автореферат диссертации по строительству, 05.23.13, диссертация на тему:Исследование влияния экологических факторов на выбор способа производства земляных работ в экстремальных условиях Севера

/ /

МПС Российской Федерации Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)

на правах рукописи

Калюжная Светлана Владимировна

УДК 625.122:504

Исследование влияния экологических факторов на выбор способа производства земляных работ в экстремальных

условиях Севера.

05.23.13. Строительство железных дорог.

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук зав. кафедрой "Инженерная экология"

проф. Киселева Л.В.

Москва

1999

Содержание стр.

ВВЕДЕНИЕ. Ч

ГЛАВА 1. ПРИРОДНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА НА СЕВЕРЕ.

1.1. Значение транспортного освоения Севера. 7

1.2. Экологические проблемы транспортного освоения Севера ю

1.3. Обобщение и анализ опыта строительства с позиций влияния применяющихся технологий на природную среду.

1.4. Анализ нормативных документов. ¿5*

1.5. Природно-производственный комплекс организационно-технологических показателей и постановка задач исследования. 30

ГЛАВА 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ СЕВЕРА ПО УСТОЙЧИВОСТИ К ТЕХНОГЕННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ.

2.1. Экологическая устойчивость ландшафтов Севера. ^^

2.2. Климатические условия, определяющие потенциал загрязнения атмосферы.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ МЕТОЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ЛАНДШАФТОВ К ТЕХНОГЕНЕЗУ.

3.1. Схема моделирования ^

3.2. Косвенные расчеты потенциала загрязнения атмосферы и длительности неблагоприятных условий. 62

ГЛАВА 4. ВЫБОР СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ СЕВЕРА С УЧЕТОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ.

4.1. Основные принципы формирования интегрального показателя эффективности комплекта машин с учетом экологических требований. ^ 3

4.2. Моделирование выбора рационального использования строительных машин с учетом сложных климатических и экологических условий.

4.3. Варианты расчета и рекомендации по выбору способа производства земляных работ с учетом климатических и экологических условий Севера.

4.3.1. Сооружение земляного полотна экскаваторно-самосвальными комплектами машин.

4.3.2. Гидромеханизированный способ возведения земляного полотна. 88

4.3.3. Разработка земляных масс экскаватором с перемещением грунта в земляное полотно транспортерами.

4.3.4. Анализ вариантных расчетов с учетом экологических требований.

4.4. Область применения технологических комплексов производства земляных работ с конвейерным транспортом.

4.5. Методика учета некоторых экологических показателей при выборе способа производства земляных работ. Заключение.

Список использованных источников.

9</

99

40Ъ

НО

Введение

Совершенствование природопользования, экологическая обоснованность хозяйственной деятельности общества является одной из важнейших проблем современности.

Среди отраслей народного хозяйства, деятельность которых связана с неблагоприятным воздействием на природную среду, находится транспортное строительство. В транспортном строительстве особо следует выделить по наибольшим масштабам взаимодействия с окружающей средой сооружение земляного полотна. В общем виде это взаимодействие можно представить как экологическую систему «человек (производство) - сооружение земляного полотна - окружающая природная среда», в этой системе имеются прямые и обратные связи, т.е. не только «человек», сооружающий земляное полотно действует на окружающую среду, но и среда, в частности, в виде погодно-климатических и гидрологических факторов воздействует на них. По данным научных разработок [1] совокупность природных явлений, таких как атмосфера, земная поверхность, растительный и животный мир, микроорганизмы, гидрологические условия, находящихся в постоянном специфическом взаимодействии друг с другом и с окружающей средой, называемой биогеоценозом. Строительство земляного полотна, которое в экологическом отношении является явно выраженной полосой отчуждения, в пределах которой происходит расчленение и разрушение природного ландшафта, которое приводит к нарушению тысячелетиями сложившихся биогеоценозов, т.е. к нарушению экологического равновесия в природе.

Строительство железной дороги оказывает значительное воздействие на окружающую её среду. Воздействие это многообразно и заключается в следующем:

в результате отсыпки земляного полотна, сооружения мостов и виадуков, постройки станций меняется ландшафт местности;

постройка водопропускных сооружений, выемок закладка резервов, отсыпка земляного полотна, представляющего собой своеобразную дамбу, изменяют протекание гидрологических и геокреологических процессов,

вырубка леса, корчёвка пней, срезка кустарников, нарушение почвенно-растительного слоя в пределах полосы отвода железной дороги, на станционных площадках, в местах закладки карьеров так же воздействуют как на геологические и геокреологические, так и на биологические и биохимические процессы;

постройка жилых и промышленных зданий и сооружений, эксплуатация котельных связаны с загрязнением окружающей среды. Это, а также ликвидация растительности и заселение местности приводит к резкому уменьшению количества животных и птиц.

Важной составной частью проекта организации строительства должен быть прогноз формирования нового равновесия всех элементов окружающей среды после изменений, появившихся в процессе строительства и эксплуатации железной дороги.

Следует отметить, что до настоящего времени почти все организации (геологические, нефтегазодобывающие, строительные) ограничиваются лишь инженерной механической рекультивацией. Сейчас же ставится задача проведения биологической рекультивации, когда восстанавливается полностью разрушенный верхний слой, растительный и животный мир.

Для охраны атмосферного воздуха должны быть выполнены технологические мероприятия, в основе которых лежит применение технологических процессов без выделения пыли и вредных веществ в атмосферу: герметизация и максимальное уплотнение стыков и соединений в оборудовании и машинах, предотвращение выделения вредных веществ в производственных процессах, максимальная очистка технологических и вентиляционных выбросов.

Для охраны водных, земельных ресурсов, растительного и животного мира необходимы "щадящие" организационные и технологические решения, способствующие смягчению негативного воздействия и формирования экологического равновесия в природной среде.

Глава 1. Природно-производственный комплекс

транспортного строительства на Севере. 1.1. Значение транспортного освоения Севера.

Север, занимающий более половины территории страны (рис.1.1.), обладает огромными запасами различных природных богатств, овладение которыми не возможно без транспортных коммуникаций, имеющих на первых этапах пионерное значение. Такие коммуникации являются важнейшей частью инфраструктуры осваиваемой территории, основой развития отраслей народного хозяйства.

Пионерная роль железнодорожного транспорта, наиболее универсального, общепризнанного для освоения северных районов, характеризующихся сочетанием экстремальных климатических и сложных экологических условий природной среды [1]. Освоение Севера, в силу его отдаленности от экономически развитых областей осложняется бездорожьем, затрудняющим транспортные связи и увеличивающим трудоемкость и стоимость строительства. Развитие транспортной сети в северных районах требует крупных капиталовложений [1]. Вместе с тем, транспорт - это часть экономического базиса региона, оказывает влияние на все стороны развития и размещение производительных сил, как катализатор его хозяйственного освоения [1].

Сооружение новой дороги, особенно в условиях Севера, требует с одной стороны, освоения новых малоизученных и труднодоступных территорий, с другой - более рационального использования природных ресурсов. С целью снижения капитальных вложений и обеспечения надлежащего качества транспортных коммуникаций, исключительную важность приобретает заблаговременная проработка проектных решений, что резко повышает роль прогнозных исследований для обоснования рационального варианта.

Северная строительно-климатическая зона

Рис. 1.1.1

Оо

Транспортное освоение территории Севера сопровождается различного вида и масштаба техногенными воздействиями на окружающую среду. В результате этого изменяются геоботанические, мерзлотные и гидрологические условия, сложившиеся в естественной обстановке.

Изменение указанных условий естественной среды, вследствие техногенного воздействия, ведет к нарушению экологического равновесия в природе.

В связи с транспортным освоением Севера возникают многие социально-экономические и демографические проблемы: формирование контингента строителей и персонала, обслуживающего будущую железную дорогу, обоснование размещения строительных поселков и создание социально-бытовой инфраструктуры оздоровления среды обитания людей и т.п. Решение этих проблем на Севере связанно с удорожанием затрат на эти цели, вследствие бездорожья и экстремальных природно-климатических условий.

Очевидно, что суровые природно-климатические условия Севера, наличие вечной мерзлоты, значительный процент заболоченных земель, а так же малая населенность и очаговый характер имеющихся пром-центров, сложные экологические условия ограничивают и усложняют возможности создания и эксплуатации железной дороги.

Таким образом, требуется научная подготовка к освоению нового района, прежде всего изучение и анализ сложной системы "природная среда -строительство дороги" [1,2,15,30,33,35], проблеме оценки взаимодействия которой посвящены исследования многих ученых: Иванов М.И., Першин С.П., Березовский Б.И., Переселенков Г.С., Киселева JI.B., Титов В.П., Шульга В.Я, Цернант A.A., Жинкин Г.Н., Волков Б.А., Донин А.К., Турбин И.В., Яковлева Т.Г., Виноградов В.В., Луцкий С.Я. и др.

Проблема функционирования системы "природная среда - строительство дороги", названной природно-производственным комплексом, неисчерпаема вследствие многочисленности и сложности взаимосвязей в ней [1], а так же

экстремально неблагоприятных сочетаний условий, характерных для природы Севера.

Сложность исследования функциональных зависимостей в создаваемом природно-производственном комплексе диктуется огромным объемом изменяющихся факторов природной среды и условий строительного

производства.

1.2.Экологические проблемы транспортного освоения

Севера.

Сооружение железных дорог в районах с экстремальными природно-климатическими условиями, как и хозяйственное освоение этих районов, неизбежно связанно с нарушением природной обстановки. С точки зрения воздействия на среду, можно выделить следующие факторы: разработку, перемещение и укладку грунта, с расчисткой полосы отвода, снятием и перемещением плодородного слоя грунта, почвы, устройством насыпей и т.д.

Эти факторы наносят наиболее значительный ущерб природной среде непосредственным вторжением в естественные процессы.

Непосредственное и наиболее техногенное воздействие на природную среду оказывает строительство земляного полотна железной дороги, для сооружения которого требуется разработка и перемещение огромных масс грунта.

Для транспортного строительства особую актуальность приобретает проблема охраны окружающей среды при сооружении земляного полотна в районах Крайнего Севера, Западной Сибири, Заполярья, где наблюдается дефицит необходимых качественных грунтов и наиболее ранимая природная среда. Комплексная проблема охраны окружающей среды применительно к рабочим проектам , строительству и эксплуатации земляного полотна

включает следующие направления: уменьшение воздействия человека и техники на природную среду в процессе возведения земляного полотна; рациональное сочетание строящейся дороги с окружающей средой как технического сооружения; рациональное расходование земельных площадей отводимых под строительство, формирование надежной технологии восстановления нарушенных территорий и их "возврат" в естественное исходное состояние, комплексный подход к решению задачи снижения воздействия на среду дорожно-строительных технологических процессов.

С точки зрения воздействия на окружающую среду, строительство дорог в таежно-болотистых местностях приводит к трем негативным результатам: изменению традиционного режима взаимодействия различных элементов среды; потере ресурсов каких-либо полезных продуктов среды; нарушению равновесия в среде, обуславливающему необратимые процессы, неблагоприятные для человека.

Изучением вопросов охраны природы при строительстве занимаются научные и проектные организации многих министерств и ведомств. В центе внимания, проводимых исследований, находится охрана воздушной и водной среды от различных загрязнителей крупных предприятий и городов. Специфические же особенности, обусловленные строительством новых железных дорог, пока остаются без должного внимания, хотя перед строителями давно уже стоит ряд нерешенных проблем, количество которых возрастает с продвижением железнодорожного строительства в районы Крайнего Севера.

По существующему положению о "временных сооружениях" после их использования, т.е. окончания строительства они должны быть демонтированы, а освободившееся при этом земли после рекультивации возвращены основным землепользователям.

При сооружении земляного полотна к таким "временным сооружениям" можно отнести подъездные технологические автодороги, карьерные

выработки, накопители - отвалы грунтов, создающие проблему, значительных по площади, нарушенных земель. Исключительно важное значение в условиях Севера имеет решение проблемы укрепления инженерных сооружений, возводимых из грунтов, а так же рекультивации нарушенных естественных поверхностей земли.

Из опыта строительства и эксплуатации железных дорог на Севере выявлена проблема сохранения и распространения растительности в условиях тундры и разработки рекомендаций для дорожного строительства [2]. Данные о площадях нарушенных земель приведены на рис. 1.2.1.

Одним из основных показателей, характеризующих условия строительства новой железной дороги - объем земляных работ на 1 км строительной длины главного пути. В связи с этим интересно сопоставить показатели характеризующие железные дороги проходящие в таежно-болотистой местности, на марях и вечной мерзлоте.

В благоприятных условиях при сооружении земляного полотна в пределах участков линии со спокойным рельефом местности на сухом

л

основании объем земляных работ на 1 км линии не превышает 20 тыс.м .

В условиях таежно-болотистой местности этот показатель значительно выше. Лишь из-за того, что в этих условиях высота насыпи на болоте должна быть не менее 3-3.5 м [8], объем земляных работ увеличивается до 36 тыс.м3. К этому добавляется необходимость учитывать осадку слабых грунтов основания, в результате чего объемы земляных работ на болотах возрастают в среднем до 50 тыс.м на 1 км линии, а на участках где приходится предусматривать устройства дополнительных пригрузочных берм - до 60 тыс. м3.

В местах распространения высокотемпературных вечномерзлых грунтов практически невозможно сооружать земляное полотно не нарушая теплового режима грунтов основания. Поэтому в основании земляного полотна

Рис. 1.2.1. Распределение нарушенных земель в транспортном строительстве

и

неизбежно происходят осадки протаивающих вечномерзлых грунтов, на компенсацию которых идет до 30% профильного объема земляных работ.

Увеличение объемов земляных работ происходит не только при возведении насыпей, но и при разработке выемок. Главной причиной этого является широкое распространение в таежно-болтистой местности пучинистых грунтов, пылеватых супесей и суглинков.

Перечисленные особенности климатических и мерзлотно-грунтовых условий строительства вызывают общее увеличение объемов земляных работ. Например, на участках марей линии Тында-Беркакит этот показатель достиг 80 тыс. мЗ на 1 км линии. [3]

На линиях Тюмень-Сургут и Сургут-Уренгой эта цифра возросла

о

соответственно до 84 и 97 тыс. м .

Эти особенности говорят о резком увеличении срока строительства железных дорог с продвижением на Север (рис. 1.2.2) и о возрастании экологических негативных последствий - увеличения площадей нарушенных земель (рис. 1.2.1).

Как следствие вышеназванных негативных особенностей, из-за сложности условий Севера, одной из проблем является определение сроков строительства железных дорог. Поправочные коэффициенты к нормам продолжительности строительства для Северных районов и местностей, приравненных к ней в какой - то мере учитывают специфику строительства в таежно-болотистой местности, но полн�