Технические условия на сооружение земляного полотна

Подробности

Категория: Железнодорожный путь

• путь

На основании изучения физических свойств грунтов и законов механики грунтов в технические условия сооружения железных дорог были внесены соответствующие уточнения и изменения. Ниже излагаются действующие технические условия на сооружение земляного полотна.

А. ПЛАН, ПРОДОЛЬНЫЙ И ПОПЕРЕЧНЫЙ ПРОФИЛИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

1. План. Ось земляного полотна должна совпадать в плане с осью трассы.
2. Основная площадка земляного полотна. Проектная линия на продольном профиле относится к отметкам основной площадки земляного полотна по оси последнего; этим термином обозначают верх насыпей или дно выемок, на которые укладывается балластный слой.
3. Поперечный профиль земляного полотна. Земляное полотно в поперечном профиле, а также в отношении крутизны откосов и размеров должно отвечать стандартным чертежам, с учетом вносимых в них время от времени изменений.
4. Ширина земляного полотна. После окончания строительных работ земляное полотно должно быть доведено до проектных отметок. Ширина основной площадки земляного полотна устанавливается дорогами.

Для укладки добавочных главных и станционных путей земляное полотно дополнительно уширяется по специальным проектам

1. Крутизна откосов. Крутизна откосов насыпей и выемок, выраженная как отношение их высоты или глубины к горизонтальному заложению1, принимается согласно норм.

Б. РАСЧИСТКА ТРАССЫ И КОРЧЕВКА ПНЕЙ

1. Размеры расчистки. Полоса отчуждения, станционные площадки и участки, отведенные для резервов и карьеров, за исключением тех площадей, разработка которых резервируется на будущее, подлежат очистке от деревьев, кустарника и всех мешающих производству работ материалов.
2. Пни. На участках, где сплошная корчевка не предусмотрена, высота пней над уровнем земли не должна превышать наименьшего диаметра пня в верхнем срезе и, во всяком случае, не превышать 46 см.
3. Оставление деревьев. При наличии соответствующих указаний деревья, оставленные несрезанными при общей расчистке площади, разделываются на бревна, сваи, шпалы или телеграфные столбы. Весь деловой лес штабелюется на отведенных участках, все отходы сжигаются. Оплата за использованную древесину производится по принятым ценам.
4. Строения. При необходимости сноса зданий или других сооружений оплата за снос производится по взаимному соглашению сторон, в противном случае компания должна выбрать другие способы улаживания возникшего конфликта.
5. Площадь корчевания пней. Корчевание пней производится на всех выемках, а также под насыпями на площади между подошвами обоих откосов в том случае, если высота насыпи над срезом пня менее 0,90 м, а также в других местах при наличии специальных указаний.
6. Время выполнения работ по расчистке и корчевке. Работы по расчистке трассы должны идти не менее чем на 300 м, а работы по корчевке пней — не менее чем на 90 м впереди земляных работ,
7. уборка площади. За исключением оставленных для использования, все ненужные материалы сжигаются или удаляются с полосы, отведенной под строительство железной дороги, без ущерба для соседних владений.
8. Обмер работ. Обмер работ по расчистке полосы отвода и корчеванию пней и оплата за них производятся за 1 акр или за долю акра, если фактически расчищенная и выкорчеванная площадь меньше акра.

В.  ПРОИЗВОДСТВО ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

1. Общие положения. Термин «земляные работы» в настоящих технических указаниях относится ко всем работам по разработке выемок и отсыпке насыпей для сооружения земляного полотна железной дороги, к работам по устройству водоотводов, по отводу дорог и водотоков и ко всем работам, назначением которых является сооружение железнодорожного пути, станционных путей н строений.
2. Классификация грунтов. Все грунты делятся на 3 категории: прочная скала, слабая скала и обычный грунт, которые могут подлежать дополнительной классификации, если в этом возникнет необходимость до окончания срока подрядного договора.
3. Прочная скала. Под понятие «прочная скала» подходят все скальные породы, как кристаллические в естественном залегании, так и осадочные, залегающие в виде плотных массивов, которые по оценке специалистов подлежат разработке только с применением взрывных работ. Валуны или скальные обломки объемом больше 0,75 м3 относятся к прочной скале.
4. Слабая скала. К слабой скале относятся все скальные обломки или валуны объемом больше 0,03 м3 и меньше 0,75 м3, а также глинистый сланец, шифер, тальк, слабые конгломераты и другие скальные породы, которые по оценке специалистов можно разрабатывать без применения взрывных работ, хотя в отдельных случаях может возникнуть необходимость в их применении.
5. Обыкновенный грунт. К категории обыкновенных грунтов относятся такие грунты, которые обычно именуются земляными: суглинки, глины, торф, песок, гравий, гумбо, ортштейк, галечники, скальные осыпи и различные другие, не включенные в специальную классификацию.

Если в специальных условиях отсутствуют указания на приведенное выше деление грунтов, то при разработке грунтов в карьерах не выделяют скальные грунты; основной целью таких условий является установление единой классификации, при которой все разрабатываемые в карьерах грунты рассматриваются и оплачиваются, как обыкновенные.

1. Отделка откосов. Откосы в выемках должны быть правильно заделаны, отдельные камни, валуны, корни, пни и неустойчивые грунты подлежат удалению. Подрезка откосов снизу не допускается, за исключением случаев, когда имеется письменное разрешение приемщика работ.
2. Сооружение основной площадки земляного полотна в выемках. В скальных грунтах разработка скалы ниже уровня основной площадки производится до установленной глубины, и котлован заполняют доброкачественным грунтом. Слабый грунт на дне выемки тоже подлежит удалению на указанную при производстве работ глубину: котлован заполняется до отметки основной площадки доброкачественным грунтом. Обмер земляных работ в выемке производят с учетом глубины котлована для замены грунта, однако особая оплата за засыпку котлована сверх установленной в договоре цеиы за разработку привезенного для этой цели грунта не производится.
3. Перебор грунта в выемке. Категория грунта устанавливается по фактически разрабатываемому грунту, независимо от установленных договором категорий. Обмер выемки по каждой категории грунта производится по фактически занимавшемуся им объему. Перебор грунта в выемке сверх очертаний утвержденного поперечного профиля в обмер не включается, эа исключением уборки грунта от оползней, не поддающихся стабилизации.
4. Взрывные работы. При взрывных работах заряды должны быть рассчитаны и расположены так, чтобы не разрыхлить скалу за пределами проектных очертаний выемки или за пределами ее очертаний, установленных техническими условиями, приложенными к договору. Если ниже проектной линии откосов скала будет разрыхлена взрывами так, что возникнет опасность оползания или обрушения откосов, то подрядчик обязан удалить весь разрыхленный скальный грунт без дополнительной оплаты, за исключением случаев, предусмотренных в п. 7.

Если при производстве взрывных работ возникает опасность для людей или строений, то технический надзор имеет право предписать и установить такие правила и ограничения, какие ои найдет нужным. Однако независимо от того, были или не были установлены подобные правила и ограничения, подрядчик не освобождается о^ ответственности за выполнение договора.

1. Распределение грунта. Грунт от разработки выемок, кюветов, канав и подъездных дорог в случае его пригодности идет на отсыпку насыпей. Мерзлые и другие непригодные грунты для отсыпки насыпей не допускаются. В случае одиовремеиной отсыпки в насыпь скальных и связных грунтов распределение их в теле насыпи производится по указанию технического надзора.

Если объем грунта из выемки превышает объем, необходимый для отсыпки насыпи до проектного профиля, то излишний грунт идет на отсыпку бермы с одной или обеих сторон насыпи по всей ее длине, если только проектом или договором не предусмотрено другое применение этого грунта. Если решено произвести уширение насыпи, то берму не присыпают до утверждения места ее отсыпки, высоты и очертания в поперечном профиле.

1. Пополнение недостающего грунта. Если грунта от разработки выемок недостаточно для отсыпки насыпей, то недостаток можно покрыть, уширяя выемку с одной или с обеих сторон до новой заданной ширины с применением проектной крутизны откосов, если на профиле или в пояснительной записке не предусмотрена закладка резервов.
2. Резервы. Разработка резервов не разрешается без предварительного определения их поперечного сечения и придания резервам геометрически правильной формы для возможности более точных замеров объема вынутого грунта. Резервы должны иметь отвод воды. Оставлять углубления, в которых возможно скопление воды, не допускается. При отсутствии специальных указаний крутизну откосов резервов следует принимать 1 : 1 1 /2.

Между подошвой насыпи и путевым откосом резерва оставляют берму; также оставляют берму между полевым откосом резерва и границей полосы отчуждения.

1. Приобретение земли для устройства резервов. Места закладки резервов в пределах полосы отчуждения указывают на плане линии, а их объем — на продольном профиле. При необходимости закладки дополнительных резервов или если подрядчик считает необходимой параллельную разработку второго резерва, последние закладываются подрядчиком на свой страх и риск в грунтах, качество которых одобрено техническим надзором. До начала разработки таких дополнительных резервов подрядчик обязан получить согласие владельца земли и вручить компании через представителя технического надзора письменную гарантию об отсутствии всяких претензий к компании, возникающих от закладки таких резервов.
2. Объем земляных работ. Категории грунта и объемы земляных работ указаны на продольном профиле приближенно и ни в каком случае не определяют окончательного объема. Компания сохраняет за собой право увеличить или уменьшить заданные объемы работ на всех участках строительства, не изменяя при этом установленных договором единичных цен.
3. Запасы гравия и других материалов. Гравий, камень или другие материалы, обнаруженные при разработке резервов, в которых может оказаться потребность для выполнения каких-либо работ, должны, если это оговорено в договоре, собираться и складываться на отведенных местах в пределах полосы отчуждения. Все остальные пригодные для укладки в насыпи материалы, обнаруженные вблизи последних, употребляются для отсыпки насыпей.
4. Бермы в скальных выемках. В скальных выемках у подошвы откоса рыхлых покровных отложений, залегающих выше скалы, оставляют берму.
5. Нагорные канавы. Нагорные канавы, если они предусмотрены проектом, устраивают выше бровки у всех выемок, а также с нагорной стороны вдоль насыпей, если поверхность земли имеет уклон в сторону железнодорожного полотна. Для предотвращения размыва земляного полотна канавы отводят в сторону от насыпей. Расположение канав в плане и их поперечное сечение определяют проектом. Канавы сооружают до начала работ по разработке выемки, если это требуется проектом.
6. Кюветы. У подошвы откосов в выемках устраивают кюветы в соответствии с проектом поперечного профиля выемки или руководствуясь теми изменениями, которые могут быть внесены в проект в процессе строительства. Кюветы должны быть тщательно отделаны, не иметь препятствий для пропуска воды, а выпуски их должны быть отнесены от земляного полотна на достаточное расстояние во избежание размыва прилегающей насыпи.
7. Дренажи. В местах, указанных в проектах, сооружают дренажи. Материал дренажных труб, их диаметр, тип стыков, глубина укладки и продольные уклоны должны соответствовать проекту. Поперечное сечение дренажных траншей также должно соответствовать проекту, а при разработке траншей должны быть строго выдержаны установленные проектом план и профиль дренажа. Для предупреждения обрушения стенок траншеи необходимо применять прочное крепление. Вынутый из траншей грунт должен быть удален согласно указаниям технического надзора. Дренажные траншеи должны заполняться хорошо дренирующим материалом, не содержащим цементирующих веществ, загрязнителей и вредных примесей. Законченные участки дренажа должны соответствовать проекту. Обмер и оплата работ по сооружению дренажей производятся за погонный фут, в зависимости от диаметра и глубины укладки дрены, включая разработку дренажной траншеи, засыпку дренирующего заполнителя и вывозку вынутого из траншеи грунта.
8. Отсыпка насыпей слоями. Если проектом не предусмотрен другой способ производства работ, насыпи, сооружаемые из связных грунтов, должны отсыпаться слоями толщиной не более 30 см. В случае применения укатки толщина слоев нормируется и если это предусмотрено проектом, слои грунта перед укаткой рыхлятся пружинной или дисковой бороной. Слои грунта разравниваются по всей ширине насыпи между ее откосами, а по краям должны быть обделаны в соответствии с крутизной откоса. Не допускается оставлять понижения или западины на поверхности слоя и заделывать откосы досыпкой рыхлого грунта сверху. Слои грунта должны равномерно и тщательно уплотняться проходом машин, подвозящих грунт, по всей ширине отсыпанного слоя. Для отсыпки верха насыпи оставляют самый лучший грунт. Укладка в насыпь крупных камней под основной площадкой не до пускается.
9. Влажность, уплотнение катками. Если влажность грунта, из которого производится отсыпка насыпи, недостаточна для достижения требуемой компанией плотности, то подрядчик обязан позаботиться о доставке воды и производить поливку грунта насыпи заданным количеством воды, разбрызгивая ее по поверхности грунта и затем перемешивая смоченный грунт боронованием. Эта работа оплачивается аккордно, если в договоре не предусмотрен другой способ оплаты.

Там, где это предусмотрено, насыпи, отсыпанные слоями, должны тщательно уплотняться укаткой самоходными трехколесным катками, имеющими вес не менее 53 кг на 1 пог. см ширины задних колес, или кулачковым катком, обеспечивающим при полной нагрузке давление не менее 7,0 кг/см*. Длина кулачка кулачковых катков должна быть 178 мм или более от обода барабана, а расстояние между ними не менее 152 мм. Катки должны быть оборудованы приспособлениями для очистки трамбующих кулачков от налипшего грунта. Укатка должна производиться до полного уплотнения грунта, если не оговорены другие условия.
Оплата за укатку насыпей производится за единицу объема уплотняемого грунта, измеряемого в выемке, и добавляется к стоимости разработки выемки.

Если грунт насыпи уплотняется укаткой, то грунт основания под насыпью распахивают, увлажняют разбрызгиванием, перемешивают боронованием и укатывают так же, как и грунт насыпи.
Оплата за доставку воды и за полив грунта производится аккордно, если в договоре не предусмотрен другой способ оплаты. Оплату за распашку, рыхление и укатку производят за единицу обработанной площади.

1. Оседание насыпи вследствие уплотнения грунта тела насыпи. Высота насыпей и ширина их поверху определяются с расчетом необходимого запаса на осадку вследствие уплотнения грунта насыпи или осадку грунтов основания и, кроме того, с учетом возможной эрозии грунта откосов.

После стабилизации насыпи откосам придается проектная крутизна, а высота, размеры и очертания насыпи поддерживаются до полного окончания строительных работ в соответствии с проектом.

1. Отсыпка насыпей на косогорах. До отсыпки насыпи поверхность косогора распахивают на достаточную глубину или обделывают уступами. Торф или другие непригодные грунты вырезают, если это предусмотрено проектом, так, чтобы насыпь была отсыпана на прочном грунте.
2. Снег и лед. До начала земляных работ поверхность земли должна быть расчищена от снега и льда.
3. 5. Насыпи на болотах. При пересечении болот или заболоченных низин, сложенных из неустойчивых грунтов, технический надзор может потребовать сооружения земляного полотна по специальным проектам, разработанным с расчетом преодоления таких условий. Такие работы оплачиваются по ценам, установленным особым договором.
4. Отсыпка насыпей с эстакады. При отсыпке насыпей с эстакады грунт должен быть разровнен, не иметь западин и углублений на его поверхности и тщательно уплотнен, особенно между опорами эстакады и вокруг всех ее деталей. Запрещается оставлять части эстакады в теле насыпи ниже основной площадки.
5. Сопряжение насыпей с деревянными мостами. При сопряжении насыпей с деревянными мостами опоры моста засыпают грунтом с уширением насыпи.
6. Отделка основной площадки земляного полотна. Грунт под основной площадкой уплотняют, а основной площадке придают треугольное или выпуклое очертание по проекту. Не допускается оставлять на основной площадке углубления или западины, в которых может скопляться вода и которые потребовали бы осушения.
7. Засыпка грунтом каменных сооружений. При отсыпке грунта около подпорных стен или при засыпке труб и других сооружений грунт отсыпают слоями, причем каждый слой тщательно трамбуют с уклоном от сооружения. Для этой цели применяется только наиболее доброкачественный грунт. Мокрые или водонепроницаемые грунты для отсыпки около каменных сооружений не допускаются. Засыпка каменных груб и сводов производится равномерно с обеих сторон.

При отсыпке грунта необходимо тщательно следить за тем, чтобы не повредить гидроизоляцию свода. Стоимость этих работ включается в общую стоимость разработки грунта, если в договоре не предусмотрена другая система оплаты.

1. Обмер земляных работ. Обмер земляных работ производится по кубатуре, замеренной в твердом теле, за исключением разработки грунта в резервах, не поддающихся точному обмеру. В этом случае объем грунта принимается по обмеру в насыпи или в вагонах, с учетом заранее установленных допусков на разрыхление.
2. Состав работ. Полный комплекс земляных работ включает в себя: разработку грунта любым доступным методом, погрузку, транспортировку и выгрузку грунта в указанных местах и установленным порядком, распашку или разделку уступами склонов, отделку основной площадки земляного полотна, откосов насыпи, выемок и канав и все прочие работы, выполнение которых необходимо для полного окончания строительства земляных сооружений.
3. Транспортировка грунта. В договорную цену разработки грунта входит и стоимость его транспортировки, если в договоре нет специальных оговорок по этому вопросу. Если договором предусмотрена дополнительная оплата за доставку грунта на расстояние, превышающее указанное в договоре, то за единицу измерения принимают 1 кб. ярд (0.79 м3) грунта в твердом теле с доставкой его на расстояние 30 м.

За расстояние транспортировки грунта принимают расстояние, измеренное вдоль оси трассы, или расстояние по кратчайшему пути между центром земляного массива до его разработки и центром насыпи.

Г. ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ ВБЛИЗИ ОТ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЕЙ

          Обеспечение безопасности движения поездов. Работы должны быть организованы так, чтобы не вызывать задержек или перебоев в движении поездов. Производство взрывных работ вблизи главных путей не допускается. Подрядчик не имеет также права производить доставку грунта вдоль путей или между путями дороги на расстоянии более близком, чем это требуется правилами безопасности, если только он не получил на это специального разрешения.
Если разрешенный порядок производства работ угрожает безопасности движения поездов, дорога имеет право принять такие меры, какие она сочтет нужными для обеспечения безопасности движения, причем оплата этих мероприятий возлагается на подрядчика.

Использование путей дороги. Доставка подрядчиком грунта по путям дороги допускается только с использованием персонала дороги за счет подрядчика или под наблюдением работников дороги, если это предусмотрено договором.
Распашка откосов. При работах по досыпке или уширению существующих иасыпей откосы их для лучшего сцепления грунта присыпки с телом насыпи должны распахиваться на достаточную глубину.

Переезды. При необходимости устройства переездов для доставки грунта через действующие пути дороги место и тип переездов подлежат утверждению дорогой. Переезды устраиваются и содержатся за счет подрядчика.
Сторожа, сигналисты и надзор за работами. Дорога за счет подрядчика устанавливает днем и ночью сторожей и сигналистов и назначает лиц, наблюдающих за работами подрядчика в местах, где она найдет нужным для обеспечения безопасности движения поездов и собственности дороги. Наличие сторожей, сигналистов и наблюдателей за работами не освобождает подрядчика от ответственности за производство работ.

1. Ограждающие сигналы. Все необходимые для обеспечения безопасности движения поездов при производстве работ сигналы устанавливаются, содержатся и управляются работниками дороги. Все указания, связанные с установкой сигналов, должны строго соблюдаться.

Д. ОБЩИЕ УСЛОВИЯ

1. Временные заборы и ограды. Для предупреждения перехода через пути или повреждения прилегающих владений до начала земляных работ или во время их устраивают и содержат прочные временные ограды.
2. Дороги и переезды. Для прохода людей и проезда экипажей подрядчик обязан за счет стоимости договора устраивать и содержать хорошие проезжие дороги и переезды через место работ. При этом должны быть предусмотрены все необходимые устройства для удобства пользования дорогами.
3. Уборка территории. Перед окончанием работ подрядчик обязан за свой счет очистить и убрать с территории, принадлежащей железной дороге, а также с общественных и частных дорог все остатки материалов, мусор, инструменты и машины, а также очистить канавы, кюветы и русла водотоков.

• Назад
• Вперёд

Близкие публикации:

• Пассажирские вагонные депо
• План линии
• Тенденция к созданию крупных вагонных депо
• Плавучая опора
• Вагонные остановы

© 2009-2023 — lokomo.ru, железные дороги.

Поездка на экспрессе вечной мерзлоты | Данные Земли

За Гималаями лежит холодный изолированный ландшафт, где средняя высота выше, чем в большинстве Скалистых гор в Северной Америке. Тибетское плато, которое часто называют «Крышей мира», является самым большим и самым высоким плато на Земле. Безлесное плато, за исключением нескольких речных долин, представляет собой обширную альпийскую зону с более чем 17 000 ледников, покрывающих его поверхность.

Исторически пути и дороги, проложенные для торговли, связывали тибетцев с соседними регионами, но путешествия в Тибет и из Тибета были долгими и трудными. Путешествие между Лхасой и городами в китайских провинциях Цинхай или Сычуань может занять от шести месяцев до года. Даже в начале 1950-х отсутствие подходящих автомобильных и железных дорог вынуждало Китай использовать верблюдов для перевозки грузов в Тибет. В среднем на каждый километр, пройденный караваном через Тибетское плато и высокие горные перевалы, приходилось 12 верблюдов.

Начиная с 2007 года, железная дорога Цинхай-Сизан соединит Лхасу с остальной частью Китая, обеспечив основной доступ в Тибет. Его герметичные автомобили защитят пассажиров от экстремальной высоты на маршруте, большая часть которого находится на высоте не менее 4000 метров (около 13000 футов) над уровнем моря.

Но строительство железной дороги через самое высокое плато в мире сопряжено со строительными опасностями. Из-за разреженного воздуха неакклиматизированные рабочие рискуют носовыми кровотечениями, отключением электроэнергии и даже смертью. Так, они носят кислородные баллоны, проходят ежедневный медицинский контроль и работают не более шести часов в сутки. Кроме того, каждые несколько недель рабочие покидают Плато, чтобы избежать длительного воздействия экстремальных климатических условий.

Изображение

Деревня Туотуохейан, расположенная в северо-центральной части Тибетского нагорья, расположена вдоль железной дороги Цинхай-Сизан на высоте 4500 метров. (Изображение предоставлено Ричардом Армстронгом)

В дополнение к рискам, связанным со строительством на большой высоте, инженеры сталкиваются с проблемой строительства железной дороги через неустойчивый ландшафт. Половина 1118-километровой (695 миль) железной дороги Цинхай-Сицзан будет пролегать по районам вечной мерзлоты, и строители должны принять чрезвычайные меры для защиты каждой мили пути от таяния вечной мерзлоты.

«Железная дорога Цинхай-Сизан — самый амбициозный строительный проект в районе вечной мерзлоты со времен Трансаляскинского трубопровода», — сказал Тингцзюнь Чжан, ученый из Национального центра данных по снегу и льду в Боулдере, штат Колорадо. Чжан изучает последствия изменения климата. в районах вечной мерзлоты по всему миру. «Вечная мерзлота тает во многих регионах, и это существенно влияет на ландшафты и инженерные сооружения», — сказал он.

Вечная мерзлота относится к многолетней (круглогодичной) мерзлоте, которая возникает там, где температура остается ниже 0 градусов Цельсия в течение двух лет или дольше, независимо от горных пород и частиц почвы в земле. Районы вечной мерзлоты занимают от 20 до 25 процентов поверхности земли в мире, а в некоторых частях северной Сибири вечная мерзлота может достигать толщины до мили (1600 метров).

Ученые и инженеры, занимающиеся мониторингом вечной мерзлоты вдоль маршрута железной дороги Цинхай-Сизан, в первую очередь обеспокоены слоем, который находится непосредственно над вечной мерзлотой, известным как активный слой, который замерзает и оттаивает в зависимости от сезона. Более длительные периоды сезонных оттепелей приводят к тому, что деятельный слой становится еще глубже, что может привести к увеличению оседания талых вод летом и большему морозному пучению (искривлению поверхности) зимой.

Когда здания, дороги и железные дороги строятся на вечной мерзлоте с глубоким активным слоем, сезонные изменения в почве могут нанести ущерб вышележащим конструкциям. Когда земля оттаивает и замерзает, она сжимается и расширяется, оказывая давление на фундаменты и скручивая рельсовые пути. В арктических районах, где конструкции были построены на вечной мерзлоте, недостаточная изоляция привела к обрушению зданий и искривлению рельсового полотна из-за движения оттаивающей вечной мерзлоты. Например, на юге центральной части Аляски таяние вечной мерзлоты привело к неравномерной осадке железнодорожного полотна реки Коппер и Северо-Западной железной дороги, что привело к эффекту коробления «американских горок». Хотя обслуживание и использование железной дороги было прекращено в 1938, боковое смещение продолжается и сегодня.

Изображение

Заброшенная Медная река и Северо-Западная железная дорога недалеко от Стрельны на юге центральной части Аляски иллюстрируют, как строительство железной дороги в условиях таяния вечной мерзлоты может привести к неравномерной осадке железнодорожного полотна. Хотя техническое обслуживание и использование железной дороги было остановлено в 1938 году, боковое смещение продолжается и сегодня. (Изображение предоставлено Геологической службой США)

Чтобы предотвратить повреждение конструкций от таяния вечной мерзлоты, инженеры разработали различные методы поддержания стабильной температуры под зданиями и дорогами, в том числе покраску дорог для увеличения отражательной способности поверхности, подъем зданий на сваях над землей и использование термоизоляции. сифоны — металлические трубы, расположенные вдоль дорог или вокруг зданий, которые помогают отводить тепло от земли. Термосифоны помогли решить проблему вечной мерзлоты вдоль маршрута трубопровода на Аляске, но их установка и обслуживание обходятся дорого, и их необходимо размещать по всей длине дороги или железной дороги.

На Тибетском нагорье у инженеров-железнодорожников есть еще больше поводов для беспокойства, чем в прошлом. Когда проектировали железную дорогу Цинхай-Сизан, исследователи предсказывали, что температура воздуха в регионе повысится всего на 1 градус Цельсия в течение следующих 50 лет. Теперь ученые считают, что температура Плато за это время может подняться на 2,2–2,6 градуса Цельсия, что сделает железнодорожное полотно еще более восприимчивым к деформации от морозного пучения и оседания оттепели. Недавние исследования показывают, что среднегодовая температура на Тибетском нагорье повысилась на 0,2–0,4 градуса по Цельсию с XIX века.70-х годов, и, по данным Китайской академии наук, некоторые участки вечной мерзлоты на Тибетском нагорье сейчас на 5–7 метров тоньше, чем всего 20 лет назад.

Около половины вечной мерзлоты под рельсовым полотном представляет собой «высокотемпературную» вечную мерзлоту, что означает, что мерзлый грунт всего на 1 или 2 градуса ниже точки замерзания, по словам Чжана. «Эта высокотемпературная вечная мерзлота очень подвержена таянию», — сказал он. «И это проблема, потому что не только климат в этом регионе медленно нагревается, но и строительство и эксплуатация самой железной дороги также создают тепло».

Но исследователи надеются уберечь железную дорогу Цинхай-Сизан от участи железной дороги Коппер-Ривер на Аляске. Инженеры-строители используют несколько методов для стабилизации вечной мерзлоты под дорожным полотном и защиты железнодорожной линии от опасности замерзания/оттаивания. К ним относятся изменение маршрута некоторых участков, чтобы избежать нестабильных участков, возведение путепроводов через чувствительную местность и создание изоляционного слоя под рельсовым полотном для поддержания устойчивости вечной мерзлоты.

Исследователи из Китайской академии наук обнаружили, что слой щебня можно использовать для изоляции рельсового полотна и поддержания устойчивости фундамента. «Как и термальные сифоны, щебень может и изолировать, и охлаждать вечную мерзлоту», — сказал Чжан. Хотя установка щебня трудоемка, затраты на ее обслуживание чрезвычайно низки.

Изображение

На этой фотографии, сделанной в лагуне Элсон недалеко от Барроу, Аляска, виден тонкий активный слой над вечной мерзлотой и узкий илистый пляж. (Изображение предоставлено Циркумполярной системой активного слоя вечной мерзлоты, версия 2. 0. А. Махони, фотограф)

В ходе серии экспериментов инженеры обнаружили, что 1-метровый слой рыхлых пород сводит к минимуму передачу тепла в почву под железнодорожными насыпями во время более теплые месяцы. Инженерно-экологический институт холодных и засушливых регионов в Ланьчжоу, Китай, провел испытания слоя щебня на участке железнодорожной насыпи, покрывающем вечную мерзлоту. Через год разрез стал значительно холоднее, чем до укладки каменного слоя. «Слой породы настолько эффективен, что со временем помог создать охлаждающий эффект», — сказал Чжан. Изоляция из щебня была впервые исследована еще в 19 веке.60-х годов, но, по словам Чжана, это первый раз, когда крупномасштабный проект использует эту технику в качестве одного из основных решений.

Несмотря на охлаждающий эффект щебня, хрупкая вечная мерзлота вдоль железной дороги Цинхай-Сизан должна регулярно проверяться для выявления любого морозного пучения или оттаивания под путями. Но огромные размеры и недоступность Тибетского нагорья делают крупномасштабный мониторинг сложной задачей.

За последние 10 лет улучшенные спутниковые приборы позволили исследователям отслеживать циклы замерзания/оттаивания, угрожающие строениям и железным дорогам. «Преимущество спутниковых данных в том, что они позволяют нам видеть все плато целиком», — сказал Чжан. Таким образом, вместо того, чтобы просто наблюдать за изменениями, происходящими в небольшой изолированной области, которые могут распространяться или не распространяться на всю область плато, Чжан и его коллеги теперь могут создавать еженедельные карты, которые показывают время и площадь приповерхностного слоя почвы. замерзания и оттаивания на всем Тибетском нагорье.

Пассивные микроволновые приборы, в том числе микроволновый формирователь изображения со специальным датчиком (SSM/I) и усовершенствованный микроволновый сканирующий радиометр-система наблюдения за Землей (AMSR-E), могут обнаруживать замерзание или оттаивание поверхности почвы на основе яркостных температур — показателя радиации. испускаемый объектом. Большой контраст между яркостными температурами воды и льда позволяет ученым различать условия замерзания и оттаивания.

«Знание того, когда цикл замерзания начинается осенью и когда начинается оттаивание весной, помогает нам увидеть, становится ли сезон оттепели короче или длиннее, что может помочь нам предсказать изменения толщины активного слоя», — сказал Чжан. Данные с обоих датчиков архивируются и распространяются Национальным центром распределенных активных архивов НАСА по снегу и льду (NSIDC DAAC).

«Если текущие наблюдения указывают на долгосрочные тенденции, мы можем ожидать серьезных изменений в условиях вечной мерзлоты в течение следующего столетия», — сказал Чжан.

«Изменение тенденций в цикле замерзания/оттаивания указывает на потепление климата», — сказал Ричард Армстронг, научный сотрудник и один из коллег Чжана из Национального центра данных по снегу и льду. «А если климат потеплеет, то это означает больше дней оттепели, что беспокоит железную дорогу».

Но поскольку поезда по «Крыше мира» тянут по три дизельных двигателя, сочетание инновационных технологий строительства и мониторинга с помощью дистанционного зондирования обеспечит бесперебойную работу железной дороги Цинхай-Сицзан, которая откроется в 2007 году.

Ссылки

Чжан, Т., Р.Г. Барри и Р. Л. Армстронг. 2004. Применение методов спутникового дистанционного зондирования для изучения мерзлого грунта. Полярная география 3: 163-196.

Для получения дополнительной информации

Национальный центр данных по снегу и льду НАСА Центр распределенного активного архива (NSIDC DAAC)

Подход к охлаждению дорожного полотна для строительства Цинхай-Тибетской железной дороги

Холодные регионы Наука и технологии 42 (2005) 169 – 176 www. elsevier.com/locate/coldregions

Метод охлаждения земляного полотна при строительстве железной дороги Цинхай-Тибет Guodong ChengT Государственная ключевая лаборатория инженерии мерзлых грунтов, холодные и засушливые регионы Окружающая среда и Инженерно-исследовательский институт, 260 Donggang West Road, Lanzhou 730000, China Получено 19 июля 2004 г.; принято 10 января 2005 г.

Резюме Более половины вечной мерзлоты вдоль Цинхай-Тибетской железной дороги прогреты и примерно на 40 % состоят из льда. В условиях глобального потепления при строительстве железной дороги Цинхай-Тибет необходимо учитывать изменения климата в течение следующих 50–100 лет. По последним оценкам, к 2050 г. температура воздуха на плато повысится на 2,2–2,6°С. Таким образом, залог успеха строительства железной дороги заключается в предотвращении оттаивания вечной мерзлоты, подстилающей дорожное полотно. Прошло более 100 лет с тех пор, как первая железная дорога была проложена по вечной мерзлоте. Для всех железных дорог, построенных в районах вечной мерзлоты, было зарегистрировано, что коэффициент повреждения морозом превышает 30%. На основе опыта и уроков, извлеченных из строительства дорог над вечной мерзлотой, в этом документе предлагается более активный подход к проектированию строительства Цинхай-Тибетской железной дороги. Этот подход направлен на охлаждение дорожного полотна за счет снижения температуры грунта и отличается от пассивного метода предотвращения оттаивания вечной мерзлоты простым увеличением теплового сопротивления (например, увеличением высоты насыпи и использованием изоляционных материалов). Этот подход к проектированию широкополосного охлаждения особенно актуален для теплых и богатых льдом районов вечной мерзлоты. Для охлаждения дорожного полотна можно принять ряд мер, в том числе правильный выбор материала дорожного полотна и конфигурации для регулирования солнечного излучения, тепловой конвекции и теплопроводности в дорожном полотне и/или вокруг него. D 2005 Elsevier B.V. Все права защищены. Ключевые слова: Охлаждаемое дорожное полотно; Цинхай-Тибетская железная дорога; вечная мерзлота; Глобальное потепление

1. Введение Вечная мерзлота является чувствительным индикатором изменения климата. Прочность вечной мерзлоты уменьшается с повышением температуры. Когда-то ледоносная вечная мерзлота

T Тел.: +86 931 8276818; факс: +86 931 4967200. Адрес электронной почты: [email protected] 0165-232X/$ — см. вступительную статью D 2005 Elsevier B.V. Все права защищены. doi:10.1016/j.coldregions.2005.01.002

оттаивает, теряет несущую способность. Таким образом, важной характеристикой проектирования вечной мерзлоты, которая отличает его от других методов проектирования грунтов/горных пород, является наличие тесной связи между инженерной стабильностью и изменением климата (Тонг и Ву, 19).96; Нельсон и др., 2001; Нельсон, 2003). За последние несколько десятилетий на Цинхай-Тибетском нагорье наблюдается четкая тенденция к потеплению. Температура воздуха увеличилась на 1°С с 1960-х до

170

G. Cheng / Cold Regions Science and Technology 42 (2005) 169–176

1990-х годов (Li et al. , 2003). Повышение среднегодовой температуры грунта с 1970-х по 1990-е годы составило 0,3–0,5 °C для вечной мерзлоты bwarmQ и 0,1–0,3 °C для вечной мерзлоты bcoldQ соответственно (Wang et al., 1996). с 19С 96 по 2001 г. температура грунта увеличивалась со скоростью от 0,08 до 0,018С в год на кровле вечной мерзлоты и от 0,053 до 0,0218С в год на глубинах 6-8 м. Как следствие, поверхность вечной мерзлоты опускалась со скоростью от 2,6 до 6,6 см в год в течение того же периода (Wu et al., 2003). Потепление климата и деградация вечной мерзлоты создают проблемы для строительства Цинхай-Тибетской железной дороги. Основываясь на опыте и уроках, извлеченных при строительстве дорог в районах вечной мерзлоты по всему миру, в этом документе предлагается упреждающий подход к охлаждению широких слоев при строительстве Цинхай-Тибетской железной дороги и представлены некоторые меры по охлаждению дорожного полотна и противодействию воздействию климата. потепление.

2. История строительства железных дорог в условиях вечной мерзлоты Строительство железных дорог в условиях вечной мерзлоты имеет более чем 100-летнюю историю. Еще в 1895 году русские приступили к строительству первой Транссибирской магистрали. Его длина составляла 9446 км, из которых 2200 км были покрыты вечной мерзлотой. В конце 1970-х годов русские предприняли еще одну попытку построить 3500-километровую железную дорогу БАМ в Сибири, из которых 2500 км были покрыты вечной мерзлотой. Почти вся 818-километровая трасса строящейся Беркакит-Томмот-Якутской железной дороги проходит по вечной мерзлоте. с 19С 84 по 1995 г. выполнено 375 км земляного полотна на участке Беркакит-Томмот. Кроме того, строится железная дорога от Тюмени до бухты Обь. В США в 1904 году была построена Аляскинская железная дорога протяженностью 756 км; 378 км прошли по вечной мерзлоте. В Канаде в районах вечной мерзлоты построено пять железных дорог. Железная дорога Гудзонова залива была самой ранней и была завершена в 1910 году. Приблизительно 611 км из 820-километрового маршрута проходили по вечной мерзлоте. На северо-востоке Китая две основные железные дороги, одна из Якеши в Мангуй, а другая из Нэньцзяна в Гулянь, были построены в лесах Даксинганьлин и Сяосинганьлин общей протяженностью 800 км по вечной мерзлоте. На северо-западе Китая две железные дороги

были построены над вечной мерзлотой: линия Решуй в Хайси провинции Цинхай и Транстяньшаньская линия Наньцзян в Синьцзянском автономном районе. Две автомагистрали также были построены в районах вечной мерзлоты Китая: шоссе Цинхай-Тибет (550 км по вечной мерзлоте) и шоссе Цин-Кан (330 км по вечной мерзлоте). Они поддерживают транспорт уже более 40 лет без перерывов (Cheng and He, 2001). Из-за повторяющихся циклов замерзания-оттаивания в районах вечной мерзлоты развиваются многие своеобразные геологические процессы, такие как морозное пучение, оттаивание, промерзание, морозобойное растрескивание, обледенение, мерзлотная сортировка и солифлюкция. Эти морозные воздействия отрицательно сказываются на нормальной работе инженерных сооружений. Морозные разрушения на многолетнемерзлых грунтах в основном связаны с пучением и осадкой проталин. Например, примерно 85 % морозных повреждений автомагистрали Цинхай-Тибет приходится на оттаивание, а 15 % — на морозное пучение и морозное кипение (Wu et al. , 2002). Повреждения мостов и водопропускных труб в основном связаны с морозным пучением. На участках bтеплой вечной мерзлоты продольные трещины развиваются на южной стороне насыпи из-за неравномерной осадки оттаивания между северным и южным склонами. Железные дороги, как и любые другие линейные инженерные сооружения, могут проходить в различных условиях рельефа и рельефа. Таким образом, их сложнее построить. Несмотря на то, что с момента завершения строительства первой железной дороги над вечной мерзлотой прошло более 100 лет, отчеты об условиях эксплуатации существующих железных дорог указывают на то, что уровень успеха не был удовлетворительным. А 1994-е обследование показало, что коэффициент повреждения на БАМе составил 27,5%. В 1996 году для Забайкальской железной дороги после более чем 100-летней эксплуатации было сообщено об уровне повреждения 40,5% (Кондратьев и Позин, 2000). Обследование было также проведено в 1999 году после реконструкции шоссе Цинхай-Тибет. Он сообщил о коэффициенте повреждения 31,7%. По оценкам, это соотношение составляет более 40% для железных дорог, работающих в северо-восточных районах вечной мерзлоты Китая. В 1962 году на участке Чаову железной дороги Якэси-Манги произошел инцидент со сходом с рельсов из-за внезапного проседания дорожного полотна. Он опустился на 1,4 м за 5 часов. Внезапное проседание 1,5 м на К197 по тому же маршруту, что привело к остановке пассажирского поезда

G. Cheng / Cold Regions Science and Technology 42 (2005) 169–176

на 4 часа (Третий железнодорожный изыскательский и проектный институт, 1994). ).

3. Широкополосное охлаждение при строительстве Цинхай-Тибетской железной дороги Участок Голмуд-Лхаса Цинхай-Тибетской железной дороги имеет протяженность 1142 км, из которых 1110 км находятся в стадии строительства. Железная дорога покрывает 550 км сплошной вечной мерзлоты и 82 км островной вечной мерзлоты. Если среднегодовые температуры грунта от 0 до 1,0°C определить как температурный диапазон bтеплой вечной мерзлоты, то 275 км (или 50 %) непрерывной вечной мерзлоты составляют bтеплую многолетнюю мерзлоту, а 40 % богаты льдом (Wu et al. , 2002). Ожидается, что Цинхай-Тибетская железная дорога будет работать более 100 лет. В условиях глобального потепления при его строительстве необходимо учитывать изменения климата в ближайшие 50–100 лет. Прогнозируется, что глобальная приземная температура повысится на 1,4–5,8 °C между 1990 и 2100 (МГЭИК, 2001 г.). Потепление, вероятно, произойдет на Цинхай-Тибетском плато раньше, чем в прилегающих районах. Цинхай-Тибетское нагорье также является фактором, усиливающим изменение климата; величина его потепления будет выше, чем в среднем по миру. Недавние оценки показывают, что к 2050 г. температура воздуха на плато повысится на 2,2–2,6 °С (Qin, 2002). Прочность вечной мерзлоты близка к прочности камня. Однако, как только льдистая вечная мерзлота оттаивает, она полностью теряет свою несущую способность. Таким образом, ключом к успеху Цинхай-Тибетской железной дороги является предотвращение таяния вечной мерзлоты под полотном дороги. За последние несколько десятилетий в результате полевых наблюдений вдоль шоссе Цинхай-Тибет и шоссе Цинкан был накоплен значительный объем данных о вечной мерзлоте. Анализ опыта и уроков, извлеченных из строительства автомагистралей над вечной мерзлотой, несомненно, будет полезен при проектировании и строительстве Цинхай-Тибетской железной дороги. На основе многолетней мерзлоты, полученной для автомобильных дорог, можно сделать следующие выводы: 1 Устойчивость дорожного полотна в районах вечной мерзлоты находится в тесной зависимости от температуры грунта. Поскольку асфальтовое покрытие было нанесено на шоссе Цинхай-Тибет, талый слой, зажатый

171

между деятельным слоем и поверхностью вечной мерзлоты, образовался на 60% земляного полотна. Об этом явлении сообщают в основном из областей вечной мерзлоты bwarmQ (Wang and Mi, 1993). 2 Два набора данных о температуре грунта, собранных за 5-летний период вдоль автомагистрали Цинхай-Тибет, показывают, что в вечной мерзлоте bwarmQ, где в полотне дороги образовалась талая прослойка, тепловой баланс показывает, что активный слой получает и аккумулирует тепловую энергию, а нижележащая вечная мерзлота постоянно поглощает тепло. Полотно дороги в районах вечной мерзлоты bcoldQ также поглощает больше тепла, чем может выделять (Sheng et al., 2002a). 3 Тепловой режим дорожного полотна, состоящего из изоляционных материалов, свидетельствует о том, что за счет эффекта теплостойкости изоляционный материал может уменьшать амплитуду годовых колебаний температуры грунта, что приводит к замедлению протаивания вечной мерзлоты. Однако этот эффект не может изменить того факта, что дорожное полотно поглощает больше тепла, чем выделяет. Использование изоляционных материалов в районах вечной мерзлоты bcoldQ кажется в определенной степени эффективным, но его долгосрочная эффективность снижается в районах вечной мерзлоты bwarmQ (Sheng et al., 2002b). Приведенные выше выводы показывают, что предотвращение таяния вечной мерзлоты простым увеличением теплового сопротивления (например, увеличение высоты насыпи, использование более термостойких материалов) является пассивным методом и не имеет долгосрочной эффективности. В условиях изменения климата этот метод не может обеспечить устойчивость дорожного полотна над вечной мерзлотой, особенно в теплой вечной мерзлоте Цинхай-Тибетского нагорья. Прошлые инженерные практики подтвердили, что вероятность успеха этого метода невелика. Вместо этого для Цинхай-Тибетской железной дороги следует принять более активную философию проектирования. Эта философия вместо использования пассивной изоляции направлена ​​на активное охлаждение дорожного полотна за счет снижения температуры грунта для обеспечения устойчивости дорожного полотна.

4. Мероприятия по охлаждению дорожного полотна Существует три способа передачи тепла: излучение, конвекция и теплопроводность. Дорожное полотно можно охладить за счет правильного подбора его конфигурации и материала, регулирования солнечного излучения, конвекции тепла и теплопроводности. узоры на дорожном полотне и вокруг него. 4.1. Меры по корректировке солнечной радиации Увеличение альбедо земной поверхности уменьшает количество солнечной радиации, получаемой землей, и понижает ее температуру. Основываясь на этом принципе, для покрытия дорожного полотна можно использовать материал светлого или белого цвета, чтобы уменьшить поглощение тепла. Для достижения этой цели также может помочь изменение цвета боковых откосов набережной (Берг и Эйткен, 19).73). Российский ученый Кондратьев (1996) предлагает использовать затеняющие навесы для уменьшения солнечного излучения, достигающего земли. Согласно полевым данным, полученным Китайской академией железнодорожных наук на экспериментальном полигоне Фэнхо-Шань на Цинхай-Тибетском нагорье, среднегодовая температура поверхности земли под навесом была на 8,8°С ниже, чем снаружи навеса, демонстрируя явный охлаждающий эффект. Еще один простой подход – установка затеняющих щитов вдоль боковых откосов насыпи (рис. 1). Данные испытаний из Фэнхо Шаня показывают, что температура поверхности земли в январе в пределах борта была на 6–15 8С ниже, чем за пределами борта. Это также эффективный метод, который можно будет использовать в будущем для охлаждения дорожного полотна (Фэн, 2002 г.). Вентиляционные фундаменты, широко используемые в районах вечной мерзлоты для строительных конструкций во всем мире, зарекомендовали себя как эффективный превентивный подход, а также могут быть использованы при строительстве дорог над вечной мерзлотой. Воздуховоды могут быть встроены в

Рис. 1. Экспериментальные затеняющие панели в Fenghuo Shan.

дорожное полотно для охлаждения дорожного полотна. Температура воздуха на Цинхай-Тибетском нагорье обычно не менее чем на 3 8С ниже температуры поверхности земли. Когда холодный воздух проходит по воздуховодам, он выносит тепло дорожного полотна наружу (Nixon, 1978; Esch, 1983; Zarling et al., 1983). Как лабораторные испытания, так и численное моделирование подтвердили его эффективность (Ю и др., 2002; Лай и др., 2004; Су и др., 2004). Полевые наблюдения на вентилируемой насыпи на испытательном полигоне плато Бейлухэ показали, что воздуховоды могут эффективно снижать температуру насыпи. Во время второго цикла замораживания-оттаивания после заделки воздуховодов температура окружающего грунта была снижена до значений ниже 0 8С; тепловой баланс ниже воздуховода показал чистую потерю тепла (Niu et al., 2003). С целью повышения производительности на одном конце воздуховодов были установлены жалюзи. Затвор закрывается и открывается автоматически в зависимости от температуры воздуха (рис. 2). При высокой температуре воздуха его закрывают. В противном случае он открывается. Данные показывают, что после установки жалюзи тепло, поступающее в дорожное полотно в самый теплый месяц, вдвое меньше, чем без жалюзи. Жалюзи действительно улучшают охлаждающий эффект воздуховодов (Ю и др., 2003). 4.2. Мероприятия по регулированию теплоконвекции Сковородинская мерзлотная станция бывшего Всесоюзного института железнодорожного транспорта по результатам натурных наблюдений 1969 и 1970, указывает, что температура насыпей, сложенных из грубых пород, ниже, чем у других типов грунтов. Это явление можно объяснить эффектом Балча (Михайлов, 1971). Пористый каменный покров позволяет естественной конвекции зимой и обеспечивает стабильный слой изолирующего воздуха и затенения от солнца летом. В 1973 г. бывший Институт гляциологии и геокриологии Ланьчжоу Китайской академии наук построил экспериментальную насыпь из крупнозернистых пород (диаметром 0,3 м) длиной 2,7 м на участке вечной мерзлоты, богатом льдом, на угольной шахте Решуй в провинции Цинхай (рис. 3). В этой грубокаменной насыпи наблюдался явный охлаждающий эффект (Cheng and Tong, 1978; Ченг и др., 1981). В 1992 г. факультет машиностроения Университета Аляски в Фэрбенксе предложил серию компьютерных исследований теплового потока по методу

G. Cheng / Cold Regions Science and Technology 42 (2005) 169–176

173

Рис. 2. Вентилируемая набережная с автоматическими жалюзи для контроля температуры. Затвор открывается при низкой температуре воздуха и закрывается при высокой температуре воздуха.

конвекция в слое крупнопористой породы. В 1993, тестовая насыпь была построена в карьере Браунс-Хилл недалеко от Фэрбенкса. Результаты были чрезвычайно многообещающими, и они назвали эту насыпь конвективной насыпью Q (Геринг, 2003; Геринг и Кумар, 1996). Физикой охлаждающего действия, создаваемого крупными породами, является теория конвекции Рэлея-Бенара (Narasimhan, 1999). При естественных циклических колебаниях температуры воздуха грубообломочные породы выполняют роль тепловых полупроводников и охлаждают нижележащие грунты. Лабораторные испытания, полномасштабные полевые эксперименты по устройству насыпи и численное моделирование показали, что крупнозернистые породы могут использоваться в качестве насыпи насыпи и размещаться на боковых откосах для снижения температуры насыпи (Jiang et al., 2003; Lai et al., 2003; Ю и др., 2004). Широкой практикой при строительстве Цинхай-Тибетской железной дороги стало покрытие боковых откосов насыпи грубыми камнями (рис. 4), поскольку это эффективно и недорого.

Термосфоны, разработанные на основе принципа теплообмена путем естественной конвекции, являются очень эффективным средством охлаждения дорожного полотна. Термосфоны, используемые в районах вечной мерзлоты, были разработаны почти одновременно в 1950-х годах Гапеевым (1969) из бывшего Советского Союза и Лонгом (1966) из США. В 1970-х годах в Трансаляскинском нефтепроводе использовались термобатареи и успешно решалась проблема транспортировки горячей нефти по вечной мерзлоте. Первое известное использование термосфонов для сохранения вечной мерзлоты под железнодорожными насыпями было около 19 г. 84, как сообщается (Хейли, 1988; Эш, 1996). В последние годы Департамент транспорта Аляски экспериментировал со шпилечными термосфонами (Goering and Saboundjian, 2004), которые кажутся более подходящими для строительства дорог, чем вертикальные тепловые трубы, которые в настоящее время используются на Цинхай-Тибетской железной дороге.

Рис. 3. Экспериментальная насыпь из крупнозернистых пород в Решуй, провинция Цинхай.

Рис. 4. Защитный слой из крупнообломочных пород, уложенный на склонах Бейлухэ. Размер камня в диаметре: 5–8 см и 40–50 см.

174

G. Cheng / Cold Regions Science and Technology 42 (2005) 169–176

тяжелые грузы. Из-за связанной с этим высокой стоимости его следует применять только в теплых и богатых льдом районах вечной мерзлоты. Все различные упомянутые выше меры могут использоваться в сочетании для достижения цели охлаждения дорожного полотна.

5. Выводы

Рис. 5. Сухой мост на реке Циншуй.

4.3. Мероприятия по регулированию теплопроводности Торф обладает природной способностью сохранять вечную мерзлоту. Механизм заключается в том, что торф может быть полностью насыщен, а теплопроводность льда в четыре раза выше, чем у воды. Таким образом, мерзлый насыщенный торф имеет гораздо более высокую теплопроводность, чем немерзлый торф. В естественных условиях зимние теплопотери через мерзлый водонасыщенный торф значительно превышают летний приток тепла через немерзлый торф. Это приводит к различным температурам между поверхностью земли и поверхностью вечной мерзлоты. Это явление было названо bтепловым смещениемQ в Северной Америке (Гудрич, 1978) или bтемпературный сдвигQ в русской литературе (Кудрявцев и др., 1974). По данным Smith and Riseborough (2002), теплопроводность мерзлого насыщенного торфа может быть в три раза выше, чем у немерзлого насыщенного торфа. Термический сдвиг в районах со среднегодовой температурой воздуха 0°С может достигать 4°С. Значение для строительства железных дорог заключается в том, что материал, способный генерировать большие тепловые смещения, может использоваться для охлаждения дорожного полотна. Если такой материал обладает сильной несущей способностью, его можно укладывать в насыпь. В противном случае его можно разместить на боковых откосах. Следует также учитывать задернение, поскольку растительный покров может не только снизить температуру почвы, но и защитить боковые склоны от эолового воздействия и эрозии. Это также улучшает ландшафт железнодорожной среды. Сухие мосты (рис. 5) можно возводить для снижения температуры земли, поскольку они могут защищать землю от солнца и действовать как воздуховод. Он также может поддерживать

(1) Учитывая теплый и богатый льдом характер вечной мерзлоты плато и сценарии прогнозируемого потепления климата, стратегия сохранения вечной мерзлоты в ее замороженном состоянии должна перейти от реактивного к упреждающему подходу, который делает акцент на снижении температуры грунта и охлаждение дорожного полотна, особенно в районах с теплой и богатой льдом вечной мерзлотой. Пассивный метод предотвращения таяния вечной мерзлоты за счет простого повышения термического сопротивления уже не может быть использован при строительстве теплых и льдистых участков Цинхай-Тибетской железной дороги. (2) Можно принять ряд мер для снижения температуры почвы и противодействия эффекту потепления климата. Эти меры включают в себя: (1) правильный выбор материала и конфигурации дорожного полотна и (2) регулировку солнечного излучения, тепловой конвекции и теплопроводности в дорожном полотне и/или вокруг него.

Благодарности Автор искренне благодарит профессора Дунцин Ли и доктора Баолая Вана за редактирование английской версии статьи. Эта работа была поддержана грантом Программы инноваций знаний Китайской академии наук (грант № KZCX1-SW-04).

Ссылки Берг, Р.Л., Айткен, Г.В., 1973. Некоторые пассивные методы контроля геокриологических условий при строительстве дорог. Материалы доклада Северной Америки, 2-я Международная конференция по вечной мерзлоте, Якутск, СССР, стр. 581–59.6. Ченг Г.Д., Хе П., 2001. Линейное инженерное строительство в районах вечной мерзлоты. Журнал гляциологии и геокриологии 23 (3), 213 – 217 (на китайском языке).

G. Cheng / Cold Regions Science and Technology 42 (2005) 169–176 Cheng, G. D., Tong, B.L., 1978. Экспериментальные исследования насыпи в районе с массивным подземным льдом на нижнем пределе альпийской вечной мерзлоты. Материалы 3-й Международной конференции по вечной мерзлоте, вып. 2. Национальный исследовательский совет Канады, Оттава, стр. 19.9 – 222. Cheng, G.D., Tong, B.L., Luo, X.B., 1981. Две важные проблемы строительства насыпей над вечной мерзлотой, богатой льдом. Журнал гляциологии и криопедологии 3 (2), 6 – 11 (на китайском языке). Эш, округ Колумбия, 1983. Оценка экспериментальных проектных решений для строительства дорог над вечной мерзлотой. Материалы 4-й Международной конференции по вечной мерзлоте, вып. 1. National Academy Press, Фэрбенкс, Аляска, стр. 283–288. Эш, округ Колумбия, 1996. Проектирование дорог и аэродромов. В: Винсон Т. и др. (ред.), Монография ASCE/TCCRE: Дороги и аэродромы в холодных регионах (Раздел 5), стр. 121–149.. Фэн, В.Дж., 2002. Исследование применения каменной наброски и навеса для дорожного полотна в районах вечной мерзлоты Цинхай-Тибетского нагорья. Магистерская работа, Институт экологических и инженерных исследований холодных и засушливых регионов, Ланьчжоу, Китай (на китайском языке). Гапеев С.И., 1969. Укрепление многолетнемерзлых оснований охлаждением. Строительство. Литература, Ленинград, с. 104 (на русском языке). Геринг, Д.Дж., 2003. Пассивно охлаждаемые железнодорожные насыпи для использования в районах вечной мерзлоты. Журнал «Инженерия холодных регионов» 17 (3), 119– 133. Геринг Д.Дж., Кумар П., 1996. Конвекция в зимнее время на открытых насыпях. Cold Regions Science and Technology 24 (1), 57 – 74. Геринг, Д.Дж., Сабунджан, С., 2004. Проект пассивной системы охлаждения вечной мерзлоты для внутреннего дорожного полотна Аляски. Конференция по холодным регионам и строительству 2004 г., 16–19 мая 2004 г., ASCE/CSCE/IWCSEAA, Эдмонтон, Альберта, Канада. Гудрич, Л.Е., 1978. Некоторые результаты численного исследования тепловых режимов грунта. Материалы 3-й Международной конференции по вечной мерзлоте, вып. 1. Национальный исследовательский совет, Оттава, стр. 29.– 34. Hayley, D.W., 1988. Обслуживание железнодорожного полотна над вечной мерзлотой в Канаде. Материалы 5-й Международной конференции по вечной мерзлоте, Тронхейм, Норвегия, стр. 43–48. МГЭИК, 2001 г. Изменение климата, 2001 г.: Научная основа, Резюме для политиков и Техническое резюме отчета Рабочей группы 1. Издательство Кембриджского университета. Цзян Ф., Лю С., Ван Х.Г., Чен Х.З., 2003. Численный анализ теплопроводности и конвекции в насыпи из щебня на вечной мерзлоте. Наука в Китае, Серия D: Науки о Земле 33 (специальный выпуск), 133–144 (на китайском языке). Кондратьев В.Г., 19 лет96. Новые способы укрепления оснований дорожного полотна на сильномерзлых многолетнемерзлых грунтах. Труды Международного симпозиума по проектированию холодных регионов. Харбинский университет, Издательство промышленных технологий, Харбин, стр. 1 – 6. Кондратьев В.Г., Позин В.А., 2000. Введение в систему инженерно-геокриологического мониторинга строящейся железной дороги. Забтранс Полиграфический Комплекс, Чита, Россия, с. 84 (на русском языке). Кудрявцев В.А., Гарагула Л.С., Кондратьев В.Г., 1974. Основы геокриологии. Издательство МГУ, Москва (на русском языке).

175

Лай, Ю.М., Ли, Дж.Дж., Ниу, Ф.Дж., Ю, В.Б., 2003. Нелинейный тепловой анализ насыпи Цинхай-Тибетской железной дороги в холодных регионах. Journal Cold Regions Engineering 17 (4), 171 – 184. Лай, Ю.М., Ван, К.С., Ниу, Ф.Дж., Чжан, К.Х., 2004. Трехмерный нелинейный анализ температурных характеристик вентилируемой насыпи в районах вечной мерзлоты. Cold Regions Science and Technology 38, 165 – 184. Li, D.L., Guo, H., Wang, W., Wei, L., 2003. Влияние цикла солнечных пятен и концентрации CO2 на температуру воздуха вдоль Цинхай-Тибетской железной дороги. и его предсказание. Наука в Китае, Серия D: Науки о Земле 33 (специальный выпуск), 123–132 (на китайском языке). Лонг, Э.Л., 19 лет66. Длинная термобатарея. Труды Международной конференции по вечной мерзлоте. Лафайет, Индиана, Национальная академия наук США, Вашингтон, округ Колумбия, публикация 1287, стр. 487–491. Михайлов Г.П., 1971. Температурный режим насыпей из крупнообломочных пород на вечной мерзлоте. Транспортное строительство 12, 32 – 33. Нарасимхан, А., 1999. Конвекция Рэлея-Бенара: физика широко распространенного явления, резонанс. Journal of Science Education 4 (6), 82–90. Нельсон, Ф.Э., 2003. (Не)замороженный во времени. Наука 299, 1673 – 1675. Нельсон Ф.Э., Анисимов О.А., Шикломанов Н.И., 2001. Риск просадки от таяния вечной мерзлоты. Nature 410, 889 – 890. Ню, Ф.Дж., Ченг, Г.Д., Ю, К.Х., 2003. Исследование регулирования температуры грунта вентилируемой железнодорожной насыпи в районах вечной мерзлоты. Наука в Китае, Серия D: Науки о Земле 33 (специальный выпуск), 145–152 (на китайском языке). Никсон, Дж. Ф., 1978. Геотермальные аспекты конструкции вентилируемой площадки. Материалы 3-й Международной конференции по вечной мерзлоте, вып. 1. Национальный исследовательский совет Канады, Оттава, стр. 841–846. Цинь, Д. Х. (ред.), 2002 г. Оценка изменения окружающей среды в Западном Китае. Science Press, Пекин (на китайском языке). Шэн Ю., Чжан Дж. М., Лю Ю. З., Ву Дж. М., 2002a. Термический режим насыпи автомагистрали Цинхай-Тибет в районах вечной мерзлоты. Наука и технологии холодных регионов 35 (1), 35–44. Шэн Ю., Чжан Л. К., Ян К. С., Фанг Дж. Х., 2002b. Применение теплоизоляционных материалов при строительстве дорог в условиях вечной мерзлоты. Журнал гляциологии и геокриологии 24 (5), 618–622 (на китайском языке). Смит, М.В., Райзборо, Д.В., 2002. Климат и предел распространения вечной мерзлоты: зональный анализ. Вечная мерзлота и перигляциальные процессы 13 (1), 1 – 15. Су, Б., Ли, Н., Цюань, XJ, 2004. Численное исследование вентилируемой насыпи в районах вечной мерзлоты на Цинхай-Тибетской железной дороге. Наука и технологии холодных регионов 38, 229– 238. Третий железнодорожный проектно-изыскательский институт, 1994. Криолитостроительство. China Railway Press, Пекин (на китайском языке). Тонг, С.Дж., Ву, К.Б., 1996. Влияние потепления климата на шоссе Цинхай-Тибет, Китай. Cold Regions Science and Technology 24, 101 – 106. Wang, S.L., Mi, H.Z., 1993. Изменение вечной мерзлоты под дорожным полотном после строительства асфальтового покрытия вдоль шоссе Цинхай-Тибет. Журнал гляциологии и геокриологии 15 (4), 566–573 (на китайском языке).

176

G. Cheng / Cold Regions Science and Technology 42 (2005) 169–176

Wang, S.L., Zhao, X.F., Guo, DX, Huang, YZ, 1996. Реакция вечной мерзлоты на изменение климата на плато Цинхай-Сизан. Журнал гляциологии и геокриологии 18 (специальный выпуск), 157–165 (на китайском языке). Ву, К.Б., Лю, Ю.З., Чжан, Дж.М., 2002. Обзор недавних разработок мерзлых грунтов в районах вечной мерзлоты вдоль шоссе Цинхай-Тибет, Китай. Вечная мерзлота и перигляциальные процессы 13 (3), 199–205. Ву, К.Б., Ченг, Г.Д., Ма, В., 2003. Влияние изменения вечной мерзлоты на Цинхай-Тибетскую железную дорогу. Наука в Китае, Серия D: Науки о Земле 33 (специальный выпуск), 114–122 (на китайском языке). Ю, В.Б., Лай, Ю.М., Ниу, Ф.Дж.