О компании

Продукция


Развитие транспортной инфраструктуры Арктики

Источник - журнал «CTT DIGEST/2019/№ 6»

Авторы - Луцкий С.Я. (РУТ(МИИТ),
Ландсман А.Я. (МАДИ),
Шепитько Т.В. (РУТ(МИИТ),
Бурукин А.Ю.

Актуальность и особенности транспортной инфраструктуры

Освоение Севера России, вовлечение в его экономику природных ресурсов, мобильность малых народов — всё это связано с необходимостью развития, точнее, создания на системной основе транспортной инфраструктуры Арктики. Актуальность этой проблемы обоснована задачами, поставленными «Стратегией развития Арктической зоны и национальной безопасности до 2020 года», утверждённой Президентом РФ, и федеральной программой «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации». Эта комплексная проблема включает взаимосвязанные перспективные цели и задачи для всех видов транспорта — железнодорожного, автомобильного, авиационного, морского и трубопроводного. Среди них консолидирующее назначение у железных дорог. Создание магистрали Северного широтного хода (СШХ) Обская — Салехард — Надым — Хорей — Пангоды — Новый Уренгой — Коротчаево и железнодорожных подходов к ней — важнейший арктический проект. Он имеет многосторонние цели и конкурентное преимущество: 1) развитие (продолжение строительства) сети путей сообщения в Сибири, состоящей из широтных (Транссиб, БАМ) и меридиональных (Беркакит — Томмот — Якутск; Обская — Бованенково) магистралей; 2) перераспределение транспортных потоков Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей, формирование новых грузоперевозок углеводородов и нефтепродуктов; 3) социальное и экономическое развитие территорий северной части страны, в первую очередь Ямало-Ненецкого автономного округа.

СШХ рассматривается и на дальнюю перспективу для взаимодействия с инфраструктурой — портами Северного морского пути, соединения трёх океанов — Северного Ледовитого, Атлантического и Тихого. Идея «Великого Северного железнодорожного пути» между северными морями и устьями крупнейших рек — Оби, Енисея и Лены — восходит к началу двадцатого века. В этой народно-хозяйственной проблеме много аспектов: исторический, геополитический, экономический, социальный. Рассмотрим её с позиций транспортного строительства. История крупнейших строек нашей страны, особенно БАМ, показывает, что жизнь магистрали после ввода в эксплуатацию в полной мере зависит от достаточного (в смысле соответствия проектному) грузопотока, создания полноценных социальных условий проживания для эксплуатационного персонала и населения, перспектив экономического развития территории, экологической безопасности. Поэтому важен системный подход к освоению Арктики, который состоит во взаимном дополнении функций транспорта, населения, промышленности и экологии.

Проект СШХ включает три сферы его воплощения в жизнь: 1) строительство новых участков; 2) реконструкция действующих железных дорог на подходах; 3) анализ состояния и перспектив возобновления работ на брошенных в прошлом веке дорогах. Проект магистрали СШХ протяжённостью 707 км должен быть реализован совместно правительством РФ, ЯНАО, ПАО «Газпром», ОАО «РЖД» и АО «Корпорация развития» на концессионной основе.

Опыт строительства на мерзлоте накоплен на новых магистралях — западном участке БАМ, Обская — Бованенково — Карская, Томмот — Якутск (Кердем), а также на транспортных стройках в северных районах Норвегии, Канады, Аляски и высокогорных дорог КНР. Но в районах Заполярной тундры строительство путей сообщения характеризуется чрезвычайно сложными инженерно-геологическими и строительными условиями:

  • отрицательные температуры воздуха наблюдаются 8-9 месяцев в году и достигают –53 °С;
  • экзогенные геокриологические процессы;
  • многолетнемёрзлые грунты (ММГ) и мерзлотные формы рельефа;
  • значительные снегоотложения на откосах насыпей;
  • значительные скорости ветров (до 40 м/с);
  • горный рельеф в зоне пересечения трассы с Северным Уралом;
  • мари и болота в бассейнах рек Западной Сибири.

В ходе строительства основными причинами деформаций новых объектов являются температурные и механические воздействия строительного производства на мёрзлые грунты в основаниях возводимых инженерных сооружений, которые при оттаивании переходят в категорию слабых, просадочных и деформируются при нагрузке. Следует учесть и социальный фактор — низкая населённость региона является проблемой для укомплектования эксплуатационного штата.

Конструктивно-технологические решения геотехнических сооружений

Опыт постройки и временной эксплуатации дорог в Якутии и на Ямале показал, что безопасность сооружений должна быть обеспечена уже в строительный период. В строительных нормах и правилах содержатся конструктивные решения для завершённых геотехнических объектов, обеспечивающие их устойчивость и стабильность. Между тем на многолетнемёрзлых грунтах ещё более актуальны требования технологической надёжности незавершённых геотехнических сооружений при изменении физическомеханических и теплофизических характеристик в зависимости от текущих значений осадок и температур.

На трассе СШХ, Тазовском полуострове и Ямале распространены твёрдомёрзлые грунты с большим содержанием льда, которые имеют глубину сезонного оттаивания, не превышающую 1 м. Они не поддаются механическому уплотнению и после оттаивания образуют жидкую суспензию. Редкие разведанные карьеры содержат пески и пылеватые грунты высокой влажности (до 40%).

Решением проблемы северного строительства и наблюдениями за со стоянием сооружений на ММГ постоянно занимаются учёные и специалисты МГУ, ОАО «ЦНИИС», ОАО «Ленгипротранс», ООО «Инжиниринговый центр «Ямал», Российского университета транспорта, Сибирского, Дальневосточного и Санкт-Петербургского университетов путей сообщения. Базовая конструкция геотехнических сооружений включает плоские и объёмные георешётки, обоймы и полуобоймы, в которые помещают мёрзлый грунт, теплозащиту основания и откосов с помощью пенополистирола. Для нижней части насыпи предложено применять мелкие пылеватые сухомёрзлые пески с влажностью до 6%, которые допускают уплотнение виброкатками до проектной плотности. Эффективно применение охлаждающих скальных конструкций из фракционного камня, покрытий-экранов и вентилируемых водопропускных труб.

Но в Арктической зоне традиционные геотехнические решения пришлось пересматривать. Обследование эксплуатируемых участков линии Обская — Бованенково показало наличие негативных процессов оттаивания сложившейся мерзлоты на границе «основание-насыпь» после строительного вмешательства в природу. При нарушении гидрологического режима грунтовых и поверхностных вод начинается образование подтопленных зон, формирование термокарста, разрушение водопропускных сооружений и водоотводов. Накопление снега у нового сооружения приводит к отепляющему воздействию и изменению температурного баланса мёрзлой толщи. Более того, трасса СШХ на участке Салехард — Надым проходит преимущественно в зоне высокотемпературной мерзлоты (0…-2 °С), по её длине повсеместно встречаются глинистые грунты текучей и текучепластичной консистенции. В связи с просадочными при оттаивании свойствами на этих участках наблюдается наибольшая опасность деформаций. И на перспективу можно прогнозировать опасное сочетание признаков глобального потепления климата и деградации просадочных ММГ.

Сложности начинаются с выбора принципа проектирования. На участках железных дорог БАМ и Томмот — Якутск с низкотемпературной мерзлотой (–2…–5 °С) был запроектирован и реализован первый принцип — сохранение основания из просадочных и сильнольдистых грунтов в мёрзлом состоянии. Но на высокотемпературной мерзлоте растут риски оттаивания грунтов. В результате применения даже проектных, но опасных для природы техногенных воздействий возникают новые и развиваются существующие сквозные и несквозные талики. Это прослойки или слои талого грунта, расположенные внутри многолетнемёрзлых грунтов, которые возникли в связи с неравномерным, аномальным распределением температур и влажности, нарушением естественного температурного режима многолетнемёрзлого основания с включениями льда. Причиной может быть и минерализация грунтов, понижающая температуру их замерзания. Такие грунты иногда называют «жидкой вечной мерзлотой». Талики — одна из основных причин деформаций и нестабильности земляных сооружений — распространены на южной границе Арктической зоны. Поэтому важно оценить в строительный период и прогнозировать изменение напряжённого состояния и прочность мёрзлых и талых грунтов (по глубине и в динамике) при изменении температур и нагрузок.

Композитная технология на ММГ

Одним из прогрессивных решений является разработанная учёными РУТ (МИИТ) композитная технология устройства геотехнических сооружений, включающая: 1) интенсивное упрочнение грунтов мощными строительными машинами в северном исполнении; 2) устройство геосвай, дрен и оборудования для терморегулирования; 3) замену просадочных грунтов на участках высокотемпературной мерзлоты; 4) мониторинг температурного поля и консолидации сооружения в ходе строительства. Технологический регламент, составленный для ОАО «Ямалтрансстрой» на строительство экспериментального участка раз. Хралов — ст. Сохонто, предусматривал также постройку технологической автодороги в основании насыпи (ТАД) для внутрипостроечных перевозок вахтовых бригад, строительных материалов, конструкций и грунта из карьеров (см. рис. 3б). В опасных местах развития термокарста на участках с сохранением мерзлоты предложено регулировать мерзлотные процессы с помощью сезонных охлаждающих установок (СОУ). Они позволяют понизить температуру основания уже в строительный период, проморозить несквозные талики, превратить пластично-мёрзлые грунты в твёрдомёрзлые, повысить их прочность и снизитьдеформации насыпей.

Начальный диагностический этап включал расчёт мощности таликов на основе соизмерения процессов промерзания и оттаивания грунтов в основании земляного полотна. Для разработки регламента были проанализированы данные инженерных изысканий проектной организации ООО «УралСтройТехнологии», физикомеханические и температурные характеристики грунтов, полученные научной мерзлотной лабораторией МИИТа. Моделирование и прогноз мерзлотных процессов позволили установить наиболее опасные для эксплуатации железных и автодорог участки на высокотемпературной мерзлоте, которые характеризуются переувлажнённым состоянием (с влажностью выше 35%), низким сцеплением и модулем деформации (до 1,3 МПа) грунтов. Прогноз формирования теплового поля под проектной насыпью на 3 года, выполненный по программе «Qfrost» к.т.н. Хрипковым К.Н., показал развитие талика мощностью 3,5 м (рис. 4) в связи с негативным отепляющим влиянием снегонакопления у откосов земляного полотна. В качестве исходных данных для прогноза были приняты теплопроводность мёрзлого и талого грунта, баланс температур за зимний и летний периоды, теплота фазового перехода в промерзающем слое, влажность и плотность каждого слоя в динамике. На пониженных обводнённых участках трассы Северного широтного хода развитие и образование новых таликов были неизбежными, их мощность доходит до 15-20 м, мерзлота имеет прерывистый вид.

Оценка взаимодействия механических и тепловых процессов в грунтах и расчёт их наиболее опасного сочетания позволили установить совместное и взаимосвязанное изменение грунтовых характеристик. После оттаивания мёрзлый грунт находится преимущественно в текуче-пластичном состоянии (показатель текучести почти вдвое больше, чем у талых грунтов). Повышение влажности и текучести связных грунтов приводит к низкой несущей способности основания.

Расчёт надёжности земляного полотна под проектной эксплуатационной нагрузкой показал, что коэффициент стабильности (отношение критической и эксплуатационной нагрузок в каждом слое) составляет 0,64–0,76. Стабильность основания не обеспечена даже в исходном состоянии, но возможны дополнительно усугубляющие негативные процессы развития талика и в строительный период. По результатам численного моделирования напряжённого состояния земляного полотна на переувлажнённых участках автомобильной дороги Надым — Салехард установлены наибольшие напряжения сдвига и деформации в подоткосной части насыпей.

Негативные проявления в грунтах могут быть уравновешены адекватнымпо времени и месту действия технологическим регулированием. При строительстве земляных сооружений без сохранения мерзлоты ход оттаивания и консолидации целесообразно направленно регулировать. Особенно полезно снизить влажность в зоне нагрузок на основание. Содержание избыточной воды является причиной ухудшения прочностных характеристик, ползучести мёрзлых грунтов, образования наиболее опасной поверхности сдвига и потери устойчивости насыпи.

Для водоотвода при оттаивании сильнольдистых грунтов весной в основании насыпи устраивают дренажную систему в виде песчаного защитного слоя и сети канав. Для ускорения консолидации грунтов осенью следует применить интенсивное отжатие миграционной воды катком. Положительное влияние отвода воды, фильтрации и, соответственно, снижение влажности приводят к повышению прочности основания. С этим процессом должна быть согласована готовность водопропускных труб.

Создание новой техники и оборудования в северном исполнении является необходимым условием разработки многолетнемёрзлых грунтов и перемещения по заполярной тундре. Соответствие этим требованиям обеспечивается выпуском высокопроходимых тягачей и машин ударно-импульсного и виброударного действия, которые оснащены автоматизированными системами управления и создают высокие контактные давления. Однако применение интенсивных технологических процессов может отрицательно повлиять на характеристики и свойства грунтов. Высокие (предельные) нагрузки связаны с изменением структуры грунтов, и, следовательно, необходим непрерывный контроль и прогнозирование устойчивости насыпи и безопасности оснований в ходе строительных работ.

Эта проблема недостаточно изучена в технологическом и методическом аспектах, которые связаны с безопасностью сооружений в сложных инженерных и природных условиях.

Технологическому регулированию способствуют возможности современных виброкатков фирм Hamm, Bomag, Dynapak и др., а именно автоматизированные системы контроля качества уплотнения и бесступенчатого изменения амплитуды от наименьшего к наибольшему значению. Система слежения и глобального позиционирования регистрирует эксплуатационные параметры катка, достигнутую плотность грунтов и передаёт их на бортовой и офисный компьютеры.

Для оценки состояния ММГ, прогноза опасных процессов и параметров надёжности и безопасности объектов на всех стадиях жизненного цикла — инженерных изысканий, проекта, строительного производства и эксплуатации — необходима организация геотехнического мониторинга. Особенно сложен в исполнении технологический этап мониторинга, который предусматривает организацию постоянного контроля, прогнозирования и управления надёжностью сооружений на наиболее опасной стадии воздействия рабочих органов машин. Примером может служить первый этап возведения насыпи с интенсивным виброуплотнением основания, для которого характерны наибольшие начальные деформации и аномалии температурного поля грунтов. Важно отследить, зарегистрировать и упредить разрушающее воздействие особо опасного сочетания нагрузок, превышение которых приведёт к потере устойчивости всего сооружения.

Отсюда немедленно следует вывод о необходимости технологического мониторинга в режиме реального времени. Более того, возможности современной техники по цифровому управлению с применением компьютерных систем позволяют вести накопление, систематизацию, обработку и прогнозирование состояния объекта в динамике и по мере исполнения каждого технологического передела.

Таким образом, на строительной стадии для определения динамики прочности, устойчивости и прогноза несущей способности грунтов в криолитозоне следует не только уточнить проектные начальные параметры, граничные условия моделирования, расчёты техногенных процессов взаимодействия системы «грунт — сооружение», но и проверить сами модели на предмет подобия. При отклонениях принятых в проекте параметров механической безопасности от фактических следует откорректировать расчётную модель с учётом неблагоприятных вариантов распределения нагрузок, воздействий и их сочетаний, которые могут возникнуть при производстве работ.

Организация строительства геотехнических сооружений

Специализированные конструктивно-технологические решения по подготовке производства, карьерам, возведению нижнего и верхнего строения дорог должны быть объединены транспортной логистикой в комплексный поток. Опыт его проектирования на участках строительства линии Обская — Бованенково — Карская показал, что на сроки консолидации грунтов одновременно влияют разные по природе факторы: параметры теплофизических и физикомеханических процессов, экологические требования и организационная структура строительного производства. Получившая распространение двухэтапная организация работ с послойным оттаиванием грунта в обоймах связана с длительными сроками строительства. В Арктической зоне эффективнее композитная технология и организация интенсивного производства. Сроки строительства должны быть гибкими — максимально сжатыми при работе машин, но с технологическими ожиданиями для консолидации грунтов. При рисках предельного состояния незавершённых сооружений, имеющих сложную гидрогеологическую структуру, все специализированные потоки по видам работ следует регулировать по критерию безопасности.

Организационная схема строительства дороги должна предусматривать последовательное создание транспортного коридора, включающего пути сообщения, посёлки и связь. В пределах каждого участка работы предпочтительно организовать комплексно-поточным методом. Для материально-технического снабжения эффективно создание индустриальных центров, включающих звеносборочную базу, предприятия стройиндустрии, строительные посёлки, ремонтные и транспортные подразделения. Сложность организации снабжения строительных потоков на СШХ состоит в отсутствии моста ч/р Обь, между ст. Лабытнанги и г. Салехард действуют только паромная и ледовая переправы.

Организационным решением для первого комплексного потока является устройство звеносборочной базы в г. Салехард с доставкой материалов верхнего строения пути по ледовой переправе. Второй луч комплексного потока может быть организован со стороны ст. Надым — в 2015 г. завершено строительство нового совмещённого автомобильного и железнодорожного моста через реку Надым.

Для сквозного сезонного проезда автомобилей и строительной техники вдоль трассы и развёртывания первоочередных работ подготовительного периода и части основных работ на крупных сооружениях целесообразно устройство ТАД. Подрядные строительные организации всех видов работ, входящих в комплексный поток, должны применять интенсивные технологии транспортного строительства, а именно вахтовый метод ведения работ, быструю прокладку пионерных трасс с последующим поэтапным наращиванием их мощности и строительство посёлков и водопропускных труб с использованием быстромонтируемых металлических конструкций и техники в северном исполнении.

Реконструкция подходов к трассе СШХ

Не менее сложна программа усиления подходов к объектам нового строительства для пропуска поездов, в первую очередь к мостовому переходу через реку Обь. Предусмотрена реконструкция начального действующего участка Коноша — Чум — Лабытнанги. На этих действующих путях также накапливается мерзлотная история болезней инженерных сооружений, но уже в условиях движения поездов. Опыт содержания железнодорожного пути показал, что структура дефектов и деформаций земляного полотна определяется процессами оттаивания многолетнемёрзлых грунтов и образованием пучин, термокарстовых осадок и воронок, и как следствие — нарушением устойчивости насыпей. В результате, и это далеко не редкость, активизируются опасные явления деградации мерзлоты. Программа реконструкции предусматривает в первую очередь организацию водоотведения на деформирующихся высокольдистых участках, отсыпку берм, устройство сезонных охлаждающих установок, тепловых диодов (СОУ и пенополистирол). Для защиты основания земляного полотна и прилегающей территории на льдистых многолетнемёрзлых грунтах применяют солнце-осадко-защитные навесы.

Для своевременного обнаружения и ослабления развития криогенных процессов необходимо устройство термометрической сети и осуществление инженерно-геокриологического мониторинга на участках земляного полотна.

СШХ исторически считался ключом к развитию всей сети путей сообщения на Севере. В памяти транспортных строителей недостроенная железная дорога Чум — Салехард — Игарка, на которой в 1947-1953 гг. выполняли работы строительные управления № 501 и № 503 Главного управления лагерей железнодорожного строительства (ГУЛЖДС) НКВД СССР. Но начатая железная дорога (есть и название «мёртвая» дорога) в 1953 г. была брошена (рис. 8), работники и заключённые сняты со стройки, рельсы частично переданы для нужд дороги Дудинка — Норильск.

Заключение

В экстремальных условиях Заполярья за пять лет предстоит построить 707 км пути на мерзлоте, в первую очередь участок Салехард — Надым и совмещённый мост за Полярным кругом через реку Обь (2,5 км). Логичным продолжением этих планов являются участки, показанные на схеме (см. рис. 1). Эта сеть должна быть увязана транспортной логистикой с Северным морским путём с учётом особенности — изменения условий морской навигации из-за глобального потепления. К перспективным экономическим проектам региона относятся также магистраль Урал Полярный — Урал Промышленный по маршруту Полуночное — Обская; постройка новой железной дороги Бованенково — Сабетта к терминалам СПГ на побережье Обской губы Карского моря; строительство вторых путей Тобольск — Сургут — Коротчаево Свердловской железной дороги.

У проекта магистрали Северный широтный ход сложная судьба: актуальная перспектива ключевого звена развития Арктики России, тяжёлая история «брошенной» стройки прошлого века и непростое текущее состояние. Стадия проектирования, на которой находится строительство СШХ, предусматривает организацию строительства в соответствии с концессионным соглашением, разделение на сферы подрядной деятельности, передислокацию подразделений. Есть риск долгостроя (сроки начала строительства уже в настоящее время переносятся), как у многолетнего предшественника — проекта железной дороги Обская — Бованенково. Риск в том, что постройку дороги — нового природно-производственного комплекса, — как операцию на живом организме, нужно выполнять в кратчайшие возможные сроки. Так строили БАМ длиной 3145 км с тоннелями, в не менее сложных условиях горнотаёжной местности и ММГ за 10 лет. Но БАМ строила вся страна, многие республики б. Советского Союза. Москва строила станцию Тында, Украина — ст. Ургал, Грузия — ст. Ния. Заводы, совхозы, студенческие стройотряды, артисты и журналисты — все работали для БАМ. Был общий штаб, вся страна ждала известия, на каком километре находится путеукладчик. Были и ошибки — отрасли народного хозяйства не успели создать в прилегающих экономических регионах новые предприятия и ТПК для взаимодействия с магистралью. После ввода в эксплуатацию магистраль не была загружена, многие посёлки опустели. Но БАМ перевозил, осваивался, а сейчас он уже загружен, идёт реконструкция для увеличения грузооборота с восточными странами. Можно пожелать для СШХ такой же хорошей перспективы.