Железные дороги в Арктике стимулировали развитие металлургической промышленности и открыли выходы к крупным портам для экспорта сырья. Но проектирование, строительство и эксплуатация железных дорог в условиях вечной мерзлоты — сложная задача. На Крайнем Севере необходимо учитывать тепловое взаимодействие железнодорожной инфраструктуры и грунтов оснований, что усложняет ее эксплуатацию. О том, как подружить железные дороги с вечной мерзлотой, — в нашем материале.
Почему таяние мерзлоты вредит полотну
Но даже в холодном регионе некоторые пространства, например, у озер и русел рек, заняты таликовыми зонами, где среднегодовая температура держится выше нуля.
Построить на таком участке железную дорогу и поддерживать ее в рабочем состоянии непросто. Одна из проблем — деформация железнодорожных путей. Она происходит из-за осадки насыпей, когда грунты тают, пучения и оползания откосов насыпей, неравномерного проседания на прилегающих к насыпи территориях длиной в десятки метров.
Появятся ли такие участки — зависит от природных факторов: есть ли сильнольдистые глинистые грунты в основании, были ли нарушены условия теплообмена между дорогой и основанием, ухудшался ли сток поверхностных или подземных вод вблизи насыпей.
Как строят железные дороги на Крайнем Севере
Важно поддерживать выбранное при строительстве состояние грунта. Если этого не сделать, придется постоянно проводить дополнительные работы, чтобы поддерживать устойчивость пути, использовать инженерные решения, чтобы обеспечить безопасность железной дороги. Так случилось в Норильске, где железную дорогу построили давно, без учета тренда на глобальное повышение температуры воздуха.
Когда климат меняется, усиливается осадка грунтов, развиваются геологические процессы. Например, на железнодорожном участке Норильск–Талнах идет подтопление и развитие термокарста — неравномерного проседания почв под водной поверхностью из-за вытаивания подземных льдов. Причина — высокие температуры мерзлых грунтов, сильнольдистые породы и глинистые грунты. Они вызывают скопление воды у поверхности. Усугубляет ситуацию и нарушение работы водопропускных сооружений.
Осадка — не единственная проблема железных дорог в условиях многолетней мерзлоты. Железнодорожное полотно может деформироваться из-за пучения грунтов. Эта проблема затрагивает земляное полотно в низких насыпях.
Если бы при строительстве удалось сократить протяженность трассы, проложить ее по участкам с минимальной осадкой, избежать мест опасных мерзлотных процессов, бессточных территорий, участков с подземными льдами и сильнопучинистых грунтов — все было бы в порядке. Но природные условия очень разнообразны, поэтому избежать проблем практически невозможно.
Предотвратить, а не исправлять
Заметить проблему, которая может привести к деформации, и вовремя ее устранить — самое простое и экономичное решение.
Если деформация уже происходит, нужно найти причину. Для этого мы проводим специальные работы:
- обрабатываем информацию об участке и данные мониторинга, ищем картографические материалы и доступные космоснимки, архивные материалы;
- проводим полевые работы на местности: маршрутные исследования, инженерно-геологические изыскания, установку датчиков локального мониторинга;
- обрабатываем данные в офисе: моделируем температурное состояние грунтов, делаем прогноз изменений мерзлотных условий в процессе эксплуатации дороги, предлагаем варианты инженерной защиты сооружения;
- разрабатываем проект по восстановлению участка дороги и проведению строительно-монтажных работ;
- организуем постоянные наблюдения (мониторинг).
Что можно сделать для инженерной защиты железной дороги:
- регулировать температурный и влажностный режим грунтов с помощью теплоизолирующих материалов и систем термостабилизации;
- создавать водопропускные сооружения.
Серьезные повреждения можно выявить заранее благодаря современным дистанционным методам мониторинга, например дистанционному зондированию земли со спутника.
Норильская железная дорога
Норильская железная дорога более 50 лет соединяет город-порт Дудинку и Талнах. Основная задача инженеров — обеспечить безопасность ее эксплуатации. Для этого нужна большая аналитическая работа: найти места, где чаще всего деформируются пути, и отремонтировать их.
Чтобы это сделать, нужно собрать информацию о современных мерзлотных условиях и обследовать аварийные участки, выявить причины деформации, разработать проект по их устранению, создать систему геотехнического мониторинга.
Постоянный мониторинг и защита путей от разрушающего воздействия мерзлотных процессов нужны для бесперебойной работы железной дороги. Среди инструментов мониторинга: систематический контроль, анализ, оценка и прогноз изменения мерзлотных условий для обнаружения и подавления криогенных процессов и явлений.
У специалистов «Норникеля» уже есть опыт создания такой системы мониторинга. С помощью инновационной IT-инфраструктуры (информационно-диагностической системы Заполярного филиала) для сбора и обработки данных наблюдают за состоянием зданий и сооружений компании. В эту систему можно интегрировать и мониторинг железной дороги, если привлечь к работе специалистов научных организаций и вузов.
Забота о железной дороге по науке
«Норникель» и Заполярный государственный университет уже создали систему фонового мониторинга, которая позволит получать данные, недоступные для геотехнического мониторинга и важные для эксплуатации железной дороги в том числе.
На помощь человеку приходят цифровые технологии. Благодаря им можно на ранних стадиях обнаружить признаки деформации на сложных участках железной дороги.
Среди таких технологий — космоснимки разных лет, которые помогают оценить динамику негативных процессов, новые полевые методы работы и комплекс геофизических методов, чтобы сократить дорогостоящие буровые работы.
Чтобы оценить устойчивость насыпи, специалисты проводят геотермические измерения в скважинах, лазерное сканирование, съёмки с БПЛА и даже дистанционное зондирование Земли для мониторинга деформаций. Когда обследования проведены и данные получены, в специальных программах строятся трехмерные модели объектов и геологической среды, проводится математическое моделирование и строится прогноз.
Для эффективного строительства и эксплуатации железных дорог в условиях многолетней мерзлоты нужно создавать испытательные полигоны. Они помогают решать трудности, проводить опытно-промышленные испытания новых технологий, прогнозировать и предотвращать проблемы. «Норникель» и Заполярный государственный университет уже начали создавать такие полигоны.
Статья написана при поддержке кандидата геолого-минералогических наук Павла Игоревича Котова, руководителя Научно-исследовательского центра технологий строительства и мониторинга состояния зданий и сооружений на северных арктических территориях ЗГУ им. Н. М. Федоровского.