Строители крупной автомагистрали вспомнили о старых советских разработках
Строящаяся автомагистраль М-11 «Москва—Санкт-Петербург» примечательна не только своим масштабом и техническими характеристиками, но и тем, что в ходе ее строительства применяются самые разнообразные технологии. Так, в Тверской и Новгородской областях трасса проходит по болотистым участкам, на которых необходимо провести усиление грунтов. Сложные геологические условия не всегда позволяют применить стандартные технологии, и в этом случае на помощь строителям приходит наука, предлагая порой весьма оригинальные решения. Так, сотрудники Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС) усилили основание насыпи одного из мостов трассы песчаными дренами, изготовленными с применением буровзрывной технологии.
Разведка на болотах
Наиболее распространенными методами укрепления основания при строительстве дороги являются выторфовка и устройство свайных полей с гибким ростверком. Первый метод представляет собой обычное замещение грунта. Однако он может быть использован при глубине залегания слабых грунтов не более 6 м.
Применение свай также имеет свои ограничения. Так, например, не удалось сформировать свайное поле на подходах к мосту через реку Коломенку, что протекает в Бологовском районе Тверской области. Здесь было запроектировано однопролетное сооружение с подходными насыпями высотой до 5 м. На первый взгляд, размеры этого сооружения довольно скромные: строительная площадка располагается на территории длиной 300 м и шириной 64 м, но проблема, с которой столкнулись строители, оказалась весьма серьезной. Ее суть заключалась в том, что опытные сваи при их забивке под мостовую опору погрузились на большую глубину, чем это предписано проектом, то есть, проще говоря, стали проваливаться. Оказалось, что мощность заторфованных грунтов на этом участке достигает 18 м, а ниже залегает толща слабых грунтов мощностью от 17 до 20 м, представленная текучими суглинками и глинами. Итого расстояние от поверхности до прочных несущих грунтов основания составило 38 м. Это означало, что устройство свайного поля на этом участке невозможно.
В связи с этим проектировщики приняли решение передвинуть русло реки, а мост построить на 150 м дальше. Однако оставалась нерешенной проблема создания подходной насыпи к мосту на участке, где ранее протекала река. Как только строители приступали к выполнению работ, земляное полотно теряло устойчивость, а грунт выдавливался за пределы дорожной насыпи. К решению задачи подключились сотрудники кафедры «Основания и фундаменты» ПГУПС. Они разработали технический регламент и занялись реализацией работ по усилению основания насыпи. Работы выполнялись под общим научным руководством заведующего кафедрой, доктора технических наук, профессора, лауреата Государственной премии РФ Владимира Улицкого, ответственным исполнителем стала кандидат технических наук, доцент Елена Городнова. Кроме того, в работе были задействованы специалисты минерально-сырьевого университета «Горный».
Подземная артподготовка
Ученые решили применить на проблемном участке буровзрывную технологию усиления грунта. «Тема стабилизации основания при помощи взрывов не нова, например, я, будучи аспирантом, разрабатывал идею устройства свай при помощи артиллерийских систем, — рассказывает Владимир Улицкий. — В теории после выстрела снаряд должен был доходить до слоя плотной морены, отжимая по пути воду из грунта и заодно его уплотняя. В образовавшуюся скважину затем нужно было опустить каркас и забетонировать полость. На практике оставалось много нерешенных вопросов, и эта разработка дальше идеи не пошла. Но принцип оказался верным, и потом вместо взрывов мы успешно использовали энергию высоковольтных разрядов».
Буровзрывная технология уже проходила апробацию. В последний раз метод применялся в 1987 году при сооружении водозащитных сооружений Ленинграда в составе земляной дамбы. Кроме того, известен и опыт применения технологии за рубежом. Например, ее использовали польские инженеры при строительстве автомобильных магистралей. Сложные геологические условия трассы М-11 позволили вновь применить данную технологию после длительного перерыва и дать новый импульс развитию метода.
Перед учеными стояла задача с помощью буровзрывной технологии сформировать вертикальные песчаные дрены, ускоряющие консолидацию торфов и слабых текучих грунтов, а также уплотнить рыхлые пески, из которых формировалось основание дорожной насыпи.
Принцип этой технологии несложен. На обозначенном участке пробуриваются скважины, в которые закладывается взрывчатка. Энергия взрывной волны вытесняет водонасыщенные слабые глинистые грунты и уплотняет рыхлые песчаные разности. После взрыва в грунте образуются полости, которые необходимо заполнить песком.
Тем самым формируются песчаные дрены, которые ускоряют процесс мелиорации грунтов. После выполнения серии взрывов основание земполотна дает осадку, которая достигает максимальных значений именно в период производства работ. Таким образом предотвращается развитие дальнейших осадок выше предельно допустимых значений, что очень важно для дорог высокой технической категории.
Теория и практика
Помимо решения практической задачи — усиления основания на конкретном объекте — ученые выполнили комплекс научно-исследовательских работ, результаты которых позволят в будущем шире применять буровзрывную технологию в новых проектах.
«Традиционно этот способ заключается во взрывании удлиненного заряда на всю глубину камуфлетной скважины с заданным шагом, — поясняет Елена Городнова. — В этой работе мы применили различные длины зарядов, как по всей глубине, так и непосредственно в толще слабых грунтов. Также, в зависимости от предполагаемых нагрузок, варьировалась сетка расположения шага скважин. Результаты использования различной сетки контролировались геодезическими наблюдениями за осадками марок».
Перед началом бурения скважин специалистам пришлось выполнить геологические изыскания: дополнительно уточнялось геологическое строение территории под проектируемой насыпью, уточнялись инженерно-геологические разрезы и свойства слагающих его грунтов. Контроль изменения плотности сложения и влажности массива грунта выполнялся в процессе ведения буровзрывных работ посредством геофизических методов, которые включали электроразведку, сейсморазведку, георадиолокационное профилирование. Именно они позволили подтвердить факт стабилизации грунтового основания и продемонстрировать динамику этого процесса. Кроме того, для определения изменения порового давления в толще песчано-глинистых грунтов каждая из четырех измерительных скважин была оборудована несколькими датчиками гидростатического давления, которые устанавливались в разных геологических слоях. Выполненные исследования и расчеты подтвердили эффективность буровзрывного метода для уплотнения обводненных рыхлых несвязных грунтов.
Кроме того
Буровзрывные технологии — не единственный способ стабилизации слабых оснований на трассе М-11. «Помимо микровзрывов, здесь применялось импульсное динамическое уплотнение, глубинное смешивание, устройство щебеночных свай и ряд других технологий, — комментирует заместитель директора департамента проектирования, технической политики и инновационных технологий Госкомпании «Автодор» Сергей Ильин. — Когда здесь начнется движение, мы организуем мониторинг транспортноэксплуатационных показателей трассы. Это позволит оценить, как каждая технология влияет на состояние дорожного покрытия, мы также проанализируем стоимостные показатели. В результате сможем определить оптимальные технические решения в области стабилизации грунтов».
Справочно
Автомобильная дорога М-11 — скоростная автомагистраль между Москвой и Санкт-Петербургом. Общая протяженность составит 684 км. Начиная от Москвы, трасса пройдет по Московской области (90 км), Тверской области (253 км), Новгородской области (233 км) и Ленинградской области (75 км) до Санкт-Петербурга. Дорога относится к категории 1А и будет иметь от двух до пяти полос в каждую сторону и расчетную скорость движения 150 км/ч. На ее протяжении будет возведено сто мостовых сооружений, а также построен ряд транспортных развязок. Ввод в эксплуатацию скоростной автотрассы планируется в 2018 году. Предполагается, что М-11 станет одной из первых крупных платных автодорог в России.
Номер публикации: №34 от 01.09.2017