывающее деформации земляного полотна. При высоте насыпи более 1 м с сохранением растительного слоя или мохоторфяного покрова верхняя граница вечной мерзлоты может повышаться, обеспечивая устойчивость земляного полотна.

При возведении земляного полотна просеку прорубают только в пределах основания насыпи. He допускается корчевка пней и нарушение растительного слоя. Mox для нужд строительства можно снимать не ближе чем в 100 м от трассы. При строительстве автомобильных дорог на высоких террасах, пологих склонах гор и плоских водоразделах в грунтах, влажность которых во время оттаивания не превышает предела текучести, земляное полотно возводят с обязательным сохранением растительного слоя в основании.

Насыпи высотой до 2 м должны иметь откосы 1:5 (минимальное заложение откосов может быть принято 1:3). При высоте от 2 до 6 м заложение должно быть 1:4 (минимально — 1:2).

Насыпи высотой более 6 м следует проектировать из расчета обеспечения устойчивости откосов. При строительстве дорог в каменистой тундре, на склонах сопок при наличии скальных, гравийно-галечных и песчаных грунтов, не содержащих линз льда, насыпи и выемки должны иметь откосы 1:1,5, чтобы не быть занесенными снегом.

При выборе конструкции земляного полотна следует учитывать форму рельефа и виды грунтов; глубину залегания вечной мерзлоты, наличие местных карьеров грунта, изолирующих и утепляющих материалов и возможностей их заготовки, доставки без устройства сложных сооружений, а также условия эксплуатации и снегозаносимости дороги; места заложения резервов и способы возведения земляного полотна и необходимость устройства снегозащиты и снегоудаления в случае его возведения в зимний период. При сооружении земляного полотна по возможности следует использовать бульдозеры.

В большинстве случаев работы по отсыпке насыпей высотой до 1 м ведутся бульдозерами, доставляющими грунт из притрассового резерва и автовозкой с разработкой грунта в карьере экскаватором.

При определении времени начала работ по устройству земляного полотна следует по климатическому справочнику выбирать период с устойчивой температурой воздуха 5 °С, который соответствует оттаиванию грунтов. Исходя из технологии производства работ и скорости оттаивания определяют дату начала земляных работ. Если разработку резерва принято вести слоями толщиной 20...30 см, то начало работ должно предусматривать время на оттаивание слоя грунта после снятия растительного слоя.

Строительство труб и мостов возможно в любое время года, но переброска строительного подразделения в осеннее и летнее время на значительные расстояния затруднена. Из этих соображений строительство искусственных сооружений надо предусматривать в зимнее время, а доставку материалов и оборудования производить заблаговременно.

Зимой целесообразно выполнять:

• устройство автозимников вдоль строящейся дороги;

• доставку грузов, монтаж оборудования, строительство временных зданий и сооружений;

• разработку выемок в грунтах, разжижающихся после оттаивания;

• рытье котлованов и траншей в мерзлом грунте для опор мостов и оснований труб;

• строительство мостов и труб;

• возведение насыпей на участках, для которых предусмотрено сохранение основания в мерзлом состоянии.

Для обеспечения устойчивости земляного полотна необходимо выполнить работы по водоотводу грунтовых и поверхностных вод от дороги, с этой целью строят фильтрующие насыпи, мосты, трубы и т.д. Отвод поверхностных вод от земляного полотна осуществляется с помощью боковых водоотводных канав, нагорных мерзлотных валиков, водонепроницаемых замков и нагорных канав для перехвата и отвода поверхностной воды с нагорной стороны земляного полотна, а также при помощи деревянных лотков.

На рис. 8.2 показаны конструкции водоотводных сооружений, устраиваемых для удаления воды с косогорных участков дороги. Глубина сооружений — не менее 1 м от дневной поверхности; уклон — не менее 30...40%; рабочее сечение — не менее 0,5 м2; ширина по дну — не менее 0,4 м.

Для отвода грунтовых вод в районах несливающейся вечной мерзлоты (деятельный слой зимой не сливается со слоем вечной мерзлоты) устраивают дренажи.

Все водоотводные сооружения должны иметь устойчивое основание. Если грунты легко размываются, то дно и откосы кюветов и канав необходимо укреплять засевом трав, одиночным или двойным слоем лугового или тундрового дерна, камнем на мху или устраивать деревянные, каменные и бетонные лотки. Фильтрующие насыпи рекомендуется сооружать в исключительных случаях: на водотоках, действующих только в летнее время, не имеющих ледохода и карчехода и не подверженных наледеобразованию. Насыпи в этом случае возводят из камня одинаковой крупности (30...40 см), прочного, стойкого к выветриванию. Для предотвращения заливания грунтом сверху и с боков фильтрующей насыпи необходимо устраивать изоляцию из мха или торфа толщиной 10 см по слою щебня или гравия толщиной 20 см, а входные и выходные поверхности укреплять камнем. Верхний слой фильтрующей насыпи и дрены в верхнем бьефе должны возвышаться над наивысшим подпорным горизонтом воды не менее чем на 0,5 м.

При производственном освоении многолетнемерзлых грунтов особую актуальность приобретает охрана окружающей среды, так как ландшафтные изменения при строительстве транспортных сооружения характеризуются всеми видами проявлений — от частичного нарушения растительного покрова при однократном проезде гусеничной машины до его полного уничтожения при подготовке строительной площадки. Поэтому в этих районах должна создаваться служба мерзлотного контроля, в задачу которой входят изучение факторов, влияющих на изменение мерзлотной обстановки под воздействием технологических процессов, и обеспечение долгосрочного геокриологического прогноза. Технология и организация производства работ в районах вечной мерзлоты должны обеспечивать ее сохранение в стабильном состоянии на весь период эксплуатации сооружения.

Высота насыпи земляного полотна, его конструкция утверждаются службой мерзлотного контроля лишь в том случае, если представлены гарантии сохранения мерзлых грунтов в естественном состоянии и обеспечения естественного распределения паводковых стоков. Надежность работы земляного полотна обеспечивается с помощью боковых берм из торфа, намораживания торфяной плиты в нижней части полотна или комбинированием этих методов с созданием пологих откосов в виде теплоизоляционных торфяных присыпок и приоткосных берм, а несущую способность насыпи повышают за счет устройства в ее основании деревянного или сланевого настила. Теплоизоляционный эффект насыпного полотна усиливается при размещении его основания непосредственно на мохоторфяном слое, а также при укладке в основание тепло- и гидроизоляционных синтетических или природных материалов.

Заслуживает внимания американский способ создания развитой сети дорог в арктическом исполнении на Аляске. В качестве теплоизоляционного дорожного покрытия там используют прочную конструкцию фирмы «Аркокемикл» из полиуретана с гидрофобным наполнителем, который придает материалам гидроизоляционные свойства. Конструктивно это покрытие представляет собой полотно с нижним и верхним основаниями из синтетического полимера, между которыми заключено несколько слоев пенополиуретана толщиной 3...8 мм. Каждый слой имеет плотную пленку на верхней стороне и прочно приклеивается к пленке нижнего слоя. Полотно может включать в себя частицы перлита, размещенные в составе органического вяжущего, содержащего химически связанный пенополиуретан, под влиянием которого покрытие становится устойчивым в условиях низких и высоких температур.

В холодное время года в результате промерзания поверхностных, подрусловых и грунтовых вод могут образовываться наледи. Эти воды, изливаясь на поверхность или оставаясь в пределах деятельного слоя, замерзают и формируют наледные поля. Особенно интенсивно наледи образуются, когда поток воды на небольшой глубине подстилается водонепроницаемыми грунтами. В районах вечной мерзлоты, где таким водоупором является верхняя граница толщи мерзлых грунтов, возможность появления наледей также не исключена.

Возведение земляного полотна в районах вечной мерзлоты в некоторых случаях может вызывать появление наледи на дороге, так как при строительстве иногда удаляется растительный покров и грунт уплотняется, что увеличивает скорость, глубину промерзания грунта и создает мерзлотную перемычку, перехватывающую грунтовые воды. Они представляют опасность для дорожного движения.

Образование наледей начинается в начале ноября и продолжается до марта-апреля. К концу зимы их образование от поверхностных и грунтовых вод уменьшается или вовсе прекращается, однако весной наледь может расти за счет снеготаяния. Эти воды в теплое время суток выклиниваются перед насыпью, а в холодное время замерзают, постепенно накапливаясь и образуя наледь у дороги. В трубах, особенно длинных, талые воды замерзают и днем.

Одним из мероприятий, направленных на задержание наледи с верховой стороны, является устройство мерзлотного пояса. Мерзлотный пояс представляет собой широкую канаву, под которой грунт промерзает интенсивнее, чем в естественных условиях. Слой сезонного промерзания в этом месте быстрее достигает водоупора, вследствие чего создается мерзлотная перемычка на пути движения воды. Простейшим мерзлотным поясом может служить расчищенная от снега полоса шириной до 5...10 м. Постоянный мерзлотный пояс устраивается с заглублением канавы в грунт до 1 м и шириной по дну 2...5 м. В длину он может достигать десятков и даже сотен метров, пересекая всю ширину грунтового водотока.