Особенности инженерных изысканий в районах распространения вечной мерзлоты на примере проекта «Северный широтный ход»

ПРОБЛЕМАТИКА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

УДК 625.11

Особенности инженерных изысканий в районах распространения вечной мерзлоты на примере проекта «Северный широтный ход»

Н. Н. Богомолова, И. Н. Журавлев

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Для цитирования: Богомолова Н. Н., Журавлев И. Н. Особенности инженерных изысканий в районах распространения вечной мерзлоты на примере проекта «Северный широтный ход» // Бюллетень результатов научных исследований. - 2020. - Вып. 1. - С. 5-14. DOI: 10.20295/2223-9987-2020-1-5-14

Аннотация

Цель: Изучение «Северного широтного хода» - комплекса мероприятий по реконструкции существующих и строительству новых участков железнодорожной инфраструктуры «Обская-Салехард-Надым». Методы: Для рационального проектирования и строительства транспортного комплекса в условиях вечной мерзлоты были проведены детальные инженерно-технические изыскания. Для выполнения априорной оценки точности геодезических наблюдений был применен метод наименьших квадратов. Результаты: Рассмотрены методы и приборы, применяемые при производстве изысканий, проанализирована возможность использования высокоточных электронных тахеометров при организации геодезических изысканий мостового перехода через р. Обь. Также описаны специальные виды работ, производимые в рамках инженерных изысканий в условиях вечной мерзлоты, такие как исследования почв, бурение разведочных скважин, определение физико-механических свойств грунтов и др. Практическая значимость: Выявление участков территории с наиболее благоприятными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями в районе вечной мерзлоты позволяет организовать мониторинг деформаций мостовых сооружений и оснований железнодорожной насыпи.

Ключевые слова: Инженерные изыскания, вечная мерзлота, геодезические наблюдения, мониторинг деформаций, предрасчет точности.

Введение

Северный широтный ход (СШХ) - комплекс мероприятий по реконструкции, усилению существующих и строительству новых участков ин-

фраструктуры железнодорожного транспорта «Обская-Салехард-Надым». Целесообразность проекта объясняется необходимостью обеспечения вывоза нефтегазовых грузов, с которым не справляется Транссибирская магистраль, функционирующая на пределе провозных и пропускных способностей.

Реализацию данного проекта обеспечат три участника: ОАО «РЖД», ОАО «Газпром» и ПАО Ямало-Ненецкий автономный округ (ЯНАО) [1].

Сооружение нового участка «Обская-Салехард-Надым» впервые в российском железнодорожном строительстве будет выполнено в рамках концессионного соглашения.

Протяженность СШХ составит около 1255 км железнодорожной инфраструктуры, из них 395 км относится к новому строительству. Общая стоимость проекта оценивается в 471,9 млрд руб., сроки его реализации -2018-2022 гг.

Ретроспектива проекта СШХ берет начало в 1970-х годах. Именно тогда ОАО «Ленгипротранс» выполнял комплекс проектно-изыскатель-ских работ под названием «Восстановление железнодорожной линии Ла-бытнанги-Салехард-Игарка. Участок Лабытнанги-Салехард-Надым» для освоения Медвежьего газового месторождения, строительства и эксплуатации газопровода «Северное сияние» (Медвежье-Надым-Салехард-Чум-Ухта). В 1985 г. началось строительство самой северной в мире железной дороги Лабытнанги-Бованенково. С 2003 г. возникла потребность в создании полноценной магистрали, и на базе ОАО «РЖД» и ЯНАО была организована ОАО «Ямальская железнодорожная компания».

В настоящее время существуют два действующих подхода к проектируемому СШХ, требующих усиления: «Коноша-Лабытнанги» и «Корот-чаево-Тюмень» и два слабо функционирующих участка: «Надым-Панго-ды» и «Пангоды-Новый Уренгой-Коротчаево», которым необходима реконструкция [2].

Сооружение нового участка «Обская-Салехард-Надым» является уникальным, поскольку имеющийся опыт не применим к сложным условиям строительства в природных зонах Западной Сибири. Трасса СШХ вытянута в широтном направлении и проходит вдоль северного Полярного круга преимущественно с его южной стороны. Климат рассматриваемой территории резко континентальный с суровой продолжительной зимой (180 дней), короткими переходными сезонами. Суровость климата дополняет близость Карского моря. Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом составляет более 220 дней. Климатические условия, чрезвычайно разветвленная гидрографическая сеть из полноводных рек, многочисленных озер и болот, особенно сильно проявляющих себя в период снеготаяния, а также повсеместное распространение многолетнемерз-

лых и тонкодисперсных отложений предопределяют неблагоприятные инженерно-геологические условия для любого вида строительства.

Для рационального проектирования и строительства транспортного комплекса в условиях вечной мерзлоты были выполнены детальные инженерно-технические изыскания. Рассмотрим подробнее результаты инженерно-геологических и инженерно-геодезических изысканий района строительства.

Анализ особенностей выполнения инженерно-технических изысканий в районах Крайнего Севера

Описываемый район расположен в тундровой и лесотундровой зонах. Поскольку значительная часть изучаемой территории является заболоченной, пункты опорной геодезической сети (ОГС) были закреплены попарно в местах круглогодичного подъезда, за пределами зоны строительства.

Отдельным видом работ при выполнении геодезических изысканий стало определение максимальной глубины протаивания в области много-летнемерзлых пород с применением бурения и шурфования. Устойчивость ОГС была обеспечена закреплением нижней части центра пунктов с якорем в многолетнемерзлых грунтах.

В районе изысканий насчитывается более 400 рек длиной от 10 км. В период строительства инфраструктуры СШХ планируется возведение 9 мостовых сооружений. С целью составления морфометрических профилей для проектирования мостовых переходов было выполнено полевое трассирование с выносом пикетных точек морфостворов на местности. Установление координат и высот точек морфометрических профилей дна реки, водоемов, затопленных территорий и сухопутных участков производилось с шагом 30 м с использованием водного транспорта в летний период [3].

Основной гидрологической характеристикой при проектировании мостовых переходов являются наивысшие уровни воды, наиболее трудно выявляемые в условиях изучаемого района ввиду нарушения их зависимости от заданных обеспеченных расходов в период весеннего половодья. В это время проходит до 90 % годового стока, а также наблюдаются максимальные расходы уровня воды, вследствие чего традиционные методы определения уровней высоких вод на рассматриваемой территории могут быть применены с некоторыми ограничениями лишь на реках с площадью водосборов более 100 км . Эти негативные факторы потребуют в последующий период производства любых, даже кратковременных, наблюдений на реках района [4].

В рамках реализации проекта планируется возведение уникального

моста через Обь - самую большую по площади бассейна реку в России. Наличие многолетнемерзлых грунтов, распространение карста, слабая гидрологическая изученность района, продолжительный ледостав, торфообра-зование, а также размеры мостового перехода обусловливают необходимость организации мониторинга деформаций сооружения. Рассмотрим далее возможность применения высокоточных электронных тахеометров для наблюдений за деформациями металлических конструкций моста в период его эксплуатации.

Для формулирования требований к точности определения деформаций обратимся к нормативным документам. Согласно [5], деформации несущих металлоконструкций следует определять со средней квадратической погрешностью не более 0,2 величины отклонения, допускаемого проектом или строительными нормами. В соответствии с [6] допустимые отклонения от проекта отметок опорных узлов, ферм и ригелей составляют ±20 мм; допустимое расстояние между осями ферм по верхнему поясу также не должно превышать ±15 мм. Таким образом, допустимая средняя квадрати-ческая погрешность (СКП) измерения деформаций металлоконструкций относительно опорных геодезических пунктов составит:

- СКП вертикальных перемещений Мв = 0,2 • (±20) = ±4 мм;

- СКП горизонтальных перемещений Мг = 0,2 • (±15) = ±3 мм.

Однако требования, изложенные в [6], не ранжируют допуск на отклонение от проектного положения металлоконструкции в зависимости от протяженности ее пролёта, поэтому в качестве руководящего документа, по нашему мнению, при назначении точности геодезических наблюдений за деформациями большепролётных металлоконструкций следует принять [7]. В соответствии с ней измерения планово-высотных деформаций металлоконструкций большепролётных сооружений (покрытие которых выполнено с применением конструкций длиной более 36 м) нужно производить с СКП ±5 мм. Тогда СКП определения отметок и координат деформационных марок относительно исходных пунктов в каждом цикле не должна превышать

5 мм 5 мм

тН =—^ = 3,6 мм, тгу =—= 3,6 мм.

Н 42 х,у 42

Тогда погрешность определения положения тр деформационной марки будет 5 мм. Известно, что на эту погрешность влияют погрешности исходных данных и погрешности измерений

V? 2 тР + тР

1 исх 1 изм

где тр - погрешности исходных данных; тр = тПС - погрешности

^исх -*изм и^

измерений равны погрешности тПС полярного способа.

Будем считать, что погрешности исходных данных при определении положения деформационных марок пренебрежимо малы по сравнению с погрешностями измерений. Для реализации данного принципа СКП пунктов исходной сети примем в 3 раза меньше требуемой точности измерений относительно исходной сети. На основании этого запишем

тР

т0 =

(10

тР =

т

р.

1 исх 3 р V 9

Воспользуемся вычисленным значением 5 мм и получим величину СКП измерений:

т,

= 4,8 мм.

Найдем значение СКП пунктов ОГС:

4,8

тР =

3

= 1,6 мм.

Рассчитаем величину СКП определения координат х и у по известной формуле

тх =

ту =

(дх 1 2 т] + (дх 1 кда у 2 1 2 1 т — а 2 ' Р

(ду 1 2 ^ + кда у 2 1 2 1 т — та р2,

где Ш] и та - соответственно СКП линейных и угловых измерений; ] -

измеренное расстояние; р - число секунд в радиане.

После нахождения частных производных имеем, что

тПС =

А

2 . г2 2

т + ] т

1

р

В соответствии с принципом равного влияния линейных и угловых погрешностей запишем

т

ПС

= 42\

т.

т

ПС

= л!2йта —.

Р

Исходя из условия, что тПС = 4,8 мм, вычислим погрешности определения расстояния и дирекционного угла при удаленности деформационной марки от наблюдателя, равной 1200 м (половина длины мостового перехода в русловой части), и сформируем требования по точности к электронному тахеометру. Получим следующие величины:

4,8 • 206 265

тв =

тПСР 2й

2 -1200 000

= 0,4",

изм

тПС 4,8 _ .

md = VT = V? = 3'4 ММ'

Таким образом, для обеспечения изложенных ранее требований при определении горизонтальных и вертикальных перемещений большепролётных несущих металлоконструкций необходимо применение электронных тахеометров угловой точности 1 с при выполнении измерений в несколько приемов. Для обеспечения требуемой точности предлагается выполнить по два наблюдения деформационных марок с каждого берега.

Далее сформулируем требования к точности определения вертикальных перемещений при реализации метода геометрического нивелирования.

Ранее было установлено, что СКП слабого пункта геодезической высотной основы mH не должна превышать 3,6 мм. Проверим, выполняется ли для этого пункта условие mH < 3,6 мм при реализации геометрического нивелирования по программе III класса. Допустимая невязка для нивелирования III класса вычисляется по формуле

fh < 10 мм 41,

где 10 мм - предельная допустимая погрешность на 1 км хода.

Тогда СКП определения превышения на 1 км хода будет в 2,5 раза меньше и составит 4 мм.

Считая, что нормальная длина луча визирования не превысит 75 м, получим, что 1 км хода будет состоять из 7 станций. Отсюда СКП определения превышения на станции будет равна 1,5 мм, при этом СКП наиболее слабого пункта для хода длиной 2,4 км, на котором расположены 16 станций, будет 1,5а/8 = 4,2 мм. После уравнивания СКП наиболее слабого пункта будет в 2 раза меньше - 2,1 мм. Эта величина вполне соответствует заданным требованиям.

Таким образом, для организации геодезического мониторинга мостового сооружения в период его возведения и эксплуатации могут быть применены высокоточные электронные тахеометры, что значительно экономичнее использования автоматизированных систем мониторинга при сохранении удовлетворения требований к точности наблюдений [8-14].

К существенным факторам, влияющим на развитие деформаций конструкций мостового сооружения, относятся агрессивность вод и характер заторфованности района строительства, так как характерной особенностью территории является большое количество болот. По результатам изысканий выявлены площади пучения в обширных термокарстовых понижениях и на участках верховых болот. Установлено, что имеющиеся торфы залегают на минеральном основании различного литологического состава, чаще на глинистых слабоводопроницаемых грунтах [8]. Анализ полевых исследований показал, что в случае невозможности полного удаления и за-

мены торфов в основании сооружения использование их возможно только при условии прорезки сваями торфяной толщи на полную мощность и сохранения торфов в твердомерзлом состоянии в процессе всего периода эксплуатации сооружения.

Всего в период производства инженерно-геологических изысканий было пробурено более 1500 скважин. В лабораторных условиях был выполнен комплекс анализов для определения физико-механических характеристик грунтов, химического состава грунтов и подземных вод. Была выявлена их агрессивность по отношению к конструкциям из бетона, железобетона и углеродистой стали.

На участках мостовых переходов, где основание подходных насыпей сложено талыми грунтами, для оценки несущей способности грунтов на глубину изучаемого разреза производилось статическое зондирование.

Согласно [9], район изысканий относится к области несплошного распространения многолетнемерзлых грунтов. Многолетняя мерзлота имеет островной характер и неоднородное строение как в плане, так и в разрезе. Было установлено, что вскрытая мощность многолетнемерзлых пород в пределах участка работ достигает 39,5 м [4]. На всем протяжении изученного участка наблюдаются достаточно низкие по абсолютной величине отрицательные температуры грунтов. Это свидетельствует о том, что любое незначительное изменение температурного режима при возведении сооружений может способствовать деградации мерзлоты и развитию термокарстовых процессов [4].

Заключение

Комплексные инженерные изыскания, выполненные на территории строительства СШХ, лягут в основу проектирования уникальной железнодорожной магистрали. Выявлены важные аспекты проектирования: наличие многолетнемерзлых грунтов, распространение карста, слабая гидрологическая изученность района, продолжительный ледостав, торфообразова-ние и др. Расчеты и опыт натурных обследований показали, что в условиях рассматриваемого региона можно обеспечить формирование мерзлоты.

Результаты выполненных инженерно-технических изысканий дают возможность разработать рекомендации по обеспечению устойчивости основания земляного полотна, спрогнозировать величины ожидаемых вертикальных деформаций, а также предотвратить возникновение недопустимых упругих деформаций насыпи при движении подвижного состава. Материалы изысканий позволят организовать эффективный геотехнический надзор и деформационный мониторинг в период строительства и эксплуатации инфраструктуры СШХ.

Библиографический список

1. Бизнес-план проекта «Создание Северной широтной железной дороги Обская-Салехард-Надым-Пангоды-Новый Уренгой-Коротчаево» и железнодорожных подходов к нему». - М.: ОАО «РЖД», 2017. - 190 с.

2. Сайт компании Vostock Capital - Ключевые Ямальские месторождения. -URL: https://www.vostockcapital.com/geologorazvedka/klyuchevyie-mestorozhdeniya-yamala (дата обращения: 27.01.2017 г.).

3. Технический отчет по результатам инженерно-геодезических изысканий. - М.: ООО «Геоаспект», 2018. - С. 12-13.

4. Технический отчет по результатам инженерно-геологических изысканий участка Салехард-Надым. - М.: ООО «Транспроект», 2018. - С. 22-23.

5. МРДС 02-08. Пособие по научно-техническому сопровождению и мониторингу строящихся зданий и сооружений, в том числе большепролётных, высотных и уникальных. - М.: Росстрой, 2008. - 76 с.

6. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. - Актуализ. ред. СНиП II-23-81*. -М.: Стандартинформ, 2019. - 140 с.

7. МДС 13-22-2010. Методика геодезического мониторинга технического состояния высотных и уникальных зданий. - М.: ОАО «ЦПП», 2010. - 76 с.

8. Афонин Д. А. Проектирование геометрических параметров наземного лазерного сканирования при контроле деформаций зданий и сооружений в условиях плотной застройки / Д. А. Афонин // Геодезия и картография. - 2013. - № 2. - С. 2-9.

9. Брынь М. Я. Геодезический мониторинг объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта спутниковыми методами / М. Я. Брынь, Е. Г. Толстов, А. А. Ни-китчин // Транспорт Российской Федерации. - 2010. - № 4 (29). - С. 58-60.

10. Брынь М. Я. Инженерная геодезия и геоинформатика: учебник / М. Я. Брынь, Г. С. Бронштейн, В. Д. Власов и др. - М.: Акад. проект; Фонд «Мир», 2012. - 484 с.

11. Брынь М. Я. Спутниковые методы геодезии: учеб. пособие / М. Я. Брынь, А. А. Никитчин. - СПб.: ПГУПС, 2017. - 83 с.

12. Брынь М. Я. Геометрическое нивелирование IV класса: учеб. пособие / М. Я. Брынь, Е. С. Богомолова, Д. В. Крашеницин. - СПб.: ПГУПС, 2012. - 58 с.

13. Жинкин Г. Н. Особенности строительства железных дорог в районах распространения вечной мерзлоты и болот: учеб. пособие / Г. Н. Жинкин, И. А. Грачев. - М. : ЖДТ, 2000. - 420 с.

14. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть 4. Правила работ на участках вечной мерзлоты. - М.: Госстрой России, 1999. -42 с.

Дата поступления: 28.11.2019 Решение о публикации: 06.12.2019

Контактная информация:

БОГОМОЛОВА Наталья Николаевна - канд. техн. наук, доцент; nbogomolova@pgups.ru ЖУРАВЛЕВ Игорь Николаевич - канд. техн. наук, доцент; oldmasterplus@mail.ru

Specific features of engineering surveys in permafrost areas illustrated through the example of the Northern Latitudinal Railway project

N. N. Bogomolova, I. N. Zhuravlev

Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation

For citation: Bogomolova N. N., Zhuravlev I. N. Specific features of engineering surveys in permafrost areas illustrated through the example of the Northern Latitudinal Railway project. Bulletin of scientific research results, 2020, iss. 1, pp. 5-14. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2020-1-5-14

Summary

Objective: To study of the Northern Latitudinal Railway - a set of measures aimed at reconstructing the existing and constructing the new sections of the Obskaya-Salekhard-Nadym railway infrastructure. Methods: For a rational design and construction of a transport complex in permafrost conditions, thorough engineering and technical surveys have been carried out. To perform an a priori estimation of the accuracy of geodetic observations, the method of least squares has been applied. Results: The methods and instruments used in the surveys have been examined, the possibility of using high-precision electronic total stations for the management of geodetic surveys of the Ob River crossing has been analyzed. The article also describes special types of work carried out as part of engineering surveys in permafrost conditions, such as soil investigation, exploratory drilling, determining the physical and mechanical properties of soils, etc. Practical importance: Identification of areas with the most favorable geotechnical and hydrogeological conditions in the permafrost region allows monitoring the deformations of bridge structures and the bases of railway embankment.

Keywords: Engineering surveys, permafrost, geodetic observations, deformation monitoring, accuracy precalculation.

References

1. Business plan of the project "Creation of the Obskaya-Salekhard-Nadym-Pangody-Novy Urengoy-Korotchaev " o Northern Latitudinal Railway and railway accesses to it. Moscow, JSC RZD Publ., 2017, 190 p.

2. Klyuchevyye Yamal'skiye mestorozhdeniya [Key Yamal deposits]. Vostock Capital. Available at: https://www.vostockcapital.com/geologorazvedka/klyuchevyie-mestorozhdeniya-yamala

3. Tekhnicheskiy otchet po rezul'tatam inzhenerno-geodezicheskikh izyskaniy [Technical report on the engineering and geodetic survey]. Moscow, Geoaspekt LLC Publ., 2018, pp. 12-13.

4. Tekhnicheskiy otchet po rezul'tatam inzhenerno-geologicheskikh izyskaniy uchastka Salekhard-Nadym [Technical report on the engineering and geological survey of the Salekhard-Nadym section]. Moscow, Transproyekt LLC Publ., 2018, pp. 22-23.

5. MRDS [Regulatory Guidance Documentation in Construction] 02-08. Posobiye po nauchno-tekhnicheskomu soprovozhdeniyu i monitoringu stroyashchikhsya zdaniy i sooru-zheniy, v tom chisle bol 'sheproletnykh, vysotnykh i unikal 'nykh [Guide for scientific and tech-

nical support and monitoring of buildings and structures under construction, including large-span, high-rise, and unique ones]. Moscow, Rosstroy Publ., 2008, 76 p.

6. SP 16.13330.2017. Stal'nyye konstruktsii. Aktualiz. red. SNiP II-23-81* [Set of rules 16.13330.2017. Steel structures. Revised edition of SNiP [Construction rules and regulations] II-23-81*]. Moscow, Standartinform Publ., 2019, 140 p.

7. MDS [Guidance Documentation in Construction] 13-22-2010. Metodika geodezi-cheskogo monitoringa tekhnicheskogo sostoyaniya vysotnykh i unikal 'nykh zdaniy [Procedure of geodetic monitoring of the technical condition of high-rise and unique buildings]. Moscow, TsPP JSC Publ., 2010, 76 p.

8. Afonin D. A. Proyektirovaniye geometricheskikh parametrov nazemnogo lazernogo skanirovaniya pri kontrole deformatsiy zdaniy i sooruzheniy v usloviyakh plotnoy zastroyki [Designing the geometric parameters of ground-based laser scanning in the control of deformations of buildings and structures in densely built-up areas]. Geodesy and Cartography, 2013, no. 2, pp. 2-9.

9. Bryn' M. Ya., Tolstov E. G. & Nikitchin A. A. Geodezicheskiy monitoring ob"yektov infrastruktury zheleznodorozhnogo transporta sputnikovymi metodami [Geodetic monitoring of railway transport infrastructure facilities by satellite methods]. Transport Ros-siyskoy Federatsii [Transport of the Russian Federation], 2010, no. 4

10. Bryn' M. Ya., Bronshteyn G. S., Vlasov V. D. et al. Inzhenernaya geodeziya i geoinformatika [Engineering geodesy and geoinformatics]. Textbook. Moscow, Akade-micheskiy proyekt, Fond Mir [Academic Project, Mir Foundation] Publ., 2012, 484 p.

11. Bryn' M. Ya. & Nikitchin A. A. Sputnikovyye metody geodezii. Ucheb. posobiye [Satellite methods of geodesy. Training manual]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2017, 83 p.

12. Bryn' M. Ya., Bogomolova E. S. & Krashenitsin D. V. Geometricheskoye niveliro-vaniye IV klassa. Ucheb. posobiye [Geometric leveling of class IV. Training manual]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2012, 58 p.

13. Zhinkin G. N. & Grachev I. A. Osobennosti stroitel'stva zheleznykh dorog v rayo-nakh rasprostraneniya vechnoy merzloty i bolot. Ucheb. posobiye [Specific features of railway construction in areas of permafrost and marshes. Training manual]. Moscow, ZhDT Publ., 2000, 420 p.

14. SP 11-105-97. Inzhenerno-geologicheskiye izyskaniya dlya stroitel'stva. Chast' 4. Pravila rabot na uchastkakh vechnoy merzloty [Set of rules 11-105-97. Engineering andgeo-logical surveys for construction. Part 4. Rules for execution of works in the areas of expansion of permafrost soils]. Moscow, Gosstroy Rossii [State Committee for Architecture and Construction of Russia] Publ., 1999, 42 p.

Received: November 28, 2019 Accepted: December 06, 2019

Author's information:

Natal'ya N. BOGOMOLOVA - PhD in Engineering, Associate Professor; nbogomolova@pgups.ru

Igor' N. ZHURAVLEV - PhD in Engineering, Associate Professor; oldmasterplus@mail.ru