Щербак П.Н. Реконструкция и усиление ж.д. инфраструктуры. Учеб. пособ. 2017

ного полотна эффективно в слабых водонасыщенных болотистых грунтах. Его основное назначение – ускорение консолидации (уплотнения) основания насыпи в результате сокращения пути фильтрации воды, отжимаемой из слабой толщи при ее уплотнении. Кроме того, оно повышает сопротивляемость сдвигу и увеличивает устойчивость основания. Вертикальные дрены представляют собой скважины, заполненные песком. Диаметр скважин 0,4–0,6 м (в зависимости от применяемого оборудования). Для заполнения скважин используют песок с коэффициентом фильтрации не менее 6 м/сут.

При применении вертикальных дрен насыпь (или только ее нижнюю часть толщиной не менее 0,5 м) отсыпают из дренирующих грунтов с коэффициентом фильтрации не менее 3 м/сут. В зависимости от водопроницаемости грунта и требуемого срока стабилизации расстояние между дренами принимают от 2,0 до 4,5 м. Если мощность слабой толщи значительна (10 м и более) и довести дрены до плотных слоев грунта не представляется возможным, то применяют «висячие» сваи.

Для вертикального дренирования могут быть использованы ленточные полосы из геотекстиля. Ширина полос не менее 10 см; их толщина с учетом бокового обжатия слабым грунтом должна быть не менее 5 мм; минимальная водопроницаемость вдоль полотна 50 м/сут. Шаг дрен принимается 1–2 м (по расчету). Расчет производится с учетом особенностей грунта, заданных сроков строительства и характеристик геотекстиля. Кроме геотекстиля для вертикального дренирования используют специальные ленты из многослойного пропитанного антисептиком картона или пластмассы с продольными капиллярами.

Использование вертикальных дрен дает хороший эффект в водонасыщенных органических и минеральных сильносжимаемых грунтах мощностью не менее 4,0 м. Устраивать вертикальные дрены в плотных глинистых грунтах, а также в малоразложившемся неуплотненном слое торфа, нецелесообразно. Эффективность применения дрен повышается при наличии в слабой толще болота прослоек дренирующего грунта.

Дренирование слабой толщи может быть осуществлено и более простым способом – продольными дренажными прорезями. Применение прорезей та-

кого рода эффективно при мощности слабого слоя до 4 м и возможности сохранения в грунте слабой толщи вертикальных откосов в течение времени, необходимого для их заполнения дренирующим грунтом. Расстояние между дренирующими прорезями 1,5–3,0 м проверяется расчетом. Ширина прорезей зависит от параметров рабочего органа оборудования и составляет обычно

0,06–0,1 м.

Для повышения устойчивости и снижения осадки слабого основания насыпи устраивают грунтовые сваи. Они воспринимают часть нормативных напряжений от веса насыпи с разгрузкой и боковым обжатием слабого грунта в межсвайном пространстве. При заполнении дренирующим грунтом сваи одновременно выполняют функцию вертикальных дрен. Применение такого рода свай особенно эффективно в грунтах, обладающих структурной прочностью, так как позволяет ограничить напряжения в грунте величиной структурной прочно-

39

сти, резко уменьшить осадку и повысить устойчивость основания насыпи. Технологическая схема устройства вертикальных песчаных дрен представ-

лена на рис. 21.

Комплекс работ по усилению непосредственно основания состоит из сле-

дующих операций:

•отсыпка на поверхность слабой толщи слоя дренирующего грунта толщиной hпод (рабочего слоя);

•бурение в рабочем слое 1 скважин ямобуром 2;

•вибропогружение обсадной трубы 8 с помощью копровой установки 6 и вибропогружателя 5 на экскаваторе 7;

•извлечение из обсадной трубы торфа (гидровымыванием), замена его

спомощью экскаватора 4 на дренирующий грунт.

Рис. 21. Устройства вертикальных песчаных дрен

Для устройства вертикальных дрен используют самоходный агрегат или комплект (модуль) оборудования с краном либо экскаватором в качестве ведущей машины. Рабочим органом может служить труба с самораскрывающимся наконечником («лидером») и отверстием для загрузки песка. Однако при вдавливании «лидера» может произойти значительное уплотнение грунта по периферии дрены, в результате чего снизится проницаемость грунта. В этом случае целесообразно вести бурение скважин с удалением грунта шнеком или гидровымыванием. Так же может быть использовано оборудование для погружения обсадной трубы гидроподмывом с удалением из нее грунта методом эрлифта.

Для погружения геотекстильных, картонных и пластмассовых полос

40

применяют «лидер» кинжального типа, с подрезанием ленты на уровне поверхности.

Если грунт слабого основания представлен иольдиевыми глинами, то не рекомендуется использовать для погружения обсадных труб вибрационные и ударные методы, поскольку это может привести к мгновенному изменению структуры грунтов. В этом случае следует вести бурение скважин с извлечением грунта шнековой установкой.

2.2.3 Усиление слабых оснований насыпей железобетонными сваями

Достаточно эффективным способом усиления слабых оснований земляного полотна на болотах I и II типов является погружение в них железобетонных свай. На оголовки свай укладывают квадратные наголовники в виде железобетонных плит, перекрывающие не менее половины расстояния между сваями. Свободное расстояние между плитами-наголовниками в плане должно быть не более 1,0 м, а толщина вышележащего насыпного слоя (из дренирующего грунта) – не менее 2,0 м. Надежность конструкции повышается при укладке в нижней части насыпи армирующей прослойки (несколько слоев георешетки). Расчет свай ростверковой конструкции ведется с учетом нагрузки от насыпи, верхнего строения пути и эквивалентной нагрузки от поездов (динамического воздействия пассажирских поездов, следующих со скоростью до 200 км/ч).

В качестве примера осуществления такого рода решения для усиления основания на действующей сети железных дорог могут быть рассмотрены работы, проведенные в 1994 г. в Германии. Их выполняли в связи с переводом на скоростное движение поездов (до 160 км/ч) на двухпутной линии Берлин – Магдебург.

Земляное полотно на участке Верден – Бранденбург в конце XIX в. было отсыпано на болотистое основание, сложенное на большую глубину (от 5 до 15 м) органогенными грунтами – водо-насыщенными заиленными торфами. Слабые грунты подстилаются мелкозернистыми песками различной плотности. Существующая насыпь в течение всего срока своей эксплуатации находилась в неустойчивом состоянии, постоянно наблюдались осадки. На ликвидацию последствий осадок затрачивались большие средства.

Предварительно были рассмотрены возможные варианты усиления основания насыпи при условии сохранения движения поездов по одному из путей:

•разборка существующей насыпи и полная замена слабого грунта на дренирующий. При этом реконструкция растягивалась на длительные сроки, требовалось большое количество привозного дренирующего грунта; возникала проблема извлечения обводненного грунта и сохранения устойчивости соседнего действующего пути;

•устройство в основании вертикальных дрен (также после полной разборки существующей насыпи), ускоренная отсыпка насыпи с пригрузкой, использование в конструкции земляного полотна георешеток с засыпкой их гравием и прослоек из геотекстиля с высокой прочностью на разрыв. Однако продолжительность реконструкции продолжала оставаться большой;

41

• погружение в основание железобетонных свай.

Остановились на конструкции, представленной на рис. 22. Как уже говорилось, движение поездов по одному из путей должно вестись, но с ограниченными скоростями. Для реализации этого и предохранения от деформаций существующего пути перед началом разборки существующей насыпи реконструируемого пути по оси двухпутного земляного полотна 9 временно забивали шпунт 8.

Рис. 22. Использование свай для укрепления слабых болотистых оснований

После разборки существующей насыпи в ее основание 2, представляющее собой слабый болотистый грунт, погружали сваи 3 на глубину 10–20 м в зависимости от толщины слабого слоя и несущей способности подстилающих песчаных грунтов 1, на которые они должны опираться. (При рассмотрении варианта погружения буронабивных свай планировали использовать чугунные обсадные трубы, заполняемые цементным раствором.)

Расстояние между сваями принималось равным 2,0 м, – одинаковым как вдоль, так и поперек оси пути. На верхние части свай устанавливали железобетонные наголовники 4 заводского изготовления размером 1,0 x 1,25 м. Верхние грани наголовников делали скошенными во избежание стирания укладываемой поверх них георешетки «Фортрак» под действием динамических нагрузок. Для этой же цели между поверхностью наголовника и первым (нижним) слоем георешетки насыпали десятисантиметровый слой песка 5. Георешетку укладывали в два слоя. Нижний и средний слои поднимали с боков и откидывали назад (примерно на 1 м). В результате образовывалась ан-

42

керная прокладка, ограниченная с боков и способная выдержать горизонтальные напряжения.

Крупный песок 7 между, под и над слоями георешетки, доставляемый поездной возкой по действующему пути, уплотняли слоями до стандартной плотности по Проктору > 97 % (Купл> 0,97).

Используемая георешетка «Фортрак» имела размер ячейки 30x30 мм и относительно узкие поперечные пряди (9 или 14 мм), поэтому открытая область в ней («воздух») составляла 53 %. Большие размеры ячейки открытых пространств обеспечивали коэффициент сцепления с грунтом, равный 1,0, а сетчатая структура усиливала тело насыпи. Георешетка имела высокую прочность, так как она была выполнена из долговечного полиэстера с низкой ползучестью и имела защитное покрытие, которое уменьшало повреждения при ее установке. Трехслойная система из георешеток, перекрывая пространства наголовниками, работала как мембрана. Вместе с тем она, как плита, воспринимала вертикальные нагрузки и передавала их на верхнюю часть свай.

Проведенные в течение первых после сооружения насыпи месяцев контрольные измерения показали, что под воздействием проходящих поездов возникал некоторый изгиб «упаковки» из георешетки и песка в пространствах между наголовниками (приблизительно 31 мм), но осадки свай были незначительны (приблизительно 3 мм). Самое большое горизонтальное удлинение георешетки составило 1 %. Оба эти показателя со временем уменьшались.

Измерения также показали, что сооруженная насыпь отвечала требованиям безопасности и была пригодна к эксплуатации. Все работы по погружению свай, установке георешеток, отсыпке грунта и его уплотнению завершились в сравнительно короткие сроки.

В отечественной практике также имеется опыт использования свай для укрепления слабых болотистых оснований насыпей железных и автомобильных дорог.

2.2.4 Усиление слабых оснований насыпей втрамбовыванием скальных материалов

Укрепление слабых оснований путем втрамбовывания в него более прочного грунта или материала было довольно широко распространено при новом железнодорожном строительстве. Например, многие участки земляного полотна на Северной и Октябрьской (Мурманский ход) железных дорогах имеют в основании прослойки из скального грунта.

Для реконструкции и ремонта земляного полотна железных и автомобильных дорог в Дальневосточном государственном университете путей сообщения разработана технология «Сеткон» (сокращенное название «сетчатые контейнеры»). Она нашла применение на Дальневосточной железной дороге при замене дефектного земляного полотна (в местах интенсивных его просадок на участках распространения деградирующей вечной мерзлоты) фильтрующими насыпями и другими конструкциями из скального грунта. По нашему мнению, технология «Сеткон» может быть использована и в других районах нашей страны для увеличения несущей способности слабых оснований.

43

Конструкция насыпи с основанием, усиленным по технологии «Сеткон», приведена на рис. 23.

Рис. 23. Использование технологии «Сеткон»

Суть технологии «Сеткон» состоит в следующем:

•сортированный скальный грунт (фракции 100–500 мм) загружают механизированным способом в специальные синтетические веревочные сетчатые контейнеры (сетконы);

•заполненные сетконы перевозят на строительную площадку на платформах (в полувагонах, думпкарах);

•скальный грунт более мелких фракций выгружают из сетконов на подготовленное (спланированное, частично срезанное) основание;

•после разравнивания бульдозером и формирования слоя толщиной до 0,5 м виброкатками втрамбовывают скальный грунт и на поверхности втрамбованного слоя с помощью стреловых кранов раскладывают сетконы (формируют из них своего рода фильтрующую насыпь) и создают из них нижнюю часть насыпей 5;

•поверх них возможна расстилка нетканного синтетического материала (геотекстиля), но при этом пространства между сетконами должны быть заполнены щебнем для создания ровного основания;

•верхнюю часть насыпи полотна отсыпают дренирующим грунтом, послойно разравнивают и уплотняют с помощью экскаватора, бульдозера и трамбовочной машины.

Сетконы предназначены для погрузки, транспортировки и укладки в тело земляного полотна каменных материалов. В зависимости от специфики работ сетконы изготавливают различной формы – плоской, сферической или цилиндрической. Вместимость их от 1,2 м3 до 3,5 м3. Их можно использовать как однократно (они становятся частью конструкции), так и многократно – в каче-

44

стве технологической оснастки для производства работ.

2.2.5 Усиление земляного полотна на слабом основании без его разборки

Усиление насыпей на болотах I типа боковыми присыпками и контрбанкетами

Усиление насыпи боковыми присыпками на болотах I типа при необходимости частичного или полного удаления торфа из основания насыпи производят посекционно (участками длиной 10–15 м в зависимости от глубины траншеи, плотности и устойчивости торфа).

Работу целесообразно выполнять зимой. Промерзшая верхняя часть болота позволяет использовать экскаваторы без щитов и автосамосвалы для вывозки торфа в отвал, не применяя сланей. Засыпку траншеи и отсыпку первого слоя насыпи на 0,5 м выше уровня болота производят с «головы» вслед за выторфовыванием – во избежание просадок и сдвижек насыпи действующего пути и образования льда в траншее в зимний период. Если лед все же появляется, то он должен быть обязательно удален перед засыпкой траншеи.

Насыпи на болотах высотой до 3 м усиливают боковыми присыпками по схеме однополосного ведения работ, как это показано на рис. 24.

Рис. 24. Насыпи на болотах высотой до 3 м с боковыми присыпками по схеме однополосного ведения работ

Работы ведут захватками длиной 50 м, начиная с дальней от карьера захватки, в ее границах доводят насыпь до проектной высоты, после чего в таком же порядке переходят к следующей захватке. Автосамосвалы разворачиваются на разъездах у начала захватки и подаются на разгрузку задним ходом по торцевой части насыпи. Отсыпку каждого слоя производят в направлении от дальнего конца к началу захватки. Разравнивание и уплотнение грунта ведут следом за его отсыпкой. Работу бульдозера и грунтоуплотняющей машины

45

организуют так, чтобы разрыв между разгрузкой, разравниванием и уплотнением грунта был минимальным, а уплотнение грунта на этой части захватки заканчивалось к подходу очередного самосвала (чтобы пропустить его в конец захватки). Грунтоуплотняющую машину и бульдозер при этом отводят на смежную, ранее отсыпанную часть насыпи.

Присыпку к насыпям высотой более 3 м и контрбанкеты к ним возводят по схеме двухполосного ведения работ. Насыпи усиливают с устройством вспомогательных разъездов, отсыпаемых через каждые 50 м на высоту 0,5 м, и основных – возводимых одновременно с насыпью у концов захваток.

Возведение насыпи после отметки 0,5 м над уровнем болота начинают с ее дальнего от карьера конца и ведут одновременно на двух захватках: на одной отсыпают грунт, а на другой – разравнивают и уплотняют его. Автосамосвалы проходят от начала болота до места выгрузки грунта и обратно по насыпи с разворотом на разъезде в конце захватки, где ведется его разгрузка. Для пропуска груженых автосамосвалов встречные машины делают остановку на разъезде, ближайшем к месту скрещения.

Основные разъезды (при уплотнении насыпи катками) возводят с площадок, размеры которых позволяют разворачиваться на них каткам.

Насыпи высотой до 6 м делят на захватки длиной 200–300 м. Движение автосамосвалов и катков ведется по кольцевой схеме.

Насыпи высотой 6–12 м и протяженностью до 600 м возводят одной захваткой без устройства основных разъездов.

2.2.6 Стабилизация насыпей на болотах путем устройства подпорного контрбанкета

Общие положения

При переустройстве железных дорог под скоростное движение пассажирских поездов важной и наиболее сложной задачей является усиление земляного полотна, пересекающего заболоченные участки. В ходе длительной эксплуатации значительная их часть деформируется – возникают неравномерные осадки, просадки, перекосы, горизонтальные сдвижки пути, оползание откосов, образование трещин вдоль пути, выпирание грунта у подошвы насыпи, недопустимые упругие деформации при движении поездов.

Для приведения земляного полотна на болотах в исправное состояние необходимо прежде всего выявить основные причины деформаций, выбрать способ усиления (в том числе и на основе технико-экономической оценки) и разработать технологию его осуществления.

Наибольший эффект при решении этой задачи может быть получен при использовании неразрушающих методов предварительного обследования, контроля за процессом усиления и стабилизации земляного полотна, а также выбором прогрессивных технических решений.

Одним из методов усиления деформированного земляного полотна на болотах является устройство подпорного контрбанкета совместно с досыпкой насыпи и нарезкой продольных канав, обеспечивающих посадку «пионерных» насыпей на минеральное дно. Досыпка насыпи необходима

46

для уменьшения величины упругих осадок и приведения геометрических размеров земляного полотна в соответствие с требуемыми нормами.

Рассматриваемый метод применим для усиления насыпей, пересекающих болота I и II типа глубиной 4–6 м и более. В процессе длительной эксплуатации такие насыпи подвергались неоднократной реконструкции – уширялась основная площадка, присыпалось земляное полотно при строительстве второго пути и т.п. При этом в недостаточной степени велось послойное уплотнение грунтов, ядро насыпи формировалось в основном под воздействием поездной нагрузки.

Изменение эксплуатационных условий – повышение скоростей движения поездов, увеличение грузооборота, нагрузок на ось и других, – а также природных и техногенных условий может нарушить предельное равновесие и привести к потере устойчивости.

Признаками достаточной устойчивости при качественной оценке являются:

•соответствие геометрических конструктивных параметров земляного полотна нормативным;

•возвышение бровки земляного полотна над поверхностью болота на 1,2 м и выше;

•характеристики грунтов земляного полотна, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к насыпям на слабом основании;

•напластование грунтов, слагающих насыпь, параллельное;

•в насыпи не должно быть локальных разупрочненных зон;

•граница контакта насыпь–торф близка к горизонтальной;

•прочностные характеристики торфа в основании насыпи распределены равномерно;

•уклон минерального дна не круче 1:10.

Признаки недостаточной устойчивости насыпи:

•незавершенное уплотнение торфяных грунтов в основании насыпи;

•значительное различие плотности грунта ядра и откосов насыпи;

•различие в значениях прочностных характеристик торфяного грунта в основании насыпи, на оси пути и в откосных частях.

Подпорный контрбанкет выполняет две функции: во-первых, служит упором, обеспечивающим устойчивость откоса насыпи, и, во-вторых, пригрузкой, препятствующей выпиранию торфа из-под насыпи.

Последовательно: отсыпается «пионерная» насыпь (на расстоянии а от эксплуатируемой насыпи); послойно (с уплотнением) засыпается «пазуха» (образовавшееся пространство между насыпями); разрабатывается канава – торфоприемник.

Такой метод ведения работ позволяет усиливать насыпь на болоте без перерывов в движении поездов, не нарушая ее устойчивости.

2.3 Реконструкция верхнего строения пути. Общие положения

Верхнее строение пути является несущей конструкцией железнодорожного пути, непосредственно воспринимающей усилия от колес по-

47

движного состава и направляющей их движение. При переустройстве железнодорожных линий (реконструкции, усилении) решается задача доведения параметров дороги до проектных. В отношении верхнего строения пути это может быть переход на более тяжелый тип. Необходимость такого перехода связана со многими факторами, такими, как рост грузонапряженности, повышение скоростей движения грузовых и пассажирских поездов (в частности, организация скоростного движения), обращение поездов с повышенными осевыми нагрузками (в перспективе до 30 т/ось) и т. д. Все это определяет основные условия, в которых должно работать верхнее строение пути.

Увеличение скоростей движения и нагрузок на ось подвижного состава вызывает рост напряженно-деформированного состояния всех элементов железнодорожного пути, при этом уровень динамического воздействия может вырасти до таких величин, при которых исчерпывается несущая способность или прочность конструкции. Грузонапряженность увеличивает время такого взаимодействия, что приведет к более интенсивному накоплению остаточных деформаций пути.

Требуется обеспечить надежность верхнего строения пути, в силу чего оно должно быть:

•прочным и устойчивым;

•долговечным;

•ремонтопригодным.

Вобщем комплексе работ по переустройству железнодорожных магистралей предусматривается реконструкция верхнего строения пути, целью которой являются доведение параметров плана и профиля линии до норм, установленных СТН Ц-01-95, а также комплексное обновление элементов верхнего строения пути и стрелочных переводов с повышением несущей способности балластного слоя и основной площадки земляного полотна.

Реконструкция верхнего строения пути выполняется силами путевых машинных станций (ПМС) и базовых строительных организаций, например стро- ительно-монтажных поездов (СМП). Последующий за реконструкцией железнодорожного пути капитальный ремонт на новых материалах должен проводиться по нормативно-техническим требованиям к конструкциям, типам и элементам верхнего строения пути, принятым в проекте ранее проведенной реконструкции.

Приведем основные требования к основным элементам верхнего строения пути при переустройстве железнодорожных линий.

Рельсы. Рельс – важнейший и наиболее дорогостоящий компонент железнодорожного пути. Максимально возможное продление срока их службы и оптимизация расходов по текущему содержанию и замене являются ключевыми составляющими стратегии обеспечения работоспособности инфраструктуры. Рельсы изготавливаются в соответствии с ГОСТ Р 51685-2013 "Рельсы железнодорожные. Общие технические условия" [1], а также техническими условиями, согласованными ОАО "РЖД".

Рельсы подразделяются на две группы по назначению - рельсы общего

48