Лекция. ТРАССИРОВАНИЕ В РАЙОНАХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Климатические особенности областей распространения многолетнемерзлых грунтов (вечной мерзлоты), а также строительные свойства грунтов и процессы, происходящие в них при промерзании и оттаивании, создают специфические условия для строительства и эксплуатации железных дорог [116]. Эти условия должны учитываться как при трассировании, так и при проектировании отдельных сооружений и устройств дороги (см. приложение 14).
Трассирование в районах распространения таких грунтов на любой стадии изысканий основывается на широкой инженерно-геологической съемке и на инженерно-геологической разведке отдельных участков. Изыскания должны обеспечить:
выбор наиболее благоприятного в мерзлотно-грунтовом отношении местоположения трассы и отдельных сооружений, а также возможность осуществления мероприятий, направленных на обеспечение устойчивости сооружений;
назначение конструктивных элементов земляного полотна;
определение несущей способности грунтов основания, выбор типа фундаментов и назначение глубины их заложения;
учет возможных изменений мерзлотно-грунтовых условий во время возведения железнодорожных сооружений и последующей эксплуатации линии (повышение или понижение поверхности многолетнемерзлых грунтов, изменения несущей способности грунтов при переходе в талое состояние, изменение режима подземных вод и т. д.).
Объем сведений по стадиям изысканий, а также методика их сбора приведены в приложении к техническим указаниям.
Для правильной и полной оценки топографических, мерзлотно-грунтовых и гидрогеологических условий в районах распространения многолетнемерзлых грунтов изыскания следует проводить как в летнее, так и в зимнее время.
В зимний период обследуют наледные явления, процессы пучения, условия снегозаносимости, источники водоснабжения и переходы рек (бурение со льда), мари и участки с переувлажненным деятельным слоем, осуществляя проходку разведочных выработок методами промораживания грунта и т. п.
После выбора основного направления железнодорожной линии в районе ее трассы желательно наметить места расположения специальных мерзлотно-метеорологических и снегозащитных станций, размещая их, как правило, вблизи площадок участковых станций и в местах, характерных по мерзлотно-грунтовым и климатическим условиям для всей линии или для значительного ее протяжения.
Работа станций должна быть организована в период изысканий для проектного задания и рабочего проектирования и продолжаться при эксплуатации линии.
Выбор направления и укладка трассы. При выборе направления линии в районах распространения многолетнемерзлых грунтов по имеющимся картографическим материалам в первую очередь намечаются места переходов больших рек, водоразделов и расположение крупных деповских станций, затем рассматриваются возможные принципиальные варианты трассы: водораздельные, долинные или смешанные.
На принятом направлении обследуются участки возможного залегания подземных льдов и намечаются варианты их обхода.
Приемы трассирования в условиях многолетней мерзлоты должны учитывать характер залегания последней, а именно:
в областях островного распространения, когда отдельные гнезда многолетнемерзлых грунтов являются следствием ее деградации и сохраняются на дне глубоких долин, на заторфованных участках и террасах, трасса должна укладываться по возможности вне заторфованных мест, исходя из общих топографических и инженерно-геологических данных
в областях многолетнемерзлых грунтов с наличием острово в-т а л и к о в, располагающихся обычно по течениям непромерзающих рек, у выходов глубинных ключей и по склонам, обращенным на юг, наиболее благоприятными для трассирования являются надпойменные и первые террасы, если они сложены песками и галечниками, а также склоны южной экспозиции, если они не поражены наледями и оползнями.
Для оценки влияния наледей и оползней на выбор варианта трассы необходимы подробные гидрогеологические обследования, позволяющие судить о способах и стоимости каптажа грунтовых вод, вызывающих их появление. Должна быть учтена также вероятность повышения температуры грунтов после обжитая района, расширение пространств, занятых таликами, и понижение верхней поверхности вечной мерзлоты;
в областях сплошного залегания многолетне-мерзлых грунтов (вечной мерзлоты), когда массивы последней разделены лишь узкими таликовыми щелями, совпадающими с течением крупных рек, данные изысканий должны обосновать выбор склона долины при спуске с перевала, проложение трассы по долинам вольным ходом, трассирование по водоразделу и сравнительную оценку водораздельных и долинных ходов.
При укладке трассы учитываются следующие условия и признаки: лито-логические, мерзлотные, морфологические и гидрогеологические, стратиграфические и тектонические, ориентация склонов и растительный покров.
При оценке литологических условий отдают предпочтение даже за счет некоторого удлинения линии участкам с наличием песчаных, галечниковых, щебенистых грунтов или скальных пород, покрытых малым слоем рыхлых отложений; можно считать приемлемыми супеси и легкие непылеватые суглинки. Необходимо избегать укладки трассы по пылеватым грунтам (>50% пыле-ватых частиц), а также по илистым наносным образованиям, которые часто характеризуются голубоватым и зеленоватым цветом и запахом сероводорода при оттаивании. В тех случаях, когда благоприятные (песчаные, галечниковые, щебенистые) грунты прикрыты пылеватыми суглинками или торфяно-моховым слоем, должна быть рассмотрена возможность и стоимость снятия последних в отвал для заложения резервов и карьеров в нижележащих слоях.
Мерзлотные и гидрогеологические условия на участках, сложенных рыхлыми породами, характеризуются наледями и разнообразными буграми пучения. Участков, где наледи и бугры пучения вызваны глубинными (межмерзлотными и подмерзлотными) водами, следует избегать, так как выходы вод часто мигрируют и каптаж их затруднен.
Отдельно расположенные наледи и бугры, образованные надмерзлотными водами, не должны служить поводом к изменению направления трассы железной дороги, но если они встречаются в виде скоплений и трасса проходит через них или в непосредственной близости от них, то такой вариант следует отклонить. Отрицательным показателем является наличие линз чистого льда и вообще высокая льдонасыщенность толщи многолетнемерзлых грунтов, глубокое залегание верхней поверхности которой более благоприятно для земляного полотна, чем мелкое.
При трассировании по участкам, сложенным скальными породами, решающим являются характер "и степень выветривания, определяющие крутизну и устойчивость откосов выемок, так как физико-механические свойства скальных пород практически не зависят от температуры. Однако необходимо учитывать, что для районов сурового климата типично глубокое и неравномерное выветривание, причем некоторые породы, будучи разрушенными, производят впечатление крепких. Кроме того, после изменения температурного режима в связи с постройкой дороги цементирующий породу лед может растаять и устойчивость массива нарушится.
Растительный покров служит хорошим показателем для оценки местности: низкие температуры грунта и наличие мерзлоты угнетают растительность, стволы деревьев становятся невысокими, сбежистыми и свилеватыми; в районах многолетней мерзлоты преимущественное распространение имеет лиственница.
Ель приурочивается к прогреваемым речникам и зонам выходов источников. Сосна, как правило, встречается на хорошо дренированных элювиальных и делювиальных слоях и преимущественно на хорошо прогреваемых склонах, обращенных на юг. Участки соснового леса среди массивов лиственницы выделяются темными пятнами на аэроснимках и в большинстве случаев служат признаками хорошего прогревания грунтов, сравнительно глубокого залегания верхней границы мерзлоты, преобладания крупнозернистых фракций, низкого уровня грунтовых вод и вообще благоприятных условий строительства. Признаками такого же порядка служит отсутствие кустарниковых зарослей.
Выбор склона долины при спуске с перевала должен производиться с учетом особенностей, связанных с их экспозицией.
Склоны южной экспозиции характеризуются меньшим развитием наледных явлений и бугрообразования и относительно большей сухостью по сравнению со склонами северной ориентации. Они более пригодны для сельского хозяйства, огородничества и для создания пристанционных поселков.
К недостаткам склонов южной экспозиции относятся: большая крутизна, относительно большое развитие оползневых явлений, большая расчлененность рельефа и более интенсивный ливневой сток. Кубатура земляных работ обычно здесь больше, чем на северных склонах. Мощные глубинные ключи выходят на дневную поверхность также преимущественно на склонах, обращенных на юг.
Грунты склонов северной экспозиции содержат значительно больше ледяного цемента как в рыхлых, так и в скальных породах, пронизанных жилами льда, сохраняющегося под покровом мха. Однако нарушение естественного режима природы проведением железной дороги оказывается на склонах, обращенных на север, в более стремительных и бурных формах, чем на склонах южной экспозиции.
Учитывая изложенное, можно сделать следующие выводы:
влияние экспозиции уже отражено природой на литологических, мерзлотных и гидрогеологических свойствах каждого склона, поэтому изучение и учет этих свойств в проектных решениях и при сравнении вариантов являются задачей изысканий и проектирования;
при равенстве строительных и эксплуатационных факторов следует предпочесть вариант, проходящий по склонам южной экспозиции;
при первоначальных прикидках, когда техническая и естественно-историческая характеристики долины еще не выявлены, рекомендуется принимать склон, обращенный на юг, как более желательный;
безусловные и крупные преимущества приобретает также южная экспозиция при выборе мест расположения деповских и участковых станций с большим населением.
Трассирование по широким долинам сводится к выбору варианта наиболее выгодного по совокупности топографических и грунто-во-мерзлотных факторов. Наиболее оптимальным решением, как 1 правило, является укладка трассы по второй и третьей террасам, так как надпойменная (первая терраса) и пойма часто содержат чередующиеся образования подземных льдов и наносов с большим содержанием пылеватых частиц и перерезаются староречьями, заполненными на большую глубину илистыми, пылева-тыми и торфянистыми грунтами, обычно замаскированными с поверхности марями. Линию следует располагать вблизи бровки, обращенной к реке, где грунты обычно дренированы и верхняя поверхность вечной мерзлоты залегает сравнительно глубоко.
Пойменные варианты могут быть удовлетворительными, когда мари подстилаются гравием или галечником при отсутствии староречий и когда много-летнемерзлые грунты не носят следов деградации и имеют температуру порядка —1,5 —2° или ниже, т. е. позволяют рассчитывать на сохранение их под полотном и сооружениями железной дороги. Особенно внимательно мерзлотные обследования необходимо проводить на участках расположения раздельныхпунктов, так как при обжитии здесь могут начаться наледные и бугрообра-зовательные процессы.
При трассировании следует избегать нижней части делювиальных шлейфов, когда последние сложены из пылеватых грунтов с большим количеством гумуса, а также не укладывать линию в непосредственной близости от подошвы склонов, опасных в отношении снегозаносимости и наледеобразования, относя ее от подошвы косогора на расстояние до 50—60 м в зависимости от местных условий. Приближение трассы к подошве склона, в особенности коренного, может быть допущено только после его внимательного изучения (желательно путем зимнего обследования).
Нельзя допускать укладку трассы по участкам залегания подземных льдов, за исключением случаев, когда будет доказана невозможность или нецелесообразность переноса ее по технико-экономическим соображениям на другое место, где подземные льды отсутствуют, и когда в проекте предусмотрены мероприятия, обеспечивающие защиту подземных льдов от протаивания, устойчивость сооружений и безопасность эксплуатации железной дороги.
Надо учитывать, что переходы рек на плёсах в мерзлотном отношении предпочтительнее, чем на перекатах.
При трассировании по марям необходимо считаться с их типом. По торфянисто-моховой мари укладка трассы допустима при мощности насыпного грунта (включая просевшую часть насыпи) не менее 1,5 м, высоте насыпи — не менее 1 м и соотношении между мощностью насыпного грунта и высотой слоя уплотненного талого торфа в основании насыпи не менее 2:1.
На марях травяной кочки укладка трассы допустима при условии достаточной высоты насыпи (1,5—2 м) и осушении межкочковых пространств. Отсыпка земляного полотна желательна из крупнозернистых грунтов.
Могильниковые мари требуют тщательного водоотвода из межбугровых впадин и отсыпки полотна дренирющими грунтами. Минимальная высота насыпей около 2 м.
Травяно-моховыемари, развитые на склонах, сложенных рыхлыми образованиями, часто связаны с развитием оползневых явлений, поэтому укладка трассы по ним нежелательна. При невозможности избежать травяно-моховую марь необходимо предусмотреть ее глубокую просушку.
На марях и торфяниках рекомендуется избегать выторфовывания, заменяя его соответствующим увеличением высоты насыпи.
Напряженный спуск по склонам и продольно-водораздельные хода. При трассировании напряженных пусков необходимо пользоваться указаниями, изложенными выше. Кроме того, следует избегать так называемых структурных террас, образованных подвижками делювия, и максимально вписываться в рельеф местности, чтобы меньше нарушать существующий режим подземных вод.
При обследовании водораздельных вариантов рекомендуется учитывать, что узкие водоразделы со сравнительно крутыми склонами, обычно сложенные песчаными разностями, вполне пригодны для проведения железной дороги. Обширные и плоские водоразделы, как правило, характерны пестротой в лито-логическом и геоморфологическом отношении и в большинстве случаев неблагоприятны для укладки трассы.
В процессе изысканий в таких районах следует:
искать грунты, обладающие возможно меньшей пылеватостью, имея в виду, что на отдельных участках плоских водоразделов содержание пылеватых частиц достигает 95%;
использовать план линии для обхода мест распространения бугров и термокарста;
выяснить возможность сохранения мерзлоты под полотном железной дороги и отдельными сооружениями.
Независимо от характера варианта трассу следует, как правило, укладывать насыпями. Особенно выемки следует избегать в грунтах с повышенной влажностью, пылеватых и с большим содержанием льда, а также на снегозано-симых участках и в местах развития наледей, не следует прорезать выемками шлейфы делювия, а также илистые породы.
При неизбежности проектирования выемок необходимо:
в рыхлых грунтах сочетать план и профиль линии так, чтобы подошва выемок не попадала в толщу многолетней мерзлоты;
в случае близости скальных грунтов укладывать трассу так, чтобы полотно располагалось на коренной породе (а не в делювии).
Учитывая, что районы распространения вечной мерзлоты, как правило, являются снегозаносимыми и изобилуют продуктами выветривания горных пород, при трассировании и проектировании железных дорог следует внимательно относиться к требованиям, изложенным в п. 12 настоящей главы, а также рассмотреть целесообразность проектирования тоннелей в местах наличия действующих осыпей и россыпей.
Выбор мест для раздельных пунктов. Площадки раздельных пунктов по возможности следует размещать на сухих или поддающихся осушению участках, сложенных песчаными и галечниковыми грунтами, и на склонах южной экспозиции, обеспечивающих как устойчивость станционных сооружений, так и благоприятные условия быта работников дороги. Участковые станции с деповским хозяйством желательно располагать вблизи перехода трассой крупных рек.
При невозможности обеспечить указанные условия на всей станционной территории лучшие участки в ее пределах должны быть отведены под локомотивное и вагонное хозяйство, электростанции, водонапорные башни и др., в соответствии с чем должна разрабатываться схема станции.
Станционный поселок может располагаться в пределах 1—1,5 км от крайних станционных путей с устройством автодороги, обеспечивающей круглогодичную связь со станцией. Такое расположение поселка должно быть обосновано в проекте.
Методы проведения изысканий. На изысканиях для выбора направления и основных технических параметров линии следует широко применять аэрофотосъемку с инженерно-геологическим и мерзлотно-грунто-вым дешифрированием аэроснимков. Для подробного дешифрирования растительности, мерзлотных форм и микрорельефа обычную плановую аэрофотосъемку желательно дополнять спектрозональной.
На изысканиях для проектного задания и рабочих чертежей особенно важное значение приобретают детальные инженерно-геологические и мерзлотно-грунтовые обследования с бурением, шурфованием и лабораторными исследованиями грунтов согласно ВСН 61-61, приложения 1 и 2 [116].
При закреплении трассы необходимо учитывать процессы, протекающие в деятельном слое. Конструкция постоянных грунтовых реперов, а также выбор мест их закладки приведены в ВСН 61-61, приложение 3. Кроме специальных реперов, в качестве последних могут служить также обычные чугунные марки, закладываемые на скалах, цоколях каменных зданий, устоях мостов и т. д. При этом необходимо удостовериться, что осадка этих зданий и сооружений уже закончилась и они являются надежным основанием для репера.
В местах расположения специальных мерзлотно-метеорологических станций должно устанавливаться не менее трех взаимоконтролируемых постоянных реперов.