CC BY
28
УДК 624.131.1
В.С.ФРОЛОВ, Я.Н.ВОЛЬЖОНОК, В.И.ВОЙЦЕХОВСКАЯ
ОАО «Ленгипротранс», Санкт-Петербург, Россия
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА НОВОЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЛИНИИ
ПОЛУНОЧНОЕ-ОБСКАЯ
В связи с необходимостью освоения сырьевой базы Урала и северной части Тюменской области правительством РФ рассматривается вопрос о строительстве новой линии железной дороги. Большая протяженность новой дороги в меридиональном направлении, пересечение нескольких климатических зон обуславливают большое разнообразие и сложность инженерно-геологических условий, широкий спектр развития опасных геологических процессов.
The government of Russian Federation is considering the matter of building a new railway line because it is necessary to develop resources of Ural and the northern part of Tumensky regions. The length of this new railway and passing through several climatic zones cause a great variety of complicated engineering- geological conditions and a wide range of dangerous geological processes.
Железная дорога Полуночное - Обская должна обеспечить вовлечение в хозяйственное освоение минеральных ресурсов Северного, Приполярного и Полярного Урала, включить в единую транспортную систему нефтегазовую провинцию северной части Западно-Сибирской низменности. К инженерно-геологическим изысканиям по разработке обоснования инвестиций в строительство железной дороги были привлечены: ОАО «Ленгипротранс», ОАО «ПНИИС», ОАО «Геокосмос» и ряд других предприятий. Было рассмотрено несколько вариантов прохождения трассы железной дороги, при этом на эталонных участках проводились полевые работы, анализировались данные аэро- и космосъемки, материалы изысканий прошлых лет, включая работы «Лен-гипротранса» 1952-1953 годов. В настоящей статье использованы данные научно-исследовательских работ указанных выше организаций за 1952-2006 годы.
Физико-географические сведения. Территория прохождения трассы расположена в северо-западной части Западно-Сибирской низменности, протягиваясь с севера на юг более чем на 800 км вдоль Уральского хребта, и только в самой южной части заходит в
низкогорья Северного Урала. Здесь отчетливо выражена широтная климатическая зональность и связанная с ней зональность почвенно-растительного покрова и экзогенных геологических процессов. Самая северная часть территории находится в субарктическом климатическом поясе, тогда как бЦльшая часть территории, расположена в северной части умеренного климатического пояса.
Трасса пересекает более 160 постоянных и временных водотоков, наиболее крупными являются реки: Лозьва, Северная Сосьва, Ляпин, Сыня и Собь, имеющие ширину 300 м и более.
В северной части территории наблюдается пологоволнистый и пологохолмистый рельеф с абсолютными отметками до 150 м, характерный для центральных частей междуречий. Наряду с плоскими и слабовыпуклыми, часто заболоченными и заозеренными поверхностями, здесь развиты овальные и вытянутые холмы и гряды высотой от 5 до 50 м. Склоны холмов и гряд пологие, крутизной до 4°. Среди пологоволнистых и по-логохолмистых равнин имеются отдельные возвышенности с абсолютными высотами до 300 м: Мужинский Урал, Люлингвор,
Средне-Сосьвинские Увалы. Для них характерны местами заболоченные, уплощенные, пологохолмистые водораздельные поверхности. Придолинные участки возвышенностей расчленены глубокими эрозионными ложбинами с крутыми (до 30°) склонами. Глубина расчленения достигает 60 м. В южной части рассматриваемой территории трасса начинается в низкогорных отрогах восточного склона Северного Урала. Низкогорья представляют собой систему сглаженных овальных и вытянутых массивов с абсолютными высотами вершин 220-320 м и относительными превышениями от 40 до 150 м. Склоны выпукло-вогнутые, крутизной от 5 до 20°.
Самая северная часть территории расположена в пределах лесотундры, которая к югу постепенно сменяется подзоной северной, а потом и средней тайги лесной зоны. Для подзоны северной тайги (к югу от широты 66°20') типичны редкостойные лиственничные, темнохвойные и сосновые леса, глеево-подзолистые почвы, замещающиеся в переувлажненных местах подзолисто-болотными и торфяно-болотными. Подзона средней тайги (к югу от широты 63°40') характеризуется преобладанием сомкнутых темнохвойных лесных массивов. Почвенный покров средне-таежных районов состоит из подзолистых почв на наиболее дренированных участках, подзолисто-болотных, занимающих слабо-дренированные участки, и торфяно-болотных почв олиготрофных болот.
Геологическое строение. Исследуемая территория расположена в северо-западной окраинной части эпигерцинской ЗападноСибирской плиты, протягиваясь вдоль восточного склона герцинского орогена - Уральской складчатой зоны. Лишь самая южная оконечность трассы заходит в Уральскую складчатую зону.
Складчатый палеозойский фундамент в предуральской полосе Западно-Сибирской плиты залегает под мезо-кайнозойским осадочным чехлом на глубине 500-1000 м. Глубина залегания фундамента нарастает к востоку и северо-востоку от Урала, поскольку в течение всего мезозоя и раннего кайнозоя приуральская полоса была зоной устойчивого прогибания.
Породы складчатого фундамента выходят на поверхность только в южной части территории, где полоса трассы захватывает предгорья и участки низкогорных отрогов восточного склона Урала. Они представлены образованиями эффузивно-осадочного, карбонатного и интрузивного комплексов девона и карбона.
Породы осадочного чехла сложены образованиями мелового, палеогенового, неогенового и четвертичного возраста. Отложения мел-неогенового возраста с поверхности развиты ограниченно и представлены морскими песками, песчаниками и глинами, в том числе опоковид-ными, вскрыты в долинах рек приуральской полосы и на склонах возвышенности Люлингвор.
Четвертичные отложения распространены по трассе повсеместно и определяют инженерно-геологические условия и развитие опасных геологических процессов, они представлены породами различных генетических типов, состава и возраста.
Ледниковые, ледниково-морские и флю-виогляциальные отложения средне-верхнеплейстоценового возраста имеют широкое распространение, залегая с поверхности на междуречьях и перекрываясь в понижениях, а местами и на междуречьях более молодыми осадками. Отложения представлены толщами суглинков и супесей с включениями гравия, гальки и валунов, составляющих 4-40 % от объема породы, мощность отложений в основном составляет 20-3 5 м.
Озерно-ледниковые отложения средне-верхнеплейстоценового возраста распространены широко и представлены слоистыми суглинками, супесями и пылеватыми песками, местами перекрытыми торфом мощностью 0,5-3 м. В северной части территории мощность отложений превышает 6 м, в южной части достигает 15 м.
Озерно-аллювиальные верхнеплейсто-цен-голоценовые отложения распространены на поверхности низкой аккумулятивной равнины и представлены горизонтально-слоистыми пылеватыми песками, супесями и суглинками. Грунты часто заторфованы, мощность 5-10 м и более.
Аллювиальные верхнеплейстоцен-голо-ценовые отложения наблюдаются фрагментарно по долинам рек и представлены переслаиванием суглинков, супесей, песков и гравия, слагают сохранившиеся от эрозии участки I надпойменной террасы, мощность составляет 5-12 м.
Болотные и озерно-болотные верхне-плейстоцен-голоценовые отложения распространены по территории очень широко, особенно в центральной и северной частях, занимая значительные площади на слабодре-нированных уплощенных междуречьях, на речных террасах, по берегам озер и на поймах рек. Отложения залегают с поверхности, представлены торфом верховых, переходных и низинных болот, заторфованными суглинками и супесями. В верхней части торфяной залежи до глубины 1,5 м торф светло-коричневый, верхового и переходного типов, слаборазложившийся, рыхлый; ниже - темно-коричневый, местами почти черный, средне и хорошо разложившийся, большей частью низинного типа. Мощность торфа обычно колеблется от 1 до 4 м, местами - 8 м и более.
Делювиальные и элювиально-делювиальные верхнеплейстоцен-голоценовые отложения распространены ограниченно на склонах в южной части трассы, представлены суглинками с включениями обломочного материала. Мощность отложений не превышает 4 м.
Аллювиальные голоценовые отложения залегают с поверхности в русловых и пойменных частях долин, часто перекрыты торфом мощностью 1 -6 м. Отложения имеют двухъярусное строение, сложены переслаивающимися суглинками, супесями, песками с линзами гравийно-галечного материала и валунов. Общая мощность голоце-нового аллювия изменяется от 1-2 до 10 м.
Техногенные отложения распространены локально, лишь на юге трассы они формируют отвалы карьеров горно-добывающих предприятий в районе пос.Северный.
Гидрогеологические условия. Подземные воды на территории трассирования, благодаря избыточному атмосферному увлажнению, имеют широкое распространение и включают в себя верховодку, грунтовые и
напорные воды. Их пространственная изменчивость определяется как региональными и локальными геологическими (структурными, литологическими, геоморфологическими), так и геокриологическими условиями.
Геокриологические условия. Геокриологическая зональность в регионе проявляется очень четко. Здесь наблюдается весь спектр типов распространения много-летнемерзлых пород (ММП): от сплошного и прерывистого на крайнем северном отрезке трассы до редкоостровного у южной границы распространения ММП. С севера на юг закономерно уменьшается площадь, занятая многолетнемерзлыми толщами (от 90 до 1 %), повышается среднегодовая температура ММП (хотя всю трассу можно отнести к зоне распространения высокотемпературных ММП), увеличивается глубина сезонного протаивания грунтов. Мощность ММП, измеряемая несколькими метрами близ южной границы их распространения, к северу быстро увеличивается до 300 м. Комплекс проведенных исследований позволяет сделать вывод, что в пределах исследуемой территории идет процесс деградации многолетней мерзлоты.
Сезонное протаивание и промерзание грунтов. Разнообразие природных условий в пределах трассы приводит к значительной пространственной и временной изменчивости сезонноталого и сезонномерзлого слоев, в распространении которых четко проявляется широтная зональность. Процесс сезонного протаивания грунтов начинается в мае-июне и продолжается до сентября-октября, когда сезонноталый слой достигает максимальной мощности. Мощность сезоннотало-го слоя варьирует от 0,3 до 2,5 м. Процесс сезонного промерзания грунтов начинается обычно в октябре, максимальной глубины сезонномерзлый слой достигает, как правило, в апреле. Глубина сезонного промерзания грунтов колеблется от 0,3 до 3,0 м.
Опасные геологические процессы. Территория прохождения трассы поражена целым рядом опасных геологических процессов (ОГП) и связанных с ними образований. К ним относятся криогенные процессы: термокарст, многолетнее и сезонное пуче-
ние, морозобойное растрескивание, термоэрозия, термоабразия, солифлюкция, а также карст, оползневые и эрозионные процессы, заболачивание и длительное затопление территории. Широтная зональность оказывает большое влияние на активность развития ОГП и виды их проявления. Степень распространения и интенсивность проявления процессов оказывают значительное влияние на выбор проектных решений по строительству железнодорожной линии.
Термокарст является наиболее распространенным и опасным криогенным процессом в данном регионе. Большая часть термокарстовых форм, играющих ландшафтообра-зующую роль, являются древними образованиями. Современные термокарстовые образования - плоско-западинные и полигональные - распространены как на денудационных, так и на аккумулятивных поверхностях. Наибольшую потенциальную опасность развития термокарста имеют участки, сложенные сильнольдистыми, высокотемпературными мерзлыми грунтами.
Многолетнее криогенное пучение в данном регионе развито в северной и центральной частях и приводит к формированию инъекционно-сегрегационных минеральных, торфяно-минеральных и торфяных бугров, площадей и гряд пучения высотой 2-6 м, реже до 10 м, размеры в плане - от 15 до 300 м.
Криогенное пучение грунтов сезонно-талого слоя наиболее активно проявляется на заболоченных и обводненных участках всех геоморфологических уровней преимущественно в подзонах лесотундры и северной тайги. Неравномерность сезонного пучения вызывает формирование плоских и плосковыпуклых бугров высотой в среднем 0,3-1,0 м и диаметром 0,5-1,0 м, сложенных льдистыми суглинками, супесями и торфом.
Морозобойное растрескивание проявляется в самой северной части региона, на участках с нарушенным (или удаленным) снежным покровом, что может быть причиной деформации инженерных сооружений.
Термоэрозия и термоабразия развиты в данном регионе весьма ограниченно и проявляются в формировании оврагов, врезов, промоин, отступании береговой линии
озер. Возможна активизация процессов при строительстве железной дороги.
Солифлюкция в данном регионе возможна в северной части трассы, вдоль восточных склонов Урала; при проведении полевых работ не установлена. Наиболее благоприятные условия для развития солиф-люкции возможны на незалесенных склонах крутизной 5-20° при мощности супесчано-суглинистого талого слоя 0,4-1,0 м.
Карст в пределах трассы развит ограниченно, установлен на южном участке трассы в виде разных полостей и воронок. Карстовые древние формы рельефа погребены под образованиями коры выветривания и отложениями мезозоя и кайнозоя. Современный карст формируется с конца палеогена, частично регенерируя древний карст.
Оползневые процессы на исследуемой территории могут формироваться на участках прохождения трассы вдоль склонов Урала с крутизной более 8°, осложненных тектонической деятельностью. Возможна активизация процесса при строительстве и эксплуатации дороги.
Эрозионные процессы в различных частях описываемой территории отличаются некоторыми особенностями, что связано с ее приуроченностью к двум различным орографическим областям: восточному склону Урала и Западно-Сибирской низменности. Для равнинных рек Западно-Сибирской низменности характерна боковая эрозия, усиливающаяся во время половодий и паводков. В предгорной и низкогорной части трассы возможно развитие оврагообразова-ния. Скорость развития эрозионных процессов может увеличиться при строительстве дороги.
Заболачивание территории в пределах трассы развито очень широко и обусловлено целым рядом факторов: широтная зональность, слабая расчлененность рельефа, деградация многолетней мерзлоты, наличие водоупоров в приповерхностных горизонтах, частые длительные затопления при паводках и т.д. В центральной части трассы при проведении полевых работ наблюдались болота всех трех типов, хотя сплавинные болота 3-го типа развиты в меньшей сте-
пени. При строительстве железнодорожной линии возможна активизация процесса за счет изменения гидрологического режима при отсыпке земляного полотна.
Затопление территории при паводках в условиях низменного рельефа занимает значительные площади, особенно на центральном участке трассы. Кроме весеннего паводка отмечаются значительные подъемы воды, вызванные выпадением осадков и таянием многолетней мерзлоты. При пересечении железнодорожной линией речных долин возможен подъем уровня паводковых вод, что вызовет увеличение затапливаемых площадей.
Трасса железнодорожной линии проходит по территории с интенсивностью землетрясений менее 5 баллов по шкале MSK-64. Самый южный и короткий отрезок трассы расположен в зоне сейсмичности 6 баллов (Карта общего сейсмического районирования ОСР-97-6).
В целом на стадии изысканий для обоснования инвестиций установлено разнообразие инженерно-геологических условий и опасных геологических процессов, что позволит сократить сроки и затраты на последующих стадиях изысканий и при строительстве и эксплуатации будущей железной дороги.
