5.7.2 Конструкції тимчасових зимових доріг та область їх застосування

Залежно від конструктивного виконання тимчасові зимові дороги при будівництві лінійної частини магістральних трубопроводів можна розділити на чотири типи:

• дорогі, що влаштовуються на нульових відмітках і на насипах із міцних мінеральних ґрунтів та торф'яних ґрунтів промерзлих боліт І та ІІ типів;

• дорогі, що влаштовуються на погано промерзлих зволожених ділянках та на болотах;

• льодові переправи;

• дорогі із продовженим терміном експлуатації.

Основними конструктивними елементами тимчасових зимових доріг є природна ґрунтова основа та дорожнє покриття .

Природну ґрунтову основу при влаштуванні зимових доріг заморожують, а на погано промерзлих вологих ділянках та болотах ще і армують.

Дорожнє покриття зимових доріг може бути одношаровим - лише покриття, або двошаровим, таким, що складається із покриття й снігового насипу.

Покриття є найбільш відповідальним конструктивним шаром зимових доріг, що сприймає великі навантаження від рухомого автотранспорту та будівельно-монтажних машин. Окрім транспортних навантажень, покриття піддається дії сонячного тепла, атмосферних опадів таі інших чинників. Тому до них пред'являються особливі вимоги за міцністю та зносостійкості.

Досвід експлуатації тимчасових зимових доріг показав, що найміцнішими й довговічними є снігово-крижані та крижані покриття. Проте їхнє влаштування дуже складна і вимагає великої кількості спеціалізованої техніки та джерел водопостачання в районах будівництва, тоді як єдиним джерелом водопостачання є річки і озера які в більшості випадків із-за лютих морозів і тривалості холодного періоду повністю промерзають.

Тому зимові дороги будують в основному з снігово-ущільненим покриттям. Технологія будівництва таких доріг дуже проста і не вимагає великих матеріальних витрат.

Одношарові зимових дороги І типу влаштовують: на нульових відмітках; на міцних мінеральних ґрунтах; на торф’яних ґрунтах промерзлих боліт І та ІІ типів; в кліматичних районах при сніговому переносі не більше 200 м³ /м. Конструктивні рішення зимових доріг I типу з одношаровим дорожнім покриттям залежать від виду покриття.

Тимчасова зимова дорога з снігово-ущільненим покриттям (рис.5.12,а,б) складається із спланованої замерзлої природної основи із мінерального 1 або торф'яного 3 ґрунтів та шарів ущільненого снігу 2, утворюваного методом поступового нарощування у міру випадання снігу протягом зими або шляхом нагортання снігу 4 з узбічя, впадин та інше.

Конструкція дорогі з снігово-крижаним покриттям аналогічна описаній і відрізняється лише тим, що покриття 5 (рис.5.12,в,г) складається з снігу й льоду, що утворюється періодичним поливанням водою шарів снігу.

Зимова дорога із крижаним покриттям складається з льоду 6 (рис.5.12, д,е), який поступово нарощується тонкими шарами на заздалегідь намороженій мінеральній або торф'яній основі шляхом поливання водою проїжджої частини протягом всієї зими.

У районах з сніговим переносом більше 200 м³/м зимова дорога ІІ типу зводиться на сніговому або ґрунтовому насипі 7 (рис.5.12, ж,е), що відсипається на природну основу. На насипі зводиться покриття 8.

На зимових дорогах, що влаштовуються на нульових відмітках та на міцних мінеральних ґрунтах в районах з морозною і тривалою зимою, дорожнє покриття не влаштовують в якості покриття використовується природна промерзла ґрунтова основа.

а – із снігового-ущільненого покриття на міцних мінеральних ґрунтах; б – із снігового-ущільненого покриття на торф'яних ґрунтах промерзлих боліт I та ІІ типів; в – із снігового-крижаного покриття на міцних мінеральних ґрунтах; г – із снігового-крижаного покриття на торф'яних ґрунтах промерзлих боліт I та ІІ типів; д –із крижаним покриттям на міцних мінеральних ґрунтах; е – із крижаним покриттям на торф'яних ґрунтах промерзлих боліт I та ІІ типів; ж – на насипі

Рисунок 5. 12 – Поперечні профілі тимчасових зимових доріг I типу

Конструкція зимових доріг ІІ типу, що влаштовуються на погано промерзаючих вологих ділянках та болотах, складається із штучно підсиленої основи і, залежно від температурної й снігової характеристики може мати одно- або двошарове дорожнє покриття (рис.5.13).

1 – замерзлий торф'яний шар; 2 – дорожнє покриття; 3 – хворостяний настил; 4 – незамерзлий торф'яний шар; 5 – сніговий покрив; 6 – не суцільний дерев'яний настил; 7 – суцільний дерев'яний настав; 8 – повздовжні лежні; 9 – крижана основа; 10 – термосифон

Рисунок 5.13 – Поперечні профілі зимових доріг типу ІІ, що влаштовуються на погано промерзлих вологих ділянках та болотах

Основним конструктивним елементом цих доріг є основа. Для районів з від’ємною температурою можуть бути використані декілька конструктивних рішень з влаштуванню основ.

Для лісових районів основу під тимчасові зимові дороги влаштовують у вигляді гілкового або дерев'яного настилу (рис.5.13, а, б).

Основу із гілкового настилу влаштовують на болотах I типу з глибиною торф'яного покладу до 3 м та вологих місцях. Для гілкового настилу використовують дрібні дерева, відрубані гілки, дрібнолісся, які рівномірно укладають в основу в один або два шари товщиною (0,2-0,25) м (в ущільненому стані). При двошаровому гілковому настилі шари орієнтують між собою. Перший шар гілкового настилу розташовують паралельно осі дорогі, а другий - перпендикулярно або під кутом 45⁰ один до одного.

На болотах І типу з глибиною торф'яного покладу більше 3 м основою служить дерев'яний настил, укладений на природну основу перпендикулярно осі дорогі. Необхідне число поперечини дерев'яного настилу, що укладається в якості основи дороги, визначають за формулою

, (5.1)

де — число поперечин, що сприймають зовнішнє навантаження;

— допустимий тиск, що передається на болотяний поклад поперечиною від дії зовнішнього навантаження;

— допустимий тиск на одиницю площі болота.

Поперечини в основі дороги укладається із зазором, який повинен бути не менше (0,5-0,7) м.

Основу зимової дороги на болотах ІІ та ІІІ типів влаштовують у вигляді суцільного настилу, який укладають на подовжні лежні (рис.5.13, в).

Для влаштування основи під зимові дороги на сильно зволожених болотах І та ІІ типів в безлісих районах слід використовувати місцеві матеріали, наприклад шматки льоду, які вдавлюють в основу тим самим утворюють льодову плиту за рахунок замерзання витисненої води та вдавлених шматків льоду (рис.5.13, г). Така конструкція дозволяє значно підвищити несучу здатність основи і прискорити початок експлуатації дороги.

Останнім часом для підсилення основи зимових доріг застосовують штучне промерзання ґрунту шляхом використання двофазних термосифонів, які представляють собою автономні сезонодіючі охолоджуючі пристрої.

Двофазний термосифон включається в роботу, коли температура зовнішнього повітря опускається нижче за температуру ґрунту.

Термосифон заглиблюють в грунт шляхом втискування загостреного нижнього кінця. В робочому положенні випарник розташовується під деяким кутом до горизонту (рис.5.13, д).

Для надання конденсатору вертикального положення в гладкій частині, на відстані (0,8-1,0) м від нижнього кінця конденсатора, термосифон заздалегідь згинають, утворюючи кут . При такій формі вигину після заглиблення випарника в грунт конденсатор термосифону виступає над поверхнею болота на висоту, достатню для запобігання засипання його снігом.

Глибина занурення випарників термосифону не перевищує (0,3-0,4) м. Відстань між термосифонами залежно від теплофізичних властивостей торфу змінюється від 1 м до 1,5 м.

За допомогою термосифонів можна формувати проморожений шар на болоті, складеного у верхній частині моховим покровом з низькою теплопровідністю, або коли сніговий покров утворюється в період переходу середньодобової температури до від’ємних значень. У цих умовах випарники термосифонів слід заглиблювати до шару ґрунту з вищою волого насиченістю. Відстані між ними приймають в межах від 0,5 м до 1,2 м.

Льодові переправи (зимові дороги ІІІ типу) прокладають через водні перешкоди - річки та озера. Проста конструкція льодової переправи є переїздом по природному льоду, розчищеному від снігового покрову в межах проїжджої частини (рис. 5.14, а).

Якщо несуча здатність природного шару льоду недостатня, передбачається його підсилення. Найбільш простим та поширеним способом підсилення льоду є пошарове наморожування (рис. 5.14, б).

Можливе також армування льоду дерев'яним або хворостяним настилом. Використання цього способу для підсилення на крупних річках в даний час заборонене, оскільки він викликає забруднення вод фенолами, дубильними речовинами та залишками деревини, що негативно впливає на навколишнє середовище.

Останніми часом використовується спосіб підсилення переправ шляхом наморожування стійками. Він повністю виключає забруднення водних ресурсів. Конструкція льодової переправи, підсиленої цим способом, включає природний крижаний покрив (рис. 5.14, в) та опорні крижані стійки, які заморожуються за допомогою встановлених у воді двофазних термосифонів. Термосифони для заморожування стійок встановлюють двома рядами вздовж переправи. Проїжджа частина переправи має три смуги руху — центральну і дві бічні, які розділені між собою рядами крижаних стійок.

Випарники термосифонів занурюють у воду через пробурені в льоді лунки й частково заглиблюють в донний грунт. Тому одночасно із заморожуванням крижаної стійки відбувається заморожування донного ґрунту навколо заглибленої частини термосифонів.

1 – сніговий покрив; 2 – крижаний покрив; 3 – ущільнений шар снігу; 4 – вода; 5 –наморожений шар льоду; 6 – крижана стійка; 7 – термосифон; 8 – заморожена основа

Рисунок 5.14 – Поперечні профілі зимових доріг ІІІ типу

Заморожений грунт служить надійною опорою для крижаної стійки і не піддається розмиву. Верхня частина заморожуваної стійки вмерзає одночасно з крижаним покровом. Інтенсивність заморожування крижаних стійок залежить від температури води та повітря, швидкості течії, коефіцієнта теплопередачі термосифону. Вплив вказаних чинників на процес заморожування крижаних стійок оцінюють за допомогою графіків.

Описана конструкція льодової переправи має ряд обмежень і може бути використана за умови: що число днів з від’ємною температурою в році більше 1200, температура води на водних переправах в зимовий період не вище 1 °С, швидкість течії менше 0,7 м/с і глибина водної переправи не більше 10 м.

Зимові дороги IV типу, з продовженим терміном експлуатації, мають спеціальні додаткові шари, призначені для термоізоляції дороги зверху. Ці шари захищають дорожню конструкцію від дії сонячного тепла. Термоізоляційні шари влаштовують в основному із місцевих матеріалів (суміш снігу і снігольоду з мохом, торфом, залишків лісовирубків та інше). В основному дані дороги використовуються при будівництві трубопроводів на вічномерзлих ґрунтах.

Конструктивні рішення доріг із продовженим терміном експлуатації залежать від підстилаючих ґрунтів. На ділянках з розповсюдженням вічномерзлих ґрунтів, що не втрачають несучої здатності при відтаванні і прикриті мохово-рослинним шаром, конструкція зимової дороги є дорогою у вигляді насипу (рис. 5.15, а) відсипаного безпосередньо на природну основу насипу і складається зі сніжного насипу 1 з сніжно-крижаним покриттям 2, а також ґрунтового покриття 3, влаштованого зверху зимової дороги, і теплоізоляційні берми 5 з мохоторфа 6.

На ділянках з глибиною залягання вічномерзлих ґрунтів до 50 см, на болотах, що заводнюються, і в місцях порушення цілісності мохового рослинного шару зимова дорога складається з ґрунтової дороги у вигляді насипу 4 (рис. 5.15,б) з мінерального ґрунту, відсипаного на прошарок з геотекстильного синтетичного матеріалу 7, теплоізоляційних берм 5, зимової дороги зведеної на ґрунтовій дорозі зі сніговим ущільненим насипом 1, снігового-крижаного покриття 2 та ґрунтового покриття 3, відсипаних поверх покриття зимової дороги.

Рисунок 5.15 – Поперечні профілі зимових доріг IV типу із продовженим терміном експлуатації

Конструкція зимової дороги на текучих ґрунтах із низькою несучою здатністю (рис. 5.15, в) складається зі ґрунтової дороги з ґрунтовим насипом 4, відсипаною на прошарок із геотекстильного синтетичного матеріалу 7, кінці якого заведені в тіло ґрунтового насипу, зимової дороги з дорожнім покриттям у вигляді снігового-крижаного покриття 2 ґрунтового покриття 3.

На промерзлих болотах 8 конструкція зимової дороги складається із сніго–ущільненого насипу 1 (рис. 5.15,г) зверху якого укладається прошарок із геотекстильного синтетичного матеріалу 7 на який відсипається насип ґрунтової дороги 4. Ґрунтове покриття влаштовують з піщано–гравійної суміші та покривають світлим вапняним розчином або іншою речовиною, що захищає дорожнє покриття від дії сонячних променів.

Досвід експлуатації таких доріг показує, що на дорогах з піщаним ґрунтовим покриттям товщина талого торфу до кінця літнього періоду досягає (0,8 – 0,9) м. При інтенсивному заморожуванні болота протягом однієї зими можна отримати шар мерзлого торфу завтовшки (1,0 – 1,2) м. Отже, термін служби доріг цього типу на весь літній період цілком реальний.

При недостатній початковій глибині промерзання болота мерзлий шар можна збільшити влаштування теплового екрану зі суміші снігу з моховим покровом або наморожуванням торф’яної плити на поверхні болота. Плиту наморожують шарами завтовшки до 30 см, використовуючи торф стійкої консистенції. На болотах I та ІІ типів торф можна брати з бічних канав-резервів, суміщаючи роботи з наморожування плити та із влаштуванням канав водовідведень. На болотах ІІІ типу необхідно використовувати привізний торф.

Найбільш значний ефект зміцнення основи дороги досягається, коли піщаний шар тимчасової дороги відсипляється вздовж настилу влаштованого із геотекстильного синтетичного матеріалу (ГСМ).

З погляду збереження дороги від руйнування необхідно розташовувати вздовж ліній стікання болотяних вод канави, оскільки в цьому випадку дорога не порушує природних умов стоку тим самим не впливають на мерзлу основу. При перетині трасою ліній стоку мерзлий шар стає свого роду дамбою для фільтраційних вод, внаслідок чого створюються умови підтоплення траси, що сприяє інтенсивнішому руйнуванню основи. Коли не можна уникнути перетину дорогою ліній стоку води, слід передбачити утворення в мерзлій основі водопропускних отворів. Дорожнє полотно над ними повинне бути підсилене.