автореферат диссертации по строительству, 05.23.13, диссертация на тему:Сооружение земляного полотна в криолитозоне



/

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)

Научно-исследовательский институт транспортного строительства (ЦНИИС)

На правах рукописи УДК624.138(132);625.122; 551.311 '

Цернант Александр Альфредович

СООРУЖЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В КРИОЛИТОЗОНЕ

Специальности 05.23.13 "Строительство железных дорог" 05.22.06 "Железнодорожный путь"

•ОИСКаНЙе »

ученой стёй^ш'а^к^а йЫйЫ^из^^с^

:?кие от " »

'-Удал учен-'Х-Х

П( ¡\|

степень ДОКТОР

Шуж

•ия ВАК Рессхзг

" л

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)

Научно-исследовательский институт транспортного строительства (ЦНИИС)

/ На правах рукописи

/ УДК624.138(132);625.122;

551.311

У

Цернант Александр Альфредович

СООРУЖЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В КРИОЛИТОЗОНЕ

Специальности 05.23.13 "Строительство железных дорог" 05.22.06 "Железнодорожный путь"

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 1998

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте транспортного строительства (ЦНЙИС).

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Иванов Михаил Иванович доктор технических наук, профессор Титов Владимир Павлович доктор геолого-мин.наук, профессор Роман Лидия Тарасовна.

Ведущее предприятие: ОАО Мосгипротранс Научный консультант:

Засл. Деят. науки, докг. техн. наук, профессор Переселенков Георгий Сергеевич

Защита диссертации состоится "»^У " ^ 1998 г.

в / / часов на заседании диссертационного Совета Д. 114.05.03 при Московском Государственном университете путей сообщения по адресу 101475, ГСП, Москва, ул. Образцова, 15, ауд. 1510.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного университета путей сообщения.

Диссертация

разослана

Отзыв на диссертацию в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу Совета Университета.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

№

Общая характеристика работы

Актуальность.

Изменение геополитического положения России после распада СССР еще более усилило роль и значение освоения природных ресурсов Севера, Сибири и Дальнего Востока. В современных границах Россия является самой северной страной мира, географический центр которой (101° 9' в.д. и 60 22' с. ш.) находится лишь в 2200 км от полюса холода северного полушария Земли. Из 17,1 млн. км2 всей территории страны 10,7 млн. км2 расположено в полярной, субполярной и бореальной географических зонах криолитозоны, характеризуемых резко континентальным климатом с продолжительной морозной зимой и коротким жарким летом, распространением вечной мерзлоты, переувлажнённостью и заболоченностью территорий и экстремально неблагоприятным сочетанием инженерно-геологических условий, усугубляемых сплошным бездорожьем. В то же время, именно в криолитозоне сосредоточены основные разведанные и прогнозные стратегические запасы минерально-сырьевых и энергетических ресурсов страны.

Бездорожье является причиной высокой себестоимости добычи и транспортировки природных ресурсов, дороговизны привозных товаров и материалов, высокой трудоемкости и стоимости капитального строительства, социальной и экологической напряженности.

Поэтому преодоление бездорожья в криолитозоне быю и является для России одной из самых актуальных задач науки и хозяйственной практики.

Опережающее, по отношению к промышленным объектам, создание транспортных коммуникаций и, прежде всего, железных дорог, как наиболее универсального и экологически чистого вида всесезонного транспорта, является необходимым условием обеспечения экологической и экономической безопасности при освоении ресурсов криолитозоны.

Возможность инвестирования транспортного строительства в криолитозоне определяется продолжительностью и ресурсоёмкостью инвестиционных циклов, то есть соотношением первоначальных затрат времени, труда, финансов, энергии, материалов, информации и природных ресурсов к получаемой результативности.

. Это выдвигает на первый план проблему круглогодичного строительства дорог пионерного типа, с их поэтапным, по мере возрастания объемов перевозок, усилением, как одного из важнейших условий снижения начальных капиталовложений и, следовательно, привлечения инвестиций.

Решающим фактором здесь является технический уровень применяемых организационно-управленческих и конструктивно-технологических решений и, прежде всего, конструкций и технологий сооружения зелаяиого полотна (ЗП), как наиболее ресурсоёмкой части железнодорожного пути.

Применение местных пылеватых, обводнённых и мёрзлых грунтов в традиционных конструкциях и по традиционным технологиям не обеспечивало необходимого качества ЗП, а применение привозных кондиционных грунтов было не экономично.Поэтому в 60-70-е годы тресты механизации в Сибири в зимнее время выполняли не более 25-35% годовых объёмов земляных работ, а гидромеханизация практически не применялась.

Целью диссертационной работы является разработка научных основ, теорий и методов расчетов и создание на их базе научно-обоснованного комплекса технических и технологических решений по сооружению железнодорожного ЗП из местных, в том числе мёрзлых, фунтов "сухими" и гидромеханизированным способами при круглогодичном строительстве железных дорог в криолигозоне.

Предмет защиты:

1. Научные основы круглогодичного производства земляных работ "сухими" й гидромеханизированным способами при сооружении железнодорожного ЗП и добыче путевого балласта в экстремальных физико-географических условиях криолитозоны.

2. Элементы теории и инженерные методы расчетов технологических параметров гидромеханизации земляных работ в зимних условиях.

3. Система инженерных методов, и устройств для управления тепловым режимом грунтовых массивов ЗП в криолитозоне.

4. Закономерности формирования в техногенезе физико-механических свойств (ФМС) и водно-теплового режима (ВТР) грунтовых массивов ЗП, сооружаемых из мерзлых грунтов, заключающиеся в том, что в процессе строительства и эксплуатации в грунтовый массив приходит в термодинамически равновесное состояние, определяемое воздействиями потенциальных и массовых сил.

5. Методы проектирования ЗП с учетом армирования грунтов, их селективного размещения и регулирования положения верхней границы мерзлоты (ВГМ) в грунтовых массивах.

6. Новые конструкции и технологии круглогодичного сооружения ЗП из мерзлых грунтов.

1. Экосистемные принципы железнодорожного строительства б криолитозоне.

Научная новизна заключается:

1) в разработке научной концепции круглогодичного сооружения ЗП при строительстве железнодорожных линий в криолитозоне, основанной на эффективном управлении качеством ЗП путем регулирования геометрии, ВТР, ФМС и НДС грунтовых массивов конструкций и применении ресурсосберегающих технологий;

2) в выявлении закономерностей формирования в техногенезе ФМС грунтов насыпей, сооружаемых в зимнее время.

4) в разработке новых типов конструкций ЗГ1 из местных грунтов с применением элементов и устройств для регулирования ВТР и напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтовых массивов;

5) в разработке новых технологий, позволяющих сооружать "безосадочные" насыпи из мёрзлых грунтов;

6) в раскрытии физической сущности п и установлении закономерностей теплового и механического взаимодействия намывных грунтовых массивов с окружающей природной средой при отрицательной температуре воздуха и на вечномёрзлых грунтах оснований;

7) в новых методах расчета и проектирования технологии намывных работ при сооружении ЗП в зимних условиях и . на вечной мерзлоте;

8) в новых методах экспериментального определения механических свойств грунтов и параметров тепловых потоков в замерзающих грунтовых массивах;

9) в разработке экосистемного метода, рассматривающего ЗП железной дороги в качестве управляемой транспортной природно-технической системы (ТПТС).

Практическая значимость и внедрение результатов.

1. В результате комплексных исследований, направленных на преодоление сезонности земляных работ в Сибири в период с 1965г. по 1997г. создана научно-теоретическая, нормативно-техническая и практическая база круглогодичного железнодорожного строительства в криолитозоне. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны- методы расчётов и регулирования ВТР и НДС грунтовых массивов, позволившие создать новые экономически эффективные и экологически безопасные конструкции и технологии сооружения ЗП "сухими" 'И гидромеханизированным способами из различных местных талых и мёрзлых грунтов в летнее и в зимнее время.

Внедрение новых научно-технических разработок на ж. д. новостройках Тюмень-Сургут, Сургут-Нижневартовск, Сургут-Уренгой, Ягельная-Ямбург, Хребтовая-Усть-Илимская ГЭС, БАМ, АЯМ, Обская-Бованенково, а также на сети промысловых дорог и промплощадок для обустройства месторождений ЗСНГК и на строительстве в Якутске

позволило решить важные народно-хозяйственные проблемы социально-экономического развития Сибири.

2. Реализация при проектировании и строительстве ЗП разработанных методов управления процессами термодинамической стабилизации насыпей, возводимых зимой из песчаных грунтов, в том числе с глинистыми прослойками, позволила расширить область допустимого применения мёрзлых грунтов при возведении насыпей и обеспечить круглогодичное производство земляных . работ на транспортных новостройках в Сибири.

Разработаны и апробированы на ж.д. линиях Ягельная-Ямбург и Обская-Бованенково организационно-технологические схемы

круглогодичного строительства ЗП с применением мерзлых и оттаивающих грунтов по одно- и двухэтапным схемам, в том числе с перераспределением технологических операций по сезонам года, которые позволяют на 30-50% уменьшить ресурсоемкость и продолжительность инвестиционных циклов при освоении месторождений в криолитозоне и обеспечить экологическую безопасность строительства.

Увеличение доли объемов земляных работ, выполняемых в зимнее время, до 60-70% позволило улучшить технико-экономические показатели и экологическую безопасность дорожного строительства в условиях Заполярья. До этого мёрзлые грунты в таких масштабах для сооружения ЗП не применялись.

3. Созданная на основе экосистемного подхода система научного сопровождения (интеллектуального мониторинга) проектирования и строительства земляного полотна в криолитозоне эффективно применена для оперативной корректировки проектных решений на особо сложных участках трассы БАМ ( 172-175 км, 775 км, 795-798 км, 802 -809 км, 812858 км, 908 км, 947-962 км, 1178 км, станции Ургал-2), и временных обходах барьерных мест на ж.д. линии Ягельная-Ямбург, где в ходе строительства были выявлены дополнительные данные о критическом состоянии ПТС "ЗП-окружающая среда". Непрерывное научное сопровождение проектирования и строительства ж.д. линии Хребтовая-Усть-Илимская ГЭС позволило в ходе строительства выявить опасное снижение, вследствие влияния продуктов выветривания щебня и дресвы аргиллитов, прочностных характеристик намывных гравийно-галечниковых грунтов, и своевременно (до подтопления водохранилищем) внести изменения в конструкцию и технологию строительства и обеспечить устойчивость насыпи за счет применения обойм из крупнообломочного скального грунта и использования регулируемого новообразования мерзлоты на ключевом (барьерном ) участке трассы.

4. Созданы и внедрены на строительстве железных дорог в Сибири новые технологии и средства гидромеханизации для добычи дренирующих грунтов с больших глубин из-под засоренны: " мерзлых вскрышных пород с подачей гидросмеси на расстояния до 20 км. Разработаны и освоены технологии намыва мелких песков в профильные насыпи с отмывом до 30% пылеватых фракций. Намыты безосадочные насыпи на болотах без

предварительногр выторфовывания. Разработана и внедрена технология намыва на за1-ош|яемых поймах насыпей с волнозащитными пляжевыми откосами повышенной крутизны. Создано оборудование для разработки земснарядами;с°цементированных и мерзлых грунтов. Намыты территории для размещения объектов инфраструктуры и кустового бурения.

Применение новых технологий и оборудования гидромеханизации для комплексной механизации работ при отрицательной температуре воздуха, позволило впервые в мире преодолеть сезонность земляных работ в условиях сурового климата и организовать на севере Сибири круглогодичную работу плавучих земснарядов в течение нескольких лет без перерыва.

Впервые земснарядами отечественного производства (классов 300-40М, 350-50Л, 180-60) достигнута годовая выработка от 1 до 2 млн. м'\

Впервые пдавучие земснаряды были эффективно применены для добычи и намыва грунта в условиях арктической Заполярной тундры.

Впервые в мировой практике способом гидромеханизации на вечной мерзлоте возведена подтопляемая насыпь высотой 18 м объемом 1200 тыс.м3 на строительстве ж.д. линии Хребтовая-Усть-Илимская ГЭС.

5. Созданные по результатам исследований и опыта строительства нормы и рекомендации обеспечили широкое применение гидромеханизации в районах вечной мерзлоты на Западном (Киренга), Центральном (Нора, Селемджа, Бысса, Зея) и Восточном (Ургал) участках БАМ, где способом гидромеханизации было добыто песчано-гравийного балласта и намыто грунта в насыпи более 30 млн. м3 (1974-1986 гг.).

Применение кондиционных намывных дренирующих грунтов обеспечило высокое качество ЗП ж.д. линий Сургут-Уренгой и Ягельная-Ямбург и сети промысловых автодорог в районах освоения Уренгойского и Ямбургского газоконденсатных месторождений.

6. Созданная и нормативно , узаконенная [98, 99, 102] система научногосопровождения- ж.дг, ..новостроек в послеукладочный период позволила своевременно обнаружить и остановить аварийные деформации насыпных грунтовых оснований зданий на ст. Юктали и ЗП на центральном участке БАМ, а также обеспечить устойчивость насыпей на подходах к мостам на ж.д. линиях Коротчаево-Ягельная-Пангоды, Ягельная-Ямбург и Обская-Бованенково. Ускорение стабилизации ЗП и обеспечение безопасности движения поездов в период временной эксплуатации осуществлено за счет применения разработанной системы методов и устройств для управления ВТР и НДС ЗП в криолитозоне

7. Разработка и издание 15 нормативно-технических и более 10 нормативно-методических документов, в том числе впервые специальных региональных норм проектирования и строительства железных и автомобильных дорог для условий арктической и субарктической тундры, обеспечило широкое внедрение результатов многолетних комплексных исследований на строительстве около 4 тыс. км ЗП железных и 2 тыс.км автомобильных дорог, а также более 500 промшгощадок в криолитозоне, включая полуостров Ямал и Якутию.

Апробация работы.

Результаты исследований по диссертации изложены в более чем 100 научно-исследовательских отчетах о НИР и НИОКР, выполненных автором по планам НИР Минтрансстроя СССР в 1963-1987 гг., по заданиям комплексных целевых научно-технических программ 1 'КНТ СССР (0.55.08, 01.09.БАМ, 01Д.031, 0,54.10; 0.55.10; 0.55.11;...) в 1980-1990 гг., отраслевой программе достижения высшего мирового технического уровня в транспортном строительстве Минтрансстроя СССР (Корпорация "Трансстрой") в 1985-1995 гг., по программам Минтранса РФ "Транспорт России", "Дороги России", заданиям и приказам МПС, хозяйственным договорам с РАО "Газпром", и др. в 1985-1997 гг. и реализованы на ж.д. новостройках Тюмень-Сургут, Сургут-Нижневартовск, Сургут-Уренгой, Коротчаево-Ягельная-Ямбург, Хребтовая-Усть-Илимская ГЭС, БАМ, АЯМ, Обская-Бованенково, а также на сети промысловых дорог в районах освоения месторождений ЗСНГК, включая п-ов Ямал.

Основные положения диссертации докладывались и получили признание на НТС Минтрансстроя (1971, 1987 гг.), НТС Управлений Восточно-Сибирской, БАМ и Забайкальской ж.д. (1973, 1995 гг.), на международных 1, 2 и 7 научных конференциях по мерзлотоведению (г. Москва,1969г. , г. Якутск, 1973 г., г. Осло (Норвегия, 1995 г.), на совещаниях Комитета по Земляному полотну (1969 - 1980 гг.), НТС ДорНТО Сибирских транспортных строителей (1981-1986 гг.), на заседаниях Научного Совета по Криологии Земли АН СССР (РАН) (19851997 гг.) на научно-технических конференциях МИИТа, НИИЖТа, Ленгипротранса, МГИ, на региональных и Всесоюзных научно-технических конференциях и совещаниях Академии наук СССР и Академии транспорта (1991-1996 г.г.), в Северо-Западном филиале академии железных дорог Китая (CARS) ( 1995 г) и др.

Основные результаты исследований опубликованы автором в 104 печатных работах, в том числе 5 монографиях и учебных пособиях, 25 нормативных и нормативно-методических документах и защищены 72 (авторскими свидетельствами) и патентами на изобретения.

Одна работа отмечена Государственной премией СССР в области науки и техники (1986 г.), четыре