CC BY
168
УДК 550.48(23)
ЦИНХАЙ-ТИБЕТСКАЯ ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА:
ОПЫТ СООРУЖЕНИЯ И ПРОБЛЕМЫ СТАБИЛЬНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ
В.Г. Кондратьев
Читинский государственный университет Ул. Апександро-Заводская, 30, 672039 Чита, Россия
Описан и проанализирован опыт китайских специалистов по подготовке и осуществлению строительства Цинхай-Тибетской железной дороги, самой высокогорной в мире и проходящей по территории с многолетнемерзлыми грунтами.
В 2006 г. в Китае завершено строительство Цинхай-Тибетской (Цинхай-Хизанской) железной дороги от г. Синина, центра Цинхайской провинции до г. Лхасса, столицы Тибетского автономного района, протяженностью 1956 км. Первая часть дороги от Синина до Голмуда, 814 км, сооружалась 10 лет: с 1974 г. по 1984 г. Вторая часть, от Голмуда до Лхассы, 1142 км, построена в два раза быстрее и на один год раньше проектного срока: строительство было начато 29 июня 2001 г., а уже с 1 марта 2006 г. начались регулярные грузовые и с 1 июля 2006 г. и пассажирские перевозки. Китайцы построили современную железную дорогу в сложнейших горно-геологических условиях: 80% трассы от Голмуда до Лхассы проходит по территории с абсолютными отметками местности свыше 4000 м и около 50% — по вечномерзлым грунтам со среднегодовой температурой от - 0,5 до - 3,6 °С и мощностью от 5-25 до 60-130 м и больше. Наивысшую отметку трассы 5072 м на перевале через хребет Тангулашань пассажирский поезд преодолевает со скоростью 100 км/час, а весь путь от Голмуда до Лхассы занимает всего 13 часов. Такое же расстояние, например, от Читы до Иркутска по Транссибу скорый поезд проходит за 18 часов.
История создания железных дорог в районах вечной мерзлоты насчитывает уже более 110 лет: Забайкальская, Амурская, Аляскинская, Норильская, Гудзонская, Лабрадорская, Байкало-Амурская, Амуро-Якутская и Ямальская железные дороги, подъездные железнодорожные пути Чара — Чина, Улак — Эльга и др. Строительство каждой из этих дорог — выдающийся этап транспортного строительства и попытка решить главную проблему: обеспечить стабильность земляного полотна на участках вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов (рис. 1).
Пока решить эту проблему не удалось нигде: железнодорожный путь всех дорог в криолитозоне независимо от срока их эксплуатации и принимаемых мер постоянно деформируется в основном из-за деградации вечной мерзлоты в основании земляного полотна.
Рис. 1. Деформации железнодорожного пути вследствие деградации вечной мерзлоты в основании: а — Забайкальская железная дорога, 6277-6278-й километр, декабрь 2006 г.; б — подъездной путь к Чинейскому и Удоканскому месторождениям, октябрь 2003 г.
Строительству железной дороги на Тибете предшествовало строительство автомобильных дорог. Так, в 1950 г. была построена Цинхай-Хизанская автомобильная дорога с гравийно-щебеночным покрытием. В 1980 г. она была реконструирована, на многих участках появилось асфальтовое покрытие, что вызвало деградацию многолетнемерзлых грунтов в основании и значительные деформации на участках льдистых грунтов в основании дороги, а также земляного полотна, отсыпанного из пучинистых грунтов [8]. В последнее время автомобильная дорога по многим причинам, в том числе и в связи со строительством Цинхай-Тибетской железной дороги, вновь капитально реконструирована. Сегодня это современная скоростная автомагистраль, проходящая в основном параллельно железной дороге, везде с твердым покрытием, с противоде-формационными мероприятиями на участках льдистых грунтов (рис. 2а), однако во многом с теми же проблемами, что и раньше (рис. 26).
а б
Рис. 2. Цинхай-Тибетское шоссе с термосифонами на участке льдистых грунтов в основании: а — проезжая часть, сентябрь 2004 г.; б — откос, август 2006 г.
Научные и проектно-изыскательские работы с целью сооружения Цинхай-Тибетской железной дороги были начаты еще в 1950 г. [8].
На трассе Цинхай-Тибетской железной дороги от Голмуда до Лхассы вечная мерзлота по данным разных авторов [8, 12] имеет преимущественное распространение на протяжении от 560-го до 546-го и от 210-го до 82-го кило-
метра — островное, что обусловлено ее высокогорным расположением: 950 км трассы проходит на высоте более 4000 м над уровнем моря.
Верхний слой мерзлоты нередко сложен сильнольдистым горизонтом (с льдистостью до 80%) мощностью до 5 м и более. Сооружение земляного полотна, в особенности выемкой, на таких грунтах представляется весьма затруднительным.
В 2000 г. была начата опытно-экспериментальная проверка конструкции железнодорожной выемки с солнцеосадкозащитным навесом [4], о котором китайским ученым и проектировщикам было рассказано автором впервые в 1995 г. В последующем предложения по активным способам стабилизации земляного полотна на сильнольдистых вечномерзлых грунтах [1-3] многократно обсуждались с китайскими специалистами.
Проверка эффективности навеса для сохранения грунтов основания земляного полотна в многолетнемерзлом состоянии проводилась на экспериментальном полигоне, созданном в 1970 г. на подошве южного склона горы Фэнхо нагорья Цинцзян (34° 43’ северной широты и 9° 52' восточной долготы).
Климатические условия полигона (средние за многолетний период наблюдений) следующие: среднегодовая температура воздуха-----6,2 °С; минимальная и
максимальная среднемесячные температуры воздуха-----17,7 °С (январь) и 4,6 °С
(июль); годовая сумма осадков — 345 мм; годовая сумма испарения — 1370 мм; основные направления ветра: главное — юго-западное; второстепенное — юго-восточное; средняя скорость ветра — 5 м/сек, максимальная — 12-15 м/сек; максимальная толщина снега — 8 см.
Мерзлотно-грунтовые условия экспериментальной площадки: мощность многолетнемерзлой толщи — 120 м (по расчету); среднегодовая температура грунтов ----3,5°; глубина годовых колебаний температуры — 13 м; глубина сезон-
ного оттаивания грунтов — 1,4-1,5 м; грунтово-влажностный разрез: 0-0,3 м — почва с влажностью (НО 15,3% и объемным весом сухого грунта (У) 1,73 г/см3, 0,3-1,5 м — суглинок с включением щебня с\У = 19,3% и У = 1,71 г/см3, 1,5-2,1 м — ледогрунт с \У= 78,2% и У - 1,25 г/см3, 2,1-3,4 м — суглинок с включением щебня с \У = 38,6% и У = 1,60 г/см3, ниже 3,4 м — выветрелый песчаный слой с IV = 15,3% и У= 2,20 г/см3.
Сезонное оттаивание грунтов происходит с конца апреля по середину сентября на глубину до 1,55 м. Промерзание сезонно-талого слоя происходит практически в течение одного месяца — октября.
Опытная конструкция земляного полотна представлена выемкой, перекрытой солнцеосадкозащитным навесом для предотвращения деградации вечномерзлых грунтов в основании пути и обеспечения его стабильности. Площадка имеет общий уклон около 12,4°.
В экспериментальной выемке были выполнены наблюдения за температурой грунтов в семи специальных скважинах глубиной до 6 м, размещенных по бокам выемки, в середине откосов, у их подножья, водоотводной канаве, в середине выемки.
В начале, до натурного эксперимента, Чжан Лусин и Лю Цзянкун [11] выполнили математическое моделирование температурного режима накрытой навесом железнодорожной выемки в многолетнемерзлых грунтах Тибета и получили весьма обнадеживающие результаты: через 20 лет под выемкой с навесом температура грунтов на глубине 6-9 м достигает - 8 °С, тогда как без навеса формируется талик мощностью около 9 м.
Затем в лабораторных условиях профессор Лю Цзянькунь с соавторами [7] выполнили физическое моделирование сохранения многолетнемерзлых грунтов основания дорожной выемки с помощью солнцеосадкозащитного навеса для условий Тибета, на основе чего был сделан вывод о высокой эффективности навеса даже в условиях возможного потепления климата (повышения среднегодовой температуры воздуха на 0,5 °С).
Конструкция навеса для экспериментальной выемки на Тибете была разработана автором статьи и кандидатом технических наук, доцентом В.Г Шестаковым в 1999 г. по просьбе профессора Хуан Сяомина.
Рассматривались три варианта конструкции навеса: 1) арка навеса перекрывает лишь основную площадку земляного полотна, а часть прилегающей поверхности выемки закрывается окрылками; 2) сплошная арка навеса перекрывает всю выемку; 3) арка навеса перекрывает всю выемку и состоит из двух частей, соединенных шарнирно-неподвижно и опирающихся на стойку-сваю. Для эксперимента был рекомендован последний вариант конструкции навеса, как обладающий наибольшим охлаждающим эффектом и наименьшим весом, а значит и наименьшей стоимостью.
В июне 2000 г. приступили к экспериментальной проверке влияния солнцеосадкозащитного навеса на температурный режим грунтов натурной модели железнодорожной выемки на полигоне на Тибете.
На начальном этапе было построено три модели солнцеосадкозащитного навеса для раздельного изучения влияния навеса на температурный режим грунтов основной площадки, юго-восточного (рис. 3) и северо-западного откосов выемки на склоне г. Фэнхо. Навес, который бы перекрыл всю выемку, построен не был.
Рис. 3. Сооружение моделей солнцеосадкозащитного навеса на экспериментальном полигоне, июль 2000 г. Фото Чжан Лусина
В течение нескольких лет на полигоне измерялись температура грунтов и те-плопотоки под моделями навесов и вне их. Были получены хорошие результаты. Впервые об этом было заявлено в докладе профессора Чжан Лусина на IV Международной конференции по инженерному мерзлотоведению в сентябре 2000 г. в г. Ланьчжоу, в котором сообщалось об эксперименте с навесом и отмечалось, что за неполный летний сезон под навесом грунты имели температуру на 7-9 °С ниже, чем вне его. По устному сообщению профессора Чжан Лусина в октябре 2001 г., а затем и в сентябре 2004 г., наблюдения на полигоне с натурными мо-
делями навесов показали хорошие результаты: среднегодовая температура грунтов понизилась на несколько градусов.
В 2005 г. согласно проекту солнцеосадкозащитный навес из панелей-сэндвичей был сооружен на откосах насыпи (рис. 4) и над основной площадкой непосредственно на Цинхай-Тибетской железной дороге. Навесы на откосах насыпи по данным натурных наблюдений [9] могут понижать температуру грунтов на 3-5 °С и соответственно обеспечивать стабильность земляного полотна на сильнольдистых вечномерзлых грунтах.
Рис. 4. Солнцеосадкозащитные навесы на откосах земляного полотна Цинхай-Тибетской железной дороги на участке льдистых грунтов в основании, 12 августа 2006 г.
Успешно китайцы реализовали и другое наше техническое решение — насыпь с поперечными охлаждающими трубами [5]. При этом были применены как железобетонные (рис. 56), так и пластмассовые трубы (рис. 5а), варьировались высота над подошвой насыпи и шаг укладки труб. Для эффективной работы поперечных охлаждающих труб необходимо их отверстия закрывать на теплый период года и открывать с наступлением зимы. Для этого китайцы придумали и применили автоматические заслонки (рис. 56).
, ШЙИС4- »...
Дат V
,л „ _____* V ^ ЬТСжймв
‘'Фін.
Рис. 5. Поперечные вентилируемые трубы в основании земляного полотна Цинхай-Тибетской железной дороги на участках льдистых грунтов: а — пластиковые, б — железобетонные, автоматически закрывающиеся крышками. Фото профессора Ню Фуджина
Проверяя все известные в мировой практике технические решения по проблеме стабилизации земляного полотна железных дорог на вечномерзлых грунтах, китайцы нередко повторяют и известные ошибки. Так, в решениях с теплоизоляцией или с сезонно-действующими охлаждающими устройствами (термосифонами) установлено было 5 млн шт., что, однако, вряд ли предотвратит деформации земляного полотна (рис. 6а), поскольку радиус действия термосифона любой конструкции не больше 1,5-2 м.
Китайцы экспериментируют и с собственными техническими решениями. Например, они во многих местах применили так называемый «сухой мост» — эстакадный переход (рис. 66) участков льдистых вечномерзлых грунтов протяженностью в сотни метров, а часто и в несколько километров. Самый длинный «сухой мост» имеет длину 11,7 км, опирается на 2878 опор.
Стоимость такого «сухого моста» раз в 30 превышает стоимость земляного полотна обычной конструкции с противодеформационными мероприятиями. Однако и эта конструкция нуждается в специальной защите от просадок при оттаивании льдистого основания, неравномерного выпучивания опор эстакады, деструкции их оголовков в сезонно-талом слое при постоянно чередующихся процессах замерзания и оттаивания вмещающих грунтов, к тому же имеющих разный масштаб на северной и южной сторонах эстакады.
Рис. 6. Экспериментальные конструкции Цинхай-Тибетской железной дороги на участках вечномерзлых грунтов: а — с термосифонами, август 2006 г.; б — «сухой мост», сентябрь 2004 г.
Несомненно, что опыт строительства и эксплуатации Цинхай-Тибетской железной дороги будет востребован в России, где возобновляется строительство новых железных дорог в районах с вечной мерзлотой и глубоким сезонным промерзанием грунтов. Нужен он и сейчас, в частности при стабилизации земляного полотна на участках льдистых грунтов Забайкальской, Дальневосточной и Восточно-Сибирской железных дорог, при завершении строительства Амуро-Якутской железнодорожной магистрали, при проектировании и строительстве новой железнодорожной линии для освоения полезных ископаемых на юго-востоке Читинской области.
ЛИТЕРАТУРА
1 .Кондратьев ВТ. Активные способы укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах: Монография. — Чита: Забтранс, 2001.
2. Кондратьев ВТ., Королёв А.А., Карлинскгт М.И., Позин В.А., Розанов А.С. Железнодорожный путь на сильнольдистых вечномерзлых грунтах // Патент на изобретение № 1740555. 1992.
3. Кондратьев В.Г. Карлинскгт М.И., Савельев Б.А., Соколов А.В. Насыпь на сильнольдистых вечномерзлых грунтах // Патент на изобретение № 2010919. 1993.
4. Кондратьев ВТ., Позин В.А. Концепция системы инженерно-геокриологического мониторинга строящегося железнодорожного пути Беркакит — Томмот — Якутск. — Чита: Забтранс, 2000.
5. Liu Jiankun, Li Dongqing, Ma Wei, Zhang Luxin. Modeling of the Sun-Precipitation Shed in Protecting Roadbed-cut on Permafrost in Tibet, China. Permafrost Engineering. Proceedings of the Fifth International Symposium on Permafrost Engineering. — Yakutsk: Permafrost Institute Press, 2002. — Vol. 2.
6. Niu Fujin, Shen Yongping. Guide of Field Excursion after Asian Conference on Permafrost (Aug. 10-16, 2006). — Lanzhou, China, 2006.
7. Wu Ziwang and et al. Roadbed engineering in permafrost regions. — Lanzhou University, 1988.
8. Zhang Luxin, Liu Jiankun. Numerical investigation of experimental roadbed thermal stability on Fenghuoshan permafrost in Tibet. Proc. International Symposium on Geocryological Problems of Construction in Eastern Russia and Northern China. — Yakutsk. Vol. 2. SB RAS Pablishers, 1998.
9. Zhang Jian-ming, Zhang Ming-yi, Zhu Yuanling, et al. Experimental Stady on Settlement of Embankment over Permafrost along Qinghai-Tibetan Railway // Journal of Glaciology and Geocryology. — 2004. — Vol. 26. — Suppl. Aug. Published by Science Press. China. Beijing.
QINGHAI-TIBET RAILWAY: EXPERIENCE OF THE CONSTRUCTION AND THE PROBLEM OF STABILITY OF THE EARTHEN CLOTH ON THE PERMAFROST
Y.G. Kondrat’ev
The Chita State University Alexandro-zavodskaiya sr., 30, 672039 Chita, Russia
The author describes and analyzes in detail the experience of Chinese specialties acquired during preparation and construction works at the Qinghai-Tibet Railway — the highest elevation railway in the world, the railway on permafrost.
Кондратьев Валентин Георгиевич, доктор геолого-минералогических наук, почетный транспортный строитель, почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, профессор ЧитГУ, научный руководитель НПП ТрансИГЭМ и ЦПЭ Экотерра. Основные направления научной деятельности: инженерно-геокриологическое и экологическое обоснование изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных и автомобильных дорог, магистральных трубопроводов; защита объектов жизнедеятельности населения и территорий от опасных природных процессов и явлений. Автор более 170 научных работ, в том числе девяти монографий, три из которых изданы в Китае, и восьми патентов на изобретения.
